分析仪器

分析仪器专题总结

一、LBIS仪器

1、原理

激光诱导击穿光谱（LIBS，Laser Induced Breakdown

Spectroscopy）作为一种新兴的元素分析技术，具有实时在线、非接触、多元素同时探测等优点，是光谱分析领域内的一种前沿性分析手段。LIBS是一种激光烧蚀光谱分析技术，激光经透镜聚焦在气态、液态或固态样品上，当激光脉冲的能量密度大于击穿门槛能量时，就会在局部产生等离子体，称作激光诱导等离子体。由于这种等离子体局部能量密度及温度相当高，因而可用于取样、原子化、激发及离子化等工作。用光谱仪直接收集样品表面等离子体产生的发射光谱线信号，从理论上可以根据发射光谱的强度进行定量分析。

分析测试原理：

2、结构

3、特点

分析速度快

元素检测种类多 多组分同时检测 仪器结构简单 无需样品前处理 远距离探测 现场原位分析

4、应用领域 （1）、高科技

• 石油勘探（录井操作，钻井岩屑、气体和钻井液分析） • 水文和地质勘探（便携式分析设备，方便、快速、准确） • 冶金和燃烧（在线热态钢水成份分析，燃料成份分析） • 材料分析（金属、塑料等），危险材料（放射性、化学毒性材料）的远程探测和元素分析

（2）、社会发展

• 环境监测（土壤污染、粉尘污染） • 医学与生物治疗（牙齿、骨骼分析） • 艺术品成份鉴定（颜料、重金属分析）

（3）、战略需求

• 军事及国防（现场成份分析） • 航空航天（行星表面探测） •

二、如何增强信号强度

选用激光双脉冲加强的方式，下面将详细介绍

1、原理

使用激光双光束方法, 对激光大气等离子体的光谱进行了实验

研究. 由一台激光器产生的两束激光, 其中一束用于产生等离子体( 电离激光束), 另一束则用于对已产生的等离子体施加影响( 作用激光束) . 作用激光束所引起的光谱特征变化的实验研究结果和相应的初步分析. 结果表明, 在作用激光束的影响下, 激光大气等离子体光谱的强度在整体上都有明显的增加, 而且, 连续光谱的增强大于线状光谱; 短波连续光谱的增强大于长波连续光谱; 作用激光束相对于电离激光束的延时越大, 谱线增强的相对值也越大; 作用激光束对谱线的增强不存在明显的阈值效应 . 结果还表明, 作用激光束除导致光谱幅度增强外, 对激光大气等离子体中各种类谱线成分的衰变时间也有明显的影响: 除个别谱线外, 大多数谱线的衰变时间都有不同程度的延长. 对结果的初步分析指出, 上述结果是激光大气等离子体中的自由电子吸收作用激光束的能量后, 在等离子体中有不同传递途径和不同传递效率的体现. 该结果为深入了解激光大气等离子体衰变过程中的微观物理现象提供了新的线索, 也为以延长激光大气等离子体衰变过程为目标的技术应用提供了实验依据.

2、 实验装置及实验方法

为研究激光对激光大气等离子体复合过程的影响, 我们设计了如

图1 所示的双光束实验装置 . 该装置主要利用 YAG 激光器同时产

生的两束不同波长( 1. 06μ m 和 0. 532μ m , 分别为该激光器的基波光和二倍频光) 的激光, 激光脉宽约 10ns, 重复频率30Hz. 其中一束( 0. 532μ m) 作为电离激光束击穿大气产生等离子体 ,而另一束( 1. 06μ m)作为作用激光束经过一定延时后与第一激光束共焦作用在实验装置的电离区 ,用于向电离激光束所产生的激光大气等离子体施加影响. 由于这两束激光是同一台激光器产生的,通过调整它们进入电离区的光路长度( 即如图所示将 0. 532μ m 激光直接经透镜聚焦后产生大气等离子体, 而 1. 06μ m 激光经过多块棱镜反射后再聚焦作用在已产生的大气等离子体上) ,可以设置不同的光程差 ,使得作用激光束相对于电离激光束在30ns,60ns 和100ns延时的情况下再作用于等离子体上,并对其光谱的时间演化特性进行研究.

图 1 所示实验装置中的其余部分 ,包括光谱采集、 信号处理等. 光谱检测采用延时光谱和谱线演化两种方法. 所谓延时光谱法,是通过改变 Boxcar 积分器采样门( 门宽 10ns) 相对于激光脉冲的延时来获得一系列的等离子体光谱,从这一系列的光谱中可研究整体光谱的时间演化特性 . 而谱线演化法则是将光谱仪的波长置于要研究的特定谱线位置, 然后用快速示波器捕捉并记录其光谱信号的时间演化特性 . 原则上讲,这两种方法获得的光谱时间变化信息是等效的, 只是前者有利于获得全部光谱的粗略时间变化特性, 而后者有利于获得某一谱线的详细时间变化特性.研究在不同强度和不同延时的第二束激光作用下, 由第一束激光所产生的大气等离子体光谱演化特性的变化.

下面是一些过程中的实验结果：

3、结果分析

激光大气等离子体的维持理论认为, 激光对大气等离子体作用的主

要机理是等离子体中的自由电子通过逆韧致过程吸收激光能量 ,来平衡自由电子的能量耗散 , 从而达到大气等离子体状态的维持。结果在一定程度上证实了这种理论的正确性, 但从本文给出的时间演化结果可进一步分析出激光大气等离子体在受到另一激光作用后所经历的一些更为复杂的微观物理过程.图3 所示的结果表明作用激光束的能量越大 ,对激光大气等离子体光谱的幅度增量越大, 而且对连续光谱的增量明显地大于线状光谱. 通常认为, 连续光谱主要产生于等离子体中自由电子的韧致辐射过程, 且辐射功率正比于自由电子密度和离子密度的乘积。因此,上述结果可定性地解释为自由电子通过吸收作用激光束所提供的能量, 使其温度重新提升 ,再通过碰撞电离使等离子体中的自由电子

和离子的密度增加, 从而导致连续光谱辐射的增强 .由于等离子体中的自由电子比其中的原子、 分子、离子更容易吸收任意波长的激光能量( 通过逆韧致过程) , 故连续光谱的增强明显大于线状光谱. 这里, 难以直接解释的实验结果是, 在较大的作用激光束延时下( 即在激光大气等离子体中自由电子密度更低的情形下) ,同样的作用激光束能量可以造成更大比例的连续光谱辐射增强. 从激光大气等离子体辐射机理考虑 ,我们认为,这是自由电子对作用激光束能量吸收的效率与自由电子的密度和温度有密切关系的表现.图 5和表 1 的结果表明 ,作用激光束对不同种类的光谱成分有不同的影响, 反映出被吸收的作用激光束能量在激光大气等离子体中的不同传递过程. 对连续光谱的长波部分和短波部分所作的谱线演化实验表明 ,作用激

光束对它们有不同的影响( 如图 5( a) ,( b) 和表 1 中相应数据所示) , 这说明连续光谱的长短波部分应分别产生于不同的物理机理.我们曾指出,激光大气等离子体的短波部分来源于自由电子的韧致辐射 ,长波部分来源于电子离子的复合辐射。上述结果则为我们的这种说法提供了一个实验证据 . 而且,作用激光束对短波辐射的增强大于长波辐射的结果 ,进一步说明自由电子的韧致辐射是激光大气等离子体中主要的连续辐射机理.激光大气等离子体中线状光谱的起源为原子、 分子、离子的激发态辐射 . 忽略激光大气等离子体中原子、分子和离子对固定波长作用激光能量的吸收, 其激发过程主要通过高温自由电子的碰撞和电子离子的复合两种机理. 作用激光束对原子、分子、分子离子和原子离子谱线的增强可以解释为自由电子在吸收作用激光束能量后 ,分别通过碰撞激发 、碰撞电离 、碰撞解离电离或复合过程造成. 由于实验测量的 N 2和N+2 均来自相同的电子态间的跃迁 , 故作用激光束对其影响具有大致相同的规律; 而 N+ 谱线则来自许多不同的电子激发态的跃迁 ,故对作用激光束的响应各不相同( 见表 1) . 激光大气等离子体中的原子( N 和 O) 谱线产生于等离子体的衰变期间,其激发机理为电子离子的解离复合过程. 虽然原子谱线也来自不同的电子态跃迁 ,但由于电子离子解离复合过程的有效控制, 使得作用激光束对它们的影响具有大致相同规律性. 所有这些结果都反映出作用激光束所提供的能量在激光大气等离子体中有不同的传递途径和不同的传递效率.从表 1 可见 ,对所有光谱成分而言, 除个别情形外作用激光束的影响都是使其衰变时间

有不同程度的延长, 个别可延长两倍以上 . 等离子体谱线的衰变时间可大于其辐射寿命的情况已有报道,这是激光大气等离子体在衰变期间存在着复杂能量传递和消散过程的表现. 而表 1 的实验结果表明 ,在何时向何态注入能量可以使激光大气等离子体的衰变维持更长的时间,从而为人为地改变激光大气等离子体 的衰变过程的技术提供了实验依据.