激光诱导击穿光谱技术要点

激光诱导击穿光谱的原理、装置

及在地质分析中的应用

摘要

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种目前正在发展中的对样品中元素成分进行快速、现场定量检测的分析技术。为了了解激光诱导击穿光谱技术(LIBS)技术和发展现况以及这项技术的应用情况，在课堂学习和相关基础实验的基础上，通过查阅相关文献和书籍进行了分析、整理、归纳。文章从LIBS的由来、基本原理和实验装置进行了综述，讨论了激光诱导击穿光谱技术在地质分析方面的应用。LIBS技术应用方便快捷，且应用前景广泛。

关键字：激光诱导击穿光谱；元素分析；地质分析

The Principle and Device of Laser Induced

Breakdown Spectroscopy and

its Application in Geological Analysis

ABSTRACT

Laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS)is a kind of analysis technique currently in development ,which is applied for rapid and on-site quantitative detection of the elements of the sample.To comprehend the laser induced breakdown spectroscopy(LIBS)technology, the current development status of LIBS technology and the application of the technology, LIBS technology was analyzed, arranged, and summarized on the basis of classroom learning , the related basic experiments and consulting relevant literatures and books. The origin, basic principle and experimental apparatus of LIBS are reviewed in this paper and the applications of laser induced breakdown spectroscopy in geological analysis are discussed.The application of LIBS technology are fast and convenient and LIBS technology will have broad application prospects.

Key words:Laser Induced Breakdown Spectroscopy;elemental analysis;geological analysis

1 引言 (1)

2 激光诱导击穿光谱的原理 (2)

3 激光诱导击穿光谱的装置 (3)

3.1 激光诱导击穿光谱的实验装置 (3)

4 激光诱导击穿光谱在地质分析中的应用 (5)

4.1 激光诱导击穿光谱技术的应用现状 (5)

4.2 激光诱导击穿光谱技术在地质方面的应用 (5)

4.3 激光诱导击穿光谱技术在其他方面的应用 (7)

5 分析与讨论 (8)

5.1 结果分析 (8)

5.2 激光诱导击穿光谱技术的优点 (8)

5.3 激光诱导击穿光谱技术的局限 (8)

6 结论 (9)

参考文献 (10)

激光诱导击穿光谱法(Laser Induced Breakdown Spectroscopy )简称为LIBS，是由美国Los Alamos国家实验室的David Cremers研究小组于1962年提出和实现的。自从1962年该小组成员Brech最先提出了用红宝石微波激射器来诱导产生等离子体的光谱化学方法之后，激光诱导击穿光谱技术开始被广泛应用于气体、液体和固体等各个领域[1,2]。

近三十年来，激光诱导击穿光谱测量技术在各行各业都有不同程度的应用。早期，运用LIBS装置研究如何提高测量精度；到上个世纪九十年代中期开始出现了便携式半定量的成品仪器，LIBS仪器开始向经济型方向发展，其运用也更加广泛[3-5]。当前的激光诱导击穿光谱技术主要应用于冶金[6]和矿业[7]、燃烧[8,9]、水[10]和土壤污染[11-14]、空气污染和环境监测、艺术品及染料鉴定等行业，尤其是在工业环境恶劣的领域如矿业、冶金等方面的应用更突显出该方法的优越性。本文是从激光诱导击穿光谱的原理、实验装置的组成以及各部分的作用方面进行了介绍，并着重综述了激光诱导击穿光谱技术在地质分析方面的矿石的元素分析、土壤中某些元素的分析和对煤炭中元素分析三个方面进行了综述。激光诱导击穿光谱检测过程简单快速，物质蒸发和激化可一次性完成，实现真正的快速分析，而且可以同时对多种元素进行分析。

激光诱导击穿光谱技术基于原子光谱和离子光谱的波长与特定的元素一一对应的关系，而且光谱信号强度与对应元素的含量也具有一定的量化关系，激光经透镜聚焦在样品表面，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。等离子体随着向外界环境膨胀过程而逐渐冷却，并发射表征样品组分信息的光谱，利用光电探测器和光谱仪对等离子体发射光谱进行采集。通过解析等离子体光谱，并结合定量分析模型，可以得到分析样品组分的类别和含量信息。以下为激光诱导等离子体发射谱线的形成过程。

图1-1激光诱导等离子体发射谱线的形成过程

(a)多光子电离形成等离子体。

(b)轫致辐射及电子自由跃迁形成的宽带发射，主要是等离子体中各元素的电离线形成的连续的背景谱线，这个过程需几百纳秒。

(c)能级跃迁形成的谱线发射，谱线强度与元素浓度成正比。该过程通常持续几微秒，是进行元素定量分析的重要环节。