《名家專欄(lán)》激(jī)光(guāng)等(děng)離(lí)子(zǐ)體(tǐ)光(guāng)譜(pǔ)技術（LIPS）係列(liè)專(zhuān)欄第(dì)五篇(piān)文(wén)章
，邀請中國原子能(néng)科學研究院(yuàn)高智星(xīng)研究(jiū)員(yuán)，王遠航老師及其(qí)團隊(duì)
，分(fēn)享(xiǎng)激光誘導等離子體光譜元(yuán)素分(fēn)布(bù)成像技術的係(xì)統組成(chéng)，性能特(tè)點及(jí)應用(yòng)前(qián)景等內(nèi)容。

LIBS元素分布(bù)成像技術

元素(sù)分布(bù)成像是一(yī)種(zhǒng)能(néng)夠將(jiāng)空間坐標與元素組成(chéng)信(xìn)息(xī)聯(lián)係(xì)起來(lái)的(dí)分(fēn)析技術(shù)
，通過對樣(yàng)品中元(yuán)素成(chéng)份(fèn)微米(mǐ)級別(bié)的空(kōng)間(jiān)分(fēn)布進行定(dìng)性或(huò)定量評估
，讓(ràng)人們對物質(zhì)的演化，材料的(dí)組(zǔ)成，雜質的(dí)分布等進行更深入的(dí)分析。激光誘(yòu)導(dǎo)等(děng)離子(zǐ)體(tǐ)光譜(pǔ)（laser-induced plasma spectroscopy, LIPS）技術是一(yī)種原子(zǐ)光(guāng)譜分析(xī)技術
，原理(lǐ)如圖1所(suǒ)示(shì)。該技(jì)術(shù)通過(guò)將(jiāng)高(gāo)能激光(guāng)脈衝直(zhí)接(jiē)聚(jù)焦(jiāo)於(yú)樣品(pǐn)表麵
，瞬間(jiān)完(wán)成(chéng)取(qǔ)樣，原子(zǐ)化及激發(fā)的全過(guò)程(chéng)
，同(tóng)時(shí)利(lì)用光譜儀采(cǎi)集樣(yàng)品(pǐn)表麵(miàn)激光(guāng)誘導等(děng)離(lí)子(zǐ)體(tǐ)的發(fā)射(shè)光(guāng)譜
，完成(chéng)被測(cè)樣品所含元(yuán)素的定性和定量分(fēn)析(xī)[1]。LIPS技術(shù)具有無需樣品預處(chǔ)理，可多元素(sù)定量分析(xī)，檢測速度(dù)快，實時(shí)檢測等獨*優勢
，近年(nián)來被廣泛應(yīng)用於(yú)礦(kuàng)石(shí)，核(hé)材(cái)料，動植(zhí)物組織等樣品(pǐn)的元素分布(bù)成像(xiàng)[2]。

圖1. LIPS技(jì)術原理(lǐ)示(shì)意圖

LIPS元(yuán)素成(chéng)像技術通過(guò)樣(yàng)品(pǐn)表麵(miàn)選(xuǎn)定(dìng)區(qū)域內獲(huò)取(qǔ)的目標元(yuán)素光(guāng)譜強(qiáng)度(dù)數據(jù)
，根據位(wèi)置信息(xī)及光(guāng)譜(pǔ)強度信(xìn)息對目標(biāo)元素(sù)分(fēn)布(bù)進行反(fǎn)演
，最(zuì)終獲(huò)得元素分布圖(tú)像。其(qí)對(duì)樣品(pǐn)尺(chǐ)寸(cùn)形(xíng)態(tài)沒(méi)有要求(qiú)
，無(wú)需真空環境和冗雜(zá)的(dí)樣(yàng)品(pǐn)處理過程
，具(jù)有(yǒu)獨(dú)*的空間(jiān)定(dìng)位(wèi)能力
，在表麵(miàn)和斷(duàn)層(céng)成(chéng)像(xiàng)領(lǐng)域(yù)具有獨*的優勢(shì)。典型(xíng)的LIPS元素掃描成(chéng)像裝(zhuāng)置(zhì)如圖2所示(shì)
，主(zhǔ)要(yào)由激光入(rù)射模塊，光譜(pǔ)采集(jí)模塊(kuài)，時序控製模塊(kuài)，位移(yí)台模(mó)塊，成像(xiàng)模塊(kuài)組成；LIPS元素(sù)掃(sǎo)描(miáo)成(chéng)像技(jì)術(shù)準(zhǔn)備和(hé)執行步驟(zhòu)如圖3所示(shì)
，包括(kuò)樣品的製備(bèi)，位移台(tái)的移動，激光條件的選(xuǎn)擇(zé)，激光(guāng)聚焦(jiāo)和燒蝕，光譜數據采(cǎi)集，數據處(chǔ)理及可(kě)視化。

圖2. LIPS掃(sǎo)描(miáo)成像裝置結(jié)構(gòu)示意(yì)圖

圖3. LIPS元(yuán)素掃描(miáo)成(chéng)像技(jì)術(shù)準備和執行步驟

LIPS元(yuán)素成像係統核心性能

LIPS元素成像係(xì)統不但要(yào)在技術上(shàng)實現樣(yàng)品表麵的(dí)激光掃描燒蝕
，還要有(yǒu)效地分析等(děng)離子體(tǐ)輻射光(guāng)譜。這(zhè)要(yào)求保持較高的空(kōng)間分(fēn)辨率同(tóng)時(shí)實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速存儲(chǔ)分(fēn)析(xī)與(yǔ)元素(sù)分布(bù)可視化(huà)成像(xiàng)
，因此(cǐ)需要(yào)位移台，激光源，光(guāng)路(lù)聚(jù)焦係統(tǒng)，光(guāng)譜(pǔ)檢測(cè)係(xì)統和自動聚焦係(xì)統(tǒng)等六(liù)部分硬件的高效協(xié)同工作。在元(yuán)素(sù)成(chéng)像技(jì)術領(lǐng)域
，空(kōng)間(jiān)分(fēn)辨率，靈(líng)敏度與精度是(shì)最重要的(dí)三(sān)個參(cān)數(shù)。

空間分辨率(shuài)是表征影(yǐng)像分辨(biàn)目標細節(jié)的(dí)依(yī)據
，也是評價(jià)成像係統的(dí)重要指標(biāo)。為提高空間(jiān)分(fēn)辨(biàn)率
，通常從以(yǐ)下(xià)五(wǔ)部分(fēn)硬件(jiàn)係統(tǒng)入手：

（1）位移台(tái)。位(wèi)移台移動(dòng)模式主要(yào)分為脈(mài)衝(chōng)激光(guāng)的(dí)連續掃(sǎo)描(miáo)與(yǔ)脈衝(chōng)激光(guāng)的逐(zhú)像素(sù)掃(sǎo)描
，如(rú)圖4所示。連(lián)續(xù)掃(sǎo)描對(duì)樣品(pǐn)進行單(dān)次掃(sǎo)描(miáo)
，具(jù)有操作速度(dù)快(kuài)，分辨(biàn)率高的優(yōu)點(diǎn)
，Sancey等[3]利(lì)用(yòng)三維定(dìng)位(wèi)平(píng)台(tái)使(shǐ)樣品在xyz三(sān)軸平(píng)移
，每個(gè)方向(xiàng)的行程範圍為(wéi)50 mm
，最(zuì)大速度為3 mm/s
，精度達(dá)1 mm；逐像素掃(sǎo)描會在(zài)樣品(pǐn)同(tóng)一位(wèi)置(zhì)發射(shè)多(duō)次(cì)激(jī)光
，不需要(yào)對(duì)樣品特殊製(zhì)備
，同(tóng)時能進行三(sān)維(wéi)實驗；

圖4. LIPS掃描原理(lǐ)和(hé)位移(yí)台移動模式(shì)[4]

（2）激光(guāng)源。目前市麵(miàn)上運用較多(duō)的激光(guāng)源(yuán)為固(gù)體(tǐ)激(jī)光器(qì)與(yǔ)準分(fēn)子激光(guāng)器
，相(xiāng)比於其(qí)他(tā)激光(guāng)器而言技術較為成熟(shú)
，成本(běn)較低
，在元素成像應用(yòng)中這(zhè)兩(liǎng)類激(jī)光(guāng)源(yuán)普遍適(shì)用
，投入研(yán)究(jiū)相對更多(duō)。研究發(fā)現
，準(zhǔn)分子激(jī)光的波長(cháng)較(jiào)短(duǎn)具(jù)有(yǒu)更低的材(cái)料擊穿閾值
，低能量(liáng)的LIPS可(kě)以(yǐ)實現(xiàn)高空(kōng)間分辨率(shuài)[5]；

（3）光路聚焦係統。光路(lù)聚焦係(xì)統大多采用(yòng)高倍(bèi)聚焦(jiāo)透(tòu)鏡來對激(jī)光光束(shù)聚(jù)焦
，為提高燒蝕坑的(dí)分(fēn)辨率(shuài)
，會通(tōng)過激(jī)光整形擴(kuò)束(shù)係統減(jiǎn)小激光(guāng)發(fā)散角或(huò)選用短焦(jiāo)的顯微物鏡實現(xiàn)微米量級(jí)的光束(shù)聚(jù)焦[6]；

（4）燒(shāo)蝕室。燒(shāo)蝕(shí)室可(kě)以為等離子(zǐ)體(tǐ)生(shēng)成(chéng)環境(jìng)提(tí)供區別於(yú)大(dà)氣壓強的氣壓(yā)或惰(duò)性氣體(tǐ)
，從(cóng)而(ér)有效提高(gāo)LIPS元素成像(xiàng)係統的(dí)空(kōng)間分辨率(shuài)。Effenberger等(děng)[7]發現(xiàn)減壓(yā)（＜760 Torr）環(huán)境(jìng)下
，信噪比與分辨率提高(gāo)
，以此(cǐ)改(gǎi)善(shàn)LIPS光(guāng)譜。法國(guó)裏(lǐ)昂(áng)大學Sancey等(děng)[3]在產生(shēng)等(děng)離子體區域通(tōng)入Ar
，成(chéng)功(gōng)提高(gāo)譜綫信(xìn)噪(zào)比；

（5）光(guāng)譜檢測係統。光譜檢(jiǎn)測係(xì)統決(jué)定(dìng)了整體(tǐ)係統的性能
，光譜儀和(hé)探(tàn)測器(qì)的發展很大(dà)程度(dù)影(yǐng)響(xiǎng)了成(chéng)像的分辨(biàn)率(shuài)。一般而(ér)言(yán)
，0.1 nm的光譜分辨(biàn)即(jí)可滿足元素識別(bié)的需求(qiú)。

靈(líng)敏度是對(duì)單(dān)位量(liáng)待(dài)測(cè)物質變(biàn)化(huà)所致的響應量變(biàn)化程(chéng)度(dù)
，通常(cháng)由檢出(chū)限(xiàn)作為衡(héng)量指(zhǐ)標。靈(líng)敏度(dù)主(zhǔ)要由(yóu)光譜檢測係統決(jué)定(dìng)[4]
，每種(zhǒng)光譜儀有(yǒu)其不同(tóng)的優點和缺點
，選擇(zé)光譜儀和探(tàn)測(cè)器時通常(cháng)會根據(jù)分(fēn)辨(biàn)率，靈敏(mǐn)度和覆蓋波(bō)長三個重要參(cān)量(liáng)綜(zōng)合考慮。

精(jīng)度(dù)是觀(guān)測值與真值(zhí)的接(jiē)近程度(dù)
，目前提(tí)高(gāo)成像(xiàng)的(dí)精(jīng)確(què)度主(zhǔ)要依賴(lài)於激(jī)光源。飛秒(miǎo)脈衝激光(guāng)相比(bǐ)於上述提到(dào)的固體激(jī)光器(qì)與(yǔ)準分子激光器而(ér)言
，分(fēn)析精度(dù)更(gēng)高(gāo)
，空(kōng)間(jiān)分辨率也更高
，如Hwang等[8]運用飛秒LIPS係統(tǒng)提(tí)高(gāo)了(liǎo)檢(jiǎn)測鉻薄(báo)膜燒蝕坑的(dí)分(fēn)辨(biàn)率(shuài)
，在薄膜(mó)上實現最小(xiǎo)直(zhí)徑470 nm的(dí)燒蝕坑；（2）自動(dòng)聚焦係(xì)統。自動聚焦(jiāo)係統能(néng)夠(gòu)識別(bié)樣品(pǐn)的(dí)厚度差(chà)異
，使聚(jù)焦物鏡與(yǔ)樣(yàng)品表麵(miàn)之間的距離(lí)恒(héng)定(dìng)
，從而(ér)提(tí)高成像(xiàng)的清晰度與(yǔ)精(jīng)度。Novotny等(děng)[9]開發(fā)了(liǎo)一(yī)種(zhǒng)基於圖像(xiàng)矩(jǔ)陣的傅裏葉變換自(zì)動聚(jù)焦(jiāo)算法(fǎ)
，以捕(bǔ)獲圖像(xiàng)的清晰度
，讓樣(yàng)品(pǐn)始終(zhōng)在(zài)聚(jù)焦透鏡的焦平(píng)麵上(shàng)
，精(jīng)度(dù)達±50 mm。Caceres等(děng)[10]在對大麵積的地質樣本進行掃(sǎo)描時(shí)
，提(tí)出了一(yī)種(zhǒng)新型(xíng)自(zì)動聚焦(jiāo)係(xì)統
，利用四根光(guāng)纖組成光(guāng)纖束收(shōu)集等(děng)離子體(tǐ)
，輸出在(zài)CMOS相(xiāng)機成像(xiàng)
，工作(zuò)速(sù)度(dù)可(kě)達100Hz。

隨著(zhuó)技術(shù)的發展(zhǎn)與儀(yí)器的(dí)迭(dié)代
，LIPS元素成像技術(shù)的應用範圍逐(zhú)漸拓(tuò)展
，發(fā)展前(qián)景(jǐng)更(gēng)加(jiā)廣(guǎng)闊。目前(qián)LIPS元素成像(xiàng)技術(shù)分辨率(shuài)可(kě)達mm量級
，檢出限(xiàn)達(dá)ppm水(shuǐ)平(píng)。然(rán)而(ér)
，定(dìng)量分(fēn)析(xī)準確(què)度(dù)以(yǐ)及(jí)外部(bù)條件（如(rú)激光(guāng)參數的(dí)影響
，樣(yàng)品的性(xìng)質和表麵形(xíng)貌(mào)）對(duì)等離子體的(dí)影(yǐng)響仍(réng)然(rán)是LIPS成像技術(shù)走(zǒu)向實(shí)際應(yīng)用(yòng)的(dí)難關(guān)
，有(yǒu)待進一(yī)步研究改善(shàn)。

參考(kǎo)文獻(xiàn)：

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人(rén)物(wù)介紹(shào)

高智(zhì)星
，研究員(yuán)
，主要(yào)從事(shì)激光與物(wù)質(zhì)相互(hù)作(zuò)用(yòng)，激(jī)光等離子體光譜研究。參與並負責科技部，裝備(bèi)發(fā)展部多項科(kē)技(jì)發展項(xiàng)目。相關工作(zuò)發(fā)表論(lùn)文20餘篇
，授(shòu)權專(zhuān)*10餘項
，擔(dān)任(rèn)Matter and Radiation at Extremes等(děng)期(qī)刊審(shěn)稿(gǎo)人(rén)。

免責(zé)說(shuō)明

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