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《名家專欄》激光等離子體小优视频官方下载技術（LIPS）係列專欄第五篇文章，邀請中國原子能科學研究院高智星研究員、王遠航老師及其團隊，分享激光誘導等離子體小优视频官方下载元素分布成像技術的係統組成、性能特點及應用前景等內容。

LIBS元素分布成像技術

元素分布成像是一種能夠將空間坐標與元素組成信息聯係起來的分析技術，通過對樣品中元素成份微米級別的空間分布進行定性或定量評估，讓人們對物質的演化、材料的組成、雜質的分布等進行更深入的分析。激光誘導等離子體小优视频官方下载（laser-induced plasma spectroscopy, LIPS）技術是一種原子小优视频官方下载分析技術，原理如圖1所示。該技術通過將高能激光脈衝直接聚焦於樣品表麵，瞬間完成取樣、原子化及激發的全過程，同時利用小优视频官方下载儀采集樣品表麵激光誘導等離子體的發射小优视频官方下载，完成被測樣品所含元素的定性和定量分析[1]。LIPS技術具有無需樣品預處理、可多元素定量分析、檢測速度快、實時檢測等獨*優勢，近年來被廣泛應用於礦石、核材料、動植物組織等樣品的元素分布成像[2]。

圖1. LIPS技術原理示意圖

LIPS元素成像技術通過樣品表麵選定區域內獲取的目標元素小优视频官方下载強度數據，根據位置信息及小优视频官方下载強度信息對目標元素分布進行反演，最終獲得元素分布圖像。其對樣品尺寸形態沒有要求，無需真空環境和冗雜的樣品處理過程，具有獨*的空間定位能力，在表麵和斷層成像領域具有獨*的優勢。典型的LIPS元素掃描成像裝置如圖2所示，主要由激光入射模塊、小优视频官方下载采集模塊、時序控製模塊、位移台模塊、成像模塊組成；LIPS元素掃描成像技術準備和執行步驟如圖3所示，包括樣品的製備、位移台的移動、激光條件的選擇、激光聚焦和燒蝕、小优视频官方下载數據采集、數據處理及可視化。

圖2. LIPS掃描成像裝置結構示意圖

圖3. LIPS元素掃描成像技術準備和執行步驟

LIPS元素成像係統核心性能

LIPS元素成像係統不但要在技術上實現樣品表麵的激光掃描燒蝕，還要有效地分析等離子體輻射小优视频官方下载。這要求保持較高的空間分辨率同時實現數據快速存儲分析與元素分布可視化成像，因此需要位移台、激光源、光路聚焦係統、小优视频官方下载檢測係統和自動聚焦係統等六部分硬件的高效協同工作。在元素成像技術領域，空間分辨率、靈敏度與精度是最重要的三個參數。

空間分辨率是表征影像分辨目標細節的依據，也是評價成像係統的重要指標。為提高空間分辨率，通常從以下五部分硬件係統入手：

（1）位移台。位移台移動模式主要分為脈衝激光的連續掃描與脈衝激光的逐像素掃描，如圖4所示。連續掃描對樣品進行單次掃描，具有操作速度快、分辨率高的優點，Sancey等[3]利用三維定位平台使樣品在xyz三軸平移，每個方向的行程範圍為50 mm，最大速度為3 mm/s，精度達1 mm；逐像素掃描會在樣品同一位置發射多次激光，不需要對樣品特殊製備，同時能進行三維實驗；

圖4. LIPS掃描原理和位移台移動模式[4] 

（2）激光源。目前市麵上運用較多的激光源為固體激光器與準分子激光器，相比於其他激光器而言技術較為成熟，成本較低，在元素成像應用中這兩類激光源普遍適用，投入研究相對更多。研究發現，準分子激光的波長較短具有更低的材料擊穿閾值，低能量的LIPS可以實現高空間分辨率[5]；

（3）光路聚焦係統。光路聚焦係統大多采用高倍聚焦透鏡來對激光光束聚焦，為提高燒蝕坑的分辨率，會通過激光整形擴束係統減小激光發散角或選用短焦的顯微物鏡實現微米量級的光束聚焦[6]；

（4）燒蝕室。燒蝕室可以為等離子體生成環境提供區別於大氣壓強的氣壓或惰性氣體，從而有效提高LIPS元素成像係統的空間分辨率。Effenberger等[7]發現減壓（＜760 Torr）環境下，信噪比與分辨率提高，以此改善LIPS小优视频官方下载。法國裏昂大學Sancey等[3]在產生等離子體區域通入Ar，成功提高譜線信噪比；

（5）小优视频官方下载檢測係統。小优视频官方下载檢測係統決定了整體係統的性能，小优视频官方下载儀和探測器的發展很大程度影響了成像的分辨率。一般而言，0.1 nm的小优视频官方下载分辨即可滿足元素識別的需求。

靈敏度是對單位量待測物質變化所致的響應量變化程度，通常由檢出限作為衡量指標。靈敏度主要由小优视频官方下载檢測係統決定[4]，每種小优视频官方下载儀有其不同的優點和缺點，選擇小优视频官方下载儀和探測器時通常會根據分辨率、靈敏度和覆蓋波長三個重要參量綜合考慮。

精度是觀測值與真值的接近程度，目前提高成像的精確度主要依賴於激光源。飛秒脈衝激光相比於上述提到的固體激光器與準分子激光器而言，分析精度更高，空間分辨率也更高，如Hwang等[8]運用飛秒LIPS係統提高了檢測鉻薄膜燒蝕坑的分辨率，在薄膜上實現最小直徑470 nm的燒蝕坑；（2）自動聚焦係統。自動聚焦係統能夠識別樣品的厚度差異，使聚焦物鏡與樣品表麵之間的距離恒定，從而提高成像的清晰度與精度。Novotny等[9]開發了一種基於圖像矩陣的傅裏葉變換自動聚焦算法，以捕獲圖像的清晰度，讓樣品始終在聚焦透鏡的焦平麵上，精度達±50 mm。Caceres等[10]在對大麵積的地質樣本進行掃描時，提出了一種新型自動聚焦係統，利用四根光纖組成光纖束收集等離子體，輸出在CMOS相機成像，工作速度可達100Hz。

隨著技術的發展與儀器的迭代，LIPS元素成像技術的應用範圍逐漸拓展，發展前景更加廣闊。目前LIPS元素成像技術分辨率可達mm量級，檢出限達ppm水平。然而，定量分析準確度以及外部條件（如激光參數的影響，樣品的性質和表麵形貌）對等離子體的影響仍然是LIPS成像技術走向實際應用的難關，有待進一步研究改善。

參考文獻：

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[2] Limbeck A, Brunnbauer L, Lohninger H, et al. Methodology and applications of elemental mapping by laser induced breakdown spectroscopy[J]. Analytica Chimica Acta, 2021, 1147: 72-98.

[3] Sancey L, Motto-Ros V, Busser B, et al. Laser spectrometry for multi-elemental imaging of biological tissues[J]. Scientific reports, 2014, 4(1): 6065.

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[5] Rieger G W, Taschuk M, Tsui Y Y, et al. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy for Microanalysis Using Submillijoule UV Laser Pulses[J]. Applied Spectroscopy, 2002, 56(6):689-698.

[6] 孫蘭香, 汪為, 田雪詠, 等.激光誘導擊穿小优视频官方下载微區分析的研究應用進展[J].分析化學,2018, 46(10): 1518-1527.

[7] Effenberger A J, Scott J R. Effect of atmospheric conditions on LIBS spectra[J]. Sensors, 2010, 10(5): 4907-4925.

[8] Hwang D J, Jeon H, Grigoropoulos C P, et al. Femtosecond laser ablation induced plasma characteristics from submicron craters in thin metal film[J]. Applied Physics Letters, 2007, 91(25).

[9] Novotný J, Brada M, Petrilak M, et al. A versatile interaction chamber for laser-based spectroscopic applications, with the emphasis on Laser-Induced Breakdown Spectroscopy[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2014, 101: 149-154.

[10] Cáceres J O, Pelascini F, Motto-Ros V, et al. Megapixel multi-elemental imaging by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, a technology with considerable potential for paleoclimate studies[J]. Scientific reports, 2017, 7(1): 5080.

人物介紹

高智星，研究員，主要從事激光與物質相互作用、激光等離子體小优视频官方下载研究。參與並負責科技部、裝備發展部多項科技發展項目。相關工作發表論文20餘篇，授權專*10餘項，擔任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。

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