激光诱导击穿光谱（LIBS）测试系统

技术介绍：

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种通过脉冲激光轰击样品获得样品轰击面区域原子发射光谱的分析方法。其具有快速分析，同时能检测多种元素等特点。经过几十年，特别是近20年的研究发展，LIBS技术已经从实验室逐步向实际利用领域发展，如冶金，文物鉴定，考古等方面。而该技术中除了相关的激光器，快速诊断探测器，光谱仪的使用也至关重要。

产品应用：

LIBS系统的主要构成有激光器，聚焦系统，样品区域，时序控制系统，信号接收装置，光谱仪和快速响应探测器（ICCD）等部分组成。如下图所示：

图1：LIBS系统主要构架

激光器方面一般使用纳秒量级的脉冲激光器，激发波长以532nm或1064nm为主。当然越是窄脉冲激光器对于样品靶面的烧蚀损伤越小，因此近年来科学家也开始使用飞秒激光作为激发源。

快速探测器方面，一般采用ICCD作为标准的LIBS探测器。但是ICCD也并非独一无二的选择。由于LIBS信号的产生是在激发光轰击后的几百纳秒到几微秒产生，且持续时间也有几微秒到几十微秒。因此科学家也可以通过时序控制器调节探测器同激光器之间的延时，用快速的线阵CCD也可以获得较准时间精度的LIBS信号。

LIBS信号的分析受到很多因素的影响，激光器能量的稳定性，探测器的时间精度，时序控制的准确等。近年来，随着LIBS光谱分析从定性往定量检测发展，对于谱仪的要求也越来越高。市场上使用中阶梯光栅光谱仪比较广泛，其特点是可以在一个比较宽的波段范围里检测信号。但是为了获得更高的光谱分辨率，随之而来检测范围也会缩小，同时设备成本也会增加。而传统C-T（Czerny-Turner）结构的光谱仪有着使用方便，性价比高的特点，目前仍然在LIBS领域有着不可忽视的作用。

C-T结构光谱仪可以根据需要更换高刻画线或是低刻画线光栅来获得高分辨或是更宽的光谱。相较于中阶梯光谱仪，其也有着更高的光通量，从而可以检测更弱的信号。另外C-T结构光谱仪也较容易实现较高质量的光谱成像，这可以使得我们获得较高的分辨率和较完美谱线峰型，从而使定量分析变得简单方便。

北京卓立汉光多年来致力于光谱仪的开发和研究，在小型化C-T结构光谱仪（Omni系列）领域走出了一条很有特点的发展之路。

本公司相机推出200mm，320mm，500mm和750mm焦距的C-T光谱仪。750焦距光谱仪，采用1200刻线光栅，可以得到0.03nm的分辨率，轻松解决各种LIBS信号分辨采集。

图2：科学家利用Omni-500谱仪和ICCD采集到的党参样品的成分元素分析

在生物LIBS领域，科学家利用LIBS技术逐渐对植物的重金属含量分析，中药的成分分析进行研究，也获得了很多很有实践意义的成果。上图中我们可以看到，信号的信噪比很突出，并且峰型尖锐，很多离着很近的谱峰可以轻松分辨出来。

图3：我们提供各种光谱仪组合

该类型谱仪有着各种输入和输出接口，入口方面可以连接各种光纤，方便采集信号，出口探测器方面可以接PMT，也可以连接市场上多种类型的ISCMOS或是CCD。

本公司提供多种纳秒超快探测器ISCMOS

国内首推科学级制冷型超快IsCMOS 相机，采用高效超快像增强器，采用**光纤面板耦合工艺技术，配合>95% 量子效率 科研制冷型sCMOS 相机， 实现低噪声、高速、超快门控拍照。

IsCMOS像增强型相机

● 科学级制冷型IsCMOS

● 18/25mm 大口径二代高效像增强器

● 光谱响应范围：S20 光阴极，200-850nm

● 光学快门： <3ns

● 延迟与门控精度：10ps

● 增强器阴极门控*高同步频率 300KHZ;

● 内置时序控制器DDG

● 耦合方式：1:1 光纤面板耦合

● sCMOS 芯片： 高分辨2048*2048阵列

● 位深： 16bit

● 制冷温度： 室温减35度

● *快帧速： 35fps.

● 专业化数据采集控制软件

独特亮点

制冷型IsCMOS	-10度芯片制冷温度，有效减低芯片暗噪声，安静读出
超快光学门宽	<3ns 阴极光学门宽，实现**测量
内置DDG	内置精度<10ps  门控与延迟控制发射器，方便随心控制
高效光纤锥耦合	1:1 高效光纤锥耦合增强器与相机，高通光量
高分辨率读出	400万像素高分辨率图像读出，不忽略细节
16bit, 95% QE	高动态范围，高量子效率，不留缺憾
IOC 模式	>300kHZ阴极快门同步频率，IOC  芯片累积模式下提升信噪比
专业化软件	采集控制，数据处理专业化界面，简单 快捷

常见型号列表：

	SIC-25U-UV-4M-F	25mm 增强器，UV-VIS 200-900nm, 2048*2048, 光纤面板耦合
IsCMOS	SIC-18U-UV-4M-F	18mm 增强器，UV-VIS 200-900nm, 2048*2048, 光纤面板耦合
	SIC-18U-VIS-4M-F	18mm 增强器，VIS 380-850nm, 2048*2048, 光纤面板耦合
	SIC-18F-VN-4M-F	18mm 增强器，VIS -NIR 400-1100nm, 2048*2048,光纤面板耦合
ICCD	SIC-18U-UV-6M-L	18mm 增强器，UV-VIS 200-850nm, 2750*2200, 高分辨率镜头耦合
	SIC-18F-VN-6M-L	18mm 增强器，VIS-NIR 400-1100nm, 2750*2200, 高分辨率镜头耦合

 

技术参数

 

sCMOS相机
像素阵列	2048*2048
阵面尺寸	13.3*13.3mm
像素大小	6.5um*6.5um
传感器类型	背照式sCMOS
量子效率	>95% @600nm
读出噪声	CMS: 1.1e-(Median) / 1.2e-(RMS)
暗电流	0.15e- / pixel / s@-15℃
曝光时间	1ms-10s
位深	16bit
数字接口	UBS3.0
像增强器MCP
光阴极	S20B	S25R
光谱范围	200-850nm	380-1100nm
峰值量子效率	20% @440nm	22%@720nm
等效噪声（EBI）	< 2 x 10-7 lux @ 20 °C ± 2 °C	< 5 x 10-7  Lux
光子增益	1*104 photon/photon	1.4*104
有效口径尺寸	18mm & 25mm	18mm
荧光屏	P20 /P43	P43
输出窗口	1:1光纤面板
光学门控宽度	Fast： <3ns;  Slow option > =50ns	Fast < 5ns
内部DDG 控制
延迟和门宽调节范围	0-10s
延迟和门宽调节精度	10ps
同步接口	外触发输入，触发输出，直接触发（Direct gate）
触发信号	触发阈值 1-5V， 阻抗50欧姆，抖动<100ps
触发固有延迟	<120ns@ 外触发，<40ns  @ Direct gate 直接触发

sCMOS 量子效率曲线

增强器光阴极量子效率曲线

 

 

引用文献：

1. WangJinmei, YanHaiying, ZhengPeichao, TanGuining,1111002,44(2017)

2. YongqiangWang, Maogen Sua, Duixiong Sun, ChaoWu, Xiaomin Zhang,Quanfang Lu, Chenzhong Dong,Microchemical Journal,318,137(2018)

3. Yuanhang Wang,Yang Bu,Yachao Cai and Xiangzhao Wang,Journal of Analytical Atomic Spectrometry,1023,37(2022)