1、LIBS的产生和发展

  激光诱导击穿光谱技术（laser induced breakdown spectroscopy）是由美国Los Alamos国家实验室的David Cremers研究小组于1962年提出和实现的。自从1962年该小组成员Brech发表的一篇LIBS论文标志LIBS的诞生，至今已有55年的发展历史。近年来LIBS最引人瞩目的应用是，2012年美国火星探测器携带LIBS登上火星。由于LIBS具有遥测的能力，不需要样品处理，能够剥蚀火星岩石上表面的灰尘，而且能够分析C和H等有机轻元素，因此好奇号在2014年顺利完成探测任务，发现火星上存在水分等。

  进入21世纪，激光诱导击穿光谱的研究变得更加活跃，Alvira、Ramirez等人利用激光诱导击穿光谱研究古人类的牙齿遗骨，为人类学的进一步研究打下基础；Striber、Radavan等人也利用激光诱导击穿光谱对十八世纪的油画进行了无损研究。由于人们越来越重视环境保护以及食品安全等问题，因此研究人员也将激光诱导光谱的研究扩展到了对周围环境相关物质的研究问题上。LIBS技术受到了众多研究者的关注，并随着高功率脉冲激光器与增强型探测器（如ICCD）的出现，使得LIBS技术快速发展，其应用领域也在日益拓宽。

  激光诱导击穿光谱已经逐步发展成为分析化学的一种新技术，被科学家们称为元素分析领域中“一颗耀眼的新星”，用于对环境和地球化学等领域的固体、液体、气体样品的检测。

  2、LIBS结构及工作原理：

  LIBS系统的硬件主要由脉冲激光器，光谱探测器和一系列的光学组件组成。

  激光器产生的激光通过透镜聚焦于样品表面，样品在高能量密度激光作用下，瞬间产生高温，表面痕量的样品被气化形成等离子体。等离子体在冷却过程中，激发态的原子、离子从高能级到低能级或者基态，释放特征频率的光子，即发射特征光谱，被探测器吸收、转化为电信号。

  LIBS整个分析过程几乎在1S内完成，并且不同基体的物质等离子的形貌、时间、和空间的演变都具有不确定性，具有基体效应的影响。

图1. LIBS结构组成

  3、LIBS的特点及优势

  LIBS激光诱导击穿光谱技术为几乎所有固体样品中的几乎所有元素的鉴定和分析提供了一种简单直接的方法。这种分析技术相比传统的元素分析方法具有以下独特优势：

 （1）全面的元素检测范围：LIBS激光诱导击穿光谱仪可用来检测元素周期表中所有元素。尤其是轻元素（Li、B、Be、Al、Mg、Si等元素）检测能力强。

  （2）分析速度快：1秒内快速直接检测，LIBS激光诱导击穿光谱仪可直接快速的对固体进行化学分析，而几乎不需制备样品。与ICP 不同，LIBS无需复杂的样品消解过程，可直接分析固态样品，操作简便，内部没有耗材，仪器使用成本低。

  （3）可检测所有的固态样品：LIBS激光诱导击穿光谱仪在固态材料的多样性和兼容性方面弥补了其他元素分析仪的不足。除了常规物质的检测（例如金属、块状固体等），该技术还可以完全胜任对非晶材料、粉末、以及绝缘材料的检测与分析。

  4.手持激光金属分析仪器在铝合金行业中的应用

  铝合金用途广泛，其中的合金元素（或杂质）含量直接影响合金的性能与用途，分析铝合金中的各种元素与杂质含量是铝合金生产与品质鉴定的重要环节，目前铝合金的标准分析方法有化学分析、经典光谱分析、光电光谱分析、原子吸收方法等，这些方法均涉及分析对象的取样制样过程，应用过程较为复杂，在一些不便取样对象或要求在线实时检测的冶金工业工程应用中受到限制。基于LIBS技术的手持激光金属分析仪的出现，为铝合金企业现场快速合金分析的应用提供了非常有效准确的手段。

  4.1手持式激光诱导击穿光谱仪

  北京聚光盈安科技有限公司2016年初代理美国Rigaku KT-100/100S 手持激光诱导击穿光谱分析仪。2018年初代理日立仪器手持激光合金分析仪Vulcan。盈安专业化的应用研究与技术服务团队，始终保持专业、专注、富有激情，是中国及世界一流的LIBS产品与服务供应商。

  以日立仪器公司Vulcan系列手持金属分析仪为例，采用3B级1064nm被动调Q激光器，脉冲宽度4ns，最大允许曝射量（MPE）50W/m²，配有激光护目镜，百分百预防激光对人体的伤害。只需将分析仪稳固的接触需要分析的金属表面，然后扣动扳机，此时发射激光并烧蚀材料表面，进而形成等离子体，此时瞬间温度＞10000℃。当等离子体冷却时，等离子体中处于激发态的原子和离子从高能级跃迁到低能级或基态，释放出特征频率的光子，即为相应原子和离子的特征发射谱线。通过光谱仪分光和检测器的转换，获得待测样品中的元素组成及含量的信息，通过定标曲线及软件算法可以对光谱进行进一步的定量分析——样品中某种元素的含量，所有过程仅需1S。

  Vulcan系列金属分析仪坚固耐用，内部没有任何脆弱易损零部件。可以快速准确分析金属合金中的各种元素，尤其对Be、Al、Mg、Si等轻元素特别灵敏，特别适合对铝合金、镁合金、钛合金等轻合金进行快速牌号识别及成分分析。Vulcan系列检出限最低可达0.02%。可存储3万组数据。

  Vulcan系列是真正安全的手持金属分析仪，采用激光作为激发源，没有X射线辐射和电击的危险。

  符合IP54（相当于NEMA3）防护标准，具有超高的防尘和防水性能；激光激发警示灯闪烁；耐冲击外壳，显示屏、探头、和电池周围均采用环保密封盒减震橡胶，防止收到撞击；大面积散热器，即便在高温环境下也能提供理想的可靠性和稳定性。

  采用稳定可靠的Linux简体中文操作系统，此操作系统可保护系统不会受到电脑病毒感染；13种操作语言可选：英语、简体/繁体中文及芬兰语、法语、德语、意大利语、日语、韩语、葡萄牙语、波兰语、俄语、西班牙语、繁体中文。

  多基体标准合金库：预装多国牌号库，可以根据需求选择使用国标、美标、德标、日标牌号库，覆盖总共1600余种合金；同时用户还可以自定义牌号库，可以自由添加1000条以上的合金牌号，牌号库的数量不低于4个。

  测试数据传输与安全性保证：连接方式有WiFi、USB等；结果可直接下载到U盘，也可通过USB线缆传到电脑上；数据可保存成CSV格式或PDF格式，以确保完整性；连接OI Connect 软件，通过WiFi或手机连接云服务。

  铝合金为例，Vulcan-E的最低检出限可达0.02%，具有出色的检测能力，可以鉴别出成分非常接近的合金，例如6061和6063,7075和7050等。

表1.Vulcan-E检测7075和7050的检测结果

  5、手持式激光金属分析仪的使用

  5.1铝合金熔炼前的原料分类

  通常较大的铝合金生产及加工企业都有熔炼设备，他们会按照客户或生产的要求，将原铝及回收的铝合金再加上其它元素熔炼成所需的合金。采用的原料成分越接近要生产的合金牌号，熔炼成本越低，熔炼时间、保温时间也可以较短（节约能量）。这就需要有一个可以在现场快速进行成分分析以及牌号识别的工具帮助进行原料的分类。

  美国铝业购买激光金属分析仪主要用途即是熔炼前的回收铝合金料的分类。美国铝业在生产6000系列铝合金时会尽量使用6000系列铝合金的边角料，同样在生产5000系列铝合金时会尽量使用5000系列铝合金的边角料，以减少Mg及其他纯元素的投料量。美国铝业一个工厂每天收到来自福特及其它车厂的铝合金边角料约40卡车，这就需要一款手持金属分析仪，快而准的分析这些铝合金材料。

  5.2生产过程中半成品及成品的牌号识别或成分分析

  一些铝合金加工企业可能会用到不同牌号的铝合金加工零件，有时会无意中出现混料的情况，这时可以用Vulcan-E进行快速的牌号识别及确认。也可以用Vulcan-E对出厂前的铝合金产品进行100%全检，检测是微损的。而火花制度光谱仪因为是有损的、需要制样，通常不能用于成品的直接检测。有些合金生产企业要求整个生产过程中不含有某种或其他有害元素，这时可以通过Vulcan-E随时对原料、半成品、及成品进行确认是否含有污染元素。

  5.3入厂铝锭的快速质检

  铝合金加工企业通常会买铝锭作为原料，目前只能依赖卖方提供的检验报告及抽样在实验室通过火花直读光谱仪进行检验。如果有激光金属分析仪这样快速方便的工具，即可以对原料铝锭进行100%的检验。