【摘 要】
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激光诱导击穿光谱（Laser-induced Breakdown Spectroscopy,LIBS）是一种新兴的原子发射光谱技术,因其具有制样简单、快速、原位、远程和全元素分析等独特优点,已初步应用于环境监测、深海勘探、太空探索和生物医学等领域。但是,在实际应用场景中,样品表面的不平整会很大程度影响等离子体的稳定激发和光谱的有效采集,进而降低LIBS实验稳定性和定量准确度。因此,如何实现LIBS
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激光诱导击穿光谱（Laser-induced Breakdown Spectroscopy,LIBS）是一种新兴的原子发射光谱技术,因其具有制样简单、快速、原位、远程和全元素分析等独特优点,已初步应用于环境监测、深海勘探、太空探索和生物医学等领域。但是,在实际应用场景中,样品表面的不平整会很大程度影响等离子体的稳定激发和光谱的有效采集,进而降低LIBS实验稳定性和定量准确度。因此,如何实现LIBS技术对不平整样品的高稳定性、高准确度测量是一个亟需解决的问题。本文研制了一套LIBS自动对焦系统,实现了激光在不平整样品表面的稳定聚焦烧蚀和等离子体激发,大幅提高了LIBS实验稳定性和定量准确度。本文取得的主要成果和创新点如下:（1）针对样品表面不平整导致激光聚焦点偏离的问题,本文研制了一套LIBS自动对焦系统。通过自动对焦方案优化、设备选型以及光路设计,搭建了LIBS自动对焦系统硬件平台。依托该硬件平台,采用C++语言和Qt框架开发了一套自动化控制软件,实现硬件控制、光谱采集、数据存储和实时显示等功能。该系统的自动对焦速度可达0.4387～1.2028 s/点,自动对焦重复精度为6～11μm,满足LIBS实验中实时、精准对焦的需求。（2）为了验证LIBS自动对焦系统改善实验稳定性和定量准确度的有效性和可靠性,采用斜面、曲面标准合金样品开展定量实验。实验结果表明,在斜面样品上,采用自动对焦系统后实验光谱的波动性下降了66.0%,交叉验证均方根误差（RMSECV）下降了37.0%,定标曲线的平均拟合度（R~2）从0.9134提升到0.9373。在曲面样品上,采用自动对焦系统后实验光谱的波动性下降了24.0%,RMSECV下降了40.2%,定标曲线的平均R~2从0.9184提升到0.9730。因此,该自动对焦系统能有效改善LIBS实验稳定性和定量准确度,具有良好的可靠性和广泛的适用性。（3）面向不规则伟晶岩型锂矿石元素分布检测的应用需求,采用LIBS自动对焦系统实现了锂矿石的三维元素分布检测。首先将LIBS自动对焦系统与成熟的XRF仪器在平整矿石上进行二维元素成像,两者的元素分布成像的皮尔逊相关系数为0.66,元素分布成像相似度高,证明了LIBS自动对焦系统元素成像的准确性和锂元素检测的能力。然后采用该系统对不规则的锂矿石样品进行元素检测,绘制了矿石表面Li、K、Rb、Mg、Mn、Fe元素的三维分布图像,探究矿石元素的分布规律。综上所述,本文搭建的LIBS自动对焦系统对实验稳定性和定量准确度有良好的改善效果,可将该系统应用于不规则样品的元素检测、三维元素分布成像等。高精度、快速的自动对焦技术将有助于完善LIBS仪器的功能,进一步推动LIBS技术向工业化发展。
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