激光诱导击穿光谱技术

1.激光诱导击穿光谱技术（LIBS）简介

激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy )简称为LIBS，是由美国 Los Alamos 国家实验室的 David Cremers 研究小组于1962年提出和实现的。自从1962年该小组成员Brech最先提出了用红宝石微波激射器来诱导产生等离子体的光谱化学方法之后，激光诱导击穿光谱技术开始被广泛应用于多个领域，如钢铁成分在线分析、宇宙探索、环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析，以及美国NASA的火星探测计划CHEMCAM等，并且开发出了许多基于LIPS技术的小型化在线检测系统。

2.LIBS发展概况

自1960年世界上第一台红宝石激光器问世，两年后Brech和Cross就实现了固体样品表面的激光诱导等离子体，开启了LIBS技术的历程。1963年，调Q激光器的发明大大促进了LIBS技术的发展，这种激光器的单个短脉冲具有极高的功率密度，足以产生光谱分析所需的激光等离子体。因此调Q激光器的发明被称为LIBS技术诞生的标志。1965年Zel’dovich and Raizer把LIBS技术的应用延伸到气体样品。70年代初，Jarrell-Ash和Carl Zeiss制造了世界上第一台工业应用LIBS设备，需要说明的是，这套LIBS设备中，短脉冲激光用于烧蚀样品，然后用电弧激发样品。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)曾致力于LIBS分析技术的机理研究和应用，在1987年将其应用于乏燃料后处理工艺中铀浓度分析。在八十年代，LIBS被应用于液体样品以及分析土壤中的金属及污染物。德国卡尔斯鲁厄核中心从上世纪90年代初开始，致力于将LIBS应用于高放废液玻璃固化工艺控制分析，获得巨大成功，随后模拟高放废液玻璃固化体中27种元素的实时定量分析。意大利国家原子分子物理研究所A.CIUCCI和M.CORSI等提出了一种无需“校准曲线”的LIPS定量化分析技术—CF-LIBS，进一步发展了LIBS技术在定量分析中的应用。S.Palanco和J.J.Laserna利用多元线性回归法来定量分析物质成分含量，以消除基体效应的影响，获得很好的效果。

3 LIBS基本原理

脉冲激光束经透镜会聚后辐照在固体靶的表面，激光传递给靶材的能量大于热扩散和热辐射带来的能量损失，能量在靶表面聚集，当能量密度超过靶材的电离阈值时，即可在靶材表面形成等离子体，具体表现为强烈的火花，并伴随有响声。激光诱导的等离子体温度很高，通常在10000K以上，等离子体中含有大量激发态的原子、单重和多重电离的离子以及自由电子，处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的光辐射，用高灵敏度的光谱仪对这些光辐射进行探测和光谱分析分析，就可以得到被测样品的成分、含量等信息。通常经过聚焦后的激光功率密度达到GW/cm²量级，光斑处物质蒸发、气化和原子化后电离，形成高温、高压和高电子密度的等离子体。

4.激光诱导击穿光谱仪实验装置

激光诱导击穿光谱的实验装置系统主要是由激光器、真空室、光谱仪和PC机组成。

激光诱导击穿光谱系统示意图