LIBS技术解析炭的元素组成
实验背景
炭作为常见燃料，其元素组成直接影响燃烧效率与环保性能。本实验使用激光诱导击穿光谱（LIBS）技术，对市面上的炭样品进行元素分析。LIBS技术无需样品预处理，可微损检测样品成分，为优化燃烧工艺提供科学依据。 本实验旨在利用LIBS技术检测炭的元素组成。我们选取了三个样品（图1），未进行样品预处理。预期检测到的元素包括碳、氢、氧、氮、硫等。
图 1：实验用炭样品从左至右：样品1、样品2、样品3
PART01 实验系统和方法 实验系统 实验系统设置如图2所示： 1. 光谱仪：AvaSpec-NXS4096CL - 波长范围：190-1100nm - 探测器：4096像素CMOS阵列 - 支持通信协议：USB2.0/RS232/SPI 2. 光源：Nd:YAG脉冲激光器 - 波长：1574nm（人眼安全波段） - 单脉冲能量：4.5mJ - 同步控制：Quantel激光器控制箱，实现激光与光谱仪硬件联动 3. 附件 - 200μm芯径光纤：采集等离子体信号 - 支架：固定光纤，与激光焦点对准 图2：LIBS测量实验装置光谱仪固定于激光器正上方通过光纤采集等离子体信号 实验方法 1. 数据采集 - 软件：AvaSoft软件中的扣除暗背景（Sd）模式，此模式在基础模式上扣除了背景噪声 - 积分时间设置：1ms - 平均次数：1 2. 测量方法 - 单脉冲激光激发等离子体，同步触发光谱仪 - 样品多点测量，选取显著光谱峰分析
PART02 实验结果与分析 除了碳的光谱峰以外，观察三个样品的LIBS光谱图（图3-5），发现样品在280nm、316nm、318nm、393nm、396nm、423nm、430nm、443nm、445nm、616nm、766nm和770nm附近都有显著的峰，这些峰表明存在镁、钠、钙、铁、锰、氧和钾等元素。 再对比三个样品的LIBS光谱图（图6）可以发现：它们的光谱峰位置相似，但强度不同，这表明每个样品中的元素组成和百分比不同。 为了辨别样品的成分差异，我们选取了三个样品中都存在且强度相似的三个峰作为基准峰，以它们作为标准来分析三个样品中的元素组成，这三个峰分别是393nm、396nm和423nm。 图3：样品1的LIBS光谱 样品1（图3）：280nm、285nm处的镁（Mg）峰显著。 图4：样品2的LIBS光谱 样品2（图4）：316nm、318nm处的钙（Ca）峰突出；另外，在370nm附近检出铁（Fe）元素峰。 图5：样品3的LIBS光谱 样品3（图5）：766 nm、769 nm处的钾（K）峰强度较高。 图6：三个样品的LIBS光谱图 观察三个样品的LIBS光谱图（图6）可以发现： 1. 碳（C）元素信号强度低于预期（理论含量75-80%），推测因钙、镁等重金属强元素峰掩盖所致。 2. 三个样品存在元素差异，可能与原料来源或加工工艺有关。 PART03 实验结论 LIBS技术可有效检测炭中镁、钙、钾等元素，适用于工业现场快速筛查。 AvaSpec-NXS4096CL迷你光谱仪尺寸小巧，适合集成，与激光器联用可以为微损检测提供可靠解决方案。
3. 若需定量分析，需对光谱仪进行辐照度校准、数据归一化处理（与金属回收分选应用相似）。