在現(xiàn)代制造業(yè)中，材料中元素含量的微小波動，往往會直接影響產(chǎn)品的強度、耐蝕性和使用壽命，因此“成分快檢"成為生產(chǎn)線上至關(guān)重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)雖然具備無需制樣、多元素同時檢測等優(yōu)勢，但多數(shù)系統(tǒng)仍依賴低重頻固體激光器，單次測試往往需要數(shù)秒才能獲得一幅光譜，難以跟上高速生產(chǎn)線的節(jié)奏。與此同時，體積龐大、冷卻復(fù)雜、抗震性能和長時間連續(xù)運行穩(wěn)定性不足，也制約了傳統(tǒng)LIBS走向真正意義上的在線、實時檢測。

為打破速度瓶頸，高重頻、功率穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊的光纖激光器被引入LIBS系統(tǒng)，構(gòu)建出全新的光纖激光誘導(dǎo)擊穿光譜（FL-LIBS）快速檢測方案，在保證檢測精度的同時，將分析時間壓縮到毫秒量級。

基于高重頻光纖激光器搭建的FL-LIBS系統(tǒng)，在總體結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)LIBS相似，但在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上做了針對性優(yōu)化。激光經(jīng)準直和兩片紫外熔融石英透鏡聚焦后，作用于樣品表面，產(chǎn)生高溫等離子體并激發(fā)出包含多種元素特征信息的發(fā)射光。

在光譜采集方面，在快速檢測模式下，等離子體發(fā)射光可通過同軸或旁軸兩種方式收集，經(jīng)光纖送入光譜儀后，由計算機實時處理和顯示。得益于高重頻激光和高速采集硬件的協(xié)同，系統(tǒng)可以實現(xiàn)每秒50幅以上光譜的連續(xù)獲取，相比傳統(tǒng)LIBS實現(xiàn)了量級上的加速，為實際生產(chǎn)線上的在線檢測預(yù)留了充足“時間冗余"。

圖1 合金樣品的FL-LIBS光譜圖：a.鋁合金7號樣品；b.微合金鋼3號樣品

在構(gòu)建FL-LIBS系統(tǒng)后，研究團隊圍繞兩個最關(guān)鍵的問題展開了系統(tǒng)實驗，即激光功率如何影響光譜信號，以及樣品移動速度如何改變檢測效果。作者團隊建立了“重復(fù)燒蝕模型"，從幾何上分析了高重頻條件下相鄰脈沖燒蝕區(qū)域的重疊問題。若樣品移動速度過慢，相鄰多個脈沖會集中作用在同一微小區(qū)域，后續(xù)脈沖只是加深原有燒蝕坑，有效新增燒蝕體積有限；而提高移動速度，則使每個激光脈沖在樣品表面的落點產(chǎn)生明顯位移，新增燒蝕面積與位移近似成正比。實驗結(jié)果與模型分析高度一致，為后續(xù)快速定量分析提供了實驗依據(jù)。

圖2 前后脈沖燒蝕范圍示意圖

在優(yōu)化參數(shù)條件下，F(xiàn)L-LIBS系統(tǒng)用于兩類典型工業(yè)合金的快速定量分析——6061系列鋁合金和微合金鋼標準樣品。

對于鋁合金樣品，Cu和Mg的定量擬合相關(guān)系數(shù)均超過0.99，表現(xiàn)出良好的線性一致性。進一步計算表明，Cu的檢出限約為每克樣品406.6 μg，Mg的檢出限約為176.8 μg，在保證檢測速度大幅提升的前提下，仍然維持了較高的靈敏度與重復(fù)性。

對于光譜背景更復(fù)雜的微合金鋼樣品，團隊分別采用基本定標法和內(nèi)標法對Mn與Al元素進行對比分析。結(jié)果顯示，內(nèi)標法下Mn和Al的定量相關(guān)系數(shù)均達到0.990，預(yù)測均方根誤差降至0.1 wt.%以內(nèi)，明顯優(yōu)于基本定標法。

雖然FL-LIBS相較傳統(tǒng)LIBS系統(tǒng)在部分元素的靈敏度方面略有劣勢，但在檢測速度、系統(tǒng)緊湊性與在線適用性方面的優(yōu)勢極為突出，將檢測時間從秒級減少至毫秒級，并且柔性光路穩(wěn)定性更強，使其在工業(yè)快速檢測場景中具備了獨特競爭力。

借助合理的激光功率設(shè)置、位移速度優(yōu)化以及重復(fù)燒蝕理論模型，該系統(tǒng)在鋁合金和微合金鋼等典型材料中的定量分析都達到了鋼鐵冶金、有色金屬加工以及廢舊金屬回收等領(lǐng)域的精度。未來，隨著設(shè)備小型化與算法智能化的進一步發(fā)展，F(xiàn)L-LIBS有望與生產(chǎn)線機器人、自動分揀系統(tǒng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度融合，成為更多工業(yè)在線成分快檢的標準配置，為智能制造和高質(zhì)量發(fā)展提供更為高效、可靠的光譜檢測方案。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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