激光誘導(dǎo)擊穿光譜的環(huán)形掃描探測與元素分布分析

蘭云蛟，盧 淵，郭 飛，郭金家，鄭榮兒

中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院物理系，山東 青島 266100

引 言

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)作為一種元素定性定量分析手段，具有無需樣品預(yù)處理、實時在線、非接觸、多元素同時探測等優(yōu)點[1]。該技術(shù)的工作原理是將脈沖激光聚焦于目標物之上產(chǎn)生瞬態(tài)等離子體，通過識別等離子體特征譜線以實現(xiàn)元素的快速分析與檢測[2]。LIBS由于技術(shù)原理簡單、硬件結(jié)構(gòu)通用易行，目前在眾多領(lǐng)域獲得應(yīng)用，并取得了不同程度的成功[2-5]。作為一種主要應(yīng)用，LIBS技術(shù)可通過逐點掃描探測完成樣品表面元素成分分布分析[6-7]。該掃描過程主要是通過垂直或橫向移動LIBS探測點位置，由點及面獲得樣品指定區(qū)域內(nèi)的元素分布情況。根據(jù)文獻調(diào)研情況，基于LIBS技術(shù)的環(huán)形掃描研究尚未見報道。因此，本工作搭建了一套LIBS環(huán)形掃描探測系統(tǒng)，用以獲取元素分布情況，實現(xiàn)類似“雷達”的功能。

現(xiàn)階段，激光雷達(LIDAR)已被廣泛應(yīng)用于地形[8]、大氣[9-10]的掃描探測以及車載、星載等移動探測系統(tǒng)[11]。一般來說，激光雷達主要是通過激光返回時間或波長頻移進行相應(yīng)的測量與分析。設(shè)計研制的LIBS環(huán)形掃描是期望通過觀測LIBS探測在接近目標物時的元素光譜信號提升，用以判斷元素的高濃度區(qū)域，進而實現(xiàn)源頭定位的目的。與常規(guī)的“橫平豎直”式的點掃描探測比較，環(huán)形掃描可在大尺度范圍內(nèi)快速地實現(xiàn)目標尋源。此外，所搭建系統(tǒng)是通過旋轉(zhuǎn)光學(xué)部件直接進行360 °掃描，而不是移動整個系統(tǒng)。雖然使用振鏡也可實現(xiàn)掃描探測應(yīng)用[12]，但是掃描區(qū)域往往會受到振鏡偏轉(zhuǎn)角度的限制，難以實現(xiàn)全方位掃描。LIBS環(huán)形掃描簡單結(jié)構(gòu)，能夠直接、有效地實現(xiàn)360°無死角的元素掃描探測，或可在污染尋源與礦藏勘察中獲得應(yīng)用，但必須經(jīng)過一套標定方法進行結(jié)果校準，相應(yīng)的校正過程將在此作詳細介紹。

1 實驗部分

圖1為搭建的LIBS環(huán)形掃描系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)采用Nd∶YAG固體激光器(montfort,M-NANO)基頻輸出1 064 nm脈沖激光，脈寬和重復(fù)頻率分別為10 ns和10 Hz。實驗中，單脈沖輸出能量為23 mJ，能量浮動小于10%，可保證空氣的連續(xù)擊穿獲得較為穩(wěn)定的等離子體。所輸出的1 064 nm脈沖激光束經(jīng)全反鏡反射沿豎直方向傳輸，透過二向色片后(Thorlabs,DMLP 900)，經(jīng)上方旋轉(zhuǎn)臺(大恒光電，GCM-1104M)中央位置直徑為57 mm的圓形通孔，由安裝在旋轉(zhuǎn)臺上的直角棱鏡反射至焦距為50.8 mm的透鏡處，激光經(jīng)該透鏡聚焦到樣品并使其擊穿形成等離子體。等離子體輻射所產(chǎn)生的信號光再由聚焦透鏡收集準直，傳輸?shù)街苯抢忡R處被向下反射并通過旋轉(zhuǎn)臺的中央通孔，進而被上述二向色鏡反射400～900 nm波段的信號光，經(jīng)由另一個50.8 mm焦距透鏡收集耦合進入與光纖光譜儀(Avantes AvaSpec-ULS2048(L))連接的光纖，最終獲得分辨率為0.7 nm的LIBS光譜。圖中所示硬件系統(tǒng)在功能上可劃分為固定部分和活動部分(陰影區(qū)域)，其中，活動部分負責(zé)圓形旋轉(zhuǎn)和環(huán)形掃描，固定部分則用于信號收集與探測。帶通孔的旋轉(zhuǎn)臺作為兩部分連接的關(guān)鍵器件，能夠?qū)⒓す馀c信號傳輸在通孔中心位置與旋轉(zhuǎn)軸重合，實現(xiàn)在不移動激光和光譜儀的情況下進行LIBS環(huán)形掃描與探測。

圖1 基于LIBS技術(shù)的環(huán)形掃描探測系統(tǒng)(a)：結(jié)構(gòu)原理圖;(b)：系統(tǒng)實物圖Fig.1 The schematic diagram (a) and the picture (b) of LIBS circular scanning system

為評估所搭建系統(tǒng)的掃描探測能力，將海水注入霧化加濕器制造噴霧，模擬類似污染源的連續(xù)噴發(fā)場景，霧化加濕器相對所搭建系統(tǒng)的位置即為污染源頭的具體方位。圖2中所展示的是海水噴霧的LIBS探測典型結(jié)果，圖中可以清晰地看到海水中的富含元素信號(如Na和Ca)。實驗中，我們將“噴發(fā)源”按順時針方向放置在與水平方向呈250°夾角、離旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸距離300 mm的位置處，通過人工轉(zhuǎn)動環(huán)形探測系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)臺，使脈沖激光沿圓形軌跡連續(xù)聚焦擊穿，并選擇10 °作為掃描探測的間隔，在不同旋轉(zhuǎn)半徑下對整個圓形區(qū)域進行探測。通過比較尋找出所獲得LIBS光譜信號強度最大值的位置，用以確定噴發(fā)源所在方位，即實驗中置噴霧器的位置。

圖2 空氣和海水噴霧的典型LIBS探測光譜Fig.2 The typical LIBS detection spectra of air and seawater fog

2 結(jié)果與討論

為獲得更好的LIBS探測效果以實現(xiàn)靈敏的環(huán)形掃描，我們選取空氣中氧氣O (Ⅰ) 777 nm和氮氣的N (Ⅰ) 746 nm兩條譜線進行探測延時優(yōu)化，具體結(jié)果如圖3所示。當(dāng)探測延時為5.5 μs時，所獲得的氧氣、氮氣光譜信號的信背比達到最大值，如圖3(a)所示；同時，在該探測延時下，所獲得LIBS探測結(jié)果相對穩(wěn)定，相應(yīng)的信號波動小于15%。

我們選取鈉元素信號作為追蹤海水噴霧擴散的標志物，通過改變掃描半徑實現(xiàn)LIBS探測以分析相應(yīng)的噴霧分布。其中，掃描半徑定義為以旋轉(zhuǎn)軸為零點至探測點之間的距離，也就是說，“半徑300 mm”下LIBS的探測點將恰好掃過“噴發(fā)源”位置。圖4(a)為掃描半徑分別為100，250和300 mm下的LIBS掃描結(jié)果，均以Na (Ⅰ) 589 nm譜線作為參考信號。所獲得的結(jié)果與我們的預(yù)期保持一致，在掃描半徑分別為300和250 mm的情況下，很容易在250°的方向獲得最強的LIBS探測信號。但是，當(dāng)掃描半徑為100 mm時，很難追蹤到噴發(fā)源的方位。同時，我們還發(fā)現(xiàn)LIBS掃描探測在160°～210°范圍內(nèi)獲得顯著增強，該結(jié)果與實際情況不符，可能為信號隨機波動所造成的影響。因此，為減小該誤差，我們選用空氣中氮氣N (Ⅰ) 746 nm原子線作為內(nèi)標進行LIBS掃描信號強度的校正。圖4(b)為使用N (Ⅰ) 746 nm內(nèi)標后的掃描校正結(jié)果，可以看出，探測信號獲得了較好的強度校正，整個分布圖趨近于橢圓形，下半圓略顯大(180°～360°)。

圖3 空氣中N，O元素探測結(jié)果信背比隨探測延時的變化(a)和100個連續(xù)脈沖平均下的LIBS信號浮動(b)Fig.3 Signal-to-background ratio of LIBS signal as the function of detection delay (a) and the corresponding signal fluctuation abtained by averaging 100 individual measurements (b)

圖4 不同掃描半徑下鈉元素的LIBS環(huán)形探測結(jié)果(a)和以氮元素為內(nèi)標下的環(huán)形掃描校正結(jié)果(b)Fig.4 Intensity distribution of sodium element (a) and the intensity ratio distribution of Na/N (b). Each data point is obtained by averaging 10 individual measurements

圖4中下半圓位置處(180°～360°)的強度偏差，極有可能是掃描過程中探測效率不一致所造成的結(jié)果。為獲得掃描系統(tǒng)在不同位置的探測效率，我們以均勻的空氣作為標準進行LIBS探測，典型結(jié)果如圖5(a)所示(無海水噴霧)。從圖中可以看出，0°～180°范圍內(nèi)的探測效果要明顯優(yōu)于180°～360°，探測最大值出現(xiàn)在90°位置，最小值則出現(xiàn)在230°～270°之間。由于所進行的探測效率評估是在均勻空氣中進行的，因此，獲得的分布結(jié)果在圖示上理應(yīng)更接近一個嚴格的圓形。造成如此現(xiàn)象的原因，應(yīng)該是硬件安裝或光路調(diào)節(jié)過程中所產(chǎn)生的誤差?；诖?，為提升探測結(jié)果的準確性，需要對每個探測位置處的探測效率進行相應(yīng)的校正，具體流程如下：(1)將所有探測位置處獲得的空氣元素探測強度(N,H,O)分別利用強度最大值對每一探測點進行強度歸一化處理，分別為IN，IH和IO；(2)將歸一化后三種元素的光譜信號強度進行平均作為系統(tǒng)探測效率值，即(IN+IH+IO)/3；(3)考慮到三種元素在空氣中實際為均勻分布，各元素應(yīng)該濃度相同，即探測到的光譜強度應(yīng)該近似，探測效率值的差異是由系統(tǒng)誤差所造成的，故以探測效率值的倒數(shù)作為校正系數(shù)，即為探測效率系數(shù)Coe。最終，將所獲得探測效率系數(shù)與環(huán)形掃描結(jié)果相乘得到校正后的分布數(shù)據(jù)，具體如圖5(b)所示。結(jié)果表明，即使在100 mm的短掃描半徑下，噴發(fā)源位置依然能夠被準確地定位于250°位置處。同時，還可將高濃度區(qū)域鎖定為220°～280°范圍。因此，通過探測效率校正后，我們成功地獲得了規(guī)則的圓形掃描結(jié)果，更使得LIBS環(huán)形掃描探測只在噴發(fā)源的具體方位有著明顯的探測響應(yīng)。

3 結(jié) 論

提出一種簡單的結(jié)構(gòu)使得LIBS能夠完成類似“雷達”的元素環(huán)形掃描探測。實驗評估結(jié)果表明，所搭建系統(tǒng)能夠在360°全角度范圍、三種不同掃描半徑(100/250/300 mm)下，準確地鎖定目標范圍以及具體的方向角位置，在功能上具備了元素尋源的能力。但獲得的探測結(jié)果必須經(jīng)過必要的數(shù)據(jù)校正，具體包括了“信號浮動校正”和“探測效率校正”兩方面，前者是探測過程中的誤差校正，后者是系統(tǒng)硬件誤差的校正。本工作作為LIBS技術(shù)的一種新嘗試，期望可為“遠程LIBS技術(shù)”發(fā)展提供一些幫助[13]。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展的硬件系統(tǒng)可望通過與望遠鏡對接升級完成大面積掃描覆蓋，并通過電動旋轉(zhuǎn)臺的引入用以實現(xiàn)全程的自動掃描，在此基礎(chǔ)上，配合縱向的豎直平移，將能夠?qū)崿F(xiàn)圓柱狀的三維式掃描分析。在后期的工作中我們將針對一些特定的污染物質(zhì)進行應(yīng)用驗證，真正實現(xiàn)污染物尋源的功能。此外，所搭建系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于其他的光譜技術(shù)，例如拉曼光譜、熒光光譜等。