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1、学科前沿理论课程论文XX的研究学院专业学生姓名提交日期2010年12月20日激光诱导击穿光谱（LIBS）技术的发展前景及其方向一、摘要：激光诱导击穿光谱(LIBS)技术，是20世纪后期发展起来的光谱分析领域中的一种全新的物质元素分析技术。由于LIBS测量方法所具有的优点,如不需对样品进行预处理,快速、无损检测,高灵敏度,可以对固体、液体、气体中的悬浮颗粒等进行实时的现场检测,所以LIBS测量方法作为一种新型的光学检测手段得到越来越多人的重视。对于我们工程热物理专业，LIBS证实了是一种有效可行的用于煤杂
2、质检测方法;并且在实验下有较为明显的检测谱线，在我们热工领域有较好的发展前景。本论文对LIBS的近年来的研究情况做了较为详细的概述,对LIBS的基本原理和特点进行了简单的阐述，以及了介绍了一下LIBS的发展前景。关键词：激光诱导击穿光谱(LIBS);光学检测；煤；应用前景二、前言：激光波谱技术在元素分析中成为一个重要的工具,因为它具有可选性、破坏性小、分辨率高以及可对固态、液态、气态以及浮质材料进行实时分析,而激光诱导等离子体光谱(LIBS)就是这样的一种技术。Brech[1]最先在第十届国际光谱学论文
3、集中,提出用红宝石微波激射器诱导产生等离子体的光谱化学法。20世纪90年代中期至今这种技术才得到广泛应用及研究,并应用于实际,如环境污染的监测,材料加工的控制等。现在LIBS技术的研究热度不断升高,重点转向提高探测的可靠性,经济性和高精度,主要方向为用超短激光脉冲来激发等离子体,此时产生的背景信号弱,从而提高了探测精度和探测极限,并且fs-LIBS具有更高的重复性使其成为比较有应用前景的技术[5,6]。目前，对作为国内主要能源之一的煤炭的快速品质监测也成为近来日益受关注的重要问题，煤炭的品质直接对热能效
4、率和废气排放等指标直接关联，因此需通过测量其灰度(si、Al、Ca等元素的氧化物)、含硫量、含磷量和含氮量等指标。由于LIBS技术本身所具有的快捷特点，能成为一种对煤品质进行快速检测与实时品质监控的应用技术。目前国内对于LIBS技术对煤的测量监测等方面已有一定的研究。三、LIBS技术的测量原理及装置3.1测量原理激光诱导等离子体(LIBS)工作示意图如图1所示。图1Schematicdiagramoflaser?inducedbreakdownspectroscopy(LIBS)technique输出激
5、光聚焦到被测物体上,脉冲激光的持续时间一般为10ns,到达材料表面的功率密度达1Gwcm-2,在如此高激光功率密度作用下,被测材料表面很快就会有少量的物质被喷射出来,这个过程称为激光剥离,同时一个寿命很短、具有高瞬态温度(10000∀)的发光等离子体在材料表面形成。这束等离子体里,剥落材料被分解为离子和原子。在激光脉冲的最后,因为等离子体以超音速向周围扩散快速冷却。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。通过灵敏的光谱仪探测并分析辐射光谱就能得到材料中元素的
6、种类(通过辐射谱的波长确定)和它的浓度(通过辐射波谱峰值的强度确定)。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,这是由于在脉冲与材料作用产生等离子体的初期存在很强的连续背景辐射,它的形成主要有以下两个方面的原因:一是等离子体内存在自由电子在自由态到自由态的跃迁、自由态到束缚态的跃迁所辐射的光谱,产生光子频率连续的光子,在光谱中反应的就是连续背景辐射;二是样品表面大气被击穿产生等离子体从而掩盖了特征等离子体信号。由于背景辐射的衰减比特征谱线的衰减速度快,所以在探测
7、时需要一个延迟装置来控制脉冲的激发和开始探测之间的延迟时间,从而在背景信号最弱而特征信号最强时进行信号采集。由于飞秒脉冲激发的连续辐射相对于纳秒脉冲引起的连续辐射强度小,并且衰减得快,所以在选取延迟时间时,飞秒相对短一些。Santagata[7]使用fs/ns对铜基铝合金进行分析,对于飞秒脉冲选0.2μs,而纳秒脉冲选1.2μs得到理想的结果。四、LIBS技术的影响因素4.1极光特性的影响4.1.1能量和功率密度若形成等离子体,那么激光能量必须超过特定的阈值,对于纳秒激光脉冲为每平方厘米几个焦耳,而飞秒
8、激光脉冲的能量阈值只要零点几焦耳每平方厘米。4.1.2波长和脉宽Amoruso[10]评估了使用可见光和紫外光对铝样品消融时等离子体对能量吸收的效率,发现这和辐射波长有直接的关系。4.1.3重复频率重复频率作为激光脉冲本身的一个特性,对LIBS结果有一定的影响。4.2延迟时间的影响在等离子体形成初期,存在着大量相互之间作剧烈碰撞的电子和激发态离子、原子。电子和离子之间的强烈的复合运动,产生很强的连续辐射,掩盖了特征光谱影响信号的探测。连续辐
