激光诱导等离子体光谱分析

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1、激光光谱分析与联用技术读书报告日期：2011年5月25日激光诱导等离子体光谱法摘要：本文概述了激光诱导等离子光谱法的发展概况、基本原理、基本特性、仪器装置、应用方向和研究进展，并对该光谱法进行了展望。关键词：激光诱导等离子体光谱研究进展前言：激光诱导等离子体（LIP）近年来尤为受到关注，已经成为研究激光与物质相互作用的重要工具，在光谱分析，激光薄膜沉积和惯性约束核聚变等方面也有着广泛的应用。随着激光和阵列探测器的发展，激光诱导等离子体光谱技术（laser-inducedplasmaspectroscopy或者

2、laser-inducedbreakdownspectroscopy）在近30年内取得长足发展，成为原子光谱分析阵营中的一颗明星，犹如早些年的火焰原子吸收光谱法、光电直读光谱法和电感耦合等离子体发射光谱法，在很多领域得到广泛的应用。1.发展概况LIPS自1962年被报道以来，已被广泛地应用到多个领域，如钢铁成分在线分析、宇宙探索、环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析，以及美国NASA的火星探测计划CHEMCAM等，并且开发出了许多基于LIPS技术的小型化在线检测系统。LIPS发

3、展可以分为三个阶段：第一个阶段是至自1962年提出到70年代中期，主要是在于研发利用光电火花源产生等离子体的仪器。第二个阶段是从1980年开始，这种技术重新被人们重视，但实际应用仍然受到笨重的仪器阻碍。第三个阶段是1983年迄今，激光诱导等离子体光谱开始以缩写形式LIPS，开始被商业公司开发应用。这种趋势导致分析工作更加集中于发展坚固的、移动的仪器。此时光纤也被应用于LIPS系统中，主要用于将等离子体发射信息和激光脉冲耦合进光谱仪。近20多年来，LIPS测量技术在各个行业都有不同程度的应用。通过改进实验LIP

4、S装置来提高测量精度。到上个世纪90年代中期开始，一些商业公司便开发出便携式半定量的成品仪器，LIPS仪器开始走向经济型商业化，从而更加有力地深入到各行业的应用中。2.基本原理脉冲激光束经透镜会聚后辐照在固体靶的表面，激光传递给靶材的能量大于热扩散和热辐射带来的能量损失，能量在靶表面聚集，当能量密度超过靶材的电离阈值时，即可在靶材表面形成等离子体，具体表现为强烈的火花，并伴随有响声。激光诱导的等离子体温度很高，通常在10000K以上，等离子体中含有大量激发态的原子、单重和多重电离的离子以及自由电子，处于激发态

5、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，就可以得到被测样品的成分、含量等信息。通常经过聚焦后的激光功率密度达到GW/cm2量级，光斑处物质蒸发、气化和原子化后电离，形成高温、高压和高电子密度的等离子体。等离子体的形成机理尤为复杂，通常认为有三种电离方式：（1）光电离。激光的单光子能量大于介质原子的电离能时，可发生单光子吸收电离，一般发生于激光的波长较短的情况下。若原子的电离势达到光子能量的数倍时，可发生多光子吸收效应而电离，即原子和

6、分子吸收两个或两个以上的光子而电离。（2）热电离。在高温情况下，原子的热运动速率很大，携带很高的能量，这样原子间相互碰撞，使原子的外层电子能够脱离核的束缚而电离。(3)碰撞电离。带点粒子在激光电场下加速获得能量，与其他原子发生碰撞，若原子中的电子获得足够多的能量脱离原子的束缚，发生电离，随着带电粒子的增多，最终发生雪崩电离，物质被击穿，形成致密等离子体。等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态．等离子体的演化过程如图1所示。图1：等离子体演化

7、示意图图2：等离子体能级示意图图2是等离子体能级示意图，能级分为3个区域：在原子的电离能以上的区域为能量连续区，对应电子的自由能级；接近电离能的下方为一准连续区，主要是由于Stark效应使得原子与离子的能级展宽，能级发生重叠所致，等离子体温度越高，电离程度越大，准连续区就越宽；在准连续区域以下对应得则是粒子的束缚能级。等离子体中的束缚—束缚跃迁产生元素的特征光谱，束缚—自由跃迁产生连续谱线。各种靶材激发等离子体所需要的激光功率密度不同，对于任一种样品，都有一个特定的激光功率密度值，当聚焦在样品上的功率密度达到

8、或超过这个值后，才能产生激光等离子体，这个特定的激光功率密度值被称为这种样品物质的电离阈值。经研究发现，产生激光诱导等离子体的烧蚀域值一般都在MW/cm2量级上。如果入射激光能量密度小于电离阈值，无法烧蚀样品产生等离子体，只有当功率密度超过物质的电离域值时，才能形成高温、高压等离子体。在气体中，原子化需要的能量很少，能量主要用于激发，气体中电离的阈值比在固体表面略高，典型的等离子体温度在20000K