物体表面涂层中深度轮廓分析和成分分析检测方案(光纤光谱仪)

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术 LIBS的工作原理 激光弧光光谱（LASS）、激光诱导等离子光谱（LIPS）或者更常见的叫法激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种原子发射光谱，它使用脉冲激光器作为激发源。它的基本原理请参见下面的示意图。脉冲激光器 ( 比如调Q的Nd:YAG激光器 ) 的输出激光脉冲被聚焦到被测物体的表面。仅使用小型激光器和简单的聚焦透镜，就可以在激光脉冲的持续时间内（典型值是10ns）使被测材料表面的激光功率密度超过1GW/cm2。 LIBS原理示意图 在如此之高的激光功率密度作用下，被测材料表面就会有几微克的物质被喷射出来，这个过程通常被称为激光剥离，同时材料表面还会产生寿命很短但亮度很高的等离子体，其瞬间温度可达10,000oC 。在这个热等离子体中，喷射出来的物质离解成激发态的原子和离子。在激光脉冲结束后，由于等离子体以超音速向向外扩展所以迅速地冷却下来。在这段时间内，处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的光辐射。用高灵敏度的光谱仪对这些光辐射进行探测和光谱分析分析，就可以得到被测材料的元素构成信息。 在测量时要使用带门控的探测器来记录激光脉冲延迟一段时间后所产生的激光等离子体的光辐射，这是由于只有在等离子体已经膨胀并开始冷却时才会出现原子或者离子的特征辐射谱线。从下面的光谱图中展示了在不同的探测器采样时间延迟下得到的锝的特征辐射谱线，从中可以看出在快门延迟10微秒时得到的谱线强度最大。 对任何材料的真正无损检测 由于测量过程中只消耗极微小的一部分物质，LIBS可以说是真正的非破坏测量。由于入射到样品上的平均功率还不到1W，激光对样品的加热也基本可以忽略不计。理论上讲，LIBS可以实现对任何物质的元素分析，不论它是什么物理状态。固体、液体、气体甚至混合状态的，都可以分析。已经成功的分析过的样品包括了软泥、泥浆、矿石、废料、污水等等。 固体、气体和液体的LIBS分析 远程分析能力 由于LIBS技术实质上是一个全光学的技术，只需用光接触被测样品即可完成分析。所以LIBS技术可以用来进行远程分析。通常可以使用一个望远镜系统在10米远处进行分析，或者使用光纤探头在100米外进行分析。这个特点使得LIBS技术特别适合对危险或高温材料进行分析，或在非常恶劣的环境中使用。 无需样品预处理 LIBS技术可以直接对材料进行分析，而不需要对材料做任何预处理。 但如果样品表面涂覆有其他物质（比如氧化的或者涂层的钢材）时，则要用激光先把样品表面的涂层清理干净，把下面的被测材料暴露出来，才能对样品做分析。激光清除过程的效率取决于所要清除的材料种类以及所激光能量。通常对于几百微米厚的氧化物、油污或者涂层，使用一个小巧的低功率激光器就可以很快清除干净。此外，激光等离子体产生的超声震波对去除半流体或者粘滞性污物有非常好的效果。例如，利用 LIBS技术可以分析表面裹有几厘米厚的氢氧化镁矿泥的金属。 定量分析微量元素 对LIBS系统进行定标后就可以对基体材料中的微量元素进行定量分析，比如分析钢材中的铬、铝合金中的镁、玻璃中的铁、硫酸铜中的铜等。定标时要使用经过鉴定的样品材料，这个样品材料与被测材料具有相同的基体，但含有不同含量的被分析元素。在分析时通常采用所谓的“内部标准化”的过程，即把被分析元素的谱线强度和基体材料的谱线强度进行比较，这样就可以减少由于激光的脉冲 - 脉冲能量不一致性所导致的等离子体条件变化对测量结果的影响。要想得到好的分析结果就要对LIBS的硬件进行仔细的设计并采用合适的测量方法。LIBS系统测量的灵敏度与许多因素有关：被分析物和基体材料的结合方式， LIBS系统和被测样品的距离，以及是否需要遥测等。LIBS系统测量结果的正确性可优于10% ，精度可优于5%。不同元素的典型检测限请参阅下面的元素周期表。 LIBS的测量准确性和精度分别优于10％和5％。 测量速度快、非接触测量 在许多情况下，只用一个激光脉冲就可以进行样品分析，所以LIBS系统能够非常快速地对大量样品进行快速分析。再加上可以非接触测量的特点，使得LIBS系统在废金属、合金和塑料回收工业中就显得非常重要，此时大量的被测样品在传送带上飞速移动，需要系统的测量速度要非常快， LIBS技术很适合在这个领域应用了。 分层结构和表面涂层的深度轮廓分析 由于激光可以以一种可控的方式来清除表面涂层，因此分层结构的深度轮廓分析可以用LIBS技术来进行。 在激光不断“钻入”到被测材料中的同时用光谱仪对其产生的光辐射进行光谱测量，就可以得到被测材料的构成成分元素随深度变化的函数。通常这一技术只能用于那些在典型LIBS系统中激光器的参数下比较容易去除的材料。比如在钢材上锌镀的过程控制中的成分分析，探测油漆中的重金属（铅、铀、钚等），检测混凝土的成分污染等。 应用 ● 材料的远程无损分析，定性和识别 ● 危险材料 ( 高温、放射性、化学毒性材料 ) 的远程探测和元素分析 ● 存储容器的放射性污染的现场检测 ( 玻璃化的高等级废料、中间级废料 ) ● 不易接近环境中钢材的现场成分分析 ( 核反应堆压力容器等 ) ● 废料回收过程中快速鉴别金属和合金 ● 关键部件在制造和装配过程中的绝对金属鉴定（ Positive Metal Identification ） ● 对液态金属和合金进行过程控制时的在线成分分析 ( 如钢中的碳、硅、磷等含量的测定 ) ● 对液态玻璃进行过程控制时的在线成分分析 ( 如铁、铅等含量的测定 ) ● 对淹没在水中的材料进行现场识别 ( 如金属、合金、陶瓷、矿物质、放射性材料等 ) ● 对物体表面涂层的深度轮廓分析和成分分析 ( 如电镀钢、塑料膜层、油漆中的重金属等 ) ● 空气中微粒的在线监测 ( 如烟囱排放监测 ) ● 复杂形状物体的成分分析 测量速度快、非接触测量在许多情况下，只用一个激光脉冲就可以进行样品分析，所以LIBS系统能够非常快速地对大量样品进行快速分析。