在現代制造業中，材料中元素含量的微小波動，往往會直接影響產品的強度、耐蝕性和使用壽命，因此“成分快檢"成為生產線上至關重要的一環。傳統的激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術雖然具備無需制樣、多元素同時檢測等優勢，但多數系統仍依賴低重頻固體激光器，單次測試往往需要數秒才能獲得一幅光譜，難以跟上高速生產線的節奏。與此同時，體積龐大、冷卻復雜、抗震性能和長時間連續運行穩定性不足，也制約了傳統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、功率穩定、結構緊湊的光纖激光器被引入LIBS系統，構建出全新的光纖激光誘導擊穿光譜（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，在總體結構上與傳統LIBS相似，但在關鍵環節上做了針對性優化。激光經準直和兩片紫外熔融石英透鏡聚焦后，作用于樣品表面，產生高溫等離子體并激發出包含多種元素特征信息的發射光。

在光譜采集方面，在快速檢測模式下，等離子體發射光可通過同軸或旁軸兩種方式收集，經光纖送入光譜儀后，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同，系統可以實現每秒50幅以上光譜的連續獲取，相比傳統LIBS實現了量級上的加速，為實際生產線上的在線檢測預留了充足“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

在構建FL-LIBS系統后，研究團隊圍繞兩個最關鍵的問題展開了系統實驗，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“重復燒蝕模型"，從幾何上分析了高重頻條件下相鄰脈沖燒蝕區域的重疊問題。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域，后續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生明顯位移，新增燒蝕面積與位移近似成正比。實驗結果與模型分析高度一致，為后續快速定量分析提供了實驗依據。

圖2 前后脈沖燒蝕范圍示意圖

在優化參數條件下，FL-LIBS系統用于兩類典型工業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的定量擬合相關系數均超過0.99，表現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性。

對于光譜背景更復雜的微合金鋼樣品，團隊分別采用基本定標法和內標法對Mn與Al元素進行對比分析。結果顯示，內標法下Mn和Al的定量相關系數均達到0.990，預測均方根誤差降至0.1 wt.%以內，明顯優于基本定標法。

雖然FL-LIBS相較傳統LIBS系統在部分元素的靈敏度方面略有劣勢，但在檢測速度、系統緊湊性與在線適用性方面的優勢極為突出，將檢測時間從秒級減少至毫秒級，并且柔性光路穩定性更強，使其在工業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置、位移速度優化以及重復燒蝕理論模型，該系統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域的精度。未來，隨著設備小型化與算法智能化的進一步發展，FL-LIBS有望與生產線機器人、自動分揀系統和工業互聯網深度融合，成為更多工業在線成分快檢的標準配置，為智能制造和高質量發展提供更為高效、可靠的光譜檢測方案。

參考文獻： 中國光學期刊網

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