激光誘導擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）技術(shù)是激光分析中的一項重要方法，廣泛應用于實驗室和工業(yè)領域。該技術(shù)通過使用短脈沖激光來聚焦樣品表面，產(chǎn)生等離子體，進而分析等離子體的發(fā)射光譜以確定樣品的成分和含量。

LIBS的原理

激光誘導擊穿光譜LIBS的原理

LIBS技術(shù)的基本原理是利用激光誘導在樣品表面或內(nèi)部產(chǎn)生等離子體，然后對等離子體的發(fā)射光譜進行收集，通過對光譜的波長和強度進行分析，定性或定量地獲取樣品性質(zhì)。測量所需的主要儀器包括脈沖激光器、光譜儀等。

根據(jù)元素特征譜線的位置，可以定性分析樣品是由哪些元素組成的。也可以進一步對元素含量進行定量分析，其基本原理是依靠玻爾茲曼方程，在局部熱平衡條件下，等離子體發(fā)出的由上能級i躍遷到下能級j所產(chǎn)生的特征譜線強度可表示為：

其中，Iij為特征譜線強度；F為與壽光效率相關(guān)的儀器響應參數(shù)；ns是檢測元素的總粒子數(shù)密度；nI與nII分別為該元素的原子數(shù)和一次電離的離子束；gi、Ei、U(T)、Aij分別為上能級i的能級簡并度、上能級i的能量、配分函數(shù)和兩個能級間的自發(fā)躍遷概率。由上式可知，在等離子體溫度T、電子密度ne以及儀器響應參數(shù)F三者保持不變的情況下，元素的特征譜線強度與其總粒子數(shù)密度ns成正比；在化學計量燒蝕假設的前提下，后者又與樣品中元素s的濃度Cs成正比，即：

進而，以此為基礎建立元素譜線強度和元素濃度的單變量定標模型，即LIBS定量分析的基礎。

虹科MPL2510系列DPSS被動調(diào)Q脈沖激光器

隨著科技水平的飛速發(fā)展，LIBS技術(shù)由于其快速和可定性定量分析測量，被廣泛應用在各個領域，如環(huán)境監(jiān)測、天體測量、工業(yè)分揀等。其脈沖激光作為設備核心，成為不可或缺的關(guān)鍵組件，它提供了高能量、高分辨率、非破壞性和實時性，使LIBS成為一種強大的分析技術(shù)。虹科提供性能強大的DPSS被動調(diào)Q小體積脈沖激光器，可以輕松集成到LIBS設備中，提供高峰值功率、短脈沖時間和高脈沖能量，支持多波長選擇。極其穩(wěn)定的輸出能力可以在LIBS測量中大展身手，或應用于生產(chǎn)第一線，快速完成對不同金屬材料的鑒別和定量測量，幫助用戶輕松完成材料識別和分揀，具有極高的經(jīng)濟效益比。

MPL2510的特點

• 在 1064 nm 處達到 2mJ 脈沖能量

短脈沖持續(xù)時間<500 ps

1 ~ 100 Hz的重復頻率

超緊湊、被動調(diào)Q

平均功率：200 mW

高峰值功率：4 MW

保證 >3 Gshot 壽命

其他波長可定制(532 nm，355 nm，266 nm)

MPL2510的應用

01

土壤監(jiān)測

土壤中重金屬元素的檢測是LIBS用于環(huán)境監(jiān)測方面的重要領域之一。近年來，這方面的研究比空間監(jiān)測和水監(jiān)測更加豐富。

針對土壤監(jiān)測，主要關(guān)注兩個方面：一方面，由于土壤樣品元素成分復雜，基體間差別較大，因而需要研究采用不同的實驗方法和數(shù)據(jù)處理手段以得到更好的定量分析效果；另一方面,根據(jù)實際需要，結(jié)合LIBS無需樣品準備等優(yōu)勢，開發(fā)更高效的現(xiàn)場檢測設備和方法。

通常，對于土壤中重金屬的檢測依賴于實驗室進行的化學分析方法和光譜分析方法，常用方法包括活化分析法、火花源質(zhì)譜法、ICP-質(zhì)譜法、石墨爐原子吸收光譜法、ICP-發(fā)射光譜法等。而以上方法受到儀器設備及工作條件的限制，或存在單次測量只能檢測一種元素，以及操作復雜，耗時長，需破壞樣品等不足。

LIBS憑借適用對象廣、檢測限低、可對多種元素同步檢測等優(yōu)勢，在土壤監(jiān)測領域脫穎而出。

02

天體隕石檢測

隕石是太陽系的物體，以天文物體的碎片，如行星、衛(wèi)星、彗星或流星體為主。它們起源于外太空，最終落在地球上。從某種意義上說，隕石可以被認為是我們太陽系幾千年歷史的載體，承載并傳遞著我們?nèi)粘８兄獾闹腔?，包含了我們今天所知道的太陽系歷史和進化的信息。通過仔細觀察這些隕石，可以辨別出太陽系的化學特征和年齡。

由于一些隕石含有在太陽系形成之前形成的恒星星塵，這為前太陽顆粒的研究提供了恒星形成和演化的更清晰的畫面。對隕石的結(jié)構(gòu)和元素組成的了解，不僅可以為它的起源提供線索，為宇宙的起源提供更多的線索，還可以了解行星和小行星如何形成，以及大型隕石對地球和地球上生命的影響。

在LIBS中，一個強烈的激光脈沖聚焦在待分析的樣品上，使樣品的一小部分，在納克到微克的量級上被燒蝕。這導致等離子體的形成，這是樣品中存在的元素的特征。等離子體中受激發(fā)的離子和原子發(fā)出輻射，這些輻射被收集和研究。LIBS技術(shù)作為一種高效、強光譜技術(shù)的潛力，可以識別樣品中存在的元素，甚至達到痕量元素水平，現(xiàn)在已經(jīng)得到了證實。

由于LIBS可用于同時識別和定量幾種元素，因此它被認為是一種強大的多元素分析工具，可用于不同類型的樣品，如土壤、石頭、陶器、生物樣品、考古文物、顏料、農(nóng)作物、水等。此外，在不利條件和樣品不能帶到實驗室的情況下，遠程應用該技術(shù)的可能性有望展開研究。

03

工業(yè)分揀

沒有任何一種分析方法能像LIBS那樣為化學分析提供如此廣泛的測量距離，它們從cm級到數(shù)百m不等，跨越了四個數(shù)量級，這使得工業(yè)應用成為可能。工業(yè)LIBS應用的兩個主要發(fā)展方向為：第一，固定式自動化LIBS系統(tǒng)，用于嵌入在工藝線中的在線測量任務；第二，手持式LIBS單元，主要用于快速陽性物質(zhì)識別鑒定。這兩個方向都體現(xiàn)了LIBS方法的獨特之處——它使用測量對象在一定距離上的純光激發(fā)，以實現(xiàn)金屬和氧化物質(zhì)的快速分析。根據(jù)工業(yè)進料的化學成分，可將需廢棄材料（如碎片或磚塊）分類成不同的部分。在這種情況下，被測物體將被一個振鏡掃描儀跟蹤，引導激光束到物體的正確位置。在LIBS測量體積的上游測量奇異物體（即需廢棄材料）的三維幾何形狀，并實時評估這些信息，以便通過掃描儀控制跟蹤程序。如下圖所示，傳送帶上的虛線框表示定位LIBS測量位置的測量體積。該設備每秒最多可跟蹤100個物體，同時通過測量體積（400×400×120 mm）傳送帶速度可達5 m/s。從幾毫米的小碎片到200毫米以上的大物體，可以處理的物體尺寸范圍大大增加。

總結(jié)

虹科MPL2510系列DPSS被動調(diào)Q脈沖激光器在LIBS應用中發(fā)揮極大的潛力，憑借其體積小重量輕的優(yōu)勢，適合集成到LIBS設備中。MPL2510適用于環(huán)境監(jiān)測和食品安全、醫(yī)療、天體物理測量、工業(yè)分揀、文化遺產(chǎn)保護等領域，一度成為LIBS應用中的優(yōu)勢選擇。