高重频光纤激光诱导击穿光谱对TC4钛合金的免定标分析

朱方印; 林锐涛; 王斌; 蒋二龙; 赵楠; 周稳稳; 郑少锋; 李嘉铭; 张庆茂

doi:10.37188/OPE.20253319.3032

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高重频光纤激光诱导击穿光谱对TC4钛合金的免定标分析

现代应用光学 | 更新时间：2025-10-31

- 高重频光纤激光诱导击穿光谱对TC4钛合金的免定标分析
- Calibration-free analysis of TC4 titanium alloy using high-repetition-rate fiber laser-induced breakdown spectroscopy
- 光学精密工程 2025年33卷第19期页码：3032-3042
- 作者机构：
  
  1.华南师范大学光电科学与工程学院，广东广州 510006
  2.广东技术师范大学电子与信息学院，广东广州 510665
  3.广东省口岸安全智能化检测重点实验室黄埔海关技术中心，广东广州 510510
  4.莱森光学（深圳）有限公司，广东深圳 518101
- 作者简介：
  
  [ "朱方印（2002-），男，广西玉林人，硕士研究生，2024年于南京信息工程大学获得学士学位，主要从事光纤激光诱导击穿光谱方面的研究。E-mail：724878365@qq.com" ]
  [ "赵楠（1991-），女，河北石家庄人，副教授，2013年、2018年于华中科技大学分别获得学士和博士学位，主要从事光纤激光器及其工程应用方面的研究。E-mail：zhaonan@gpnu.edu.cn通讯作者：" ]
  [ "李嘉铭（1990-），男，广东台山人，副教授，2013年、2018年于华中科技大学分别获得学士和博士学位，主要从事工业在线激光诱导击穿光谱方面的研究。E-mail：jmli@m.scnu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(62475075);广东省省级科技计划项目(2023A1111120030;2023A1515011641);广东省重点领域研发计划资助项目(2023B0909030003);广东省口岸安全智能化检测重点实验室开放课题(2023B1212010011);佛山国创院“揭榜挂帅”科技攻关项目(JBGS2024001)
- DOI：10.37188/OPE.20253319.3032
  中图分类号： O657.3
- CSTR：32169.14.OPE.20253319.3032
- 收稿：2025-07-31，
  
  修回：2025-08-13，
  
  纸质出版：2025-10-10
- 稿件说明：
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朱方印,林锐涛,王斌等.高重频光纤激光诱导击穿光谱对TC4钛合金的免定标分析[J].光学精密工程,2025,33(19):3032-3042.

ZHU Fangyin,LIN Ruitao,WANG Bin,et al.Calibration-free analysis of TC4 titanium alloy using high-repetition-rate fiber laser-induced breakdown spectroscopy[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(19):3032-3042.
朱方印,林锐涛,王斌等.高重频光纤激光诱导击穿光谱对TC4钛合金的免定标分析[J].光学精密工程,2025,33(19):3032-3042. DOI： 10.37188/OPE.20253319.3032. CSTR： 32169.14.OPE.20253319.3032.

ZHU Fangyin,LIN Ruitao,WANG Bin,et al.Calibration-free analysis of TC4 titanium alloy using high-repetition-rate fiber laser-induced breakdown spectroscopy[J].Optics and Precision Engineering,2025,33(19):3032-3042. DOI： 10.37188/OPE.20253319.3032. CSTR： 32169.14.OPE.20253319.3032.

摘要

传统激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy， LIBS）采用的低重频固体激光器存在长时间连续工作稳定性不足的问题。光纤激光诱导击穿光谱（Fiber Laser-Induced Breakdown Spectroscopy， FL-LIBS）虽然可以提供更高的长期稳定性，但其重复频率过高，因此，目前皆用时间积分光谱结合参考样品定标曲线法定量分析研究。为摆脱参考样品的限制，本文在FL-LIBS平台上构建了高速高重频触发门控系统，实现了等离子体瞬态光谱的采集，开发出免定标定量分析算法，并改进内部参考线法（Internal Reference Self-absorption Correction， IRSAC）进行光谱自吸收校正，进一步提高了免定标定量分析的准确度。实验结果表明，TC4钛合金总体分析误差（Distance Error， DE）为 0.883%~3.928%（质量分数），相比未校正自吸收效应减少16.879%~26.597%（质量分数）。这证明了该方法可以在高重频光纤激光烧蚀的条件下实现高准确度的免定标定量分析，为长时间连续工作的LIBS系统提供了解决方案。

Abstract

Traditional laser-induced breakdown spectroscopy （LIBS） employing low-repetition-rate solid-state lasers exhibits insufficient stability during extended continuous operation. Although fiber-laser-induced breakdown spectroscopy （FL-LIBS） offers superior long-term stability， its high repetition rate poses challenges for conventional quantitative approaches， which typically rely on time-integrated spectra and calibration with reference samples. To remove dependence on reference standards， a high-speed， high-repetition-frequency triggered-gating system was implemented on an FL-LIBS platform to capture transient plasma spectra. A calibration-free quantitative analysis algorithm was developed， and the Internal Reference Self-absorption Correction （IRSAC） method was improved to compensate for spectral self-absorption， thereby enhancing the accuracy of calibration-free quantification. Experimental results for TC4 titanium alloy indicate total analysis distance errors （DE） ranging from 0.883% to 3.928%（mass fraction）， corresponding to reductions of 16.879% to 26.597 %（mass fraction） relative to uncorrected self-absorption. These findings demonstrate that high-accuracy calibration-free quantitative analysis can be achieved under high-repetition-frequency fiber laser ablation， offering a viable approach for LIBS systems that require prolonged continuous operation.

关键词

Keywords

references

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