飞秒激光探针在线检测可成为一个巨大的产业

来源:科技日报    关键词:飞秒激光探针, 检测土壤,    发布时间:2019-05-31

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“买宝石的人,常常为难以辨别宝石的真假而烦恼,用飞秒激光探针打一打,很快就可以探明真伪,这一过程不仅快,而且对宝石的损伤可以忽略。”5月29日,武汉理工大学理学院教授卢景琦向科技日报记者介绍了神奇的飞秒激光探针。


最近,卢景琦带领他的科研团队刚刚完成了一项研究,用纳秒、飞秒以及双脉冲激光诱导击穿光谱技术(俗称激光探针)分别对 18 组标准煤样进行了成分和热值分析。这一研究成果已于近期在《激光与光电子学进展》在线发表。卢景琦感叹,飞秒激光探针在未来的在线快速检测领域大有可为。

卢景琦科研团队正在实验室进行试验

“简单的说,就是用激光打到样品上,激发出等离子体。然后,通过测等离子体的光谱,来获得样品中的元素成分和含量,这项技术就是激光诱导击穿光谱技术。”卢景琦说:大家形象的把它称为“激光探针”。


激光探针是一种新兴的光谱分析技术,具有检测方便、速度快、制样简单、可以多元素实时在线检测等优势。近十年来激光探针应用研究在石油化工、环境监测、生物医学、食品安全、矿产探测、文物考古等多个领域不断扩展。


2017年,卢景琦带领团队开始应用激光探针对煤炭质量进行快速检测的研究。


火电厂用煤做燃料,然而煤炭的质量决定了燃烧的效率和污染排放的程度,所以火电厂需要根据煤的质量来调整锅炉的参数,以提高燃烧效率达到节能减排的效果。卢景琦介绍,为了实现在线检测,激光探针还没有出来之前,电厂曾用过中子活化技术,利用中子放射源发射中子激发出γ射线来检测煤炭中元素和含量。但由于中子源属于放射性物质,需要专门机构来管理,设备和维护成本都很高,企业往往不愿意使用。


他们研发出纳秒激光探针,已用于煤炭质量快速检测,只需几分钟时间便可以得到结果。卢景琦说,现在纳秒激光探针已经是一项成熟技术,其中的核心设备纳秒激光器也越来越便宜了,进口的也就20万元左右。


“最新的研究成果是纳秒、飞秒以及双脉冲激光探针的比较研究,纳秒、皮秒、飞秒脉冲时间都很短,纳秒是10-9量级的,到了飞秒速度特别快,10-15量级,还没等各种热效应起来的时候激发就结束了,这种超短的时间特性,使得飞秒激光探针能够很好地避免基体效应和分馏效应。”卢景琦说:从原理上来看,飞秒激光探针应该定量更准、测量更快,对样品损伤更小。


但是由于国外飞秒激光器价格昂贵、体积超大,卢景琦研制飞秒激光探针在线检测的想法一直无法实现。2018年一个偶然的机会得知武汉虹拓新技术公司自主研发的小型飞秒激光器取得突破,卢景琦第一时间与武汉虹拓飞秒激光器研发团队进行合作,开发出可用于煤炭在线检测的飞秒激光探针。在对 18个含有不同热值的标准煤样进行热值定量分析后,证明飞秒激光探针比纳秒激光探针具有更小的连续背景噪声、单发脉冲光谱强度相对标准偏差更小,说明稳定性更高,可重复性更好,也更加精准。


卢景琦一直致力于激光技术及激光应用领域的研究开发,曾在跨国公司做了6年多的生物成像产品研发,对于激光技术的应用和精密光学仪器设计积累了丰富的经验。卢景琦还将飞秒激光探针用于土壤检测试验,用于分析土壤中的重金属污染。他说,应用的领域非常多,比如油井矿物成分的分析,以及水资源、空气污染的检测等等。国家现在对土壤监测需求量特别大,把土壤样品都送到实验室去检测比较麻烦,卢景琦设想将来做一套车载系统可以实现移动检测。


“这是一个具有巨大潜力的产业,也是各国正在抢占的技术高地。”卢景琦非常看好飞秒激光探针技术,他对科技日报记者说,随着以武汉虹拓为代表的我国自主飞秒激光器的创新突破,价格会大幅降低,飞秒激光探针的普及指日可待。他希望国内通过产学研集群式创新,加快飞秒激光探针在各个领域的应用,从而打造中国自主领先的飞秒激光探针产业。