1、光譜儀是將成分復雜的光分解成光譜線的科學儀器，通過對光信息的采集來測知物品中含有何種元素。這種儀器被廣泛地應用于空氣污染、水污染、食品重金屬污染、金屬工業(yè)等的檢測中。進入21世紀以來，儀器的數字控制技術已經取代模擬控制技術，使儀器向小型化、精密化發(fā)展。其中激光誘導擊穿（Laser-induced breakdown spectroscopy簡稱LIBS）光譜儀是目前材料分析行業(yè)的前瞻技術，它具有分析速度快，精度高，可遙測，測量范圍廣等優(yōu)

2、點。因此，LIBS光譜儀已在更多領域得到了廣泛的應用。目前，雖然國內一些企業(yè)和高校機構已經對LIBS光譜儀的研發(fā)和產業(yè)化作了大量工作，以此來縮小與國外的差距并推動國內LIBS的發(fā)展，但是它的核心部件制造技術和系統仍然依賴于國外。LIBS光譜儀研制過程中需要的關鍵材料及核心理論問題主要表現在以下三個方面:一是影響光學系統穩(wěn)定性的關鍵材料及材料匹配問題;二是光柵制造鍍膜關鍵技術及表面潤濕性問題;三是鍍膜技術對光柵性能的影響。
　　本文

3、針對LIBS光譜儀研制過程中所遇到的關鍵技術問題，通過有限元模擬和實驗相結合的方法，深入研究了合金元素對材料熱穩(wěn)定性的影響以及如何設計低膨脹合金來滿足光譜儀對材料的要求;通過分子動力學模擬的方法，探討了金屬液滴在不同基底上的潤濕和融合行為，為鍍膜工藝提供理論指導，并應用于離子刻蝕光柵制造。最后將改進的技術應用于儀器，并進行了測試。主要內容如下:
　　(1)使用低膨脹材料可以滿足光學系統穩(wěn)定性要求。研究表明，對于低膨脹鑄鐵和鑄鋼，選

4、取35％Ni，進行1050℃淬火和300℃×2h回火處理的低膨脹鑄鐵具有相對優(yōu)異的性能，當Al含量為5.5％時，合金具有較高的強度和較低的熱膨脹系數。當鈷含量在30％左右時，膨脹系數達到最低。少量的Ti元素能夠細化Fe-Ni-Co合金的組織，減少合金中O、S等雜質元素的含量，并能降低合金的熱膨脹系數;過多的Ti元素反而會造成合金熱膨脹系數的升高。Mn對合金低膨脹性能有有害作用，但可以提高合金的強度。通過以上原則設計的合金材料，經過ANS

5、YS熱變形仿真模擬與原材料對比分析可得，扇形板在0℃-50℃范圍內，結構變形為±5μm，光學系統縱向（衍射方向）變形為36μm，羅蘭園圓弧切線方向變形為19μm，滿足了儀器甚至高端制造領域的材料匹配和系統設計的問題。
　　(2)鍍膜工藝作為離子刻蝕光柵制造技術的關鍵工藝之一，與材料表面潤濕性問題有關。因此，我們用分子動力學模擬的方法研究了金屬液滴的表面潤濕現象和融合行為。結果表明，Ag液膜在粗糙基底上會發(fā)生反潤濕現象，并最終脫離基

6、底，這一現象受到液膜的形狀、尺寸和表面的粗糙度等因素的影響。金屬液滴在不同種類的金屬基底表面潤濕性差異巨大，這主要是由液體-基底之間的相互作用決定的。進一步研究異種元素液滴的融合時，發(fā)現存在“水平融合”或“垂直融合”兩種融合機制，這與基底表面的粗糙度所控制的潤濕性有關。因此，可以通過改變材料表面的粗糙度和微觀結構調整液滴的潤濕性，從而使得液滴在基底表面能夠較好的鋪展，有利于改進鍍膜工藝。通過實驗驗證，發(fā)現減小基底粗糙度，提高蒸鍍溫度，減

7、小基底溫度，采用二次鍍膜技術，均有利于提高膜層的均勻性和穩(wěn)定性。
　　(3)使用由新的鍍膜技術開發(fā)的光柵以及由低膨脹鑄鐵合金作為支架的光學系統，設計了全新的光譜儀。其光學系統的溫度穩(wěn)定性達到±5μm，譜線中心位置漂移不超過1個像元，不加恒溫的情況下仍能進行較穩(wěn)定的分析;其衍射效率超過進口光柵，在紫外波段元素N、P、S、C仍能夠獲得較好的分析;它還首次突破了相態(tài)的局限性，可對粉末狀的樣品，如土壤中的元素N、P、K、Pb、Sb、Cd、