建立基于激光诱导击穿光谱仪技术获取的半定量青白色软玉的微量元素含量的人工神经网络模型, 以促进人工神经网络技术在宝石产地溯源方面的应用。 以我国新疆、 广西、 江苏、 青海, 以及韩国和俄罗斯六个产地的青白色软玉为样品, 利用激光诱导击穿光谱仪在颜色均匀干净的部分获取元素含量数据。 使用数据筛选原则对数据进行了筛选和Al的归一化处理之后, 以因子分析和线性回归分析讨论了数据间的共线性, 在数据间不存在明显多重共线性的情况下建立了三层人工神经网络的判别模型。 结果表明, 所选取的每个变量的VIF值小于5, 数据间不存在明显的多重共线性, 因子分析的KMO值小于0.6, 表明变量间无明显关系。 同时利用软玉t-SNE图对数据进行降维和可视化处理, t-SNE图显示大部分数据点都重叠在一起, 表明对此数据进行简单聚类和相关分析是无法区分产地的, 因此选择人工神经网络的方法对六个产地的数据进行产地判别分析。 经人工神经网络模型迭代判别之后, 模型对我国新疆、 广西、 江苏、 青海, 以及韩国和俄罗斯六个产地的青白色软玉判别的精度达到0.933, 其中韩国软玉的数据判别结果精度最高, 达到0.995, 误差为0.028, 青海软玉的数据判别结果最低为0.803, 误差为0.090。 综上所述, 激光诱导击穿光谱结合人工神经网络的方法在宝石产地溯源方面的应用是具有很大潜力的。

应用激光诱导击穿光谱仪(LIBS)对土壤样品中稀土元素进行定量分析, 以国家一级土壤标准物质为研究对象, 试验激光输出能量、脉冲延迟时间、光斑直径、激光频率、保护气(He)的流量等仪器工作条件对测定结果的影响, 通过归一法(测定值和认定值相比)评价工作参数对测定结果的影响, 对比发现激光输出能量和脉冲延迟时间对分析结果影响较大, 并优选出仪器最佳的工作条件：激光输出能量1.6 mJ、脉冲延迟时间0.1 μs、光斑直径70 μm、激光频率20 Hz、保护气的流量0.3 L/min。以此工作参数, 选择10个国家一级土壤标准物质, 采用多变量做校正曲线, R值均大于0.99, 校正曲线的线性关系良好, 能够准确定量土壤样品中的稀土元素。

在常温常压下,采用手持式激光诱导击穿光谱仪(LIBS)对铝合金中的镁、钛元素进行定量分析,以验证其稳定性及可靠性。手持式LIBS内置1064 nm Nd∶YAG 脉冲激光器,光路为反射式同轴结构。实验中采用AvaSpec-Mini 2048光谱仪,测量波长范围为240~420 nm。选取镁元素在285.17、383.83 nm处的特征谱线,钛元素在323.45、334.94 nm处的特征谱线,结合偏最小二乘法建立定标曲线模型。同种元素在不同特征谱线下的定标曲线斜率接近,线性相关系数R值均在0.9893及以上。测量结果与标准值具有较好的一致性,测量值相对误差均在8.70%及以下,样品中镁、钛元素检出限可达到10 ^-4量级。说明手持式LIBS能够实现对铝合金中镁、钛元素的定量分析,从而验证了手持式LIBS具有较好的稳定性和可靠性,对LIBS便携化的发展具有十分重要的意义。

我国首次火星全球遥感与区域巡视探测任务已获批立项, 首个火星探测器也即将前往火星。 为满足火星物质成分分析的需求, 我国研制了不同类型的火星物质成分分析仪器, 其中包括火星表面成分探测仪（MarsCoDe）, 应用了激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）。 火星表面覆盖尘埃, 探测仪器想要准确获取火星尘埃之下的物质成分, 必须剥去尘埃或者进行破坏从而深入岩层取样。 LIBS可以用激光烧蚀待测物体表面, 获得深部物质光谱信息, 在火星表面探测中具有其他仪器无法取代的优势。 LIBS在火星探测中几乎适用于探测每一个元素, 包括轻元素H, Li, Be, B, C, N, O等, 帮助寻找有机物和含水地质过程的证据。 由于LIBS在火星环境工作, 等离子体的物理性质与地球上完全不同。 为了确保火星车载LIBS返回数据的光谱质量, 需要对LIBS在着陆后开展在轨定标。 借助火星车的携带在轨定标样品, 对探测数据进行在轨定标, 确保返回数据的可靠性。 定标样品的选择是一项十分重要的工作, 存在仪器工程条件限制、 定标样品类型的代表性、 元素成分分布范围、 样品稳定性等多种考虑因素, 需满足科学任务的同时达到加工工艺要求。 总结了国外已有的火星车载LIBS在轨定标的研究进展, 重点分析了LIBS在轨定标样品选择依据、 国外选择样品的优缺点, 并总结经验提出了几点建议, 为我国在轨定标工作提供参考。 对火星探测数据的正确解译, 对未来研究火星的起源、 火星的长期地质演变过程等具有重要的科学意义。

火星大气气溶胶的地基探测对研究火星大气环境具有重要意义, 为了能够在节约火星巡视器/着陆器体积、 重量的条件下进行气溶胶探测, 论证了基于巡视器车载激光诱导击穿光谱仪系统设计米散射激光雷达方案的可行性。 所设计的米散射激光雷达系统使用巡视器车载激光诱导击穿光谱仪的既有硬件资源, 加入分光元件和探测器模块, 构成与激光诱导击穿光谱仪系统集成的米散射激光雷达, 米散射激光雷达与激光诱导击穿光谱仪在火星地表分时工作, 互不影响。 为了论证所设计的米散射激光雷达的探测性能, 对Phoenix火星探测任务中独立的米散射激光雷达得到的一组原始回波信号数据进行了处理, 反演得到一组典型火星大气消光系数廓线, 结合消光系数廓线与系统硬件参数计算了所设计的米散射激光雷达的回波信噪比, 结果表明该系统在所用原始数据被记录的当日在火星大气边界层顶4 km高度处信噪比达到26 dB, 在10 km高度附近下降到0 dB, 说明基于火星巡视器车载激光诱导击穿光谱仪系统设计米散射激光雷达进行气溶胶探测具有现实可行性。 对比Phoenix的独立米散射激光雷达设计方案, 基于激光诱导击穿光谱仪的米散射激光雷达不但能够节省巡视器体积、 重量, 而且发射能量更高, 回波接收方案更为简单, 数据反演步骤更为简洁。