激光诱导击穿光谱元素分析仪

图2 团队对于LIBS技术从基础研究-装备研发-工业应用的全链条攻关

（1）高灵敏度、高稳定性和高精度LIBS分析新方法

针对LIBS技术存在自吸收效应、基本效应和光谱波动性大等问题导致其探测极限低、灵敏度差和分析精度低的难题，团队提出了一系列新技术新方法。

1）提出采用OPO波长可调谐激光对等离子体中基态粒子进行能态选择性激发的新方法，从源头上阻止了LIBS自吸收效应产生，从而获得自吸收免疫的LIBS本征光谱。

2）提出采用微波对等离子体进行瞬时加热，获得温度场均匀分布的等离子体，实现宽光谱多元素的自吸收效应遏止。

3） 提出一种基于等离子体图像-光谱融合的图像辅助LIBS技术，有效克服了基体效应对定标曲线建立的影响，大幅度提高了LIBS的定量分析精度。

4）针对工业现场物质的快速高精度定量分析需求，提出一种仅需一个标准样品就可完成定量的LIBS单标样法和一种可克服自吸收效应影响的LIBS无标样定量方法。

5）针对生物体、食品、中药等疏松含水组织基体复杂，导致光谱信号微弱且波动大的问题，提出了从光谱预处理-特征提取-机器学习模型的全链条定性定量分析算法，相比于传统分析方法，可将分析精度提高10%。

6）提出一种面向金属3D打印构件的激光谱-超声同时检测技术，可同时对金属3D打印构件的表面元素分布、内部缺陷、残余应力和晶粒度进行同步分析。

（2）高精度LIBS成分分析仪研制

针对LIBS的光机电系统难以集成的难题，团队通过构筑模块化“笼式”光路系统，研制了共聚焦显微光学系统、同轴信号采集、放大装置等新技术，成功将OPO共振激发和等离子体图像-光谱融合新技术集成到LIBS成分分析仪中，实现了10-7量级的LIBS探测极限，将LIBS探测灵敏度提高了2个数量级，探测稳定性优于2%。所研制的系列激光探针元素分析仪如图3所示。

图3台式到便携式系列LIBS分析仪

【应用场景】

冶金过程在线检测：冶金过程中材料的元素成分是冶金工艺的核心参数之一，对其一直缺乏可靠的在线快速检测装备，尤其是对于高温熔融体中关键元素的在线检测。传统的火花直读光谱法、X射线荧光法（XRF）和电感耦合等离子体质谱/发射光谱法（ICP-MS/OES）均为人工取样、制样后的离线检测，并且只能检测固体样品，导致生产过程控制存在滞后性，难以满足冶炼过程连续、实时的质量控制要求。采用LIBS技术对液态熔融金属中的关键元素进行直接分析，对于工艺改进与过程控制具有重要意义。作为目前唯一可直接对高温熔融金属实现元素成分分析的技术，LIBS必将在未来冶金工业生产中发挥重要作用。