激光诱导等离子体光谱法(LIPS)及其影响因素

基于LIPS检测铬铁碳含量时影响因素的分析

摘要利用聚焦的强激光束入射物体表面产生激光等离子体，对等离子体中原子和离子发射谱进行元素分析叫做激光诱导等离子体光谱法(Laser-induced plasma spectroscopy)，简称LIPS。由于LIPS测量方法具有许多优点，如不需对样品进行预处理，快速、无损检测，高灵敏度，可以对固体、液体、气体中的悬浮颗粒等进行实时的现场检测，所以这种方法逐渐成为化学分析的一种重要方法。影响分析检测的主要因素有激光的能量密度，激光的波长，激光脉冲宽度，样品的物理化学性质，以及周围环境气体的性质和压力等的影响。

关键字激光诱导等离子体光谱法(LIPS) 碳元素含量光谱仪影响因素

1引言

激光诱导等离子体光谱法（LIPS）是基于高强度的脉冲激光与材料相互作用，产生等离子体，对等离子体辐射的光谱分析，获得被测物质的成分和含量，适用于固体、液体和气体样品。脉冲激光束（脉宽纳秒量级，单脉冲能量几十毫焦）经透镜聚焦后作用于样品表面，能量密度达到GW/2cm以上，辐照处物质蒸发、气化后形成稠密的等离子体，等离子体一般能持续几十微秒后衰减消失。激光诱导等离子体光谱法装置简便，样品无需预处理，发射一次脉冲能同时测量多种元素，可以实现快速的在线分析，大大提高生产效率，以及实现有毒、强辐射等恶劣环境下远距离、非接触性探测分析。LIPS 的应用领域非常广泛，在环境保护，地质矿藏勘探，核燃料分析处理钢铁冶金，考古,海洋等领域都有广泛的应用。

2 LIPS的装置与实验结果

2.1 LIPS的典型装置

典型的LIP S光谱探测系统主要由激光光源、光束传输系统、分光系统、信号接收系统、时序控制系统和计算机等组成。系统架构示意图如图1所示。该系统的工作原理为:脉冲激光器输出的脉冲光束经聚焦透镜聚焦到样品表面，样品被烧蚀、蒸发、激发和离化后在样品表面形成高温、高压、高电子密度的等离子体的火花，辐射出包含原子和离子特征谱线的光谱;将等离子体光谱通过光纤导入到分光系统，分光系统后面的信号接收系统采集信号，将光信号转化成电信号输出;经数据处理电路进行滤波、放大、A/D转换、存储等处理过程，然后送入计算机进一步处理。经过上述步骤，即可完成整个光谱的采集过程。通常实验平台中引入时序控制系统，时序控制器控制激光脉冲发出和光信号检测之间的延迟时间，用于时间分辨光谱的研究和谱线信噪比的研究。

图1 LIPS系统示意图

(a)激光光源(b)脉冲激光头(c)反射镜(d)聚焦透镜(e)激发工作室

(f)样品(g)光束传输收集系统(h)光纤(i)探测触发信号(J}分光系统(k)信

号接收系统(1)电脑

2.2实验结果与分析

2.2.1光谱检测的硬件

光谱检测硬件结构框图如图2所示。

图2 光谱检测硬件结构框图

图中硬件组成及其参数说明见表1

表1 光谱检测硬件参数说明

激光器波长1064nm，每次脉冲能量从几十毫焦到四五百毫焦可调，脉宽10ns，激光器在外触发模式下工作，重复频率可调，实验中设定为

5Hz

光谱仪通过电脑上的软件来控制光谱仪的时序，用于同步激光脉冲与紫外光纤配合，可以进行200nm下的光谱检测

感应电炉用于液化铁合金金属

光学系统 把脉冲激光束聚焦到样品表面

把等离子体光谱信号通过光纤耦合入分光系统中

我们采用不同的光谱仪进行检测实验，分别采用了不同的三种光谱仪。

实验1

在实验过程中采用S2000海洋光谱仪，并加入了外触发控制延迟时间，即光谱采集相对于激光脉冲作适当的延迟，以滤除开始阶段的强连续光谱。烧蚀光源为Nd: YAG 激光器（波长1064nm ），单脉冲能量为50~400mJ ，脉宽在纳秒量级，激光经焦距为200mm 透镜聚焦后垂直入射到样品表面。硬件连接框图 如图4.2所示，获取的波长展开图如图4.3所示。 Spectrometer L e n s

P u l se

G e n e

r a to r

Co mp u te r L e n s

Ta r g e t Fi b e r

Nd :YA G

L a se r

图3 海洋光谱仪实验结构框图

图4 获取的波长展开图

由图4测量的样品，以其中连续谱较弱的5微秒延迟的曲线为例，可任意得到C 谱线的光谱，见图5。

图5 观察C谱线的光谱图

由实验数据可见，光谱仪分辨率比较低，这种分辨率条件下247.86nm处的C谱线无法和临近的Fe谱线分开。

实验2

在该实验中使用外触发，延迟1微秒，采用门控ICCD，对于每次脉冲光谱仪采集的时间为2微秒，激光器为Nd:YAG激光器，激光能量120mJ，脉宽纳秒量级。

其中实验的结果为100次脉冲累加的结果。并采用和实验1相同的样品。

图6 观察C谱线的光谱图

由实验数据可知，其光谱仪分辨率达到了0.1nm，这种情况下可以看到C的谱线，由于实验采用了时间控制装置，也去掉了等离子体产生初期的连续谱，所以图像的背景辐射比较弱。从图中也可以看出，该光谱仪在紫外波段灵敏度较低。

实验3

本实验使用自制光谱仪，实验中没有外触发装置。激光器参数同上，但激光能量取可以调节到的最大值，测量到的结果接近500mJ。

实验是100次脉冲累加的结果，以同样样品为例。

图7 观察C谱线的光谱图

由图可见，分辨率图7比图6提高了很多，分辨率0.07nm。可以较为观察到247.8nm的C谱线。由于等离子体产生初期发射的连续谱也被光谱仪采集，所以所得谱线的背景辐射较为明显。

2. 5 LIPS光谱特性影响因素分析

2. 5. 1激光参数对LIPS光谱的影响

激光器的参数主要包括激光波长、激光脉冲宽度、单脉冲能量、重复频率等。由于LIP S产生的机理主要是激光聚焦产生的瞬间热效应引起的，所以一般情况下激光的脉冲能量和脉冲宽度对LIPS的光谱信号强度影响较大。通过实验发现在一定的能量范围内，特征谱线的强度和背景辐射的强度随着激光脉冲能量的增加而增强，如图8所示。原因是由于能量增加了，每个脉冲剥离的样品量随之增加，谱线强度自然增强.再如图6与图7，可明显看出当激光能量比较大的时候得到的光谱图的分辨率更高。`