基于高分辨光谱仪的激光诱导击穿光谱实时分析软件研究

徐敏，竺欢焕，李红霞，季振国

摘要：介绍了自主开发的激光诱导击穿光谱实时分析软件，基于Ocean Optics公司型号为HR4000的高分辨光谱仪，利用原子发射谱线的浓度方程和Saha-Boltzmann plots方程来确定等离子体的温度以及元素的浓度。该软件可简单、快捷地进行定量分析，具有一定的实用性及推广价值。

关键词：激光诱导击穿光谱；实时分析；分析软件

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）37-0086-02

激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）技术是通过探测等离子体中原子或离子光谱来分析样品中的元素种类和含量，以便实现对物质元素成分的定性及定量分析。作为一种定性与定量分析工具，LIBS具有对样品破坏性小、无需复杂的样品预处理、能同时对多种元素进行分析及能实时在线分析等优点，因此非常适合于固体、液体及气体元素成分的实时检测。目前，LIBS已被广泛地应用于环境污染监控、地质土壤检测、冶金分析、艺术品鉴定、材料分析与生物医学化验等领域。

在LIBS技术的操作过程中，通常是先用光谱仪自带的软件观察光谱波形，然后进行保存，之后再用origin等作图软件进行分析，这显然不能满足实时分析的要求。本文基于Ocean Optics公司的HR4000的高分辨光谱仪，采用C#语言编程，研发了基于高分辨光谱仪的激光诱导击穿光谱实时分析软件，该软件在显示波形的同时，可以对数据进行处理，能够满足实时分析系统的要求。

一、软件的设计

基于高分辨光谱仪的激光诱导击穿光谱实时分析软件用C#完成设计。该软件能实时采集LIBS谱线和显示，能同时抓取三个特定峰来进行观察，并且可以计算这三个峰的强度以及两峰之间的强度比，根据强度比的变化来进行定性与定量分析。

1.实时读取光谱仪中采集的数据。导入Ocean Optics公司提供的光谱仪API函数，根据提供的手册说明，调用数据读取以及数据设置的类和函数，其中CCoWrapperClass类是最重要的。依次調用openAllSpectrometers、setIntegrationTime、getSpectrum和getWavelengths函数，就把光谱仪中的数据读到了内存中。setIntegrationTime函数中的参数可以通过“积分时间框”来进行设定。因为激光的频率选定为10Hz，所以积分时间设定为200ms。其中定时器的时间设定为250ms，多出的50ms是让程序有时间做一些数学计算。

2.多次读取光谱仪中的数据，求平均值，减少误差。平均数据是这样得来的：设定“平均次数”的值，程序会持续读取光谱仪的数据，求出平均值。因为在实际观察中，有时会出现光谱仪中的数据为空（与在关闭激光时采集的光谱相似，等于没有把等离子体的特征光谱读进来）。

3.抓取特定峰，进行观察。自带的软件只实现了显示，但是无法观察特定的峰值。比如，想同时观察在相同电压下Fe I峰和Fe Ⅱ峰值，自带软件无法实现。本文的软件做了这方面的改进，能观察200nm～1100nm内的任意峰值，并且是实时的。

4.更好地确定等离子体温度以及元素的浓度。在LIBS技术中，实验的可重复性是比较差的。但是当环境有所变化时，放大电压可能需要调整。通过对玻尔兹曼公式的推导，可以观察等离子体的温度，通过观察强度比值变化，来适当调整电压，实现实验的可重复性。

二、初步应用

激光源为ZKLASER公司生产的MQV-2000-10型的Nd-YAG激光器，该仪器可发射波长为1064nm、532nm、355nm以及266nm的脉冲激光。激光能量在放大电压0～1000V的调节范围内能产生最高2000mJ的脉冲激光。脉冲激光的持续时间为20ns，脉冲激光频率可选择外控，也可选择内置的1Hz、5Hz以及10Hz。光谱仪为Ocean Optics公司的HR4000型高分辨光谱仪。该光谱仪可分辨波段为200nm～1100nm，最高可辨识强度为17000cps，波长间隔为0.27nm，扫描时间最低为3.8ms，并可多次扫描。

本实验装置波长选择1064nm，激光频率设置为10Hz。激光通过石英凸镜，聚焦于样品（放置于样品台上）表面，从而产生出等离子体。与样品成45°聚光镜收集这些等离子体特征光谱，然后通过光谱仪连接到PC上显示和存储收集到的频谱。本实验是在大气环境下进行的。通过实验可以观察到等离子体的温度比较稳定以及Ti元素的含量值的误差比较小。图1为AlⅡ/AlⅠ和TiⅠ/AlⅠ的比值。如图所示，可以观察到等离子体的温度比较稳定以及Ti元素的含量值的误差比较小。

三、小结与展望

通过初步应用表明，该软件运行稳定、可靠，能够完成已设计的功能。通过对Al2O3及SiO2等样品的LIBS数据进行分析表明，基于高分辨光谱仪的激光诱导击穿光谱实时分析软件的设计是可行的，能较好的对样品进行定性、定量分析。其中对等离子体温度的计算以及对于元素的定量分析，大大改善了LIBS技术的实时分析应用。在整个程序设计过程中，充分利用了C#方便、直观的数据处理功能来对LIBS谱线进行处理与分析。在今后进一步的研究中可将其功能更加完善，以实现更加良好的用户界面及灵活的使用方式。

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作者简介：李红霞（1978-），女，山东人，副教授，博士研究生，主要研究薄膜材料与器件。