LIBS技術解析炭的元素組成
實驗背景
炭作為常見燃料，其元素組成直接影響燃燒效率與環保性能。本實驗使用激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術，對市面上的炭樣品進行元素分析。LIBS技術無需樣品預處理，可微損檢測樣品成分，為優化燃燒工藝提供科學依據。 本實驗旨在利用LIBS技術檢測炭的元素組成。我們選取了三個樣品（圖1），未進行樣品預處理。預期檢測到的元素包括碳、氫、氧、氮、硫等。
圖 1：實驗用炭樣品從左至右：樣品1、樣品2、樣品3
PART01 實驗系統和方法 實驗系統 實驗系統設置如圖2所示： 1. 光譜儀：AvaSpec-NXS4096CL - 波長范圍：190-1100nm - 探測器：4096像素CMOS陣列 - 支持通信協議：USB2.0/RS232/SPI 2. 光源：Nd:YAG脈沖激光器 - 波長：1574nm（人眼安全波段） - 單脈沖能量：4.5mJ - 同步控制：Quantel激光器控制箱，實現激光與光譜儀硬件聯動 3. 附件 - 200μm芯徑光纖：采集等離子體信號 - 支架：固定光纖，與激光焦點對準 圖2：LIBS測量實驗裝置光譜儀固定于激光器正上方通過光纖采集等離子體信號 實驗方法 1. 數據采集 - 軟件：AvaSoft軟件中的扣除暗背景（Sd）模式，此模式在基礎模式上扣除了背景噪聲 - 積分時間設置：1ms - 平均次數：1 2. 測量方法 - 單脈沖激光激發等離子體，同步觸發光譜儀 - 樣品多點測量，選取顯著光譜峰分析
PART02 實驗結果與分析 除了碳的光譜峰以外，觀察三個樣品的LIBS光譜圖（圖3-5），發現樣品在280nm、316nm、318nm、393nm、396nm、423nm、430nm、443nm、445nm、616nm、766nm和770nm附近都有顯著的峰，這些峰表明存在鎂、鈉、鈣、鐵、錳、氧和鉀等元素。 再對比三個樣品的LIBS光譜圖（圖6）可以發現：它們的光譜峰位置相似，但強度不同，這表明每個樣品中的元素組成和百分比不同。 為了辨別樣品的成分差異，我們選取了三個樣品中都存在且強度相似的三個峰作為基準峰，以它們作為標準來分析三個樣品中的元素組成，這三個峰分別是393nm、396nm和423nm。 圖3：樣品1的LIBS光譜 樣品1（圖3）：280nm、285nm處的鎂（Mg）峰顯著。 圖4：樣品2的LIBS光譜 樣品2（圖4）：316nm、318nm處的鈣（Ca）峰突出；另外，在370nm附近檢出鐵（Fe）元素峰。 圖5：樣品3的LIBS光譜 樣品3（圖5）：766 nm、769 nm處的鉀（K）峰強度較高。 圖6：三個樣品的LIBS光譜圖 觀察三個樣品的LIBS光譜圖（圖6）可以發現： 1. 碳（C）元素信號強度低于預期（理論含量75-80%），推測因鈣、鎂等重金屬強元素峰掩蓋所致。 2. 三個樣品存在元素差異，可能與原料來源或加工工藝有關。 PART03 實驗結論 LIBS技術可有效檢測炭中鎂、鈣、鉀等元素，適用于工業現場快速篩查。 AvaSpec-NXS4096CL迷你光譜儀尺寸小巧，適合集成，與激光器聯用可以為微損檢測提供可靠解決方案。
3. 若需定量分析，需對光譜儀進行輻照度校準、數據歸一化處理（與金屬回收分選應用相似）。