激光誘導擊穿光譜（Laser-induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）技術是一種原子發射光譜分析技術，其基本原理是利用脈沖激光在待測樣品表面激發產生等離子體，通過等離子體發射的光譜波長和強度信息，分別獲得待測元素的種類及含量。LIBS技術因具有無需制樣、分析速度快、遠程非接觸、可實現對任何物質的多元素同時分析等特點，被譽為分析領域的“未來超級巨星”，在航空航天、智能制造、生物醫藥、環境保護、能源、地質、深海探測等領域都極具應用前景，特別是2021年我國“祝融號”火星車搭載LIBS系統登陸火星開展地質勘探，使得該技術再次成為國內外的研究熱點。LIBS系統主要由激光器、光譜儀、探測器和時序控制器等核心單元組成，典型的LIBS檢測系統如圖1（左）所示，光譜圖如圖1（右）所示。

圖1典型的LIBS檢測系統（左）與LIBS光譜圖（右）

本團隊對LIBS技術進行了長達15年的攻關，在一系列關鍵技術上取得了重大突破，成功研制了從臺式、移動式到手持式的系列國產LIBS元素分析儀，實現了6種LIBS成分分析儀器的國產化，并成功推動其在金屬材料、環境保護和生物安全等領域的應用。研究工作從基礎研究、裝備研發到工程應用全鏈條展開（如圖2），取得的創新成果如下。

圖2團隊對于LIBS技術從基礎研究-裝備研發-工業應用的全鏈條攻關

（1）高靈敏度、高穩定性和高精度LIBS分析新方法

針對LIBS技術存在自吸收效應、基本效應和光譜波動性大等問題導致其探測極限低、靈敏度差和分析精度低的難題，團隊提出了一系列新技術新方法。

1）提出采用OPO波長可調諧激光對等離子體中基態粒子進行能態選擇性激發的新方法，從源頭上阻止了LIBS自吸收效應產生，從而獲得自吸收免疫的LIBS本征光譜。

2）提出采用微波對等離子體進行瞬時加熱，獲得溫度場均勻分布的等離子體，實現寬光譜多元素的自吸收效應遏止。

3）提出一種基于等離子體圖像-光譜融合的圖像輔助LIBS技術，有效克服了基體效應對定標曲線建立的影響，大幅度提高了LIBS的定量分析精度。

4）針對工業現場物質的快速高精度定量分析需求，提出一種僅需一個標準樣品就可完成定量的LIBS單標樣法和一種可克服自吸收效應影響的LIBS無標樣定量方法。

5）針對生物體、食品、中藥等疏松含水組織基體復雜，導致光譜信號微弱且波動大的問題，提出了從光譜預處理-特征提取-機器學習模型的全鏈條定性定量分析算法，相比于傳統分析方法，可將分析精度提高10%。

6）提出一種面向金屬3D打印構件的激光譜-超聲同時檢測技術，可同時對金屬3D打印構件的表面元素分布、內部缺陷、殘余應力和晶粒度進行同步分析。

（2）高精度LIBS成分分析儀研制

針對LIBS的光機電系統難以集成的難題，團隊通過構筑模塊化“籠式”光路系統，研制了共聚焦顯微光學系統、同軸信號采集、放大裝置等新技術，成功將OPO共振激發和等離子體圖像-光譜融合新技術集成到LIBS成分分析儀中，實現了10-7量級的LIBS探測極限，將LIBS探測靈敏度提高了2個數量級，探測穩定性優于2%。所研制的系列激光探針元素分析儀如圖3所示。

圖3臺式到便攜式系列LIBS分析儀