基于高分辨光譜儀的激光誘導(dǎo)擊穿光譜實(shí)時(shí)分析軟件研究

徐敏，竺歡煥，李紅霞，季振國(guó)

摘要：介紹了自主開發(fā)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜實(shí)時(shí)分析軟件，基于Ocean Optics公司型號(hào)為HR4000的高分辨光譜儀，利用原子發(fā)射譜線的濃度方程和Saha-Boltzmann plots方程來確定等離子體的溫度以及元素的濃度。該軟件可簡(jiǎn)單、快捷地進(jìn)行定量分析，具有一定的實(shí)用性及推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：激光誘導(dǎo)擊穿光譜；實(shí)時(shí)分析；分析軟件

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）37-0086-02

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）技術(shù)是通過探測(cè)等離子體中原子或離子光譜來分析樣品中的元素種類和含量，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)元素成分的定性及定量分析。作為一種定性與定量分析工具，LIBS具有對(duì)樣品破壞性小、無需復(fù)雜的樣品預(yù)處理、能同時(shí)對(duì)多種元素進(jìn)行分析及能實(shí)時(shí)在線分析等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合于固體、液體及氣體元素成分的實(shí)時(shí)檢測(cè)。目前，LIBS已被廣泛地應(yīng)用于環(huán)境污染監(jiān)控、地質(zhì)土壤檢測(cè)、冶金分析、藝術(shù)品鑒定、材料分析與生物醫(yī)學(xué)化驗(yàn)等領(lǐng)域。

在LIBS技術(shù)的操作過程中，通常是先用光譜儀自帶的軟件觀察光譜波形，然后進(jìn)行保存，之后再用origin等作圖軟件進(jìn)行分析，這顯然不能滿足實(shí)時(shí)分析的要求。本文基于Ocean Optics公司的HR4000的高分辨光譜儀，采用C#語言編程，研發(fā)了基于高分辨光譜儀的激光誘導(dǎo)擊穿光譜實(shí)時(shí)分析軟件，該軟件在顯示波形的同時(shí)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠滿足實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)的要求。

一、軟件的設(shè)計(jì)

基于高分辨光譜儀的激光誘導(dǎo)擊穿光譜實(shí)時(shí)分析軟件用C#完成設(shè)計(jì)。該軟件能實(shí)時(shí)采集LIBS譜線和顯示，能同時(shí)抓取三個(gè)特定峰來進(jìn)行觀察，并且可以計(jì)算這三個(gè)峰的強(qiáng)度以及兩峰之間的強(qiáng)度比，根據(jù)強(qiáng)度比的變化來進(jìn)行定性與定量分析。

1.實(shí)時(shí)讀取光譜儀中采集的數(shù)據(jù)。導(dǎo)入Ocean Optics公司提供的光譜儀API函數(shù)，根據(jù)提供的手冊(cè)說明，調(diào)用數(shù)據(jù)讀取以及數(shù)據(jù)設(shè)置的類和函數(shù)，其中CCoWrapperClass類是最重要的。依次調(diào)用openAllSpectrometers、setIntegrationTime、getSpectrum和getWavelengths函數(shù)，就把光譜儀中的數(shù)據(jù)讀到了內(nèi)存中。setIntegrationTime函數(shù)中的參數(shù)可以通過“積分時(shí)間框”來進(jìn)行設(shè)定。因?yàn)榧す獾念l率選定為10Hz，所以積分時(shí)間設(shè)定為200ms。其中定時(shí)器的時(shí)間設(shè)定為250ms，多出的50ms是讓程序有時(shí)間做一些數(shù)學(xué)計(jì)算。

2.多次讀取光譜儀中的數(shù)據(jù)，求平均值，減少誤差。平均數(shù)據(jù)是這樣得來的：設(shè)定“平均次數(shù)”的值，程序會(huì)持續(xù)讀取光譜儀的數(shù)據(jù)，求出平均值。因?yàn)樵趯?shí)際觀察中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)光譜儀中的數(shù)據(jù)為空（與在關(guān)閉激光時(shí)采集的光譜相似，等于沒有把等離子體的特征光譜讀進(jìn)來）。

3.抓取特定峰，進(jìn)行觀察。自帶的軟件只實(shí)現(xiàn)了顯示，但是無法觀察特定的峰值。比如，想同時(shí)觀察在相同電壓下Fe I峰和Fe Ⅱ峰值，自帶軟件無法實(shí)現(xiàn)。本文的軟件做了這方面的改進(jìn)，能觀察200nm～1100nm內(nèi)的任意峰值，并且是實(shí)時(shí)的。

4.更好地確定等離子體溫度以及元素的濃度。在LIBS技術(shù)中，實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性是比較差的。但是當(dāng)環(huán)境有所變化時(shí)，放大電壓可能需要調(diào)整。通過對(duì)玻爾茲曼公式的推導(dǎo)，可以觀察等離子體的溫度，通過觀察強(qiáng)度比值變化，來適當(dāng)調(diào)整電壓，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

二、初步應(yīng)用

激光源為ZKLASER公司生產(chǎn)的MQV-2000-10型的Nd-YAG激光器，該儀器可發(fā)射波長(zhǎng)為1064nm、532nm、355nm以及266nm的脈沖激光。激光能量在放大電壓0～1000V的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)能產(chǎn)生最高2000mJ的脈沖激光。脈沖激光的持續(xù)時(shí)間為20ns，脈沖激光頻率可選擇外控，也可選擇內(nèi)置的1Hz、5Hz以及10Hz。光譜儀為Ocean Optics公司的HR4000型高分辨光譜儀。該光譜儀可分辨波段為200nm～1100nm，最高可辨識(shí)強(qiáng)度為17000cps，波長(zhǎng)間隔為0.27nm，掃描時(shí)間最低為3.8ms，并可多次掃描。

本實(shí)驗(yàn)裝置波長(zhǎng)選擇1064nm，激光頻率設(shè)置為10Hz。激光通過石英凸鏡，聚焦于樣品（放置于樣品臺(tái)上）表面，從而產(chǎn)生出等離子體。與樣品成45°聚光鏡收集這些等離子體特征光譜，然后通過光譜儀連接到PC上顯示和存儲(chǔ)收集到的頻譜。本實(shí)驗(yàn)是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的。通過實(shí)驗(yàn)可以觀察到等離子體的溫度比較穩(wěn)定以及Ti元素的含量值的誤差比較小。圖1為AlⅡ/AlⅠ和TiⅠ/AlⅠ的比值。如圖所示，可以觀察到等離子體的溫度比較穩(wěn)定以及Ti元素的含量值的誤差比較小。

三、小結(jié)與展望

通過初步應(yīng)用表明，該軟件運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能夠完成已設(shè)計(jì)的功能。通過對(duì)Al2O3及SiO2等樣品的LIBS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明，基于高分辨光譜儀的激光誘導(dǎo)擊穿光譜實(shí)時(shí)分析軟件的設(shè)計(jì)是可行的，能較好的對(duì)樣品進(jìn)行定性、定量分析。其中對(duì)等離子體溫度的計(jì)算以及對(duì)于元素的定量分析，大大改善了LIBS技術(shù)的實(shí)時(shí)分析應(yīng)用。在整個(gè)程序設(shè)計(jì)過程中，充分利用了C#方便、直觀的數(shù)據(jù)處理功能來對(duì)LIBS譜線進(jìn)行處理與分析。在今后進(jìn)一步的研究中可將其功能更加完善，以實(shí)現(xiàn)更加良好的用戶界面及靈活的使用方式。

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作者簡(jiǎn)介：李紅霞（1978-），女，山東人，副教授，博士研究生，主要研究薄膜材料與器件。