激光击穿光谱技术的原理与进展

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1、LIBS的原理与进展安徽师范大学物理与电子信息学院基本概念LIBS?激光诱导击穿光谱(LIBS)是以激光产生的等离子体作为原子化器与原子的激发源的原子发射光谱(AES)方法。LIBS的测量基本过程：脉冲激光投射于目标样品，通过烧蚀与形成离子体，用透镜等光学元件收集等离子体的发光，并从光谱分析中获取元素成分或浓度信息。由发射线的位置与强度完成元素的定性或定量的分析。激光诱导等离子体(LIP)在LIBS中占据核心地位。由于等离子体的形成是激光电场对介质击穿的结果，人们称为激光诱导击穿光谱(LIBS)。LIBS的特点特点：——对固体、液体、气体和气溶胶都有很好的

2、取样分析能力；——具有快速的元素分析能力，对分析样品不需或只要稍作预处理，从而增加了检测通量，也更加方便和减少了污染发生的机会；——取样量很少，一般是数十ng至数百g。对样品不会产生实质性损损伤；——能分析难以溶解与分解的坚硬物质，如陶瓷与超导体；——局域的微区分析提供~1-100m的空间分辨能力；——具有多元素同时分析能力；能分析包括C,H,Li,B及Be的轻元素(Z<12)；——具有远程的分析能力。LIBS本质上是全光型技术，只要能对材料光学访问就可进行分析；——具有潜在的直接检测气溶胶(气体介质中的固体或液体粒子)能力。不足：——成本与系统复杂性

3、的增加；——难以获得适当的分析标准(半定量)；——干涉的影响(包括基体干涉，气溶胶干涉，粒子尺度的干涉)；——检测限不像解决技术问题那样容易建立；——精度差，一般为5-10%；——受高能激光脉冲的眼损伤的可能。LIBS分析条件满足LIP中的热平衡条件在热平衡下，①因电子碰撞激发的原子数等于激发原子的碰撞消激发数，②原子的碰撞电离数等于撞击粒子间的复合数，和③辐射等于吸收。由于脉冲激光等离子体是瞬态的，难于建立完全热平衡。然而，激光等离子体具有很高的电子密度，等离子体将进入局部热平衡(LTE)状态。LTE假定，原子和离子在能级上的布居由电子的碰撞所决定，而将

4、辐射的作用忽略。为了要实现LTE，需有足够高的电子密度，而辐射作用很弱。LTE适用的条件为112/133N810Tcmeemaxmax是原子或离子的最大电离能LIP中的电子密度等离子体中由电子产生的电场干扰单个离子的能级，使受激能级出现展宽，光谱线宽度是电子密度的函数。根据原子间相互作用能，谱线宽度：nC/rn氢及类氢离子n=2，线性斯塔克展宽；氦及其它原子n=4，平方斯塔克展宽：4/1nene3/1ne2/12w165.3A161BNDw16101010B是常数，对离子与中性谱线分别为

5、1.2或7.5。N是为德拜球体内的粒D子数，w与A分别是电子碰撞参数(或称半宽)与离子展宽参数。2/39TN.17210D2/1ne在典型LIBS条件下，离子的贡献可以忽略，上式变为ne2w2/11610LIP的电子温度在等离子体局部热平衡LTE情况下，相同原子的两条谱线的强度IAg1111exp12IAgkT2222B取对数，画出一条拟合直线，称Boltzmannplot，其斜率即电子温度。通常，利用iron的丰富的发射谱线来高精度地确定温度，例：Cu、Al、Ni金属基体，各掺入5wt.%iron元素，

6、用FeII33条谱线。实验条件：Nd:YAG激光基波；脉宽4.5ns；单脉冲能量100mJ；脉冲重复频率20Hz；样品置于大气压空气中。LIP光谱的特征激光等离子体是一种高温体系，一切物质都可被熔化并分解成原子及离子，将发射异常丰富的各种可能光谱线，其特征：1、很强的时间相关的连续背景；2、谱线宽度存在附加增宽——斯塔克增宽3、离子谱线与原子谱线强度以不同的速率增长与衰减。LIP典型系统光谱的特征举例例：调QNd:YAG脉冲激光的基波1.06mm，固体样品Al含Mg元素，样品放置于充30hpa氩气作缓冲气的气室内，监测MgI在470.30nm附近的发射光谱

7、线，实验方法典型系统典型远程系统平面光栅光谱仪中阶梯光栅光谱仪利用交叉色数，光谱仪具有高分辨率与色散率，且体积较小，是便携式LIBS中优先采用对象。一个用于宽带样品分析的中阶梯光栅的光谱仪，光谱范围通常190——800nm。/2500~10000等离子体成像不同元素，LIBS信号的收集最佳区域往往是不同的，它随不同的样品与基体、激光参数、以及大气条件而变化。使用可调谐滤波器对LIBS进行时间分辨成像信号增强方法LIBS的双脉冲激发共线，两束激光脉冲沿相同的入射线路，聚焦到样品表面。第一脉冲烧蚀、引发等离子体。经延迟，第二脉冲聚焦进入等离子体，完善等

8、离子体品质。正交，一束光垂直入射表面，另一束水平地入射到同一点提高