技(jì)術介紹
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激(jī)光誘導(dǎo)擊穿光譜(pǔ)（Laser-induced breakdown spectroscopy，簡稱(chēng)LIBS）作(zuò)為(wéi)一種近年(nián)來隨著激(jī)光及(jí)光譜(pǔ)學技術的(dí)發(fā)展而(ér)快速興起的新型(xíng)光(guāng)學(xué)元(yuán)素分(fēn)析技術，具有(yǒu)快速實時
，可(kě)原位檢(jiǎn)測及可遠(yuǎn)程測量(liáng)等(děng)優(yōu)勢，被譽(yù)為“未來(lái)化學(xué)分(fēn)析(xī)之星(xīng)"。

2012年，美(měi)國(guó)宇(yǔ)航局（NASA）將(jiāng)LIBS 技(jì)術用(yòng)於(yú)火(huǒ)星(xīng)岩(yán)石(shí)成分(fēn)探測，其測(cè)量原理是通過(guò)一束聚焦後(hòu)的(dí)高(gāo)能脈(mài)衝激(jī)光對火星岩石表麵進行(háng)燒蝕瞬間產(chǎn)生等(děng)離子體(tǐ)（一(yī)般在微(wēi)秒(miǎo)甚至納秒級(jí)別(bié)），通(tōng)過(guò)光譜儀等光(guāng)學探(tàn)測設(shè)備對(duì)等(děng)離子體(tǐ)發(fā)射光譜進行(háng)探(tàn)測分(fēn)析(xī)，從而(ér)實(shí)現火(huǒ)星(xīng)岩石中元素組(zǔ)成和含(hán)量(liáng)測(cè)量，其原理如(rú)圖(tú)1 所(suǒ)示。

圖1
：LIBS原(yuán)理圖(tú)及(jí)LIBS在火星探(tàn)測(cè)中(zhōng)的應用(yòng)

實(shí)驗(yàn)裝置介(jiè)紹(shào)
：

LIBS測(cè)量係統(tǒng)主要由(yóu)激光器(qì)
，光譜儀
，時序控製器
，信號(hào)采集係(xì)統(tǒng)
，激(jī)光光路係(xì)統以(yǐ)及(jí)位移(yí)平(píng)台(tái)等部分(fēn)組(zǔ)成，裝置圖(tú)如圖2所示。在本(běn)係統(tǒng)中，主(zhǔ)要使用532 nm的激(jī)光(guāng)作為樣(yàng)品激發源(yuán)，用於燒(shāo)蝕(shí)樣(yàng)品(pǐn)產生(shēng)等離子體。采(cǎi)用(yòng)DG535時(shí)序控製器(qì)實現(xiàn)激光器和光(guāng)譜儀之(zhī)間的信(xìn)號同步(bù)，以保(bǎo)證(zhèng)等(děng)離子(zǐ)體(tǐ)光譜(pǔ)信號(hào)能被有效(xiào)的(dí)采集(jí)。為(wéi)了(liǎo)保(bǎo)證樣品測量的有(yǒu)效(xiào)性，講樣(yàng)品(pǐn)放(fàng)置於三維位移平台(tái)表麵，測量過(guò)程中同時移動(dòng)位移(yí)平台(tái)，保(bǎo)證(zhèng)每次(cì)激(jī)光燒(shāo)蝕(shí)樣品(pǐn)均為未燒蝕(shí)區域。在本(běn)係(xì)統(tǒng)光譜信號探測(cè)中，我(wǒ)們主(zhǔ)要(yào)采用北京卓立漢光(guāng)儀(yí)器(qì)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)自(zì)主研製的(dí)Omni-λ500i係列“影像(xiàng)譜王(wáng)"光(guāng)柵光譜(pǔ)儀(yí)進行信號(hào)采(cǎi)集，以評(píng)估該光(guāng)譜儀在(zài)LIBS土壤(rǎng)樣品(pǐn)測(cè)量(liáng)中的可(kě)行性(xìng)。

圖2
：LIBS實(shí)驗裝(zhuāng)置圖

產品應用
：

在(zài)土(tǔ)壤樣(yàng)品測量過(guò)程中，為(wéi)保證土壤(rǎng)樣品的均(jūn)匀性(xìng)，對(duì)土壤(rǎng)樣(yàng)品(pǐn)進行(háng)烘幹(gān)研(yán)磨過篩(shāi)以及(jí)壓(yā)片(piàn)後(hòu)進(jìn)行測量。為獲(huò)得較(jiào)好(hǎo)的光譜(pǔ)信號(hào)，我們(mén)采(cǎi)用激光能量為50 mJ，SCMOS信(xìn)號采集(jí)延時(shí)和(hé)門寬(kuān)分別(bié)為(wéi)1 us和(hé)5 us，光柵(zhà)刻(kè)綫(xiàn)選擇1200 lines/mm。最終土壤(rǎng)樣(yàng)品光譜信號(hào)結果(guǒ)如(rú)圖3所示。

圖(tú)3
：土(tǔ)壤樣品測量(liáng)光譜圖（光(guāng)譜儀(yí)選(xuǎn)擇中(zhōng)心(xīn)波(bō)長(cháng)為(wéi)402 nm
，422 nm
，588 nm以及(jí)766 nm）

可以看(kàn)出(chū)，采(cǎi)用該係統測量土壤樣(yàng)品可(kě)以(yǐ)獲得信噪比很好的(dí)光(guāng)譜信(xìn)號，能夠(gòu)實現土(tǔ)壤中(zhōng)一些(xiē)主(zhǔ)要(yào)元素包含Ca
，Al
，Mn
，Na及K等元素(sù)的(dí)有效測(cè)量，因此(cǐ)可(kě)以用於實現土壤(rǎng)樣(yàng)品中元(yuán)素(sù)的(dí)定(dìng)性及定量分(fēn)析(xī)。

此(cǐ)外，我(wǒ)們還對含(hán)氮樣(yàng)品進行了(liǎo)分析，設(shè)置光譜(pǔ)儀中(zhōng)心波(bō)長為388 nm，采(cǎi)集CN分子光譜信(xìn)號，如圖所示(shì)可(kě)以看(kàn)出，采(cǎi)用(yòng)該光譜(pǔ)儀(yí)可獲(huò)得明(míng)顯的CN分子光譜信號(hào)以(yǐ)及Al
，Ca等原子光譜(pǔ)信(xìn)號(hào)。

圖4
：含氮樣(yàng)品測試結果（光(guāng)譜儀(yí)中(zhōng)心(xīn)波(bō)長選擇(zé)388 nm）

此外(wài)，我(wǒ)們(mén)還采(cǎi)集(jí)了Ca
，Al以(yǐ)及K元素在(zài)不(bù)同延時下的(dí)光(guāng)譜(pǔ)信號(hào)，如(rú)圖5及(jí)圖(tú)6所示。可以看出，隨著(zhuó)采(cǎi)集延(yán)時的逐(zhú)漸增(zēng)大，光譜(pǔ)信號逐漸減弱，能夠有效(xiào)實(shí)現us級(jí)別(bié)光(guāng)譜(pǔ)信號時(shí)間分辨(biàn)。

圖(tú)5
：不(bù)同采(cǎi)集(jí)延時(shí)下Ca
，Al光(guāng)譜(pǔ)信(xìn)號

圖6
：不(bù)同采集延時下(xià)K元(yuán)素(sù)光譜(pǔ)信(xìn)號(hào)

專(zhuān)家介(jiè)紹

馬(mǎ)世(shì)祥，博士，北(běi)京市(shì)農(nóng)林科(kē)學(xué)院，助理(lǐ)研究(jiū)員(yuán)，主要從事(shì)激光(guāng)光譜技術在(zài)農業環境（土壤
，水體等）檢測方麵的研(yán)究工(gōng)作(zuò)，目前(qián)擔(dān)任(rèn)中國光學(xué)工(gōng)程學會光譜技術(shù)及應用專(zhuān)業委(wěi)員(yuán)會青(qīng)年(nián)委員。主持(chí)/參與(yǔ)項(xiàng)目(mù)26項，其(qí)中(zhōng)主持國家自然科(kē)學基金青年(nián)基金(jīn)
，國家(jiā)重(zhòng)點(diǎn)研發計劃(huá)子(zǐ)課題(tí)
，北(běi)京市(shì)青(qīng)年(nián)人才(cái)托(tuō)舉(jǔ)項目等(děng)6餘項(xiàng)；共(gòng)計發表SCI論(lùn)文40餘篇(piān)，其(qí)中(zhōng)以(yǐ)第(dì)一作(zuò)者/通(tōng)訊作者身(shēn)份在(zài)Journal of Hazardous Materials
，Food Chemistry
，Talanta
，Journal of Analytical Atomic Spectrometry等(děng)權(quán)*期刊發表SCI論文(wén)13篇，獲得授(shòu)權(quán)發明專*10餘項。

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