激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种原子发射光谱技术，可对金属、半导体、玻璃、生物组织、塑料、土壤、薄漆涂层及电子材料等多种材料进行快速化学分析。
技术原理
LIBS是一种有效的元素分析技术，适用于测定多种样品的元素组成。其原理是将短脉宽、高能量的激光脉冲聚焦于目标样品表面，使少量烧蚀物质形成等离子体。等离子体内的高温使烧蚀材料解离为激发态的原子与离子，冷却过程完成后，即可通过光谱仪检测样品的特征谱线。
近年来，随着更紧凑乃至手持式系统的出现，LIBS得以应用于现场分析与在线材料检测工具的构建，因而受到的关注显著增加。
激光性能在LIBS成像中的作用
在微LIBS（µ-LIBS）成像领域，激光性能对获得理想结果至关重要。该技术的核心在于以聚焦激光束对样品进行系统扫描，在样品表面的不同空间位置逐点采集LIBS光谱。
LIBS光谱包含多条发射谱线，分析时从中选取无干扰的谱线。这些谱线具有元素特异性，据此可重建元素分布图，呈现化学元素在被分析样品区域内的分布。
µ-LIBS成像不仅提供定性信息，还可提供定量信息。定量分析体现为图像对比度，其实现依赖于通过单变量或多变量模型将光谱强度与元素浓度相关联。
在LIBS系统中，用于材料烧蚀的激光器选择至关重要。LIBS测量的重复性与激光性能直接相关，因为等离子体的产生依赖非线性过程。脉冲能量、脉冲持续时间与光束质量等参数的波动，会导致烧蚀质量、等离子体温度与电子密度发生变化，并进一步反映在等离子体发射光谱中，可能造成分析误差。
激光性能在µ-LIBS成像中的重要性尤为突出，因为样品的光栅扫描通常在每个数据点仅使用单个激光脉冲。激光束质量直接影响其被紧密聚焦的能力，从而决定系统的空间分辨率与图像的最小像素尺寸；激光器的重复频率则决定了数据采集与扫描速度的上限。在仅需数百次激光照射的常规分析中，该参数影响相对有限；但对大面积样品的高分辨率µ-LIBS成像而言，每平方厘米可能需要采集多达100万条光谱。因此，使用10–40 Hz激光器以微米分辨率记录1平方厘米区域可能需要3–15小时。
高分辨率LIBS成像的进展
传统LIBS成像仪器通常采用重复频率低于100 Hz的激光器，以在采样频率与脉冲能量之间取得平衡。然而，以此频率对较大样品区域（通常为数平方厘米）进行高分辨率成像相当耗时，构建图像需要采集数百万个光谱数据点，每平方厘米约需3–15小时。
Tercier等人（2023）的研究提出了一种显著缩短高分辨率LIBS成像采集时间的新方法：一种新型µ-LIBS成像显微镜，可实现10 μm分辨率，每平方厘米采集时间缩短至20分钟以内，为分析样品内部精细的元素分布提供了新的观测手段。
该µ-LIBS成像系统是一台定制LIBS显微镜，核心为一台紧凑型纳秒级Nd:YAG被动调Q环形腔1064 nm激光器（Cobolt Tor系列），脉冲能量0.5 mJ，脉宽2.5 ns，体现出较高的效率与精度。
紧凑型LIBS系统助力铝回收
铝回收是紧凑型工业级LIBS系统的重要应用方向。铝具有完全可回收的特性，其再生生产所需能量仅为原生矿石提取的5%。对再生铝料流进行直接分类与分选具有可观潜力，既可为铝生产企业带来经济效益，也有助于降低环境负担。
ACREO与Kimab的研究人员合作，将Cobolt Tor激光器集成至LIBS系统，目标是开发兼具坚固性与紧凑性、专为铝回收等工业应用设计的LIBS系统，并已在废金属自动分选的原型系统上完成现场测试。
Cobolt Tor激光器以紧凑的设计与良好的性能，支持LIBS系统从实验室向工业现场的转变。该激光器基于专有设计，具备良好的稳定性：重复频率达多kHz量级（大于7 kHz，脉冲间抖动小于1 μs），1064 nm波长下脉冲能量达100 μJ量级，脉宽数纳秒，光束质量良好（M²小于1.3）。与传统高峰值能量Nd:YAG激光器相比，其体积明显缩小；密封封装保证了多种环境条件下的持久性能与使用寿命，适用于严苛工业环境的系统集成。
采用Cobolt Tor激光器对铝标准样品及取自废料场的含杂废料样品开展的LIBS实验结果表明，该系统能够准确辨别不同铝合金的元素组成，验证了基于紧凑型高重复频率激光器的LIBS系统在工业应用中的实际可行性。
相关研究
相关成果发表于Spectroscopy期刊（2023，高分辨率高速度LIBS显微成像）、PhotonicsViews（2021，面向快速紧凑LIBS系统的激光器）、Laser Focus World（2014，紧凑型工业LIBS系统助力铝回收）及Physics' Best（2016，LIBS改进金属回收）等期刊，并有面向SCiX会议（2022，高速度高分辨率LIBS成像新平台）的会议报告与配套白皮书。
相关产品
Cobolt Tor系列为高性能调Q激光器，波长覆盖355、532和1064 nm，单脉冲能量50–500 μJ（单脉冲至7 kHz），适用于LIBS、MALDI-TOF质谱、微加工与打标等应用。
