物理前沿讲座

激光在LIBS光谱分析技术中的应用

摘要

激光由于它的产生机理决定了它具有普通光源所发射的光无法相比的各种特性，因而被运用与各行各业当中。激光的出现，使得一些本来无法解决的问题得以解决，使得一些本来非常困难的问题变得比以前容易。

激光诱导等离子体光谱技术(LIBS)是一种具有实时在线、非接触性、且可多元素同时进行探测等优点于一体的一种元素分析技术，此技术无需制备样品，且分析迅速，是物质成分检测当中常用的基本方法之一。本文着重就激光对LIBS光谱分析技术实验中的一些影响做一个综述。

关键字：激光诱导等离子体光谱技术激光的各项参数最优化选择综述

目录

一、引言 (4)

二、正文 (5)

1、激光的由来和特性 (5)

2、LIBS技术 (5)

3、激光等离子体光谱分析的特点 (7)

4、激光在LIBS中的作用 (8)

5、激光对LIBS实验的影响 (8)

三、结语 (10)

四、参考文献 (11)

一、引言

激光作为人类科学史上的一项重大发明，在国民经济及国防建设各个领域内都得到了极其广泛的应用，不仅便捷了人民生活，也便捷了各种科学研究。

许多新兴技术的产生都是由于激光器的发明所引起的，其中比较重要的就是带来了元素分析技术的革新。激光诱导击穿光谱(LIBS)有时也称为激光诱导等离子体光谱(LIPS)，是一种非常重要的分析诊断技术。激光诱导击穿光谱就是使用低能脉冲激光（通常是数十到数百毫焦）来烧蚀样品表面从而产生等离子体，被激发粒子（主要是原子）的发射光谱可以用来对元素进行定量和定性的分析。靶材的选择范围也非常广泛，可以选用气体、液体和气溶胶，等等，当然最为常用的是固体。激光诱导击穿等离子体光谱的应用是多种多样的，主要包括钢铁样品、土壤污染、核反应堆降解的金属的检测和艺术品年代的测定等。在过去的近五年当中，新的应用不断出现，包括生物样品的采样、行星探索、国土安全，等等。LIBS技术在现代科技和实际生活中的广泛应用促使国内外众多的科研人员对等离子体理论进行着不断完善并对计算模型进行不断改进。

二、正文

1、激光的由来和特性

激光最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER 的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词第一个字母所组成的缩写词。意思是“通过受激辐射实现的光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。

激光由于具有方向性好、强度高、单色性好、相干性好等许多优点，因而被广泛应用于测距、加工、医疗、信息技术、军事等各个领域，是一项不可或缺的的重大发明。

2、LIBS技术

利用激光诱导等离子体辐射进行物质成分分析的光谱分析方法大多称为激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS），LIBS是基于激光诱导等离子体辐射的原子光谱或离子光谱进行物质成分检测。这个方法发展速度较快，自1962年报道了利用红宝石微波激射器诱导产生等离子体的原子发射光谱方法以来，激光诱导击穿光谱技术进入了一个崭新的发展时期，仅四十多年，对LIBS的研究已形成较为完整的体系，LIBS技术成为了一种可靠检验各种气体、液体和固体成分元素的有效方法，与其他光谱检测技术相比较，LIBS具有样品预处理简单、分析速度快、所需样品量少、测量波长范围宽、可检测物质的所有元素、可进行微区分析、可实行

获得分析结果、可实行远距离遥测等明显优点。因此，LIBS在许多领域具有广阔的应用前景。例如在空间研究、工业过程控制、环境监测、细菌鉴定、海洋学、医学诊断学、食品检验、植物养分分析、汽车表面处理、艺术品与文物的鉴定等都有用途。

图一 LIBS探测火星十壤

图二 LIBS实验装置原理图

图三实验装置图

3、激光等离子体光谱分析的特点

（1）既可用于定量分析又可用于定性分析：每种元素的原子被激发后，都能发射出各自的特征谱线，所以，根据通过特征谱线就可以准确无误的判断元素的种类，而特征谱线的强度又跟元素的含量相关；

（2）分析速度快：固体、液体试样均可直接分析，且样品不需经过化学处理就可分析，可同时对一个样品中的多种元素进行分析；

（3）选择性好：由于强激光可以击穿任何物质，不论固体、液体或气体，因此几乎可以分析元素周期表中的所有元素，尤其分析硬度高、难溶的物质，如陶瓷、一些超导体等；

（4）使用LIP 光源，准确度高，标准曲线的线性范围宽，可同时测定高、中、低含量的不同元素；

（5）样品消耗少，研究分析对象所需的量很小；并且由于激光本身良好的光束质量，激光诱导击穿光谱可以使分析对象表面破坏只有

微米量级，在工业中可以认为无破坏。

4、激光在LIBS中的作用

激光在LIBS中有着不可代替的作用。LIBS试验中，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。

5、激光能量对LIBS实验的影响

研究激光诱导等离子体的实验装置一般由三部分组成:

激光器、低真空装置、接收装置

激光器通常用Nd : YAG激光器、红宝石激光器、CO2激光器、准分子激光器等。低真空装置多数是实验者自行设计的真空室,以便于研究不同环境气压条件下的等离子体特性。接收装置则由光谱仪和光电系统组成。

激光能量的变化会改变对样品的蒸发与激发条件。在进行激光脉冲能量选择时，如果所选能量太小，聚焦点处激光功率密度达不到待测元素的击穿阈值，那么即使用非常灵敏的检测手段或增加激光脉冲的频率，该元素也无法被激发；但如果所选能量太大，虽然等离子体的发射谱线也很强，却又容易使某些元素的离子谱线或样品中含量较大的元素的原子谱线因强烈的自吸收效应而发生饱和，并且还会引起空气的电离击穿，从而降低了对这些元素的探测灵敏度。另外，激光脉冲能量的大小对元素发射谱线强度的相对标准偏差也有影响。由