激光诱导击穿光谱原理

4.1.1　激光诱导击穿光谱原理

激光技术的发展极大地推动了光谱学的发展。20世纪后期发展起来的激光诱导击穿光谱（laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）技术是一种全新的物质元素分析方法，也称为激光诱导等离子体光谱（laser induced plasma spectroscopy，LIPS）技术，是由美国Los Alamos国家实验室的David Cremers研究小组1962年提出和实现的，它是光谱分析领域一种新的分析手段。

1.激光诱导击穿光谱技术基本原理

将激光器产生的高功率脉冲激光束聚焦于样品表面，样品中的原子被激发，形成高温等离子体火花，被激发的原子和离子在退激过程中发射原子和离子的特征谱线，用光谱仪测量原子特征谱线的波长（紫外到近红外）和强度，对元素进行定性或定量分析。

2.等离子体火花产生的过程

通过强激光脉冲作用，在激光的聚焦区内，原子、分子等经多光子电离，产生初始的自由电子，随着聚焦激光的增强，原子继续吸收光子而电离，产生大量的初始电子。当激光功率足够强时，脉冲持续时间足够长，自由电子在激光的作用下加速，当电子有足够的能量去轰击原子时，原子电离产生新的电子，而这些电子加速后也会使原子继续电离，产生雪崩效应，从而在很短的时间内电子会迅速增加，同时也导致原子不断地电离，最终产生由大量的自由电子和离子组成，且在整体上表现为近似电中性的等离子体。激光等离子体作为一种光发射源辐射特定频率的光子，产生特征谱线，其频率和强度分布包含了分析对象的元素种类和浓度信息。

在产生等离子体的过程中采用了很高的功率密度（可以超过1GW/cm²的功率密度），物质表面几微克的物质被激光瞬间加热到10 000℃，喷射出来形成一个时间很短但是亮度极高的等离子体。这些喷射出的等离子体已经被激光离解成激发态的原子或离子。在激光脉冲结束时，如同它开始快速膨胀一样，这些等离子体又迅速地冷却下来。在冷却的过程中，激发态的原子或离子从高能态返回到低能态并发射出带有本身特征的光学辐射。使用灵敏的光谱仪探测和分析这些光谱辐射就可以得到物质的元素构成信息。