激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是一種原子發(fā)射光譜技術(shù)，可對(duì)金屬、半導(dǎo)體、玻璃、生物組織、塑料、土壤、薄漆涂層及電子材料等多種材料進(jìn)行快速化學(xué)分析。

技術(shù)原理

LIBS是一種有效的元素分析技術(shù)，適用于測(cè)定多種樣品的元素組成。其原理是將短脈寬、高能量的激光脈沖聚焦于目標(biāo)樣品表面，使少量燒蝕物質(zhì)形成等離子體。等離子體內(nèi)的高溫使燒蝕材料解離為激發(fā)態(tài)的原子與離子，冷卻過程完成后，即可通過光譜儀檢測(cè)樣品的特征譜線。

近年來，隨著更緊湊乃至手持式系統(tǒng)的出現(xiàn)，LIBS得以應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)分析與在線材料檢測(cè)工具的構(gòu)建，因而受到的關(guān)注顯著增加。

激光性能在LIBS成像中的作用

在微LIBS（µ-LIBS）成像領(lǐng)域，激光性能對(duì)獲得理想結(jié)果至關(guān)重要。該技術(shù)的核心在于以聚焦激光束對(duì)樣品進(jìn)行系統(tǒng)掃描，在樣品表面的不同空間位置逐點(diǎn)采集LIBS光譜。

LIBS光譜包含多條發(fā)射譜線，分析時(shí)從中選取無干擾的譜線。這些譜線具有元素特異性，據(jù)此可重建元素分布圖，呈現(xiàn)化學(xué)元素在被分析樣品區(qū)域內(nèi)的分布。

µ-LIBS成像不僅提供定性信息，還可提供定量信息。定量分析體現(xiàn)為圖像對(duì)比度，其實(shí)現(xiàn)依賴于通過單變量或多變量模型將光譜強(qiáng)度與元素濃度相關(guān)聯(lián)。

在LIBS系統(tǒng)中，用于材料燒蝕的激光器選擇至關(guān)重要。LIBS測(cè)量的重復(fù)性與激光性能直接相關(guān)，因?yàn)榈入x子體的產(chǎn)生依賴非線性過程。脈沖能量、脈沖持續(xù)時(shí)間與光束質(zhì)量等參數(shù)的波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致燒蝕質(zhì)量、等離子體溫度與電子密度發(fā)生變化，并進(jìn)一步反映在等離子體發(fā)射光譜中，可能造成分析誤差。

激光性能在µ-LIBS成像中的重要性尤為突出，因?yàn)闃悠返墓鈻艗呙柰ǔＴ诿總€(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)僅使用單個(gè)激光脈沖。激光束質(zhì)量直接影響其被緊密聚焦的能力，從而決定系統(tǒng)的空間分辨率與圖像的最小像素尺寸；激光器的重復(fù)頻率則決定了數(shù)據(jù)采集與掃描速度的上限。在僅需數(shù)百次激光照射的常規(guī)分析中，該參數(shù)影響相對(duì)有限；但對(duì)大面積樣品的高分辨率µ-LIBS成像而言，每平方厘米可能需要采集多達(dá)100萬條光譜。因此，使用10–40 Hz激光器以微米分辨率記錄1平方厘米區(qū)域可能需要3–15小時(shí)。

高分辨率LIBS成像的進(jìn)展

傳統(tǒng)LIBS成像儀器通常采用重復(fù)頻率低于100 Hz的激光器，以在采樣頻率與脈沖能量之間取得平衡。然而，以此頻率對(duì)較大樣品區(qū)域（通常為數(shù)平方厘米）進(jìn)行高分辨率成像相當(dāng)耗時(shí)，構(gòu)建圖像需要采集數(shù)百萬個(gè)光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)，每平方厘米約需3–15小時(shí)。

Tercier等人（2023）的研究提出了一種顯著縮短高分辨率LIBS成像采集時(shí)間的新方法：一種新型µ-LIBS成像顯微鏡，可實(shí)現(xiàn)10 μm分辨率，每平方厘米采集時(shí)間縮短至20分鐘以內(nèi)，為分析樣品內(nèi)部精細(xì)的元素分布提供了新的觀測(cè)手段。

該µ-LIBS成像系統(tǒng)是一臺(tái)定制LIBS顯微鏡，核心為一臺(tái)緊湊型納秒級(jí)Nd:YAG被動(dòng)調(diào)Q環(huán)形腔1064 nm激光器（Cobolt Tor系列），脈沖能量0.5 mJ，脈寬2.5 ns，體現(xiàn)出較高的效率與精度。

緊湊型LIBS系統(tǒng)助力鋁回收

鋁回收是緊湊型工業(yè)級(jí)LIBS系統(tǒng)的重要應(yīng)用方向。鋁具有完全可回收的特性，其再生生產(chǎn)所需能量?jī)H為原生礦石提取的5%。對(duì)再生鋁料流進(jìn)行直接分類與分選具有可觀潛力，既可為鋁生產(chǎn)企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，也有助于降低環(huán)境負(fù)擔(dān)。

ACREO與Kimab的研究人員合作，將Cobolt Tor激光器集成至LIBS系統(tǒng)，目標(biāo)是開發(fā)兼具堅(jiān)固性與緊湊性、專為鋁回收等工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的LIBS系統(tǒng)，并已在廢金屬自動(dòng)分選的原型系統(tǒng)上完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

Cobolt Tor激光器以緊湊的設(shè)計(jì)與良好的性能，支持LIBS系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)變。該激光器基于專有設(shè)計(jì)，具備良好的穩(wěn)定性：重復(fù)頻率達(dá)多kHz量級(jí)（大于7 kHz，脈沖間抖動(dòng)小于1 μs），1064 nm波長(zhǎng)下脈沖能量達(dá)100 μJ量級(jí)，脈寬數(shù)納秒，光束質(zhì)量良好（M²小于1.3）。與傳統(tǒng)高峰值能量Nd:YAG激光器相比，其體積明顯縮??；密封封裝保證了多種環(huán)境條件下的持久性能與使用壽命，適用于嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境的系統(tǒng)集成。

采用Cobolt Tor激光器對(duì)鋁標(biāo)準(zhǔn)樣品及取自廢料場(chǎng)的含雜廢料樣品開展的LIBS實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確辨別不同鋁合金的元素組成，驗(yàn)證了基于緊湊型高重復(fù)頻率激光器的LIBS系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)際可行性。

相關(guān)研究

相關(guān)成果發(fā)表于Spectroscopy期刊（2023，高分辨率高速度LIBS顯微成像）、PhotonicsViews（2021，面向快速緊湊LIBS系統(tǒng)的激光器）、Laser Focus World（2014，緊湊型工業(yè)LIBS系統(tǒng)助力鋁回收）及Physics' Best（2016，LIBS改進(jìn)金屬回收）等期刊，并有面向SCiX會(huì)議（2022，高速度高分辨率LIBS成像新平臺(tái)）的會(huì)議報(bào)告與配套白皮書。

相關(guān)產(chǎn)品

Cobolt Tor系列為高性能調(diào)Q激光器，波長(zhǎng)覆蓋355、532和1064 nm，單脈沖能量50–500 μJ（單脈沖至7 kHz），適用于LIBS、MALDI-TOF質(zhì)譜、微加工與打標(biāo)等應(yīng)用。