激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种原位、快速、多元素同步检测的原子发射分析技术，其性能很大程度上取决于激发光源。纳秒激光器凭借高峰值功率、结构紧凑、波长可选、重复频率高等特点，已成为LIBS系统最成熟、最普及的核心部件。其核心特点如下。

•波长：常见的波长有 1064nm、532nm、355nm 等。1064nm 波长的激光器应用较为广泛，但某些样品可能对特定波长的激光吸收更好，此时可能需要选择其他波长，如通过倍频晶体产生的 532nm、355nm 等波长。

•脉冲能量：脉冲能量越高，越能有效地气化和电离样品，产生更强的等离子体信号。一般来说，LIBS 应用中脉冲能量可在十几 mJ 到几百 mJ 之间选择。

•重复频率：重复频率决定了单位时间内激光脉冲的数量，较高的重复频率可以提高分析速度，但也可能会导致样品表面过热，影响分析结果。常见的重复频率范围从几 Hz 到几百 Hz。

•脉冲持续时间：较短的脉冲持续时间可以产生更高的峰值功率，从而增强与样品的相互作用，有利于 LIBS 分析。一般选择脉冲持续时间在 3-10ns 左右的纳秒激光器。

•光束质量：良好的光束质量，如低发散光束，可以使激光更好地聚焦到样品表面，提高能量利用率和分析精度。

•稳定性：激光器的长期稳定性对于 LIBS 应用至关重要，它直接影响到分析结果的重复性和可靠性。应选择具有稳定输出功率和能量的激光器，如某些采用二极管泵浦设计的激光器，具有较好的稳定性和较长的使用寿命。

一、LIBS工作原理

LIBS通过聚焦高能脉冲激光在样品表面瞬间烧蚀微米级物质，形成温度达10⁴ K的等离子体；等离子体冷却时发出元素特征谱线，由宽波段光谱仪采集并解析，实现定性或定量分析。纳秒激光器（典型Nd:YAG，脉宽5-10 ns，单脉冲能量10-200 mJ）的峰值功率可达兆瓦级，足以在金属、矿物、土壤、液体甚至生物样品上稳定激发等离子体，是LIBS工业化的首选光源。

针对手持、便携式 LIBS 设备国产化集成需求，北京杏林睿光自主研发的PQE 系列大能量固体激光器，专为 LIBS、激光烧蚀打造。该型号 PQE-1064-0.01-10 完美匹配 LIBS 光源核心指标：1064nm 红外波长、10Hz 重复频率、单脉冲能量＞10mJ、脉冲宽度＜3ns，窄脉宽搭配十毫焦级能量输出可获得超高峰值功率，可高效电离矿石、合金、土壤等各类固态样品，无需额外能量放大模块，大幅简化 LIBS 整机光路结构。

二、LIBS系统配置

典型纳秒LIBS装置由四部分组成：

1. 激光头与电源：提供1064 nm基频或经倍频的532/355/266 nm输出，重复频率10-100 Hz，可外部触发。

国产化便携方案推荐杏林睿光的 PQE 系列固体激光器，采用半导体泵浦晶体一体化微片光路，激光头尺寸仅 83×30×22.1mm，配套控制板 45×39.6×110.3mm，分体式结构便于嵌入手持探头、野外检测机箱；整机 12VDC 低压供电，最大功耗仅 20W，适配锂电池供电便携设备；控制接口搭载 RS-232 串口与多路 I/O，支持内、外双触发模式，可无缝对接时序同步模块、光谱采集系统，大幅降低设备厂商二次开发集成难度。设备纯风冷散热，摒弃传统高能激光器水冷机组，省去水管、制冷配套，系统搭建极简，适配野外、车载无水源工况。

PQE系列大能量固体激光器机械尺寸图

2. 光路与聚焦：石英透镜将激光束聚焦至样品表面，焦点功率密度>1 GW cm⁻²；同轴或离轴收集透镜把等离子体光耦合进光纤。

PQE 激光器光束水平、竖直 1/e² 全角发散角均为 3mrad，光束收敛性优异，聚焦点位精准，减少 LIBS 光谱采集实验误差；能量 RMS 波动＜3%，长时间连续采样脉冲能量一致性高，保障现场多次检测数据稳定可复现。

3. 时序控制：数字脉冲发生器同步激光Q开关与光谱仪门控，抑制连续背景，提高信噪比。

4. 光谱检测：多通道Czerny-Turner光谱仪（200-850 nm，分辨率0.1 nm）配合门控ICCD/CMOS，实现毫秒级全谱采集。

整套系统可集成至<5 kg的手持平台，也可扩展为在线式探头，适应工业现场复杂工况。如下图：

PQE 系列具备宽温域适应能力，标准工作温度 10~35℃，存储耐受 – 20~60℃高低温，长期野外、车载使用光路无偏移，保障 LIBS 全天候稳定检测。

PQE系列大能量固体激光器

三、纳秒激光器在LIBS中的优势

1. 高峰值功率，等离子体稳定

纳秒脉宽与毫焦级能量组合，可在任何固体表面形成高温、高电子密度的等离子体，信噪比高，微量元素检出限低至ppm级。杏林睿光 PQE 系列脉宽控制在 3ns 以内，搭配＞10mJ 单脉冲能量，峰值功率突出，低热影响区烧蚀，既能稳定激发强等离子体信号，又可精准控制样品烧蚀范围，兼顾高灵敏度与微损检测需求。

2. 多波长输出，适应复杂基体

通过晶体倍频，同一激光头可切换1064/532/355/266 nm。长波长适合高反射金属，短波长对透明或有机材料烧蚀效率更高，显著降低基体效应。PQE 系列激光器标准型号为 1064nm 基频红外光源，适配冶金、矿产、土壤等主流 LIBS 检测场景。

3. 高重复频率，分析效率高

10-100 Hz的脉冲频率支持快速多点扫描与信号平均，单样品检测时间<1 s，满足工业在线100%检测节拍需求。PQE系列重复频率 10Hz ，匹配手持 LIBS 单点检测、多点扫描常规需求。

4. 结构紧凑，便于现场部署

现代二极管泵浦（DPSS）设计使激光器体积<2 L、重量<2 kg，无需水冷，可在-10~50 °C环境稳定运行，为手持LIBS和无人机载平台提供可靠光源。PQE 系列激光器是微型化风冷方案代表，一体化微片光路大幅压缩整机体积，无水冷配套、低功耗轻量化，完美适配手持便携设备、野外在线检测仪器批量集成。

5. 成本适中，维护简单

纳秒激光器技术成熟，单台价格仅为飞秒激光的十分之一；闪光灯或LD泵浦寿命>10⁹发，现场只需定期清洁透镜，维护成本低。PQE 系列激光器核心光路器件自研自产，供应链稳定，批量采购成本优势明显，标准化激光头 + 控制板分体方案无需厂商复杂光学调试，缩短整机开发周期，是替代进口微型高能调 Q 激光器的高性价比国产化方案。

6. 微损检测，保护珍贵样品

单脉冲烧蚀坑直径10-50 µm、深度<10 µm，对文物、生物组织、电子元件几乎无损伤，实现”原位、原样”分析。PQE系列 3ns 以内纳秒脉冲热效应小，微区烧蚀可控，适配文物、精密元件无损 LIBS 分析。

7. 良好安全与法规适应性

1064 nm近红外激光对眼睛相对安全，且可通过普通石英光纤传导，便于在危险或高温环境中远程测量，符合工业安全规范。PQE系列 标准 1064nm 输出满足工业现场安全使用标准。

四、典型应用案例

• 冶金与回收：手持纳秒LIBS可在2秒内完成304/316不锈钢牌号分拣，年处理量提高30%，误判率<2%

• 煤炭在线检测：将纳秒激光器集成于皮带上方，灰分、硫分预测误差<0.5%，帮助电厂年节约燃料成本超千万元

• 土壤重金属筛查：车载纳秒LIBS系统每天可检测>500个点位，为污染场地修复提供实时数据

• 文物颜料分析：266 nm纳秒激光对壁画进行微损点分析，成功识别出唐代使用的青金石与孔雀石颜料，指导修复材料选择

五、总结

纳秒激光器以其高峰值功率、多波长可选、高重复频率、结构紧凑和成本优势，成为LIBS技术工业化、现场化、便携化的核心驱动力。其中杏林睿光的PQE 系列大能量固体激光器作为国产微型高能脉冲光源，依托自研一体化微片被动调 Q 光路，在极小机身内实现＞10mJ 脉冲输出，兼具窄脉宽、风冷免水冷、低功耗、易 OEM 集成、高性价比五大特性，是科研院所、分析仪器厂商、环境检测企业开发手持 LIBS 分析仪、野外激光检测设备、光学测试仪器的优选国产化光源。随着双脉冲、成像LIBS、人工智能算法等新技术的融合，纳秒激光器将继续在冶金、电力、环境、文物、深空探测等领域发挥不可替代的作用，为快速、原位、多元素分析提供稳定可靠的光源保障。

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