通過(guò)超敏感emICCD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有納秒和皮秒時(shí)間分辨率的高精度LIBS

“PI-MAX4：1024EMB emICCD攝像機(jī)將圖像增強(qiáng)器的快速門(mén)控功能與背照式，幀傳輸1024 x 1024EMCCD檢測(cè)器的出色線性度無(wú)縫結(jié)合”

介紹

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)被認(rèn)為是氣體，固體和液體中痕量元素分析的方便和有效的分析技術(shù)之一。無(wú)創(chuàng)和無(wú)損LIBS都需要很少的樣品制備，并且可以在實(shí)驗(yàn)室或?qū)崟r(shí)的危險(xiǎn)工業(yè)環(huán)境中輕松實(shí)施。遠(yuǎn)程測(cè)量可以從超過(guò)50米的距離完成。

在LIBS期間，通常但并非始終，通過(guò)Nd：YAG激光器在1064nm處產(chǎn)生的短激光脈沖聚焦在樣品上(參見(jiàn)圖1)。激光能量加熱，蒸發(fā)，霧化和電離目標(biāo)材料，產(chǎn)生小面積的等離子體。等離子體中激發(fā)的原子和離子發(fā)射二次光，其通過(guò)光譜儀收集和解析并且被引導(dǎo)到高速，高靈敏度的光電檢測(cè)器。每個(gè)化學(xué)元素都具有獨(dú)特的光譜特征，可從所獲得的光譜中辨別。結(jié)果，可以立即測(cè)定樣品的多元素組成。

圖1由紅色箭頭表示的短激光脈沖方向和持續(xù)時(shí)間聚焦在固體樣品上

少量材料發(fā)生分解，發(fā)生局部加熱，高壓蒸氣的膨脹產(chǎn)生超音速?zèng)_擊波：自由電子(e-)，離子物質(zhì)(i)，原子物質(zhì)(a)，分子物質(zhì) )，激發(fā)物種(*)

改編自J.Braz. Chem.Soc.，Vol. 18，No.3,463-512,2007

為了滿足LIBS對(duì)高分辨率和寬波長(zhǎng)范圍的競(jìng)爭(zhēng)要求，推薦使用梯形光譜儀。與Czerny-Turner和Littrow光譜儀不同，電子光譜儀使用兩個(gè)色散元件，通常是棱鏡和光柵。因此，光譜不僅在x方向上而且在y方向上被劃分。該組件的主要優(yōu)點(diǎn)是使用了整個(gè)二維檢測(cè)陣列，并且以高分辨率捕獲全譜，而不僅僅是小區(qū)域。

在可以使用相對(duì)低功率激光的LIBS應(yīng)用中，較不強(qiáng)烈的背景連續(xù)譜發(fā)射意味著具有高速機(jī)械斬波器的常規(guī)CCD相機(jī)提供了合適的成像解決方案。然而，在需要大功率，短持續(xù)時(shí)間的激光脈沖(即，單個(gè)激光脈沖持續(xù)到毫秒，10-15至10-9秒)的LIBS應(yīng)用中，只有較少量的激光能量轉(zhuǎn)移到例子。這種短時(shí)間脈沖在連續(xù)體上產(chǎn)生弱發(fā)射信號(hào)，這對(duì)于常規(guī)CCD照相機(jī)來(lái)說(shuō)是非常困難的，甚至是不可能的，以獲得良好的信噪比(S / N)比 - 這就是為什么門(mén)控強(qiáng)化CCD (ICCD)相機(jī)被廣泛用于執(zhí)行LIBS。

對(duì)于ICCD攝像機(jī)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍不足的挑戰(zhàn)性應(yīng)用，建議使用emICCD攝像機(jī)。本文檔介紹了從普林斯頓儀器(與柏林Lasertechnik公司或LTB公司合作開(kāi)發(fā)的電子光譜儀一起使用)的新型emICCD相機(jī)的性能提升的數(shù)據(jù)，可為納秒和皮秒時(shí)間尺度上要求苛刻的LIBS應(yīng)用提供超高靈敏度。

普林斯頓儀器公司的新型emICCD相機(jī)技術(shù)通過(guò)將圖像增強(qiáng)器光纖耦合到背照式電子倍增CCD(EMCCD)檢測(cè)器來(lái)克服ICCD靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍限制。雙增益控制通過(guò)調(diào)節(jié)增強(qiáng)器和EMCCD增益來(lái)優(yōu)化emICCD相機(jī)的性能，從而允許更好的線性度和動(dòng)態(tài)范圍(隨后增加S / N比)。

實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)場(chǎng)所的LIBS設(shè)置依賴于緊湊，相對(duì)便宜的科學(xué)儀器。 圖2是典型的LIBS設(shè)置的圖，其包括脈沖激光器，反射鏡，聚焦透鏡，樣品保持器/腔室，收集光學(xué)器件，光纖，電子光譜儀，門(mén)控ICCD相機(jī)和計(jì)算機(jī)( 未示出)。

圖2 典型的LIBS設(shè)置

以下部分中提出的LIBS光譜在Lasertechnik Berlin的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中采用了類(lèi)似于圖2所示的設(shè)置。柏林的實(shí)驗(yàn)裝置包括與PI-MAX4：1024EMB相配的LTB ARYELLE 200電子光譜儀 來(lái)自普林斯頓儀器公司的emICCD攝像機(jī)配置了一個(gè)光學(xué)光耦合到背照式，幀傳輸EMCCD檢測(cè)器的超紅色圖像增強(qiáng)器。 參見(jiàn)圖3。

圖3普林斯頓儀器PI-MAX4：1024EMB emICCD攝像機(jī)與Lasertechnik Berlin的ARYELLE 200電梯光譜儀配對(duì)。

光譜和觀察

圖4示出了使用與ARYELLE 200梯形圖光譜儀配合的PI-MAX4：1024EMB emICCD照相機(jī)獲得的固體樣品(即不銹鋼402)的LIBS光譜。

通過(guò)使用梯形光譜儀在x方向和y方向上分割光譜，可以利用電荷耦合器件的整個(gè)1024 x 1024檢測(cè)陣列來(lái)捕獲全譜，與ARYELLE 200的光譜分辨率相匹配 。

圖4使用PI-MAX4：通過(guò)LIBS采集的全系列402不銹鋼：與ARYELLE 200 echelle光譜儀配對(duì)的1024EMB emICCD攝像機(jī)

數(shù)據(jù)由Lasertechnik Berlin提供

圖5比較了使用與emICCD相機(jī)(使用金線渲染的光譜)和標(biāo)準(zhǔn)ICCD相機(jī)(使用藍(lán)線渲染的光譜)配對(duì)的LTB光譜儀獲得的402不銹鋼的LIBS光譜。

圖5使用emICCD相機(jī)(金線)和標(biāo)準(zhǔn)ICCD相機(jī)(藍(lán)線)獲取的LIBS光譜與電子光譜儀配對(duì)

數(shù)據(jù)由Lasertechnik Berlin提供，使用LTB的Sophi軟件創(chuàng)建二維圖

emICCD攝像機(jī)(PI-MAX4：1024EMB)配有超紅色增強(qiáng)器，而標(biāo)準(zhǔn)ICCD攝像機(jī)(PI-MAX4：1024f)配有紅藍(lán)色增強(qiáng)器。具有雙增益機(jī)制的emICCD攝像機(jī)被觀察到?3x?5x更敏感。如果兩臺(tái)相機(jī)使用相同的超紅色增強(qiáng)器，預(yù)計(jì)在200nm至900nm的整個(gè)光譜范圍內(nèi)，emICCD相機(jī)的靈敏度將比標(biāo)準(zhǔn)ICCD相機(jī)高出約3倍。固體樣品，百萬(wàn)像素檢測(cè)器陣列尺寸，增強(qiáng)器門(mén)/延遲時(shí)間，激光激發(fā)波長(zhǎng)和其他關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同。

圖6和圖7分別更詳細(xì)地分析了UV和NIR區(qū)域的這些光譜。由于使用了具有電子倍增檢測(cè)技術(shù)的CCD，與標(biāo)準(zhǔn)門(mén)控ICCD相機(jī)相比，emICCD相機(jī)系統(tǒng)清晰地顯示了感興趣的光譜區(qū)域的卓越靈敏度和分辨率。

圖6 UV區(qū)域中的LIBS光譜的特寫(xiě)：emICCD相機(jī)(金線)和標(biāo)準(zhǔn)ICCD相機(jī)(藍(lán)線)與電子表格光譜儀配對(duì)

數(shù)據(jù)由Lasertechnik Berlin提供，使用LTB的Sophi軟件創(chuàng)建二維圖

圖7近紅外光譜中的LIBS光譜的特寫(xiě)：emicCD相機(jī)(金線)和標(biāo)準(zhǔn)ICCD相機(jī)(藍(lán)線)與電子光譜儀配對(duì)

數(shù)據(jù)由Lasertechnik Berlin提供，使用LTB的Sophi軟件創(chuàng)建二維圖

啟用技術(shù)

PI-MAX4：1024EMB emICCD相機(jī)將圖像增強(qiáng)器的快速門(mén)控功能和背照式，幀傳輸，1024 x 1024 EMCCD檢測(cè)器的較好線性無(wú)縫組合，以提供定量，超高靈敏度的性能LIBS應(yīng)用程序在納秒和皮秒的時(shí)間尺度上執(zhí)行。

這種光纖粘合的普林斯頓儀器PI-MAX?4攝像機(jī)系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)快門(mén)增強(qiáng)器提供<500 psec柵極寬度，同時(shí)保持量子效率。其集成的SuperSynchro定時(shí)發(fā)生器允許攝像機(jī)用戶在GUI軟件控制下設(shè)置門(mén)脈沖寬度和延遲，并顯著降低固有的插入延遲(?27 ns)。

使用最新版本的Princeton Instruments的LightField?數(shù)據(jù)采集軟件(可選)可以完全控制所有PI-MAX4：1024EMB硬件功能。通過(guò)非常直觀的LightField用戶界面提供精密增壓門(mén)控控制和門(mén)延遲，以及大量用于輕松捕獲和導(dǎo)出光譜數(shù)據(jù)的新功能。

PI-MAX4：1024EMB使用高帶寬(125 MB /秒或1000 Mbps)的GigE數(shù)據(jù)接口，為攝像機(jī)用戶提供實(shí)時(shí)圖像傳輸。該接口支持距離超過(guò)50米的遠(yuǎn)程操作。

概要

激光誘導(dǎo)擊穿光譜通常需要很少的樣品制備，并且在危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境中實(shí)時(shí)地易于進(jìn)行。因此，這是一個(gè)非常有吸引力的分析工具。 LIBS應(yīng)用程序用于許多不同領(lǐng)域。受益于LIBS的領(lǐng)域包括地質(zhì)學(xué)，采礦，建筑，行星探索，環(huán)境監(jiān)測(cè)，生物樣品分析，考古學(xué)，建筑學(xué)，軍事/國(guó)防，法醫(yī)學(xué)，燃燒過(guò)程，金屬工業(yè)和核工業(yè)。

來(lái)自普林斯頓儀器公司的獨(dú)特PI-MAX4 emICCD攝像機(jī)為納秒級(jí)和皮秒級(jí)的超高靈敏度LIBS應(yīng)用提供了高性能，高性價(jià)比和用戶友好的解決方案。所有與儀器相關(guān)的功能都通過(guò)軟件完全控制，包括定量算法以及復(fù)雜自動(dòng)測(cè)量任務(wù)的腳本語(yǔ)言。

審核編輯 黃宇