提高激光诱导击穿光谱测量可重复性和长期稳定性

Due to the advantages of fast measurement, safety, low cost, online measurement capability etc., laser induced breakdown (LIBS) has shown great potential in coal analysis, metal analysis, space exploration, pollution detection, combustion diagnostic etc. However, the low reproducibility is the present main obstacle for wide commercialization of the LIBS technology. Particularly, the researchers have not yet paid enough attention to the problem of long-term stability of LIBS measurement, which caused by the fluctuation of the ambient pressure, temperature, humidity and aerosol. This project focuses on the mechanism and approach of improving the reproducibility especially the long-term stability of LIBS. The main content of the research includes: 1) investigate the mechanism of the impacts of laser energy, sample property, ambient pressure, temperature, humidity and aerosol on the reproducibility of LIBS signal; 2) investigate the mechanism of impacts of the key factors on temporal and spatial evolution of laser induced plasma and the LIBS spectra; 3) study the mechanism and effect of temporal and spatial evolution of laser induced plasma on the LIBS reproducibility; 4) based on the mechanisms, study the approach to improve the reproducibility and long-term stability of LIBS, including hardware design optimization, plasma regulation, measurement process optimization, and data processing method to compensate the signal fluctuation using the characteristic parameters of the plasma.

激光诱导击穿光谱（LIBS）具有快速、安全、成本低、便于实现在线测量等优势，在煤质分析、金属分析、外星球探测、污染物检测、燃烧诊断等领域展现出巨大的应用潜力，但是目前LIBS技术尚未大规模商业化的主要原因是信号可重复性较差，特别是由环境因素如气压、温度、湿度、气溶胶颗粒物等因素波动引起的长期稳定性问题仍然未能引起足够重视。本项目着重研究提高LIBS测量可重复性特别是长期稳定性的机理和方法，研究内容主要包括：1）研究激光能量、样品特性、环境压力、温度、湿度、气溶胶颗粒物等因素对LIBS光谱信号稳定性的影响机制和规律；2）研究关键因素对等离子体时空演化过程及光谱信号的影响机制；3）研究等离子时空演变特性对测量可重复性的影响机制；4）利用这些影响机制，研究提高测量可重复性和长期稳定性的硬件设计、等离子体调制方法、测试过程优化、以及利用等离子体本身的特征参数对LIBS信号进行补偿修正的数据处理方法

激光诱导击穿光谱技术（LIBS）是一种原子发射光谱技术，在煤质分析、钢铁分析、污染物检测、外太空探测等领域都有巨大的应用潜力，被誉为“未来化学分析巨星”。与其他元素分析技术相比，LIBS具有快速、安全、分析范围广的优点，但相对地，LIBS测量不稳定度较高且误差较大，是制约LIBS技术大规模商业化应用的两大关键瓶颈。研究降低LIBS测量不稳定度和测量误差的方法，特别是提高LIBS长期稳定性，是实现LIBS精确定量测量、推动LIBS大规模应用的关键。本项目即是针对LIBS长期不稳定性展开研究，在LIBS信号不稳定性机理、提高信号稳定性的实验方法及算法、设备开发方面均取得了一系列成果：.1）在机理认识方面，完成了LIBS信号不稳定性来源的机理研究，首次揭示了LIBS测量不稳定性的来源是等离子体空间形状变化导致的总粒子数密度波动，并揭示了导致波动的关键过程是等离子体上部物质受激波作用而反弹，冲击下部物质；明确了环境气体成分、气溶胶颗粒、光束形状、环境湿度对LIBS信号稳定性的影响规律和影响机理。.2）在方法方面，根据机理认识的成果，提出并验证了光束整形和环境气体混合调配的等离子体调制方法；提出了包括基体匹配、多维度光谱辨识等在内的四种改善LIBS定量、定性分析性能的算法。.3）在成果方面，围绕提高LIBS长期稳定性，超额完成了18篇论文和13项专利；开发、改进了煤质分析设备，实现了工程示范应用。.本项目成果对深入理论研究和推动技术产业化都具有重大意义：首次从等离子体与环境气体相互作用对等离子体时空演化过程影响的角度开展研究，揭示了LIBS测量不稳定度和误差的产生机理，为提高LIBS定量化性能提供了理论指导；提出的等离子体调制和定标模型算法分别提高了提高原始信号的稳定性和最终定标结果的准确性，对应用现场环境因素的监测提高了定标结果的长期稳定性，对推动LIBS产业化具有重要意义。