LIBS 的工作原理

　　激光弧光光譜（LASS）、激光誘導等離子光譜（LIPS）或者更常見的叫法激光誘導擊穿光譜（LIBS）是一種原子發射光譜，它使用脈衝(chong) 激光器作為(wei) 激發源。它的基本原理請參見下麵的示意圖。脈衝(chong) 激光器 ( 比如調Q的Nd:YAG激光器 ) 的輸出激光脈衝(chong) 被聚焦到被測物體(ti) 的表麵。僅(jin) 使用小型激光器和簡單的聚焦透鏡，就可以在激光脈衝(chong) 的持續時間內(nei) （典型值是10ns）使被測材料表麵的激光功率密度超過1GW/cm2。

LIBS 原理示意圖

　　在如此之高的激光功率密度作用下，被測材料表麵就會(hui) 有幾微克的物質被噴射出來，這個(ge) 過程通常被稱為(wei) 激光剝離，同時材料表麵還會(hui) 產(chan) 生壽命很短但亮度很高的等離子體(ti) ，其瞬間溫度可達10,000oC 。在這個(ge) 熱等離子體(ti) 中，噴射出來的物質離解成激發態的原子和離子。在激光脈衝(chong) 結束後，由於(yu) 等離子體(ti) 以超音速向向外擴展所以迅速地冷卻下來。在這段時間內(nei) ，處於(yu) 激發態的原子和離子從(cong) 高能態躍遷到低能態，並發射出具有特定波長的光輻射。用高靈敏度的光譜儀(yi) 對這些光輻射進行探測和光譜分析分析，就可以得到被測材料的元素構成信息。

　　在測量時要使用帶門控的探測器來記錄激光脈衝(chong) 延遲一段時間後所產(chan) 生的激光等離子體(ti) 的光輻射，這是由於(yu) 隻有在等離子體(ti) 已經膨脹並開始冷卻時才會(hui) 出現原子或者離子的特征輻射譜線。從(cong) 下麵的光譜圖中展示了在不同的探測器采樣時間延遲下得到的锝的特征輻射譜線，從(cong) 中可以看出在快門延遲10微秒時得到的譜線強度最大。

對任何材料的真正無損檢測

　　由於(yu) 在測量過程中隻消耗極微小的一部分材料，所以LIBS技術可以說是真正意義(yi) 上的無損檢測。由於(yu) 入射到樣品上的平均功率還不到1W，所以激光對樣品的加熱效應基本上可以忽略不計。從(cong) 理論上講，利用LIBS技術可以對任何材料進行元素分析，不論它是什麽(me) 物理狀態：固態、液態、氣態和各種混合物如煤泥、泥漿、礦石、廢料、汙水等都曾經被成功地分析過。

固體(ti) 、氣體(ti) 和液體(ti) 的 LIBS 分析

遠程分析能力

　　由於(yu) LIBS技術實質上是一個(ge) 全光學的技術，隻需用光接觸被測樣品即可完成分析。所以LIBS技術可以用來進行遠程分析。通常可以使用一個(ge) 望遠鏡係統在10米遠處進行分析，或者使用光纖探頭在100米外進行分析。這個(ge) 特點使得LIBS技術特別適合對危險或高溫材料進行分析，或在非常惡劣的環境中使用。

無需樣品預處理

　　LIBS技術可以直接對材料進行分析，而不需要對材料做任何預處理。 但如果樣品表麵塗覆有其他物質（比如氧化的或者塗層的鋼材）時，則要用激光先把樣品表麵的塗層清理幹淨，把下麵的被測材料暴露出來，才能對樣品做分析。激光清除過程的效率取決(jue) 於(yu) 所要清除的材料種類以及所激光能量。通常對於(yu) 幾百微米厚的氧化物、油汙或者塗層，使用一個(ge) 小巧的低功率激光器就可以很快清除幹淨。此外，激光等離子體(ti) 產(chan) 生的超聲震波對去除半流體(ti) 或者粘滯性汙物有非常好的效果。例如，利用 LIBS技術可以分析表麵裹有幾厘米厚的氫氧化鎂礦泥的金屬。

定量分析微量元素

　　對LIBS係統進行定標後就可以對基體(ti) 材料中的微量元素進行定量分析，比如分析鋼材中的鉻、鋁合金中的鎂、玻璃中的鐵、硫酸銅中的銅等。定標時要使用經過鑒定的樣品材料，這個(ge) 樣品材料與(yu) 被測材料具有相同的基體(ti) ，但含有不同含量的被分析元素。在分析時通常采用所謂的“內(nei) 部標準化”的過程，即把被分析元素的譜線強度和基體(ti) 材料的譜線強度進行比較，這樣就可以減少由於(yu) 激光的脈衝(chong) - 脈衝(chong) 能量不一致性所導致的等離子體(ti) 條件變化對測量結果的影響。要想得到好的分析結果就要對LIBS的硬件進行仔細的設計並采用合適的測量方法。LIBS係統測量的靈敏度與(yu) 許多因素有關(guan) ：被分析物和基體(ti) 材料的結合方式， LIBS係統和被測樣品的距離，以及是否需要遙測等。LIBS係統測量結果的正確性可優(you) 於(yu) 10% ，精度可優(you) 於(yu) 5%。不同元素的典型檢測限請參閱下麵的元素周期表。

測量速度快，非接觸測量

　　在許多情況下，隻用一個(ge) 激光脈衝(chong) 就可以進行樣品分析，所以LIBS係統能夠非常快速地對大量樣品進行快速分析。再加上可以非接觸測量的特點，使得LIBS係統在廢金屬、合金和塑料回收工業(ye) 中就顯得非常重要，此時大量的被測樣品在傳(chuan) 送帶上飛速移動，需要測量係統的測量速度要非常快，再沒有其他技術比LIBS技術更適合在這個(ge) 領域應用了。

分層結構和表麵塗層的深度輪廓分析

　　由於(yu) 激光可以以一種可控的方式來清除表麵塗層，因此分層結構的深度輪廓分析可以用LIBS技術來進行。 在激光不斷“鑽入”到被測材料中的同時用光譜儀(yi) 對其產(chan) 生的光輻射進行光譜測量，就可以得到被測材料的構成成分元素隨深度變化的函數。通常這一技術隻能用於(yu) 那些在典型LIBS係統中激光器的參數下比較容易去除的材料。比如在鋼材上鋅鍍的過程控製中的成分分析，探測油漆中的重金屬含量（鉛、鈾、鈈等），檢測混凝土的成分汙染等。

應用領域

● 材料的遠程無損分析，定性和識別

● 危險材料 ( 高溫、放射性、化學毒性材料 ) 的遠程探測和元素分析

● 存儲(chu) 容器的放射性汙染的現場檢測 ( 玻璃化的高等級廢料、中間級廢料 )

● 不易接近環境中鋼材的現場成分分析 ( 核反應堆壓力容器等 )

● 廢料回收過程中快速鑒別金屬和合金

● 關(guan) 鍵部件在製造和裝配過程中的絕對金屬鑒定（ Positive Metal Identification ）

● 對液態金屬和合金進行過程控製時的在線成分分析 ( 如鋼中的碳、矽、磷等含量的測定 )

● 對液態玻璃進行過程控製時的在線成分分析 ( 如鐵、鉛等含量的測定 )

● 對淹沒在水中的材料進行現場識別 ( 如金屬、合金、陶瓷、礦物質、放射性材料等 )

● 對物體(ti) 表麵塗層的深度輪廓分析和成分分析 ( 如電鍍鋼、塑料膜層、油漆中的重金屬等 )

● 空氣中微粒的在線監測 ( 如煙囪排放監測 )

● 複雜形狀物體(ti) 的成分分析