在現(xiàn)代制造業(yè)中，材料中元素含量的微小波動(dòng)，往往會(huì)直接影響產(chǎn)品的強(qiáng)度、耐蝕性和使用壽命，因此“成分快檢"成為生產(chǎn)線(xiàn)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(wú)需制樣、多元素同時(shí)檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，但多數(shù)系統(tǒng)仍依賴(lài)低重頻固體激光器，單次測(cè)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(xiàn)的節(jié)奏。與此同時(shí)，體積龐大、冷卻復(fù)雜、抗震性能和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)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(xiàn)、實(shí)時(shí)檢測(cè)。

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(cè)方案，在保證檢測(cè)精度的同時(shí)，將分析時(shí)間壓縮到毫秒量級(jí)。

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(duì)性?xún)?yōu)化。激光經(jīng)準(zhǔn)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(cè)模式下，等離子體發(fā)射光可通過(guò)同軸或旁軸兩種方式收集，經(jīng)光纖送入光譜儀后，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)每秒50幅以上光譜的連續(xù)獲取，相比傳統(tǒng)LIBS實(shí)現(xiàn)了量級(jí)上的加速，為實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)上的在線(xiàn)檢測(cè)預(yù)留了充足“時(shí)間冗余"。

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

在構(gòu)建FL-LIBS系統(tǒng)后，研究團(tuán)隊(duì)圍繞兩個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題展開(kāi)了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，即激光功率如何影響光譜信號(hào)，以及樣品移動(dòng)速度如何改變檢測(cè)效果。作者團(tuán)隊(duì)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(wèn)題。若樣品移動(dòng)速度過(guò)慢，相鄰多個(gè)脈沖會(huì)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(dòng)速度，則使每個(gè)激光脈沖在樣品表面的落點(diǎn)產(chǎn)生明顯位移，新增燒蝕面積與位移近似成正比。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(lèi)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(biāo)準(zhǔn)樣品。

對(duì)于鋁合金樣品，Cu和Mg的定量擬合相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.99，表現(xiàn)出良好的線(xiàn)性一致性。進(jìn)一步計(jì)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(cè)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(duì)于光譜背景更復(fù)雜的微合金鋼樣品，團(tuán)隊(duì)分別采用基本定標(biāo)法和內(nèi)標(biāo)法對(duì)Mn與Al元素進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果顯示，內(nèi)標(biāo)法下Mn和Al的定量相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.990，預(yù)測(cè)均方根誤差降至0.1 wt.%以?xún)?nèi)，明顯優(yōu)于基本定標(biāo)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(shì)，但在檢測(cè)速度、系統(tǒng)緊湊性與在線(xiàn)適用性方面的優(yōu)勢(shì)極為突出，將檢測(cè)時(shí)間從秒級(jí)減少至毫秒級(jí)，并且柔性光路穩(wěn)定性更強(qiáng)，使其在工業(yè)快速檢測(cè)場(chǎng)景中具備了獨(dú)特競(jìng)爭(zhēng)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(dá)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(lái)，隨著設(shè)備小型化與算法智能化的進(jìn)一步發(fā)展，F(xiàn)L-LIBS有望與生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)器人、自動(dòng)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(xiàn)成分快檢的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)方案。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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