卓立漢光自制光譜儀Omni-λ300s與IsCMOS相機(jī)在LIBS系統(tǒng)中的應(yīng)用
技術(shù)介紹
激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，簡(jiǎn)稱LIBS）作為一種近年來隨著激光及光譜學(xué)技術(shù)的發(fā)展而快速興起的新型光學(xué)元素分析技術(shù)，具有快速實(shí)時(shí)、可原位檢測(cè)及可遠(yuǎn)程測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為“未來化學(xué)分析之星”。
其基本原理為當(dāng)高能量的激光脈沖聚焦到樣品表面時(shí)，會(huì)使樣品表面的物質(zhì)瞬間蒸發(fā)、電離，形成高溫、高密度的等離子體。這個(gè)等離子體包含了樣品中各種元素的離子和電子，這些離子和電子會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)（一般在微秒級(jí)）發(fā)生復(fù)合和躍遷等過程，從而發(fā)射出具有特定波長(zhǎng)的光子。這些光子的波長(zhǎng)與等離子體中元素的種類有關(guān)，不同元素會(huì)發(fā)射出不同波長(zhǎng)的光，形成特征光譜。LIBS是通過分析其特征發(fā)射光譜來分析樣品物性的一種表征手段。
在 LIBS 技術(shù)的發(fā)展過程中，探測(cè)器的性能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的探測(cè)能力起著至關(guān)重要的作用。IsCMOS作為一種先進(jìn)的探測(cè)器，其時(shí)間分辨和光子增益功能為 LIBS 技術(shù)帶來了顯著的性能提升，使其能夠采集混合在連續(xù)背景中的瞬態(tài)微弱信號(hào)，更好地滿足各種復(fù)雜分析任務(wù)的需求。
大連理工大學(xué)等離子體學(xué)科研究中心依托于大連理工大學(xué)物理學(xué)院、等離子體物理國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科、三束材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，致力于磁約束核聚變壁材料LIBS應(yīng)用研究和激光燒蝕基本物理研究。是國(guó)內(nèi)率先開展先進(jìn)光譜等離子體診斷研究的團(tuán)隊(duì)之一，發(fā)展了多種激光光譜診斷平臺(tái)，如激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS）、激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)（LIF）、激光湯姆遜散射技術(shù)（TS）、光腔衰蕩光譜技術(shù)（CRDS）、激光散斑干涉技術(shù)（LSI）、太赫茲光譜診斷技術(shù)（THz）、飛行時(shí)間質(zhì)譜（TOF），其中多項(xiàng)技術(shù)處于國(guó)內(nèi)**地位。
產(chǎn)品應(yīng)用：
近日，在大連理工大學(xué)等離子體學(xué)科研究中心李聰教授的邀請(qǐng)下，將卓立漢光自制的IsCMOS像增強(qiáng)型相機(jī)搭配全新推出的Omni-λ300s“影像譜王”光柵光譜儀應(yīng)用到李聰教授的LIBS系統(tǒng)中，結(jié)果如下：
Cu原子在delay:200ns，width：5us下的發(fā)射譜線：
Mo原子在delay:250ns，width：5us下的發(fā)射譜線：
上述數(shù)據(jù)利用卓立漢光全新推出的IsCMOS采集，采用高效超快像增強(qiáng)器，配合＞95%量子效率制冷型IsCMOS相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)低噪聲、超快門控拍照。上述特性使其在 LIBS 應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間分辨光譜采集。
在 LIBS 過程中，等離子體的形成和演化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，不同時(shí)刻等離子體的溫度、電子密度等物理參數(shù)以及元素的發(fā)射光譜特征都有所不同。通過精確控制 IsCMOS的門控時(shí)間，可以選擇在等離子體發(fā)射光譜信號(hào)*強(qiáng)、干擾*小的特定時(shí)刻進(jìn)行采集。例如，在等離子體形成后的極短時(shí)間內(nèi)，可能存在較強(qiáng)的連續(xù)背景輻射，而經(jīng)過一定時(shí)間延遲后，元素的特征譜線發(fā)射會(huì)更加明顯且背景干擾降低。IsCMOS能夠根據(jù)這一特性，靈活設(shè)置門控延遲時(shí)間和門寬，獲取不同時(shí)間階段的光譜信息，深入研究等離子體的演化過程，進(jìn)而更精準(zhǔn)地分析樣品的元素組成和含量，為 LIBS 技術(shù)在動(dòng)態(tài)過程監(jiān)測(cè)和瞬態(tài)現(xiàn)象研究等方面提供了有力手段。
IsCMOS具有超快光學(xué)門寬，＜3ns陰極光學(xué)門寬，內(nèi)置精度＜10ps門寬控制器。下圖為門寬遞進(jìn)10ps掃描納秒光源圖譜。
下圖為延時(shí)遞進(jìn)200ps掃描納秒光源圖譜。
制冷型IsCMOS，芯片制冷溫度低于環(huán)境35℃，有效降低芯片暗噪聲。下圖為IsCMOS*低背景基線。
IsCMOS具有2048*2048像素陣列，這使得它能夠在 LIBS 光譜采集過程中實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率。在 LIBS 分析中，不同元素的特征譜線往往非常接近，高光譜分辨率能夠清晰地分辨這些譜線，從而準(zhǔn)確地識(shí)別出樣品中所含的各種元素及其含量。例如，對(duì)于一些過渡金屬元素，其相鄰的發(fā)射譜線可能僅有零點(diǎn)幾納米的波長(zhǎng)差，IsCMOS可以精確地捕捉到這些細(xì)微的差異，為元素的精確分析提供了有力保障。
下圖為IsCMOS配合卓立全新推出的Omni-λ300S光譜儀，在保證紫外高通光量的前提下，在@2400g/nm光柵時(shí)測(cè)試分辨率可達(dá)0.05nm。此外軟件上優(yōu)化了校正算法，多峰譜線波長(zhǎng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后汞燈各峰值精準(zhǔn)度＜±0.2nm @1200g/nm。
作者簡(jiǎn)介
李聰，大連理工大學(xué)物理學(xué)院，副教授、博士生導(dǎo)師、大連市先進(jìn)聚變能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、大連市高層次人才“高端人才”、大連市“青年科技之星”、中國(guó)博士后基金特別資助獲得者。參與重大科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，獲遼寧省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（排二）。在國(guó)際知名期刊發(fā)表SCI論文70余篇（第一/通訊20余篇）、授權(quán)中國(guó)發(fā)明**10余項(xiàng)、美國(guó)發(fā)明**1項(xiàng)。
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