基于单光束分束激发的LIBS信号增强方法研究

Laser-induced breakdown spectroscopy is a frontier spectra analysis technique in online testing involved in soil, metallurgy and other fields. The LIBS signal is relatively weak in trace elements detection which leads to low accuracy and high LOD. The existing signal enhancement methods need extra excitation source, and these methods will make the instrument complicated and expensive. According to this problem, we will establish theoretical model of plasma absorption zone to reveal the inherent mechanism of plasma shielding effect. By improving the use efficiency of the laser energy within the system, a signal enhancement method based on single-beam splitting(SBS-LIBS) excitation is proposed. In addition, the response of different spectral bands and types of elements will be researched to optimize testing condition and establish a comprehensive analysis and testing system. This method with the inherent advantage of LIBS has a relative simple structure and can solve the problem of poor timeless for tradition method. It achieves 5-8 times enhancement in peak intensity and 2-4 times enhancement in S/N. The method proposed in this project will be technical basis for online testing.

激光诱导击穿光谱是一种前沿性光谱分析技术，可广泛应用于石油、冶金和电力等领域的现场在线检测。但是当LIBS技术用于微量元素检测时，由于光谱信号强度较弱，导致其分析精度较低、检出限偏高。现有LIBS信号增强方法，在实现过程中需要额外增加激发源，导致仪器结构复杂、成本较高，不利于现场在线检测。本项目针对这一问题，建立等离子体吸收区理论模型，揭示等离子体屏蔽效应的内在机理，通过改善系统内部激光能量的利用效率，提出一种基于单光束分束激发的LIBS信号增强方法(SBS-LIBS)。研究本项目方法对不同光谱波段和元素种类的响应效果，优化实验条件，建立完善的分析测试体系，探索方法对于信号增强的深层机理。本项目提出的方法谱峰强度增加5~8倍，信噪比增加2~4倍，同时还保留了原有LIBS技术的优势，有效解决现有LIBS信号增强方法仪器结构复杂，分析时效性较差等问题，为其服务于现场在线检测奠定重要的技术基础。

激光诱导击穿光谱是一种前沿性光谱分析技术，可广泛应用于石油、冶金和电力等领域的现场在线检测。但是当LIBS技术用于微量元素检测时，由于光谱信号强度较弱，导致其分析精度较低、检出限偏高。现有的LIBS信号增强方法大多需要额外增加激发源或增加样品前处理时间，导致LIBS仪器装置结构复杂、分析周期较长，不利于LIBS技术的推广与应用。. 针对上述问题，本项目分析了激光诱导等离子体的屏蔽效应，从改善激光能量与样品耦合效率入手，提出了一种基于单光束分束技术的LIBS信号增强方法（SBS-LIBS），开展的主要工作包括：①研究等离子体屏蔽效应的内在机理，探索等离子体内部吸收区的生存周期、扩散方向和空间密度等参数的变化规律，建立等离子体吸收区的理论模型；②研究SBS-LIBS方法的分束模式、入射角度和延迟时间对信号增强效果的影响；③研究了SBS-LIBS方法对于不同光谱波段以及不同属性的元素的信号增强效果，并优化了分析测试参数，建立了分析测试体系；④研究了SBS-LIBS技术等离子体时间演化特性；⑤基于化学计量学方法开展了LIBS技术在塑料分类与烧结矿酸碱度分析的应用研究。. 本项目完成了任务目标，明确了等离子体屏蔽效应产生的机理，完成了SBS-LIBS分析方法研究与实验参数优化，建立了分析测试体系，实现了谱峰强度增加5~8 倍，信噪比增加2~4 倍的目标，在本项目实验条件下，得出了分束策略、入射角度、延迟时间的最佳实验条件。. 本项目研究成果不需要额外增加体积庞大，且价格昂贵的二次激发源，而且无需复杂的样品前处理过程，在保留LIBS技术原有分析速度快、无需样品前处理和仪器结构简单等优势的前提下，实现LIBS信号的增强，为LIBS信号增强技术提供了一种新方法，有效解决了现有LIBS信号增强方法无法同时兼顾分析精度与分析速度的问题，为我国LIBS技术服务于现场在线检测提供广阔的发展空间和应用前景。