1、第 44 卷第 3 期2023 年 3 月激光杂志LASE JOUNALVol.44，No.3March，2023http /www laserjournal cn收稿日期:20221013基金项目:国家自然科学基金(No 61705064)、湖北省自然科学基金(No 2021CFB607)、湖北省教育厅优秀中青年科技创新团队计划项目(No T201617)资助作者简介:马洪华(1986)，男，中级实验师，硕士，主要从事激光诱导击穿光谱、电路系统控制等方面的研究。Email:mhh_0708 hbeuedu cn通讯作者:曾庆栋(1982)，男，副教授，博士，主要研究方向为激光诱导击穿光谱。E
2、mail:jerry_z alumni hust edu cn激光物理与器件基于二极管泵浦固体激光器的便携式 LIBS 系统设计马洪华1，李孜涛1，袁梦甜1，3，李墨婷1，邓凡2，陈光辉1，3，李文鑫1，余华清1，曾庆栋11湖北工程学院物理与电子信息工程学院，湖北 孝感432000;2华中科技大学武汉光电国家研究中心，武汉430074;3湖北大学物理与电子科学学院，武汉430062摘要:为实现野外或工业现场等环境对钢材中微量元素 V 的便携化高精度检测，本文采用二极管泵浦固体激光器作为光源，设计搭建了便携式激光诱导击穿光谱系统。基于攀钢生铁标准样品(GSB0325822010系列)中钒(V)4
3、37.92 nm 谱线强度和信背比对系统进行参数优化，得出最佳脉冲能量为 40 mJ，最佳延时时间为 4 s。在最优条件下，采用定点打靶对样品中 V 元素进行定量分析，定标曲线拟合度决定系数分别为 0.995，V 元素绝对误差的平均值为 0.014%，平均相对误差为 6.062%。结果表明，采用小型高脉冲能量二极管泵浦固体激光器配合小型 CCD 阵列光谱仪搭建的便携式 LIBS 系统对元素进行快速检测，达到传统 LIBS 系统的精度水平。该研究为野外或工业现场环境作业场合下的元素快速检测提供了一种新的思路。关键词:二极管泵浦激光器;激光诱导击穿光谱;参数优化;定量分析;快速检测中图分类号:O4
4、33文献标识码:Adoi:10.14016/j cnki jgzz.2023.03.024Quantitative analysis of element V in iron using portableLIBS based on diode pumped solidstate laserMA Honghua1，LI Zitao1，YUAN Mengtian1，3，LI Moting1，DENG Fan2，CHEN Guanghui1，3，LI Wenxin1，YU Huaqing1，ZENG Qingdong11School of Physics and Electronicinformat
5、ion Engineering，Xiaogan Hubei 432000，China;2Wuhan National Laboratory for Optoelectronics(WNLO)，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China;3Faculty of Physics and Electronic Science，Hubei University，Wuhan 430062，ChinaAbstract:A portable laserinduced breakdown spectroscopy syste
6、m based on diode pumped solidstate laser wasdeveloped to accomplish the rapid analysis of trace element in steel，and provide high precision and portable rapid de-tection for field operations or industrial field scenarios The element V 437.92 nm in samples of iron was selected tooptimize the paramete
7、rs of the portable system The results show that the optimal pulse energy is 40 mJ and the optimaldelay time is 4 s Under these conditions，V in the sample was quantitatively analyzed by fixedpoint shooting andmoving shooting respectively It was obtained that the determination coefficient 2of calibrat
8、ion curve was 0.995 and0.991，and the mean of the absolute error of the V element was 0.014%and 0.02%，respectively The average rela-tive errors were 6.062%and 17.973%，respectively The results show that the portable LIBS system，which is builtby a micro diode pumped laser with high pulse energy and a m
9、icroCCD array spectrometer，can achieve the precisionlevel of thetraditional LIBSsystem fortherapiddetection of elementsMeanwhile，the fixed pointbeating method has better precision and accuracy thanthe moving beating method The research results providea new idea for the rapid detection of elements in
10、 the fieldenvironment or in the frequencychanging mobile opera-tionshttp /www laserjournal cnKey words:diode pumped solidstate laser;laserinduced breakdown spectroscopy;parameter optimization;quantitative analysis;rapid detection1引言钢铁中的微量元素影响着钢铁的性能质量。钒(V)元素是钢中的优良脱氧剂，在钢中加入一定比例的 V 可细化组织结晶以提高钢的强度及韧性，还能
11、改善钢的焊接性能，降低过热敏感性，并能在高压高温的条件下提高抗氢腐蚀能力。因此特种钢材中 V 元素的检测，对控制钢铁的质量性能有着重要的作用。传统的检测方法，如 X 射线荧光光谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法等，一般需要对样品进行预处理12，耗时耗力，且分析周期长，设备体积庞大不便于移动。激光诱导击穿光谱(Laserinduced break-down spectroscopy，LIBS)是一种具有分析速度快、样品处理过程简单、多元素同时分析、可原位检测和近似无损分析等多种优势的非接触检测技术36，它可以对固体、液体或气体样品的元素成分进行分析7，并具有现场实时测量钢铁产品的潜力，已经在医
12、药、环境、材料等各个领域获得了成功应用811。然而，在一些野外或工业现场复杂的场景下进行作业的具体应用中，传统的实验室桌面式 LIBS 因体积庞大、设备笨重、不便移动等缺点无法满足需求，亟须一种具有便携、方便移动的 LIBS 设备。二极管泵浦固体激光器(Diode pumped solid state laser，DPSSL)又被称为第二代激光器。作为一种新型激光器，近年来在国际上发展很快、应用较广1213。此类激光器通过其半导体激光器输出固定波长的光来对激光晶体进行泵浦，代替了传统的氪灯和氙灯，与传统的激光器相比，其具有功耗低、体积小、重量轻、工作寿命长等优点1416，并且无需水冷和风冷，采
13、用自然冷却的方式，使其便于携带，且更易集成仪器作用于工业或野外现场。本实验中，采用新型的二极管泵浦固体激光器来设计并搭建便携式 LIBS 系统，以钢铁中 V 元素为研究对象，基于谱线强度和 SB 对激光能量和延时等参数进行优化，以提高分析精度;采用定点打靶方式进行 LIBS 分析，探究野外工作环境下定点打靶对元素快速定量分析的影响。2实验部分2.1实验装置基于二极管泵浦固体激光器的便携式 LIBS 系统设计方案如图 1 所示，激光器采用 Montfort 公司生产的型号为 MNANO 的微型激光器，其尺寸(长宽高)为 13913264 mm，输出波长为 1 064 nm，脉宽7 ns，单脉冲能
14、量最大可达 70 mJ，脉冲重复频率 040 Hz 可调。光谱仪采用荷兰 Avantes 公司生产的型号为 AvaSpec2048USB2 的多通道光纤光谱仪，其尺寸(长宽高)为 17511088 mm，具体参数如下，光学 平 台:75 mm Czerny Turner，光 栅:2 400lines/mm，狭缝:10 m，光学分辨率:0.080.11 nm，取决于所选波长。根据 V 元素光谱数据分析，只需处理波长范围为 296485 nm 范围数据，所以光谱仪取多通道中的 2 个通道，即光谱覆盖范围从 296 485 nm。探测器型号为 SONY ILX 554B 的 CCD(Charge C
15、oupled Devices)阵列探测器(2 048 像素，像素尺寸:1456 m)，其具有良好的稳定性、灵敏度，以及抗恶劣环境的能力。激光光路与收集光路的夹角为 45 度，采集光路中透镜组的光轴与激光束的夹角同为 45 度。图 1基于二极管泵浦固体激光器的便携式 LIBS 系统2.2实验样品本文采用攀钢生铁标准样品(GSB0325822010系列)作为被测样品。该标准样品中 V 等各微量元素的浓度信息如下表 1 所示。表 1攀钢生铁标准样品(GSB0325822010 系列)中各微量元素含量(wt%)NumCMnSiSPCrVTi12.460.0720.0990.0190.0110.5110
16、.0090.00622.990.3290.9370.0380.0330.080.0440.21633.291.220.6890.0560.0450.030.0710.04343.70.8570.4510.0760.0870.1170.1580.0353.670.5960.1830.1170.0720.1710.3350.06663.931.460.990.1240.1680.3870.5060.10574.132.061.850.1110.3060.1570.8210.39952马洪华，等:基于二极管泵浦固体激光器的便携式 LIBS 系统设计http /www laserjournal cn3实验结果与分析3.1激光脉冲能量优化由于激光脉冲能量、采集延时时间和采集门宽等因素都对 LIBS 的光谱信号有影响，所以为了获得最佳实验参数，需要在进行定量分析之前对各实验参数进行优化。实验中选取特征谱线 V 437.92 nm 作为研究对象，采用基体元素 Fe 426.05 nm 作为内标参考线，进行参数优化，以获取最佳激光脉冲能量与最佳延时参数。实验中，分别采集脉冲能量为 5 80 mJ条件下
