作者单位
摘要
北京理工大学 物理学院, 北京 100081
激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是利用强脉冲激光与物质相互作用所产生的等离子体光谱来实现对物质组成元素定性和定量分析的一种新方法。在脉冲激光诱导等离子体的过程中,不同的激光参数(能量、脉宽、波长)、检测过程中的环境条件以及材料本身的特性等,对激光诱导等离子体的物理机制都有不同程度的影响,进而影响LIBS定量分析的结果。本文综述了现阶段LIBS技术中包括LIBS基本原理、激光参数区别、环境和材料特性差异所涉及的物理机制。为深入理解激光与物质相互作用、提升LIBS检测能力提供了依据。
激光诱导击穿光谱(LIBS) 物理机制 Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) physical mechanism 
中国光学
2024, 17(1): 19
代玉银 1孙艳 2冯志书 3于丹 2,*[ ... ]金明星 4,***
作者单位
摘要
1 吉林大学白求恩第一医院核医学科,吉林 长春 130021
2 空军航空大学航空基础学院,吉林 长春 130022
3 空军航空大学作战勤务学院,吉林 长春 130022
4 吉林大学原子与分子物理研究所,吉林 长春 130012
针对飞秒脉冲激光诱导击穿光谱(fs-LIBS)中Al靶温度对AlO分子光谱的影响进行了实验研究。通过测量AlO分子的光谱强度和振动温度,发现Al靶温度对fs-LIBS技术中AlO分子的光谱特性有显著的影响。研究结果表明,提高靶材温度能有效增强fs-LIBS中AlO分子的光谱信号强度,并提高分子的振动温度和寿命。此外,时间分辨光谱分析结果还揭示出在高Al靶温度条件下,AlO分子的辐射寿命较长,光谱信号强度较强。这意味着在高温下,分子能够停留更长的时间,增加了光谱信号的持续时间。通过调控飞秒激光能量和靶材温度,可以获得更强的分子发射和光谱信号,从而实现更高的灵敏度和准确性。研究结果为fs-LIBS技术中样品温度对分子光谱的调控机制研究提供了实验数据。
光谱学 激光诱导击穿光谱 飞秒激光 分子光谱 样品温度 AlO 
中国激光
2024, 51(5): 0511003
作者单位
摘要
天津理工大学理学院天津市量子光学与智能光子学重点实验室,天津 300384
为了满足信息化时代对信息加密安全性的要求,提出一种基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的信息安全加密方法。使用常用的葡萄糖酸锌片和去离子水配制的水溶液在白纸上书写需要加密的信息,通过分析白纸和涂抹葡萄糖酸锌水溶液的白纸的LIBS光谱,发现Zn I在328.23 nm、472.22 nm和481.05 nm处的光谱线可以解读加密信息。通过扫描获得载有加密信息的白纸上不同位置处的LIBS光谱,并进一步通过去除基线、归一化和光谱叠加提高光谱强度空间分布的对比度,使得加密信息较清晰完整地被解读出来。实验结果表明,该方法通过生活中常用的葡萄糖酸锌片,实现了高效隐藏信息提取,具有安全性高、成本低和制作便捷等优点,为LIBS在信息加密领域提供了新思路,具有一定的潜在应用价值。
光谱学 激光诱导击穿光谱 加密 葡萄糖酸锌 基线校正 
激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0530002
作者单位
摘要
1 广东省特种设备检测研究院顺德检测院,广东 佛山 528300
2 华南理工大学电力学院,广东 广州 510640
耐热钢微观组织及机械性能会随着服役过程发生退化,对老化状态的实时快速监测对安全运行及生产具有重要意义。基于便携式激光诱导击穿光谱(LIBS)设备对获取的T91光谱特征进行降维并优化了老化等级评估模型,实现了对T91耐热钢老化等级的快速诊断。分别采用主成分分析与线性判别式分析(LDA)的降维方法,对光谱特征进行优化精简。而后基于降维后的数据,进一步采用K最近邻算法和支持向量机(SVM)算法来建立金属老化等级评估模型,讨论了建模关键参数选择对模型性能的影响。结果表明,经过LDA降维的光谱数据能实现更好的聚类分布,可有效提高评估模型的准确率。同时,应用LDA-SVM模型能获得最高的老化等级评估准确度,达94.58%。所采用的模型建模方法可有效实现基于便携式LIBS的T91耐热钢老化等级评估。
光谱学 激光诱导击穿光谱 金属老化等级评估 光谱特征降维 K最近邻算法 支持向量机 
激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0530003
作者单位
摘要
1 合成与天然功能分子教育部重点实验室,西北大学化学与材料科学学院,陕西 西安 710127
2 西安石油大学化学化工学院,陕西 西安 710065
钪(Sc)被广泛用于固体氧化燃料电池、陶瓷材料、催化剂与轻质高温合金等的制造,是不可或缺的重要战略资源,稀土矿石中Sc元素的定量分析对于稀土矿的勘探、开采具有重要意义。笔者提出了一种基于激光诱导击穿光谱(LIBS)结合随机森林(RF)算法的稀土矿石样品中Sc元素定量分析的方法。首先,考察了不同光谱预处理方法对RF校正模型预测性能的影响;然后,利用变量重要性测量(VIM)进行RF校正模型输入变量的选择与优化。为了进一步验证VIM-RF模型的预测性能,将其与标准曲线法、偏最小二乘(PLS)以及基于波段选择的RF模型进行了比较。最后,在最优化的光谱预处理(WT)和VIM阈值(阈值为0.016)等条件下,建立了基于小波变换结合VIM的RF校正模型。结果表明,VIM-RF校正模型表现出了良好的预测性能:RCV2为0.9981,RMSECV为0.0430 mg/kg,MRECV为0.0047,RP2为0.9993,RMSEP为0.4964 mg/kg,MREP为0.0481。因此,LIBS技术结合RF算法可以有效实现稀土矿石中稀土元素Sc的定量分析,可为稀土矿石的品位分析与精准开采提供借鉴。
光谱学 激光诱导击穿光谱 稀土矿石 定量分析 随机森林 变量选择 
中国激光
2024, 51(2): 0211001
李欣 1,2吕正一 3崔博伦 1,2张家铭 1[ ... ]赵天卓 4,5,*
作者单位
摘要
1 北京空间机电研究所,北京 100094
2 北京市航空智能遥感装备工程技术研究中心,北京 100094
3 航天东方红卫星有限公司,北京 100094
4 中国科学院大学,北京 100049
5 中国科学院空天信息创新研究院,北京 100094
在诸如火星探测等极端环境原位检测应用中,共轴变焦距激光诱导击穿光谱技术发挥了重要作用。为了充分发挥变焦系统的应用效能,距离校正必不可少。现有距离校正方法多为针对单一场景的经验算法,适用范围有限。因此,提出一种基于等离子体物理的参考脉冲诊断法,无需标定设备响应即可诊断等离子体温度,进而实现变焦距定量分析。对比了所提出算法与Saha-Boltzmann法的诊断结果,最大相对误差小于8%。采用13块铝基标准样品进行了变焦距定量实验,9块于2 m处建立定量模型,4块分别于1.5、2、2.4、2.7、3 m处进行检测。反演结果中含量超过1%的元素,11号样品中Si的相对误差最大,为16%,其余大部分小于8%;含量低于1%的元素,大部分相对误差在10%~30%之间,验证了所提出的方法能够实现变焦距激光诱导击穿光谱定量分析。
激光诱导击穿光谱 变焦距检测 定量分析 参考脉冲诊断法 laser-induced breakdown spectroscopy zoom-LIBS analysis quantitative analysis reference pulse diagnostic method 
红外与激光工程
2023, 52(12): 20230310
刘曙 1金悦 2苏飘 2闵红 1[ ... ]吴晓红 1
作者单位
摘要
1 上海海关工业品与原材料检测技术中心, 上海 200135
2 上海海关工业品与原材料检测技术中心, 上海 200135上海理工大学材料与化学学院, 上海 200093
3 上海理工大学材料与化学学院, 上海 200093
快速准确测定铁矿石中的硅、 铝、 钙、 镁含量对铁矿石质量评价具有重要作用。 受制于多变量分析方法过拟合现象以及不同种类样品基体效应, 使用激光诱导击穿光谱(LIBS)准确测定铁矿石中硅、 铝、 钙、 镁含量仍然是当前存在的挑战。 采用变量重要性-反向传播人工神经网络(VI-BP-ANN)辅助LIBS定量分析铁矿石中硅(以SiO2计)、 铝(以Al2O3计)、 钙(以CaO计)和镁(以MgO计)的含量。 在这项研究中, 收集了12种244批铁矿石代表性样品的LIBS光谱, 优化了光谱预处理方法, 使用随机森林(RF)对LIBS光谱特征的重要性进行了测量, 使用袋外(OOB)误差优化RF模型参数, 变量重要性阈值用于优化BP-ANN校准模型的输入变量。 变量重要性阈值和神经元数量通过五折交叉验证(5-CV)的测定系数(R2)和均方根误差(RMSE)进行优化。 结果显示测试样本SiO2、 Al2O3、 CaO和MgO含量预测均方根误差(RMSEP)分别为0.377 2 wt%、 0.133 9 wt%、 0.059 2 wt%和0.141 1 wt%, R2分别为0.970 1、 0.955 4、 0.987 1、 0.997 5。 相比于使用相同的预处理方法作为PLS、 SVM、 RF和BP-ANN四种模型的输入, VI-BP-ANN在校准集和预测集都显示出出色的预测能力。 结果表明LIBS与VI-BP-ANN的结合有潜力在实际应用中实现铁矿石硅、 铝、 钙、 镁含量的快速准确预测。
铁矿石 反向传播人工神经网络 变量重要性 定量分析 激光诱导击穿光谱 Iron ore Back propagation artificial neural network Variable importance Quantitative analysis Laser-induced breakdown spectroscopy 
光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3132
作者单位
摘要
1 西安石油大学化学化工学院, 陕西 西安 710065
2 陕西省非常规油气勘探开发协同创新中心, 陕西 西安 710065
3 陕西理工大学化学与环境科学学院, 陕西 汉中 723000
不同产地丹参药材的质量差异显著, 亟需建立准确、 快速的分析鉴别方法, 对丹参药材的产地进行识别。 激光诱导击穿光谱(LIBS)具有快速、 实时、 高效、 等特点, 克服了传统分析方法时间长、 程序复杂等问题。 人工神经网络(ANN)方法则具有强大的学习和泛化能力, 是一种快速、 准确的分析方法。 采用LIBS技术结合ANN方法构建了对不同产地丹参药材的鉴别方法。 实验首先收集来自安徽、 甘肃等六个不同产地的丹参样品, 并通过LIBS光谱仪对丹参样品进行光谱采集; 之后对丹参LIBS光谱的元素特征峰进行比对, 发现不同产地丹参样品的元素发射谱线强度存在着差异, 如Fe元素(238.20, 373.71 nm)和Ca元素(315.89, 317.93 nm)等; 采用最大最小归一化(MMN)、 标准正态变换(SNV)、 均值中心化(MC)、 Savitzky-Golay平滑滤波(SG)以及多元散射校正(MSC)五种预处理方法对LIBS光谱数据进行预处理优化, 减少光谱噪声以及其他干扰信息的影响; 最后分别搭建ANN分类模型, 从测试集分类准确率、 每类产地的敏感性、 精确率和特异性等方面进行比较, 选择最优模型。 基于原谱的ANN模型测试集分类准确率为94.24%; SNV、 MC两种方法并没有提升ANN模型的分类能力; MMN、 SG及MSC三种预处理方法均提升了ANN的分类效果。 SG-ANN模型取得了最佳鉴别效果, 外部测试集分类准确率为98.15%, 同时具有更高的敏感性、 精确率和特异性, 其中, 安徽、 河南两地丹参样品的判别结果最好, 敏感性、 精确率及特异性均达到100.00%, 其余四种产地丹参样品的敏感性、 精确率及特异性也在95.00%以上。 该结果表明, 选择合适的光谱预处理方法, 能显著提升ANN模型对于丹参产地的预测分类能力, 构建一种相关性更强的定性分析模型。 研究结果表明LIBS技术结合人工神经网络方法是一种很有前景的丹参药材分析鉴别方法, 为中药材质量监督体系提供一种新思路。
激光诱导击穿光谱 丹参 人工神经网络 中药材鉴别 Laser-induced breakdown (LIBS) spectroscopy Salvia miltiorrhiza Artificial neural network Identification of traditional Chinese medicine 
光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3098
作者单位
摘要
1 中国民用航空飞行学院民机复合材料研究中心, 四川 广汉 618307
2 温州大学机电工程学院, 浙江 温州 325035
飞机蒙皮激光除漆过程的在线监测, 是实现分层可控除漆、 满足适航维修要求的重要手段, 也是推进激光除漆工程应用、 飞机维修自动化的核心技术。 激光诱导击穿等离子体光谱(LIBS)技术可通过激光材料作用过程中产生的等离子体发射光谱快速分析材料表面元素变化, 实现激光清洗表面状态的在线监测。 基于搭建的高频纳秒红外脉冲激光除漆LIBS在线监测平台, 分别采集了不同激光功率下, 面漆、 底漆、 铝合金基体去除过程中的3类LIBS光谱(各100幅)。 分析了不同激光功率下, 各类光谱示踪元素特征谱线的变化情况, 初步筛选了12条特征谱线作为光谱识别的特征。 进一步对这12个特征进行主成分分析(PCA), 并将前3个主成分(PC1、 PC2、 PC3)构成的数据集作为支持向量机(SVM)识别模型的输入量, 建立了3类光谱的识别模型。 形成了多漆层结构激光分层可控清除过程的LIBS在线监测判定规则, 并对该规则的有效性进行了实验验证。 结果表明, 与低频脉冲激光单点作用采集的针状LIBS光谱相比, 基于该平台采集的LIBS光谱普遍存在较强的连续背景(大于5 000 a.u.)以及1.5 nm左右的半峰全宽; 针对此类光谱设计了改进均值平滑滤波算法, 在去除背景光谱的同时有效避免了特征谱线强度失真; 示踪元素的特征谱线存在不稳定性; 主成分分析中前3个主成分PC1、 PC2、 PC3对光谱的解释率达95%, 在其构成的三维空间中, 同类光谱呈区域性聚集; PCA-SVM模型对训练集、 测试集的识别准确率分别为99.44%、 100%; 验证实验结果表明3类光谱的识别模型与在线监测判定规则有效。 所建立的识别模型与判定规则, 可为飞机蒙皮激光分层除漆过程监测及自动化解决方案提供核心技术支撑。
激光除漆 激光诱导击穿光谱 在线监测 识别模型 判定规则 Laser paint removal Laser-induced breakdown spectroscopy On-line monitoring Identification model Decision rule 
光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3891
作者单位
摘要
中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 河北 廊坊 065000自然资源部地球化学探测重点实验室, 河北 廊坊 065000
土壤作为人类生存的重要物质基础和自然资源之一, 其营养元素含量不仅是农业生产的基础, 也是评价土壤质量的重要指标。 传统测定土壤中营养元素的方法以液体进样为主, 操作繁琐且对环境有一定的污染。 采用超高压制样技术与LIBS技术联用, 综合了绿色无污染的样品前处理技术以及操作简单、 可进行多元素同步快速检测的测定技术, 建立了高压制样-激光诱导击穿光谱技术测定土壤中的硅铝铁钾的分析方法。 通过对制样压力大小的对比研究发现, 当制样压力在2 000 kN时, 制备出的样品表面光滑、 平整, 具有更好的致密性, 测定精密度达到最好; 通过对LIBS仪器测定条件的优化, 发现在使用多位置采样的方式, 激光能量、 采集延迟、 光斑尺寸分别为0.8 mJ、 0.5 μs、 60 μm的条件下, 能够减小样片剥蚀产生的热效应及样片表面不均匀对测定结果造成的影响, 提高测定信背比, 从而提高测定结果的准确度和精密度。 在该方法优化后的条件下, 采用土壤成分分析标准物质, 以多变量做线性回归的定标曲线, 得到了较好的线性关系, 有效降低了基体效应对测定结果的影响。 通过国家一级土壤成分分析标准物质的验证, 除个别元素外, 方法测定营养元素的精密度范围均在0.31%~4.21%之间, 且测定结果与认定值基本一致。 该方法不仅操作简单、 能够避免传统方法带来的环境污染, 同时也能够实现多元素同时测定, 推动了LIBS技术在定量分析领域的进一步发展。
土壤 激光诱导击穿光谱 高压制样 Soil Laser-induced breakdown spectroscopy High pressure pelletised sample 
光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2174

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