LIBS 激光诱导解析光谱系统
激光诱导击穿光谱，“Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS”，是基于脉冲激光技术、时间分辨高分辨全谱直读技术的一种元素分析方法，广泛应用于物质分析、成份检测、污染及有害物分析、物质鉴定、激光加工过程分析等领域。
一、原理
1.1 LIBS 在本质上是一种原子发射光谱技术。
任何元素的原子，可被外界能量激发到激发态，从激发态跃迁回到基态或中间态时会辐射出光子；这种发射光的波长分布称为原子发射光谱。
原子发射光谱有两大特征：1）通常而言，原子发射光谱为系列线谱；2）谱线的位置、相对强度仅跟原子序数及所处的电离态有关，与其它因素无关（不考虑同位素发射谱之间的精细差别），不同元素的发射谱不相同。目前所知的元素，其发射光谱均有详尽的数据，因此，原子发射光谱是常用的元素分析的工具。
作为原子发射光谱的一种，LIBS通常采用纳秒脉宽、1064nm的高功率Nd:YAG脉冲激光器，对样品进行离化、加热；采用时间分辨的高分辨率全谱直读光谱仪进行探测。
因此，LIBS是一种采用激光作为离化、加热装置的新型时间分辨原子发射光谱技术。
1.2 LIBS的具体过程
短脉冲激光（数十mJ，<10ns）被聚焦到1GW/cm^2量级，入射到样品上（可为固体、液体甚至气体）；
样品离化成为等离子体；
激光加热等离子体，局部*高电子温度可达十万K；
激光脉冲中止，等离子体热平衡，平衡温度约为一万K左右；
平衡后离子获得足够能量并开始膨胀，等离子体进一步降温；此期间辐射主要是黑体辐射和轫致辐射，其表现为紫外～可见～近红外连续谱，并随时间逐渐红移；
约10微秒时间以后，等离子体温度降低，此时辐射以离子与电子复合辐射为主，表现为紫外～可见的分立线谱；此即需要探测的元素发射光谱。
1.3 LIBS对仪器设备的要求
一台能量足够的、带同步内外触发的纳秒脉冲激光器；
延时脉冲发生器；
分辨率达到0.1nm及以下，并能全谱直读的光谱仪*；
带延时及门控（至少微秒量级）的探测器。
对分辨率和覆盖范围的要求，都来自于元素分辨的需求。原子发射光谱非常复杂，要区分不同的元素的相近谱线，需要相当好的分辨率和准确性；同时，通过比对多条谱线（同一元素的不同价态的谱系）来确定一个元素是准确的方法，因此，光谱覆盖范围要求达到紫外 ～ 可见。
二、LIBS技术优势
2.1与其它类型的原子发射光谱技术相比，LIBS具备以下优势：
无损或微损检测。LIBS测量中，激光仅仅作用于微米量级的区域，对样品基本无损；
基本无需样品制备，避免了样品在制备中的污染；
可通过重复测量一个点，对样品表层以下做成分分析，或避免表面污染的影响；
可以通过机械结构对样品表面进行扫描，做Mapping分析；
适用于几乎任何形态的样品：固体；液体；气体。适用于各种体系的元素分析：化合物、溶液、悬浊与悬浮混合物、合金等；
相对于其它原子发射光谱技术，LIBS实验非常快速便捷，通常几秒钟就能出结果；
LIBS纯光学技术，这意味着实验装置和样品间只有光学接触，系统可以很方便的跟其它光学装置（望远镜、显微镜、光纤），实现微区测量、远程测量甚至遥测；
LIBS系统可仪器化、全固化、小型化及整体化，相对于大型实验室分析设备，有极强的移动性和灵活性，可很方便的用于现场测量；
仪器对于供电等配套要求非常简单（无须大功率供电产生射频电磁场），有极强的环境适应能力（无须氧气及氧化剂，对有害气体不敏感，全固化系统可防震、冻、热、尘），因此可适用在极端场合；作为一个典型案例，因为便携式XRF被证明在尘土环境中不适用，因此美国已经用LIBS系统代替XRF系统用于火星表面成份探测;
2.2与其它元素分析方式（XRF）相比，LIBS具备以下优势：
对轻元素（如氮等）的鉴别能力远远超过XRF；实践中的XRF只能测量纳及更重的元素；
测量过程中不使用高能射线，不会穿透样品，对人体无害。
三、应用
作为一种元素分析技术，LIBS的主要应用包括：
1)化学、材料领域，实验室用成份分析；
2)冶金工业领域，合金成分分析，杂质成份分析；
3)激光加工（脉冲激光切钻焊、脉冲激光冲击强化）科研级应用中，中间过程分析；
4)能源及矿产领域：石油、煤炭等成份分析；
5)机械动力领域科研级应用：如航空润滑油金属微粒分析；
6)地质探矿，地质考古；
7)文物古籍鉴定（古铜、铁、瓷、玉鉴定，书画油墨鉴定）；
8)国防和安全：管制物品（如炸药）检测；生化武器监控；
9)建筑：建筑材料（石、砖、瓷、玻璃等）分析；
10)刑侦和鉴定：牙齿骨骼头发元素分析；宝石、贵金属元素分析；
11)环境分析：RoHS检测：工业及民用产品中有害元素检测；水中污染物监测：重金属离子及总氮（TN）、总磷（TP）含量检测；烟尘及气体排放中有害元素检测；土壤重金属污染检测及总氮检 测；
12)农林业：农作物、木材有害成份检测
土壤和蕃茄叶片的残留有害元素含量检测
四、 仪器组成
典型的LIBS装置应该由如下部分组成:
LIBS系统简图
1、激光：一般用纳秒量级，数十毫焦能量以上的固体激光，1064nm或532nm；
2、延时脉冲发生器：在精度在微秒及以下的延时脉冲发生器；
3、光搜集装置：透镜+光纤；
4、光谱仪和探测器：分辨率在0.1nm及更好的光谱仪；门控在微秒及以下的多通道探测器。
五、相关产品
先锋科技可提供高端研究级LIBS系统的全套设备：
1）法国Quantel公司 Brilliant、CFR、Ultra系列激光器，也可选配OPO激光器；1064nm能量从50mJ ～ 850mJ/pulse；
Brilliant系列激光器为紧凑型固体Nd:YAG激光器，模块化结构，方便组配多个波长。即插即用型激光器，无须调试，非常适合实验室使用，也可移动使用；
CFR/Ultra激光器为按照美国军标生产的紧凑型激光器；其抗震、耐温、耐恶劣环境的特征，及小巧的激光头与电源的体积，使得该类型激光器非常适合移动使用。
2）美国DG535/DG645脉冲发生器
四通道数字脉冲延时发生器；
0-999秒延时可控；
5ps延时分辨率，<50ps抖动，<1.5ns 延时精度
3）英国Andor公司Mechelle中阶梯光栅光谱仪
商品化中阶梯光栅光谱仪
全谱直读：200nm ～ 975nm光谱覆盖范围，可探测所有元素的原子发射光谱；
高分辨率：光谱分辨能力（l/Dl）= 5000（0.1nm @ 500nm）；
分光结构，光学交叉干扰<10-2；
自动温度补偿，有效保持波长准确性；
丰富的配件（建议选配）
1.光收集器，用于收集LIBS信号并通过光纤传导到光谱仪；
2.用于波长校准的汞氩灯标准光源
3.用于强度校准的复合光源（定量分析用）
Andor-Solis软件，包括所有的元素谱线位置，自动分析样品成份
4）英国Andor公司iStar ICCD探测器
180nm ～ 850nm响应，覆盖全部元素光谱
2ns门宽，带来精细的时间分辨能力和低占空比信号检出能力；
ICCD具备103量级的光增益，系统灵敏度大为提高，非常有利于检出微量、痕量元素组分
5）选配组件基于先锋科技强大的系统整合能力，可为用户提供实验所需的光学调整架、光学平台、透镜等光学元件，及部分实验所需的样品室、电控及手动平移台等等产品，提供完整的LIBS实验平台。
一、原理
1.1 LIBS 在本质上是一种原子发射光谱技术。
任何元素的原子，可被外界能量激发到激发态，从激发态跃迁回到基态或中间态时会辐射出光子；这种发射光的波长分布称为原子发射光谱。
原子发射光谱有两大特征：1）通常而言，原子发射光谱为系列线谱；2）谱线的位置、相对强度仅跟原子序数及所处的电离态有关，与其它因素无关（不考虑同位素发射谱之间的精细差别），不同元素的发射谱不相同。目前所知的元素，其发射光谱均有详尽的数据，因此，原子发射光谱是常用的元素分析的工具。
作为原子发射光谱的一种，LIBS通常采用纳秒脉宽、1064nm的高功率Nd:YAG脉冲激光器，对样品进行离化、加热；采用时间分辨的高分辨率全谱直读光谱仪进行探测。
因此，LIBS是一种采用激光作为离化、加热装置的新型时间分辨原子发射光谱技术。
1.2 LIBS的具体过程
短脉冲激光（数十mJ，<10ns）被聚焦到1GW/cm^2量级，入射到样品上（可为固体、液体甚至气体）；
样品离化成为等离子体；
激光加热等离子体，局部*高电子温度可达十万K；
激光脉冲中止，等离子体热平衡，平衡温度约为一万K左右；
平衡后离子获得足够能量并开始膨胀，等离子体进一步降温；此期间辐射主要是黑体辐射和轫致辐射，其表现为紫外～可见～近红外连续谱，并随时间逐渐红移；
约10微秒时间以后，等离子体温度降低，此时辐射以离子与电子复合辐射为主，表现为紫外～可见的分立线谱；此即需要探测的元素发射光谱。
1.3 LIBS对仪器设备的要求
一台能量足够的、带同步内外触发的纳秒脉冲激光器；
延时脉冲发生器；
分辨率达到0.1nm及以下，并能全谱直读的光谱仪*；
带延时及门控（至少微秒量级）的探测器。
对分辨率和覆盖范围的要求，都来自于元素分辨的需求。原子发射光谱非常复杂，要区分不同的元素的相近谱线，需要相当好的分辨率和准确性；同时，通过比对多条谱线（同一元素的不同价态的谱系）来确定一个元素是准确的方法，因此，光谱覆盖范围要求达到紫外 ～ 可见。
二、LIBS技术优势
2.1与其它类型的原子发射光谱技术相比，LIBS具备以下优势：
无损或微损检测。LIBS测量中，激光仅仅作用于微米量级的区域，对样品基本无损；
基本无需样品制备，避免了样品在制备中的污染；
可通过重复测量一个点，对样品表层以下做成分分析，或避免表面污染的影响；
可以通过机械结构对样品表面进行扫描，做Mapping分析；
适用于几乎任何形态的样品：固体；液体；气体。适用于各种体系的元素分析：化合物、溶液、悬浊与悬浮混合物、合金等；
相对于其它原子发射光谱技术，LIBS实验非常快速便捷，通常几秒钟就能出结果；
LIBS纯光学技术，这意味着实验装置和样品间只有光学接触，系统可以很方便的跟其它光学装置（望远镜、显微镜、光纤），实现微区测量、远程测量甚至遥测；
LIBS系统可仪器化、全固化、小型化及整体化，相对于大型实验室分析设备，有极强的移动性和灵活性，可很方便的用于现场测量；
仪器对于供电等配套要求非常简单（无须大功率供电产生射频电磁场），有极强的环境适应能力（无须氧气及氧化剂，对有害气体不敏感，全固化系统可防震、冻、热、尘），因此可适用在极端场合；作为一个典型案例，因为便携式XRF被证明在尘土环境中不适用，因此美国已经用LIBS系统代替XRF系统用于火星表面成份探测;
2.2与其它元素分析方式（XRF）相比，LIBS具备以下优势：
对轻元素（如氮等）的鉴别能力远远超过XRF；实践中的XRF只能测量纳及更重的元素；
测量过程中不使用高能射线，不会穿透样品，对人体无害。
三、应用
作为一种元素分析技术，LIBS的主要应用包括：
1)化学、材料领域，实验室用成份分析；
2)冶金工业领域，合金成分分析，杂质成份分析；
3)激光加工（脉冲激光切钻焊、脉冲激光冲击强化）科研级应用中，中间过程分析；
4)能源及矿产领域：石油、煤炭等成份分析；
5)机械动力领域科研级应用：如航空润滑油金属微粒分析；
6)地质探矿，地质考古；
7)文物古籍鉴定（古铜、铁、瓷、玉鉴定，书画油墨鉴定）；
8)国防和安全：管制物品（如炸药）检测；生化武器监控；
9)建筑：建筑材料（石、砖、瓷、玻璃等）分析；
10)刑侦和鉴定：牙齿骨骼头发元素分析；宝石、贵金属元素分析；
11)环境分析：RoHS检测：工业及民用产品中有害元素检测；水中污染物监测：重金属离子及总氮（TN）、总磷（TP）含量检测；烟尘及气体排放中有害元素检测；土壤重金属污染检测及总氮检 测；
12)农林业：农作物、木材有害成份检测
土壤和蕃茄叶片的残留有害元素含量检测
四、 仪器组成
典型的LIBS装置应该由如下部分组成:
LIBS系统简图
1、激光：一般用纳秒量级，数十毫焦能量以上的固体激光，1064nm或532nm；
2、延时脉冲发生器：在精度在微秒及以下的延时脉冲发生器；
3、光搜集装置：透镜+光纤；
4、光谱仪和探测器：分辨率在0.1nm及更好的光谱仪；门控在微秒及以下的多通道探测器。
五、相关产品
先锋科技可提供高端研究级LIBS系统的全套设备：
1）法国Quantel公司 Brilliant、CFR、Ultra系列激光器，也可选配OPO激光器；1064nm能量从50mJ ～ 850mJ/pulse；
Brilliant系列激光器为紧凑型固体Nd:YAG激光器，模块化结构，方便组配多个波长。即插即用型激光器，无须调试，非常适合实验室使用，也可移动使用；
CFR/Ultra激光器为按照美国军标生产的紧凑型激光器；其抗震、耐温、耐恶劣环境的特征，及小巧的激光头与电源的体积，使得该类型激光器非常适合移动使用。
2）美国DG535/DG645脉冲发生器
四通道数字脉冲延时发生器；
0-999秒延时可控；
5ps延时分辨率，<50ps抖动，<1.5ns 延时精度
3）英国Andor公司Mechelle中阶梯光栅光谱仪
商品化中阶梯光栅光谱仪
全谱直读：200nm ～ 975nm光谱覆盖范围，可探测所有元素的原子发射光谱；
高分辨率：光谱分辨能力（l/Dl）= 5000（0.1nm @ 500nm）；
分光结构，光学交叉干扰<10-2；
自动温度补偿，有效保持波长准确性；
丰富的配件（建议选配）
1.光收集器，用于收集LIBS信号并通过光纤传导到光谱仪；
2.用于波长校准的汞氩灯标准光源
3.用于强度校准的复合光源（定量分析用）
Andor-Solis软件，包括所有的元素谱线位置，自动分析样品成份
4）英国Andor公司iStar ICCD探测器
180nm ～ 850nm响应，覆盖全部元素光谱
2ns门宽，带来精细的时间分辨能力和低占空比信号检出能力；
ICCD具备103量级的光增益，系统灵敏度大为提高，非常有利于检出微量、痕量元素组分
5）选配组件基于先锋科技强大的系统整合能力，可为用户提供实验所需的光学调整架、光学平台、透镜等光学元件，及部分实验所需的样品室、电控及手动平移台等等产品，提供完整的LIBS实验平台。
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