一种基于光束整形改善激光诱导击穿光谱可重复性的方法

一、项目介绍

1. 痛点问题

工业和信息化部、国家发展和改革委员会等八部门发布《关于加快传统制造业转型升级的指导意见》，其中提到，到2027年，传统制造业高端化、智能化、绿色化、融合化发展水平明显提升，有效支撑制造业比重保持基本稳定，在全球产业分工中的地位和竞争力进一步巩固增强。

电力、煤炭、水泥和钢铁行业是能耗和排放大户，且智能化水平不足，例如电力和煤炭行业煤炭实验室化验需要6-8小时，滞后性大，不能有效指导运行，水泥生料入窑合格率只有60%左右，钢铁行业钢水品质与配料关系复杂，亟需适应各行业的元素成分在线检测产品，提高推动智能化和绿色化水平。

2. 解决方案

对于常规的高斯形光束，光束中心能量密度高，可更快地烧蚀样品并产生等离子体，从而更早地与等离子体发生相互作用，产生屏蔽效应，干扰其他位置的烧蚀过程，形成极高的空间不均匀性，在反向运动过程中造成等离子体空间形态的剧烈震荡，从而导致了信号剧烈波动，严重影响了 LIBS 定量化水平。

本技术公开了一种基于光束整形改善激光诱导击穿光谱可重复性的方法。该方法与激光诱导击穿光谱领域的常规光束整形方法的主要区别在于，结合关于光谱信号不确定性来源以及等离子体空间演化过程的研究成果，针对性地设计了凹形光束形貌，以减小等离子体中心处的温度和电子密度，显著提高等离子体的空间稳定性，改善光谱可重复性。

3. 竞争优势分析

与中子活化技术、X 射线荧光（XRF）技术、红外光谱技术相比。LIBS 具有安全无放射性、全元素分析、测量指标全面、成本和维护费用较低等优势。与国内外其他 LIBS 分析技术相比，本技术在原始信号可重复性、定量分析模型先进性都具有明显优势，测量精密度和准确度达到领先水平。此外，在获得在线测量数据的基础上，本团队具有融合前馈测量数据的智能控制技术，可切实为工业节能减排提供有力支撑。

4. 市场应用前景

本项技术解决水泥、冶金等领域的物料元素成分的在线分析难题，实现运行优化、碳监测、寻优降碳等应用。全国水泥企业9000家以上，钢铁厂13000家以上，焦化厂500家以上，此外煤化工作为新兴产业，未来有巨大的发展潜力。

5. 发展规划

计划未来1年开展成果应用示范，预计2025年底进行成果鉴定，并进行大范围推广，实现成熟的商业化运作。

6. 知识产权情况

已获得1项发明专利授权。

二、合作需求

拟在钢铁、水泥等工业物料成分在线检测和智能配料领域开展应用，希望寻找示范应用和应用场景。并希望和清华大学山西清洁能源研究院展开深度合作，在山西区域开展试点示范工作。

三、团队介绍

清华大学激光诱导击穿光谱研究团队，主要从事激光诱导击穿光谱（LIBS）领域的应用基础研究以及定量分析应用研究。团队累计申请专利超45项，授权发明专利36项。在LIBS领域首次向发达国家许可专利技术。团队获得了包括第九届国际发明展金奖、中国光学工程学会技术发明一等奖、电力科技创新大奖等荣誉。

成果编号：XM2024139