《光谱技术课程设计资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光谱技术课程设计资料（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、成绩评定表学生姓名班级学号专业光电信息科学与工程课程设计题目激光诱导击穿光谱在地质分析中的应用评语组长签字：成绩日期20年月曰学院学生姓名课程设计题目 实践教学要求与任务:课程设计任务书专业光电信息科学与工程班级学号激光诱导击穿光谱在地质分析中的应用1. 了解激光诱导击穿光谱的应用现状2. 掌握激光诱导击穿光谱的优点3. 掌握的激光诱导击穿光谱在地质分析中的应用的基本原理4. 设计激光诱导击穿光谱实验具体分析地质分析中的应用工作计划与进度安排：15周通过查资料，我们初步了解激光诱导击穿光谱在地质分析中的应用现状和优点。16周熟练掌握激光诱导击穿光谱在地质分析中的原理，然后设计激光诱导击穿光谱实
2、验实验，完成课程设计。指导教师:专业负责人:学院教学副院长:201 年 月曰201年 月曰201年 月曰激光诱导击穿光谱在地质分析中的应用摘要激光诱导击穿光谱技术（L旧S）是一种目前正在发展中的对样品中元素成分进行快速、现场 定量检测的分析技术。L旧S是一种激光烧蚀光谱分析技术，激光聚焦在测试位点，当激光脉 冲的能量密度大于击穿阈值时，即可产生等离子体。基于这种特殊的等离子体剥蚀技术，通常 在原子发射光谱技术中分别独立的取样、原子化、激发三个步骤均可由脉冲激光激发源一次实 现。等离子体能量衰退过程中产生连续的轫致辐射以及内部元素的离子发射线，通过光纤光谱 仪采集光谱发射信号，分析谱图中元素对应
3、的特征峰强度即可以用于样品的定性以及定量分 析。为了了解激光诱导击穿光谱技术（L旧S）技术和发展现况以及这项技术的应用情况，在课堂 学习和相关基础实验的基础上，通过查阅相关文献和书籍进行了分析、整理、归纳。本文从 L旧S的由来、基本原理和实验装置进行了综述，讨论了激光诱导击穿光谱技术在地质分析方面 的应用。L旧S技术应用方便快捷，且应用前景广泛。关键字：激光诱导击穿光谱；元素分析；地质分析目录1引言32激光诱导击穿光谱的原理33激光诱导击穿光谱的装置43.1激光诱导击穿光谱的实验装置43.1.1激光器43.1.2光谱仪53.1.3真空室54激光诱导击穿光谱在地质分析中的应用54.1激光诱导击穿
4、光谱技术的应用现状 54.2激光诱导击穿光谱技术在地质方面的应用64.2.1激光诱导击穿光谱技术对土壤中Cr和Pb元素定量分析 64.2.2激光诱导击穿光谱技术对煤样品成分分析64.2.3激光诱导击穿光谱技术对矿石样品成分分析74.3激光诱导击穿光谱技术在其他方面的应用85分析与讨论85.1结果分析85.2激光诱导击穿光谱技术的优点 85.3激光诱导击穿光谱技术的局限96结论910参考文献1引言激光诱导击穿光谱法(Laser Induced Breakdown Spectroscopy ) 简称为LIBS,是由美国Los Alamos国家实验室的研究小组于1962年提出和实现的。自从1962年
5、该 小组成员Brech最先提出了用红宝石微波激射器来诱导产生等离子体的光谱化学方法之后，激 光诱导击穿光谱技术开始被广泛应用于气体、液体和固体等各个领域。近三十年来，激光诱导击穿光谱测量技术在各行各业都有不同程度的应用。早期，运用LIBS装置研究如何提高测量精度；当前的激光诱导击穿光谱技术主要应用于冶金和 矿业、燃烧、水和土壤污染、空气污染和环境监测、艺术品及染料鉴定等行业，尤其是在工业 环境恶劣的领域如矿业、冶金等方面的应用更突显出该方法的优越性。本文是从激光诱导击穿 光谱的原理、实验装置的组成以及各部分的作用方面进行了介绍，并着重综述了激光诱导击穿 光谱技术在地质分析方 面的矿石的元素分析
6、、土壤中某些元素的分析和对煤炭中元素分析三个 方面进行了综述。激光诱导击穿光谱检测过程简单快速，物质蒸发和激化可一次性完成，实现 真正的快速分析，而且可以同时对多种元素进行分析。2激光诱导击穿光谱的原理激光诱导击穿光谱技术基于原子光谱和离子光谱的波长与特定的元素一一对应的关系，而 且光谱信号强度与对应元素的含量也具有一定的量化关系，激光经透镜聚焦在样品表面，当激 光脉冲的能量密度大于击穿门槛能量时，就会在局部产生等离子体，称作激光诱导等离子体。 等离子体随着向外界环境膨胀过程而逐渐冷却，并发射表征样品组分信息的光谱，利用光电探 测器和光谱仪对等离子体发射光谱进行采集。通过解析等离子体光谱，并结
7、合定量分析模型， 可以得到分析样品组分的类别和含量信息。以下为激光诱导等离子体发射谱线的形成过程。激光诱导等离子体发射谱线的形成过程：(a) 多光子电离形成等离子体。(b) 轫致辐射及电子自由跃迁形成的宽带发射，主要是等离子体中各元素的电离线形成的 连续的背景谱线，这个过程需几百纳秒。(c) 能级跃迁形成的谱线发射，谱线强度与元素浓度成正比。该过程通常持续几微秒， 是进行元素定量分析的重要环节。激光诱导击穿光谱的装置3.1激光诱导击穿光谱的实验装置激光诱导击穿光谱的实验装置系统主要是由激光器、真空室、光谱仪和PC机组成。lfi1 UB5平台示童囹3.1.1激光器激光诱导击穿光谱技术是在激光器发
8、明之后才慢慢发展起来的一项测试技术。激光器作为激光诱导击穿光谱必不可少的一部分，从它的发明到现在几十年来，激光器已经有了很大的发展。目前用于激光诱导击穿光谱技术的激光器主要有以下四种。红宝石激光器、钇铝石榴石激光器、气体激光器、准分子激光器。这些激光器一般都能提供1000mJ左右的脉冲能量，瞬时激光功率可以达到1-200M W如果再利用聚焦镜把激光汇聚到样品上，其产生的能量足以将固体直接气化产生等 离子体。在激光诱导击穿光谱技术装置系统中，最常用的激光器是脉冲调Q的钇铝石榴石激光器。 这种激光器产生的脉冲宽度大约是在6-15ns之间，能够满足激光诱导击穿光谱系统对激光能量 的需要。而且，钇铝石
9、榴石激光器易于实现小型化，有利于激光诱导击穿光谱系统的便捷化。3.1.2光谱仪在激光器之外，作为最终光谱的探测收集的装置，光谱仪也是激光诱导击穿光谱技术装置 系统中另外一重要的设备。光谱仪是用来测定光的波长、能量等性质的仪器，一般使用棱镜或衍射光栅和光电倍增管等组成，按波段区域分，一般有红外线、可见光、紫外线、微波、X 射线光谱仪等不同波段的光谱仪；按分光元件的不同，可以分为干涉光谱仪、棱镜光谱仪和光 栅光谱仪等；按探测方式来 分，有直接用眼睛观察的分光镜，用感光胶片记录的摄谱仪，以 及用光电或者热电元件探测光谱的分光光度计等。在棱镜或者衍射光栅的作用下，由于不同波 长的折射系数的不同，一束不
10、可区分的不同波长的光在空间位置上被分散成不同波长的光。而 利用光电倍增管或者CCD等器件，可以探测出各种不同波长光的强度。3.1.3真空室真空室中有两个石英窗口，一个石英窗口是激光入射窗口，另一个是光谱仪收集等离子体 特征谱线的窗口。真空室由真空腔和串联的机械泵、分子泵组成，可抽至0.0001Pa。依据实验的需要将样品暴露在大气中或者置于真空室内，由激光器发射出的激光束经聚光 镜I聚焦后聚焦到样品上，激光仪以45 角入射到样品上，聚焦的激光束在样品的表面激发出等 离子体，等离子体辐射出来的特征光谱经聚光镜聚焦后由光纤送入光谱仪中，再通过光谱软件 在PC机上获得并且分析光谱数据。激光诱导击穿光谱
11、在地质分析中的应用4.1激光诱导击穿光谱技术的应用现状近年来，随着激光器和光学检测设备的发展，激光诱导击穿光谱技术的应用研究已经成为 各个领域研究热点。libs技术凭借其自身的独特优势逐渐深入应用到各个行业中，不仅在物 质材料或是痕量元素的分析领域得到广泛应用，而且在环境污染的实时监测、冶金行业、材 料加工的在线控制等领域的应用中也得到迅猛发展。激光诱导击穿光谱技术也在地质分析方面 也有着广泛的应用，包含了对矿石进行快速、准确的检测，对煤炭的灰度、含硫量、含磷量和 含氮量等指标的测量和对土壤中重金属元素含量的检测等方面4.2激光诱导击穿光谱技术在地质方面的应用4.2.1激光诱导击穿光谱技术对土
12、壤中Cr和Pb元素定量分 析2012年，陈金忠等利用激光诱导击穿光谱技术对土壤中Cr和Pb元素进行了定量分析。实验采用波长为1064nm输出能量200mJ脉冲宽度10ns，重复频率15Hz的 Nd:YAG激光器，激光束用f=100mm的石英透镜聚焦于样品上，焦点位于样品表面以下6mm 处。为保证对样品的激发条件稳定，实验将制备好的圆片形土壤样品固定在由马达带动的以163 rps匀速转动旋转架上。在大气压力下的Ar环境气氛中形成激光诱导等离子体。采集光谱时， 每个样品激发三次，光谱数据取三次的平均值，通过等离子体原子发射光谱法，以Fe原子谱线 为内标、分析线背景为内标和没有内标的3种情况下绘制元
13、素定标曲线，分析结果的精密度和 准确度。结果表明，3种情况下分析元素Cr的相对标准偏差分别为5.85%、26.48%和 33.10%，元素Pb的相对标准偏差分别为5.42%、22.78%和 38.66%，这一试验结果证明了采用内标法可以明显地提高测量精度。采用Fe谱线为内标时所得 到的元素Cr和Pb的相对检出限分别为3.50 X 10-3%和57.90 X 10-3%,满足微量元素分析要 求，降低了元素分析的检出限。2008年，周卫东等利用激光诱导击穿光谱技术对土壤中Cr和Pb元素进行了定量分析。实验采用波长为1064nm最大单脉冲能量200mJ,脉冲宽度10ns,激光工作频率 1Hz的Nd:
14、YAG激光器，采用探测波长范围200-500nm的多通道小型光纤光栅光谱仪。激光束 通过一个反射镜和一个焦距为70mm的凸透镜聚焦到样品表面产生激光等离子体。采用300个激光脉冲轰击样品表面的不同点的取样平均方式， 记录了系列土壤标准样品的激光诱导等离子体的发射光谱，研究了重金属原子特征辐射谱线的 信噪比、数据偏差等与数据采样品平均次数的关系。发现这时对重金属Cr和Fe浓度分析测量 的相对标准偏差分别为1.53%和1.48%,得到了对定量分析Cr和Fe等金属的定标曲线，对Cr 浓度的检测灵敏度为10ug g-1这一结果在当时要优于国内外报道的结果。这表明了我们的激光 诱导击穿光谱系统和实验采样
15、、分析定标方法进行土壤中重金属的分析具有很好的重复性和测 量精度。4.2.2激光诱导击穿光谱技术对煤样品成分分析2008年，汪家升等利用激光诱导击穿光谱技术对煤样品进行了定性分析。实验采用波长为 1064nm的Nd:YAG激光器作为激发光源，激光器的重复频率为1-10Hz，脉冲宽度为10ns，能 量为32mJ激光光束经焦距f=20mm的石英透镜聚焦后作用于样品的表面，用以击穿样品，形 成等离子体，等离子体辐射光经由一个焦距f=50mm石英透镜耦合到光谱仪光纤输入端，光谱仪的光谱分辨范围为200-50Onm,分 辨率为0.1 nm,借助光谱仪自带的分析软件分析处理所获得的光谱信号。实验是在实验室的自然 条件下对煤样品进行光谱测量，采样延时为5us。结果表明，煤样品中含多种元素，其中金属元素Mg Fe和Al等的特征谱线清晰，煤中出了 C的 247.86nm谱线外，由于光谱仪采集范围的影响，特征谱线波长大于500nm的H、O N、S等 元素的特征谱线采集不到，对于一些含量较少的元素如U、Si、Ba、Ni等的特征谱线清晰 可见。煤的L旧S光谱中既含有分立的原子谱线，也包括连续的光谱，实验中采取了延长采样 时间的方式但也未能消除光谱中的连续光谱背景，这可能来源于激光对煤样品的烧
