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[摘 要]论文详细介绍了远程LIBS技术在深空探测、危害物质检测、工业冶金、文物检测修复等领域的研究现状和应用新进展。远程LIBS技术随着激光技术和光谱检测技术的发展以及对LIBS定标反演的研究，探测距离和应用范围不断扩大，检测精度和准确度也在提升。
[关键词]激光诱导击穿光谱；远程探测；元素分析
中图分类号：O657.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0118-01
1 远程LIBS技术与LIBS系统
1.1 探测方式远程
LIBS探测方式有三种：开放路径LIBS、光纤光路LIBS和便携式探针LIBS。开放路径LIBS的特点是，激光束被引导通过一个开放路径（即通过空气，气体或真空）到达目标，在其上形成等离子体。该探测方式的实现关键是产生足量等离子体（使用透镜或反射镜系统聚焦或飞秒激光诱导成丝）和有效收集等离子体光。该方法对激光器、光学系统和检测系统的性能要求严格。开放路径LIBS应用于大规模杀伤性武器相关的危害物质（化学药物、生物放射性物质、核物质、爆炸物等）探测具有很大的潜力，是远程LIBS中研究的热点。根据产生等离子體的物理过程不同，开放路径LIBS又分为传统远程LIBS和飞秒成丝远程LIBS，在下文对它们会有较详细的介绍。光纤光路LIBS的激光脉冲是通过光纤到达远处目标样本，产生的等离子体通过原光纤或者另外的光纤接收，主要应用于到探测目标无清晰直线光路或无法采取开放路径的传播方式的情况。为了避免损坏光纤，传输激光能量会有上限。另外，传输光纤会降低传输的激光质量。便携式探针LIBS是将一个小型的激光器定位于探测目标附近，而接收系统将等离子体光通过光纤电缆接收进入远处的检测系统。它的特点是较小的激光脉冲能量就能作为激光源，但这种方法较少使用。
包括弹性散射，荧光和Raman光谱测量的早期的激光雷达探测多是采用开放路径这种方式，能提供距离超过一公里的粒子和分子检测。随着近年发展，LIBS探测距离从之前的最大范围只为几十米扩展到一公里后，也被列入激光雷达的范畴。LIBS作为一种元素的检测方法，它扩大了激光雷达探测物质成分的能力，使其不仅限于化学分子的探测。
1.2 远程LIBS探测系统
1.2.1 传统的开放路径远程
LIBS传统的开放路径远程LIBS用一个简单的聚焦透镜、双透镜（可以变焦），或者复杂的光学系统发射激光，先扩束再聚焦于远程目标，带有防反射镀膜的聚焦系统可以提高脉冲功率密度。接收系统通常选用反射镜（卡塞格林式望远镜），可以防止产生色差，保证有效准确的光谱分析。通常聚焦系统是可调的，以便适用于不同距离的目标。
1.2.2 飞秒成丝远程LIBS（filament-LIBS）
飞秒成丝是利用飞秒激光脉冲的高功率密度引起的非线性光学现象。通过调制脉冲，使激光在透明介质（如空气）中形成‘自导丝’，进行长距离传播和LIBS激发。这种方法要求使用大型先进的激光系统，但它可以增大LIBS的远程探测距离。
1.2.3 光纤路径LIBS
光纤路径LIBS的优点主要体现在系统光学聚焦结构的简化和等离子体光的有效接收。从光纤路径远程LIBS的系统结构图以看出在光线发射和接收部分光学系统都得到了简化。
激光诱导产生的等离子体在空间分布不均匀，通过透镜聚焦等离子体光到光谱仪的狭缝入口的方式只能获得一小部分等离子体光，透镜和目标的微小的相对位移就会对探测结果产生较大的影响，而光纤接收系统的接收角范围宽，能吸收更多等离子体光，产生的影响相对较小。
1.3 远程LIBS与Raman光谱技术结合
拉曼光谱技术和LIBS技术同为激光诱导光谱探测技术，都可用于远程探测，有相似的光学收发系统。
Raman技术探测的是物质的分子组成成分而LIBS探测的是物质元素信息，将两者结合应用，起到强烈的互补作用。两种技术的主要区别是激光能量的要求和光谱探测范围不同。通常Ra-man所需激光脉冲能量要比LIBS低1～2个数量级，在两种技术相结合的仪器中若共用同一激光器，在进行Raman探测时要对激光脉冲变焦以降低打在目标上的激光强度，即焦点汇于目标附近，避免聚焦在目标上。
LIBS光谱信号由物质组成元素决定，而Raman光谱信号和发射激光波长有关，分布在激光波长附近，因此需要用不同的光谱仪来分析两者光谱。另外，Raman的接收设备前端要添加一个全息滤波器，用它来过滤发散的激光，以免过强的激光信号淹没了拉曼信号。
ESA（欧洲空间局）经过长期的预先研究，在未来发射的ExoMars火星探测器上也要搭载LIBS和Ra-man组合仪器。其中，LIBS负责在原子层面对近距离矿物元素探测，Raman负责在分子层面对近距离有机物质和无机矿物探测。
2 远程LIBS技术的应用
2.1 远程LIBS技术在深空探测方面应用
早在1991年，美国Los Alamos国家实验室就预言LIBS在未来空间探测的有重大潜力，并开启了LIBS在这方面的研究。
1992年在华盛顿召开的世界空间大会上，他们展示了首台用于远程探测的LIBS仪器。从1998年开始，该团队开始研制以供将来登陆行星，获取20m远程距离的岩石和土壤的表 面 基 本 信 息 的 探 测 器。
2012年8月，美国NASA的“好 奇”号 火 星 探 测 器 成 功 登 陆 火 星，所 携 带 的ChemCam系统便采用了LIBS技术。ChemCam对火星地面上的岩石成分进行探测，探测范围为1.3～7m，并通过数据库定量分析火星土壤物质组成成分，所得数据优于之前在地球上模拟试验得到的数据。
2.2 远程LIBS技术在危险物检测方面的应用
远程LIBS技术可用于有毒有害危险物的检测，研究受到各国国家安防支持并得到广泛应用。美国军队研究实验室（ARL）和应用光子公司联合开展了基于国防安全为应用背景的用于探测和判别爆炸危险物的远程LIBS技术的研究。
他们设计使用光学聚焦系统将激光脉冲线性聚焦到距离大于100m的危险物上，用ICCD探测LIBS光谱信号，2009年的试验结果显示远程探测系统能够区分25m距离远的爆炸物和非爆炸物。美国陆军研究实验室的研究人员认为，LIBS方法对波段范围在200～890nm内所有元素都具有很高的灵敏度，可用于远程测量生化战争中未知的危险材料，以及土壤中的地雷、矿石、木材和玻璃等。民用方面，远程LIBS技术可用于有害环境、污染环境的物质探测。
3 结论
LIBS作为一种元素检测技术，集非接触、微损、实时、在线试验、快速便捷等优点于一身，自诞生起一直是研究的热点。远程LIBS作为LIBS的一种重要应用，在深空探测、危害物质检测、环境污染检测、工业过程分析、文物鉴别修复等科研和安全领域得到了体现。随着激光技术和光谱检测技术的发展以及对LIBS定标反演的研究，远程LIBS技术的探测距离和应用范围在不断扩大的同时，检测精度和准确度也在提升。
[关键词]激光诱导击穿光谱；远程探测；元素分析
中图分类号：O657.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0118-01
1 远程LIBS技术与LIBS系统
1.1 探测方式远程
LIBS探测方式有三种：开放路径LIBS、光纤光路LIBS和便携式探针LIBS。开放路径LIBS的特点是，激光束被引导通过一个开放路径（即通过空气，气体或真空）到达目标，在其上形成等离子体。该探测方式的实现关键是产生足量等离子体（使用透镜或反射镜系统聚焦或飞秒激光诱导成丝）和有效收集等离子体光。该方法对激光器、光学系统和检测系统的性能要求严格。开放路径LIBS应用于大规模杀伤性武器相关的危害物质（化学药物、生物放射性物质、核物质、爆炸物等）探测具有很大的潜力，是远程LIBS中研究的热点。根据产生等离子體的物理过程不同，开放路径LIBS又分为传统远程LIBS和飞秒成丝远程LIBS，在下文对它们会有较详细的介绍。光纤光路LIBS的激光脉冲是通过光纤到达远处目标样本，产生的等离子体通过原光纤或者另外的光纤接收，主要应用于到探测目标无清晰直线光路或无法采取开放路径的传播方式的情况。为了避免损坏光纤，传输激光能量会有上限。另外，传输光纤会降低传输的激光质量。便携式探针LIBS是将一个小型的激光器定位于探测目标附近，而接收系统将等离子体光通过光纤电缆接收进入远处的检测系统。它的特点是较小的激光脉冲能量就能作为激光源，但这种方法较少使用。
包括弹性散射，荧光和Raman光谱测量的早期的激光雷达探测多是采用开放路径这种方式，能提供距离超过一公里的粒子和分子检测。随着近年发展，LIBS探测距离从之前的最大范围只为几十米扩展到一公里后，也被列入激光雷达的范畴。LIBS作为一种元素的检测方法，它扩大了激光雷达探测物质成分的能力，使其不仅限于化学分子的探测。
1.2 远程LIBS探测系统
1.2.1 传统的开放路径远程
LIBS传统的开放路径远程LIBS用一个简单的聚焦透镜、双透镜（可以变焦），或者复杂的光学系统发射激光，先扩束再聚焦于远程目标，带有防反射镀膜的聚焦系统可以提高脉冲功率密度。接收系统通常选用反射镜（卡塞格林式望远镜），可以防止产生色差，保证有效准确的光谱分析。通常聚焦系统是可调的，以便适用于不同距离的目标。
1.2.2 飞秒成丝远程LIBS（filament-LIBS）
飞秒成丝是利用飞秒激光脉冲的高功率密度引起的非线性光学现象。通过调制脉冲，使激光在透明介质（如空气）中形成‘自导丝’，进行长距离传播和LIBS激发。这种方法要求使用大型先进的激光系统，但它可以增大LIBS的远程探测距离。
1.2.3 光纤路径LIBS
光纤路径LIBS的优点主要体现在系统光学聚焦结构的简化和等离子体光的有效接收。从光纤路径远程LIBS的系统结构图以看出在光线发射和接收部分光学系统都得到了简化。
激光诱导产生的等离子体在空间分布不均匀，通过透镜聚焦等离子体光到光谱仪的狭缝入口的方式只能获得一小部分等离子体光，透镜和目标的微小的相对位移就会对探测结果产生较大的影响，而光纤接收系统的接收角范围宽，能吸收更多等离子体光，产生的影响相对较小。
1.3 远程LIBS与Raman光谱技术结合
拉曼光谱技术和LIBS技术同为激光诱导光谱探测技术，都可用于远程探测，有相似的光学收发系统。
Raman技术探测的是物质的分子组成成分而LIBS探测的是物质元素信息，将两者结合应用，起到强烈的互补作用。两种技术的主要区别是激光能量的要求和光谱探测范围不同。通常Ra-man所需激光脉冲能量要比LIBS低1～2个数量级，在两种技术相结合的仪器中若共用同一激光器，在进行Raman探测时要对激光脉冲变焦以降低打在目标上的激光强度，即焦点汇于目标附近，避免聚焦在目标上。
LIBS光谱信号由物质组成元素决定，而Raman光谱信号和发射激光波长有关，分布在激光波长附近，因此需要用不同的光谱仪来分析两者光谱。另外，Raman的接收设备前端要添加一个全息滤波器，用它来过滤发散的激光，以免过强的激光信号淹没了拉曼信号。
ESA（欧洲空间局）经过长期的预先研究，在未来发射的ExoMars火星探测器上也要搭载LIBS和Ra-man组合仪器。其中，LIBS负责在原子层面对近距离矿物元素探测，Raman负责在分子层面对近距离有机物质和无机矿物探测。
2 远程LIBS技术的应用
2.1 远程LIBS技术在深空探测方面应用
早在1991年，美国Los Alamos国家实验室就预言LIBS在未来空间探测的有重大潜力，并开启了LIBS在这方面的研究。
1992年在华盛顿召开的世界空间大会上，他们展示了首台用于远程探测的LIBS仪器。从1998年开始，该团队开始研制以供将来登陆行星，获取20m远程距离的岩石和土壤的表 面 基 本 信 息 的 探 测 器。
2012年8月，美国NASA的“好 奇”号 火 星 探 测 器 成 功 登 陆 火 星，所 携 带 的ChemCam系统便采用了LIBS技术。ChemCam对火星地面上的岩石成分进行探测，探测范围为1.3～7m，并通过数据库定量分析火星土壤物质组成成分，所得数据优于之前在地球上模拟试验得到的数据。
2.2 远程LIBS技术在危险物检测方面的应用
远程LIBS技术可用于有毒有害危险物的检测，研究受到各国国家安防支持并得到广泛应用。美国军队研究实验室（ARL）和应用光子公司联合开展了基于国防安全为应用背景的用于探测和判别爆炸危险物的远程LIBS技术的研究。
他们设计使用光学聚焦系统将激光脉冲线性聚焦到距离大于100m的危险物上，用ICCD探测LIBS光谱信号，2009年的试验结果显示远程探测系统能够区分25m距离远的爆炸物和非爆炸物。美国陆军研究实验室的研究人员认为，LIBS方法对波段范围在200～890nm内所有元素都具有很高的灵敏度，可用于远程测量生化战争中未知的危险材料，以及土壤中的地雷、矿石、木材和玻璃等。民用方面，远程LIBS技术可用于有害环境、污染环境的物质探测。
3 结论
LIBS作为一种元素检测技术，集非接触、微损、实时、在线试验、快速便捷等优点于一身，自诞生起一直是研究的热点。远程LIBS作为LIBS的一种重要应用，在深空探测、危害物质检测、环境污染检测、工业过程分析、文物鉴别修复等科研和安全领域得到了体现。随着激光技术和光谱检测技术的发展以及对LIBS定标反演的研究，远程LIBS技术的探测距离和应用范围在不断扩大的同时，检测精度和准确度也在提升。