用于ST-LIBS的可调收集视场光学系统及优化方法

《Optics & Laser Technology》：Adjustable collection field optical system and optimization method for ST-LIBS

　　

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  为远程LIBS开发了一种可调收集视场系统，用于调节物方视场直径（D_FOV）。
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  光谱响应随D_FOV呈非单调变化，揭示了等离子体与收集视场之间的空间匹配关系。
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  优化的D_FOV提高了分析性能，使相对标准偏差降低约50%，检出限提高约三倍。

引言

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种基于高能激光烧蚀样品并产生瞬态等离子体的原子发射光谱技术。通过收集等离子体中原子、离子和分子的发射谱线，可以获得材料的元素组成和浓度。与传统光谱方法相比，LIBS需要很少的样品制备，并提供快速分析、原位检测、同时多元素分析和远程非接触测量。因此，它在实时元素分析方面具有重要潜力[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。远程LIBS（ST-LIBS）能够在高温、危险或不可达环境中实现非接触光谱检测，这是LIBS的关键优势之一[8], [9], [10], [11], [12], [13]。

近年来，ST-LIBS在行星探测、工业在线分析和安全检测中的可行性已得到验证。Salle等人将ST-LIBS应用于米级距离的岩石和金属样品，以满足火星表面原位分析的要求，验证了其在行星表面成分分析方面的潜力[14]。Wiens等人和Maurice等人开发了基于ST-LIBS的ChemCam系统，安装在火星科学实验室探测车上，用于火星岩石和土壤的远程元素分析[15], [16]。在陆地应用方面，De Lucia等人将ST-LIBS与多元分类相结合，以区分爆炸残留物与背景干扰物，证实了该技术用于非接触危险物质识别的可行性[17]。Sun等人通过将卡塞格林望远镜与双脉冲激发相结合，开发了一套用于钢液原位分析的ST-LIBS系统。卡塞格林望远镜提高了长距离辐射收集效率，而双脉冲激发增强了等离子体发射强度，从而提高了ST-LIBS在高温条件下的信号强度和分析稳定性[18]。这些研究证明了ST-LIBS在实际应用中的可行性。然而，与传统LIBS相比，ST-LIBS测量同时受到长距离激光传播、等离子体发射的空间发散以及有限的收集立体角的影响。这些因素显著降低了耦合到光谱仪中的有效信号。因此，在远程条件下提高有效信号收集能力、光谱重复性和定量稳定性仍然是ST-LIBS进一步发展的重要问题。

为了解决ST-LIBS中的信号衰减问题，以往的研究主要集中在等离子体收集系统优化和等离子体信号增强方面。对于等离子体信号增强，研究了各种激发方案，特别是双脉冲构型和等离子体再加热。Pal等人使用266 nm紫外激光在远程条件下诱导LIBS等离子体，同时引入10.6 μm CO₂激光脉冲再加热等离子体，从而增加了等离子体发射和温度[19]。Stratis等人采用预烧蚀火花辅助双脉冲LIBS增强Cu和Pb信号[20]。类似的对钢合金的单脉冲和双脉冲LIBS研究进一步考察了不同气体环境下的LIBS响应[21]以及激光诱导热传输、能量沉积与单脉冲和双脉冲LIBS行为之间的关系[22]。在等离子体收集系统优化方面，Li等人提出了一种基于人工复眼结构的便携式多收集器系统。该系统通过增加收集器数量来增大有效收集面积和立体角，从而提高了进入光谱仪的有效光学通量。在2 m探测距离下，五收集器系统使低合金钢的Mn和Cr谱线强度比两收集器系统提高约2.5倍，表明增加有效收集通量显著增强了ST-LIBS谱线强度[23]。以往ST-LIBS研究主要集中在增强等离子体或增大收集立体角。

然而，等离子体收集视场也是影响LIBS光谱质量的重要光学参数。收集视场决定了光学系统在物方对等离子体发射的空间积分范围，因此直接影响进入光谱仪的有效辐射成分。Wang等人将柯勒照明引入宽视场LIBS收集系统，使光谱强度波动降低约30-50%[24]。Li等人比较了使用矩形和圆形光纤的LIBS收集。他们发现矩形光纤能够实现空间扩展的等离子体收集，降低了相对标准偏差（RSD），定量准确度提高了68.29%[25]。这些研究表明收集视场对LIBS信号稳定性有重要影响。然而，现有研究大多集中在特定收集几何或固定视场条件下的光谱稳定性改善。与等离子体发射空间分布相匹配的可调收集视场尚未在ST-LIBS中进行系统研究，收集视场直径（D_FOV）的连续调节和定量优化研究仍不充分。

检测到的LIBS发射受激发条件和等离子体空间特征的影响。先前研究表明，激光通量可以影响钢等离子体的离子发射特征[26]，而激发波长可能影响特定谱线的自吸收行为[27]。此外，激光诱导等离子体表现出明显的空间不均匀性，空间分辨诊断研究表明等离子体核心区和外围区域在温度、电子密度、谱线强度和连续背景方面存在显著差异[28], [29], [30], [31], [32], [33], [34]。由于D_FOV决定了收集系统采样等离子体的空间范围，改变D_FOV也会改变不同等离子体区域对检测发射的相对贡献。

在本工作中，为ST-LIBS开发了可调收集视场光学系统和优化方法。首先，构建了单透镜步进聚焦系统，以研究在1300 mm物距下不同收集构型的光谱响应。然后开发了三透镜可调系统，以在0.8–2.7 mm范围内连续调节有效物方D_FOV。结合ICCD等离子体成像和Zemax光学模拟，定量表征了不同光学构型下的有效物方D_FOV。此外，使用Zemax评估了多模光纤耦合效率，以表征收集系统的光学耦合性能。因此，从空间采样和光学耦合两个角度分析了收集特性。最后，使用BYG0606铝合金中的Fe I 373.49 nm和Mn I 403.31 nm谱线评估了不同收集构型下的光谱强度、信噪比和RSD，并进一步研究了优化收集条件下的定量分析性能。

章节片段

远程LIBS系统

实验装置如图1所示。等离子体激发使用Q开关Nd:YAG激光器（Quantel Ultra 100，1064 nm，1 Hz，8 ns）。连续100个脉冲的平均脉冲能量为92.3 mJ，相对均方根（RMS）波动为0.36%。激光束经反射镜反射后，通过由凹透镜（f?=?-100 mm）和凸透镜（f?=?150 mm）组成的伽利略光学装置，然后聚焦到铝合金

单透镜系统的视场优化结果

为了研究单透镜系统在不同光纤接收孔径下的收集行为，使用焦距固定为300 mm的收集透镜，光纤芯径分别为600、400和200 μm。根据上述视场标定方法，这些光纤芯径对应的有效物方D_FOV分别为2.00、1.33和0.67 mm。测量了Fe I 373.49 nm和Mn I 403.31 nm发射谱线，结果如图

结论

本研究提出了适用于ST-LIBS的可调收集视场光学系统和视场优化方法。通过调节收集光路的等效焦距，实现了有效物方D_FOV的离散和连续调节。结合ICCD等离子体成像和Zemax光线追迹，建立了有效收集视场的定量表征方法，并进一步评估了多模光纤耦合效率，以

CRediT作者贡献声明

刘克龙： 概念化。李东东： 验证、方法论、调查。林占剑： 验证、监督。王武： 调查。罗向文： 软件。余建辉： 验证。左佳欣： 监督。李向优： 监督、资源、资金获取。杨欣燕： 写作——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号62475081&61805002）和湖北省重点研发计划（批准号2025BBB002）的资助。

刘克龙|李东东|林占剑|王武|罗向文|余建辉|左佳欣|李向优|杨欣燕