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探索未知:脉冲激光器光谱之力

虹科光电 2023-10-14 08:05 次阅读

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术是激光分析中的一项重要方法,广泛应用于实验室和工业领域。该技术通过使用短脉冲激光来聚焦样品表面,产生等离子体,进而分析等离子体的发射光谱以确定样品的成分和含量。6c60b846-6a25-11ee-9788-92fbcf53809c.png

LIBS的原理

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激光诱导击穿光谱LIBS的原理

LIBS技术的基本原理是利用激光诱导在样品表面或内部产生等离子体,然后对等离子体的发射光谱进行收集,通过对光谱的波长和强度进行分析,定性或定量地获取样品性质。测量所需的主要仪器包括脉冲激光器、光谱仪等。

根据元素特征谱线的位置,可以定性分析样品是由哪些元素组成的。也可以进一步对元素含量进行定量分析,其基本原理是依靠玻尔兹曼方程,在局部热平衡条件下,等离子体发出的由上能级i跃迁到下能级j所产生的特征谱线强度可表示为:

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其中,Iij为特征谱线强度;F为与寿光效率相关的仪器响应参数;ns检测元素的总粒子数密度;nInII分别为该元素的原子数和一次电离的离子束;giEi、U(T)、Aij分别为上能级i的能级简并度、上能级i的能量、配分函数和两个能级间的自发跃迁概率。由上式可知,在等离子体温度T、电子密度ne以及仪器响应参数F三者保持不变的情况下,元素的特征谱线强度与其总粒子数密度ns成正比;在化学计量烧蚀假设的前提下,后者又与样品中元素s的浓度Cs成正比,即:

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进而,以此为基础建立元素谱线强度和元素浓度的单变量定标模型,即LIBS定量分析的基础。6cab87e0-6a25-11ee-9788-92fbcf53809c.png

虹科MPL2510系列DPSS被动调Q脉冲激光器

6cb55ca2-6a25-11ee-9788-92fbcf53809c.png随着科技水平的飞速发展,LIBS技术由于其快速和可定性定量分析测量,被广泛应用在各个领域,如环境监测、天体测量、工业分拣等。其脉冲激光作为设备核心,成为不可或缺的关键组件,它提供了高能量、高分辨率、非破坏性和实时性,使LIBS成为一种强大的分析技术。虹科提供性能强大的DPSS被动调Q小体积脉冲激光器,可以轻松集成到LIBS设备中,提供高峰值功率、短脉冲时间和高脉冲能量,支持多波长选择。极其稳定的输出能力可以在LIBS测量中大展身手,或应用于生产第一线,快速完成对不同金属材料的鉴别和定量测量,帮助用户轻松完成材料识别和分拣,具有极高的经济效益比。

MPL2510的特点

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  • 在 1064 nm 处达到 2mJ 脉冲能量

短脉冲持续时间<500 ps

1 ~ 100 Hz的重复频率

超紧凑、被动调Q

平均功率:200 mW

高峰值功率:4 MW

保证 >3 Gshot 寿命

其他波长可定制(532 nm,355 nm,266 nm)

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MPL2510的应用

01

土壤监测

土壤中重金属元素的检测是LIBS用于环境监测方面的重要领域之一。近年来,这方面的研究比空间监测和水监测更加丰富。

针对土壤监测,主要关注两个方面:一方面,由于土壤样品元素成分复杂,基体间差别较大,因而需要研究采用不同的实验方法和数据处理手段以得到更好的定量分析效果;另一方面,根据实际需要,结合LIBS无需样品准备等优势,开发更高效的现场检测设备和方法。

通常,对于土壤中重金属的检测依赖于实验室进行的化学分析方法和光谱分析方法,常用方法包括活化分析法、火花源质谱法、ICP-质谱法、石墨炉原子吸收光谱法、ICP-发射光谱法等。而以上方法受到仪器设备及工作条件的限制,或存在单次测量只能检测一种元素,以及操作复杂,耗时长,需破坏样品等不足。

LIBS凭借适用对象广、检测限低、可对多种元素同步检测等优势,在土壤监测领域脱颖而出。

02

天体陨石检测

陨石是太阳系的物体,以天文物体的碎片,如行星、卫星、彗星或流星体为主。它们起源于外太空,最终落在地球上。从某种意义上说,陨石可以被认为是我们太阳系几千年历史的载体,承载并传递着我们日常感知之外的智慧,包含了我们今天所知道的太阳系历史和进化的信息。通过仔细观察这些陨石,可以辨别出太阳系的化学特征和年龄。

由于一些陨石含有在太阳系形成之前形成的恒星星尘,这为前太阳颗粒的研究提供了恒星形成和演化的更清晰的画面。对陨石的结构和元素组成的了解,不仅可以为它的起源提供线索,为宇宙的起源提供更多的线索,还可以了解行星和小行星如何形成,以及大型陨石对地球和地球上生命的影响。

在LIBS中,一个强烈的激光脉冲聚焦在待分析的样品上,使样品的一小部分,在纳克到微克的量级上被烧蚀。这导致等离子体的形成,这是样品中存在的元素的特征。等离子体中受激发的离子和原子发出辐射,这些辐射被收集和研究。LIBS技术作为一种高效、强光谱技术的潜力,可以识别样品中存在的元素,甚至达到痕量元素水平,现在已经得到了证实。

由于LIBS可用于同时识别和定量几种元素,因此它被认为是一种强大的多元素分析工具,可用于不同类型的样品,如土壤、石头、陶器、生物样品、考古文物、颜料、农作物、水等。此外,在不利条件和样品不能带到实验室的情况下,远程应用该技术的可能性有望展开研究。

03

工业分拣

没有任何一种分析方法能像LIBS那样为化学分析提供如此广泛的测量距离,它们从cm级到数百m不等,跨越了四个数量级,这使得工业应用成为可能。工业LIBS应用的两个主要发展方向为:第一,固定式自动化LIBS系统,用于嵌入在工艺线中的在线测量任务;第二,手持式LIBS单元,主要用于快速阳性物质识别鉴定。这两个方向都体现了LIBS方法的独特之处——它使用测量对象在一定距离上的纯光激发,以实现金属和氧化物质的快速分析。根据工业进料的化学成分,可将需废弃材料(如碎片或砖块分类成不同的部分。在这种情况下,被测物体将被一个振镜扫描仪跟踪,引导激光束到物体的正确位置。在LIBS测量体积的上游测量奇异物体(即需废弃材料)的三维几何形状,并实时评估这些信息,以便通过扫描仪控制跟踪程序。如下图所示,传送带上的虚线框表示定位LIBS测量位置的测量体积。该设备每秒最多可跟踪100个物体,同时通过测量体积(400×400×120 mm)传送带速度可达5 m/s。从几毫米的小碎片到200毫米以上的大物体,可以处理的物体尺寸范围大大增加。

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总结

虹科MPL2510系列DPSS被动调Q脉冲激光器在LIBS应用中发挥极大的潜力,凭借其体积小重量轻的优势,适合集成到LIBS设备中。MPL2510适用于环境监测和食品安全、医疗、天体物理测量、工业分拣、文化遗产保护等领域,一度成为LIBS应用中的优势选择。

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