气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.     

纳秒脉冲激光诱导空气等离子体的近红外辐射特性

开展纳秒激光诱导空气等离子体近红外辐射特性的实验研究,对波长为532 nm的脉冲ns激光诱导产生的空气等离子体的近红外光谱进行测量.结果表明:空气等离子体的近红外辐射在光谱范围为1100-2400 nm内由连续谱和线状谱组成,光谱指认表明线谱主要来源于N,O原子的中性原子谱和氮分子的振动光谱.通过对连续谱的分析得知,黑体辐射是连续辐射的主要来源.空气中波长1128 nm附近的辐射,可能是N和O中性原子谱的贡献.保持真空腔内气压不变,改变腔内氮气和氧气气体组分含量,分析测得的红外光谱数据,可知混合气体中氧气和氮气含量变化只对波长为1128 nm附近的辐射有影响.利用二元线性回归分析对数据进行分析后得知,氧气对波长为1128 nm附近的辐射贡献较大.最后从电离难易的角度分析造成这一结果的原因.     

纳秒激光诱导空气等离子体射频辐射特性研究

开展了波长为532 nm、脉宽为8 ns的纳秒激光诱导空气等离子体射频电磁辐射特性实验研究,基于锥形天线探测空气等离子体在30-800 MHz频谱范围有较强的射频电磁辐射,是等离子体内电偶极子振荡变速运动造成的.实验结果表明:随激光能量增加,30-200 MHz范围内射频辐射强度逐渐变强,但360-600 MHz频率范围射频辐射强度逐渐变弱.等离子体射频辐射的空间分布依赖于入射激光的偏振方向,当激光偏振方向与天线放置方向一致时,该方向上空气等离子体的射频辐射强度高,谱线较丰富.射频辐射总功率随激光能量先增加后降低,采用等离子体电子密度变化对等离子体频率及等离子体衰减系数影响(制约)关系,对射频辐射总功率随激光能量的变化规律进行了解释.     

激光诱导击穿空气等离子体时间分辨特性的光谱研究

空气等离子体的时间行为对空气环境下激光诱导等离子体形成过程的研究有重要意义.本文将纳秒Nd:YAG脉冲激光(1064 nm)聚焦于一个大气压的空气中,诱导其产生等离子体.利用具有纳秒时间分辨功能的PI-MAX-II型ICCD,采用时间分辨光谱方法,研究了大气环境下激光诱导等离子体的时间行为.大气环境下的激光诱导等离子体光谱广泛分布于300—900 nm范围内,并且是由带状光谱和线状光谱叠加而成的.根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库,对等离子体光谱中的氧、氮、氢等元素的特征谱线进行了识别和归属.给出了激光诱导击穿大气等离子体光谱随时间演化的直观图像,根据空气等离子体发射谱线计算了等离子体电子温度和等离子体电子密度.这些结果对于提高在大气环境下进行的在线测量结果的准确性和精确性具有重要的科学意义.     

激光脉冲重复频率对等离子体辐射特性的影响

为了提高激光诱导击穿光谱质量,采用Nd∶YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发产生土壤等离子体,采用光栅光谱仪和光电检测系统记录了元素谱线AlⅠ394.401 nm,BaⅠ455.403 nm,FeⅠ430.791 nm和TiⅠ498.173 nm的辐射强度和信背比,研究了激光脉冲重复频率(5,10和15 Hz)对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,在相同的激光输出能量条件下,当采用15 Hz的激光脉冲重复频率时,元素Al,Ba,Fe和Ti的谱线强度要比5 Hz时的分别提高50.94%,112.7%,107.46%和99.38%,光谱信背比分别提高15.16%,24.08%,40.26%和72.06%。通过测量等离子体参数,解释了激光脉冲重复频率对等离子体辐射特性的影响机理。     

激光诱导Al表面等离子体温度的发射谱诊断

探测了脉冲能量0.3 J波长1064 nm的纳秒激光聚焦Al表面诱导的等离子体200-900 nm范围的发射谱.分析了线状谱的基本规律,根据谱线的强度,考虑到光谱仪与电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)的探测效率,通过线性拟合给出了等离子体中Al Ⅰ、Al Ⅱ、N Ⅰ、O Ⅰ粒子的激发温度.根据谱线的半高宽计算了等离子体电子密度,进而计算了等离子中Al Ⅰ的电离温度.结果表明,在等离子体状态快速演化过程中,不同粒子的电离、激发与退激存在较大差异,Al Ⅱ、Al Ⅰ相对于N Ⅰ、O Ⅰ有较高的激发温度,并且等离子体中Al Ⅰ的电离温度高于所有粒子的激发温度.     

激光诱导击穿火焰等离子体光谱研究

采用PI-MAX-II型增强型电荷耦合器件, 用Nd:YAG纳秒脉冲激光器输出的1064 nm强光束击穿在一个大气压的空气中燃烧的酒精灯火焰, 对激光诱导击穿酒精灯火焰产生的等离子体光谱进行了初步研究. 根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库, 对等离子体中的主要元素的特征谱线进行了标识和归属. 通过激光诱导击穿空气等离子体光谱、激光诱导击穿酒精灯火焰等离子体光谱、激光诱导酒精喷灯火焰等离子体光谱的对比分析, 发现不同燃烧状况下的光谱中各原子谱线的相对强度是不同的. 这些结果对于使用激光诱导击穿技术分析和研究碳氢燃料在空气中的燃烧特性具有重要的意义和参考价值, 同时也为将该技术应用于燃烧诊断提供了实验依据.     

激光诱导等离子体光谱空间分布特性

激光波长和激光入射角是影响激光诱导等离子体空间分布和光谱强度空间分布特性的重要因素.基于流体动力学和SAHA方程,仿真了激光诱导等离子体的二维空间演化过程,研究了激发等离子体的辐射光谱空间分布特性及激光波长、入射角度等参数对等离子体特征谱线空间分布特性的影响.研究结果表明:波长为1064 nm的激光在不同延时条件下,最佳激光入射角度均为0°.当入射角度为0°时,所激发的等离子体辐射在不同的探测角度处均有较强的光谱信号,且在100,500,1000 ns延时条件下,最佳探测角分别为±41°、±11°和±12°.对于不同的波长,当延时分别为100 ns和500 ns且激光以0°入射时,长波长激光所激发的等离子体光谱在不同探测角处的强度均强于短波长激光.当延时为100 ns时,1064 nm波长激光所激发的光谱在最佳探测角位置的强度约为532 nm和266 nm波长激光所激发的光谱在各自最佳探测角位置强度的2倍.随着探测角绝对值的减小,等离子体辐射光谱强度先增大,到达最佳探测角后强度再减小.入射波长分别为532 nm和1064 nm的激光诱导击穿光谱实验结果验证了仿真结果.     

基于Abel逆变换的激光诱导等离子体辐射特性研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新型的物质成分测量方法已经在越来越多的领域得到广泛应用，但是与传统的分析方法相比，LIBS技术的分析性能还需进一步提高。LIBS技术的理论基础是激光诱导等离子体，从物理机理上研究等离子体特性，对LIBS系统实验参数的优化具有指导作用，也为提高LIBS技术的检测能力奠定理论基础。激光诱导等离子体是一个与空间相关的非稳态辐射源，空间分辨光谱测量是探究等离子体物理特性的重要手段之一。为研究激光诱导等离子体的辐射特性，采用1 064 nm的Nd∶YAG调Q固体激光器烧蚀合金钢样品产生等离子体，利用空间分辨装置测量二维空间的等离子体辐射光谱信号，通过分析可知实验采集的光谱信号是信号探测器测量路径上的积分光谱强度，由此计算得到的等离子体参数也是观测路径上的平均值。为了深入研究等离子体由内层到外层的辐射规律，首先测量得到等离子体路径积分光谱强度的横向空间分布，然后以等离子体为光学薄和圆柱对称的前提条件，采用三次样条函数算法对路径积分光谱强度进行Abel逆变换，反演得到等离子体由内层到外层谱线辐射率的径向空间分布。选取等离子体辐射光谱中的原子谱线Fe Ⅰ: 374.55 nm和Mn Ⅰ: 403.08 nm为研究对象，分析等离子体辐射光谱的空间分布特征，研究结果表明，等离子体辐射路径积分光谱强度的横向分布呈现出中心位置强度大边缘位置强度小的特征，这是由于等离子体膨胀扩张的结果引起的；通过Abel逆变换得到等离子体光谱辐射率的径向分布，结果表明等离子体从内层到外层谱线的辐射率经过了先增加后减小的变化规律，等离子体中心处出现辐射率的极小值，造成这种现象的主要原因是由于等离子体辐射源中心区域具有较低的电子密度；选取等离子体辐射光谱中Fe元素的11条原子谱线，采用Boltzman法分别由谱线相应的积分光谱强度和辐射率计算等离子体温度，得到等离子体温度的横向空间和径向空间的二维分布，两者具有类似的变化规律；由等离子体温度的横向空间分布可以看出，随着离样品表面距离的增加，等离子体温度呈现单调减小的趋势，等离子体中心到边缘区域等离子体温度逐渐降低，这是由等离子体膨胀扩张以及与环境气体相互作用共同的结果；由等离子体温度的径向空间分布可以看出等离子体由内层到外层等离子体温度逐渐降低，这是由于等离子体膨胀扩张冷却引起的。由此可见，采用Abel逆变换能够实现等离子体由内层到外层的辐射特性分析，为深入理解等离子体产生和演变的物理机理提供实验依据，从而为提高激光诱导击穿光谱技术的分析性能奠定理论基础。     

磁约束飞秒激光诱导铜等离子体特性研究

建立磁约束飞秒激光诱导铜等离子体辐射光谱采集系统,通过发射光谱法分析磁约束效应对飞秒激光诱导铜等离子体特性的影响.在强度为0.67T的稳磁场约束下,等离子体辐射连续谱和分立谱均有增强,分立谱线增强更显著;铜原子上能级越高,其辐射的原子谱线增强因子越大,具有最高上能级的Cu I 507.6nm增强因子最大,为2.8;等离子体铜原子谱线持续时间明显延长,在等离子体演化初期,谱线增强显著,在较大延时,谱线增强迅速减弱;等离子体电子温度和电子密度均有提高.     

脉冲激光作用单晶硅的等离子体光谱分析

从激光与物质相互作用理论出发,对脉冲激光作用单晶硅的热特性进行分析。建立一套实验装置,所用激光光源的波长为1 064 nm,脉宽为10 ns,重复频率为1 Hz。得到单晶硅的等离子体谱及热辐射谱,在单晶硅的光电性质基础上对其热表面损伤进行理论分析。提取380~460 nm波段的单晶硅等离子体光谱,分析了谱图中SiⅠ390.52 nm,SiⅡ385.51 nm,SiⅡ413.12 nm三条谱线的相对强度与激光输出功率密度的对应关系。     

序贯试验法激光诱导击穿光谱实验条件优化

采用波长为1064 nm的Nd:YAG脉冲激光作为光源聚焦于铝合金表面产生激光诱导等离子体,使用三光栅光谱仪和门宽控制的ICCD检测光谱信号。实验分析了实验参数对Al Ⅰ 394.40 nm和Al Ⅰ 396.15 nm两条特征谱线强度和信背比的影响。研究表明,ICCD探测延时、ICCD门宽和激光脉冲能量对光谱信号和信背比有较大的影响,其中ICCD门宽变化会引起光谱信号信背比起伏变化。通过优化这些实验参数,确定了最佳实验条件,在低激光脉冲能量下获得了高光谱强度和信背比的信号,为定性和定量分析铝合金成分提供了有利条件。     

发射光谱法对早期激光诱导铝合金等离子体诊断研究

对激光诱导等离子体参数进行诊断有多种方法,其中采用发射光谱法对其诊断是一种重要的方法。文中采用Nd∶YAG固态激光器,输出波长1 064 nm红外激光与铝合金样品相互作用,深入研究了铝合金等离子体产生早期(<1 μs)谱线轮廓、谱线强度、线背比、谱线半峰宽及位移等随时间演变规律。研究表明,激光与物质相互作用早期,电子数密度非常大,电子与离子及原子之间的相互作用非常强烈,谱线的Stark展宽效应非常明显,导致多重谱线重叠在一起,随时间演变,电子数密度及电子温度的降低,多重谱线的半峰宽越来越窄且谱线轮廓对称性越来越好。MgⅠ285.212 6 nm谱线强度早期逐渐增强,大约100 ns左右谱线强度达到最大值,然后谱线强度呈逐渐减小的趋势,这是由于等离子体产生早期,电子及离子占主导地位,故早期原子谱线强度较弱,随时间演变,电子与离子之间的复合,原子数密度逐渐增加,故原子谱线逐渐增强,达到最大值之后,由于等离子体激发温度的降低,故谱线强度逐渐减弱。以NIST波长位置为参考,等离子体产生的早期谱线发生了红移,连续背景强度随时间演变呈幂函数形式急剧递减,与之相反,谱线的连续背景强度与谱线强度相比,连续背景衰减的速度更为迅速,故导致谱线信背比随时间演变呈增大趋势,本研究对等离子体早期这些现象从理论角度进行了深入探讨。     

激光诱导煤粉发射光谱的基体效应研究

激光诱导发射光谱分析技术是目前正被广泛发展的一种元素定量检测手段,其分析结果的准确性与精度和分析基体的物理化学特性紧密相关.本文采用波长为1064nm的激光烧蚀煤样,以中阶梯光谱仪和ICCD分析诱导产生的等离子体发射光谱.通过试验基体的不同形态特性对各种元素定量分析特征光谱的强度、稳定性以及元素分析探测限的影响,研究激光诱导煤粉发射光谱的基体效应规律,并从激光等离子体形成的理论机制上进行实验分析.研究表明,适中的煤粉颗粒尺寸与样品密度更有利于激光诱导煤粉发射光谱的定量分析.     

激光大气等离子体光谱特性实验研究

报道了对波长为1．06μm的脉冲激光在气体样品中产生的等离子体进行光谱研究的结果。气体样品为一个标准大气压的纯氮、纯氧和空气,光谱探测范围为300～900nm。结果表明,各种气体样品的激光等离子体光谱均表现为连续谱和线状谱的叠加,文中分别给出了连续谱和线状谱的基本特征,讨论了这些特征与等离子体物理特性的关系,并分析了纯氮、纯氧与空气激光等离子体光谱之间的异同。给出了激光等离子体光谱的时间演化和空间分布的基本特征,并初步讨论了与这些特征相关的等离子体物理特性。这些结果有助于加深对激光等离子体特性和机理,特别是对等离子体产生后的弛豫过程和复合机制的了解。     

偏振分辨激光诱导击穿光谱的铝铁合金信背比改善效果研究

偏振分辨激光诱导击穿光谱(PRLIBS)以其低成本压制背景的特点在LIBS降低检测限上有着重要意义,但是理论上的争议和信背比改善效果不稳定限制了其应用前景。为深入分析等离子体产生偏振特性的原理和PRLIBS信背比的改善效果,采用1 064 nm纳秒脉冲激光器和光纤光谱仪对铝铁合金样品进行了偏振分辨LIBS的信背比改善效果及偏振原理的探索性实验。通过对辐射能量的估算,大胆地推测轫致辐射在背景辐射中的占比是由大变小的,并据此解释了背景辐射强度在时间上的变化。通过改变能量密度、检偏角度、探测角、延时时间、积分时间等因素,采集光谱强度和波长数据、计算偏振度和信背比,观察到铝铁合金的等离子体光谱中背景谱和分立谱均有偏振且存在偏振度和偏振方向的差异,发现偏振LIBS改善信背比的效果与实验参数包括能量密度、延时时间、检偏角度以及波长有关。PRLIBS信背比关于能量密度的变化与一般LIBS类似,在能量较大时会趋于饱和。检偏角度会影响信背比大小,与光谱的偏振方向和偏振度有关,推导了信背比改善效果关于偏振度、检偏角度、偏振方向夹角的公式。在波长上连续谱偏振度趋势较为稳定而分立谱偏振度随光谱强度增大而减小。随延时时间增加,偏振度变化不明显,原因是相比于积分时间延时的改变量很小,而信背比的变化趋势与无偏振LIBS一致。总结了国内外对PRLIBS机理具有代表性的解释并进行了讨论,排除了激光光场、菲涅尔反射、各向异性电子速度分布等因素对等离子体偏振特性的决定性作用。研究结论是在ns-LIBS实验中,复合辐射在可见光和紫外光范围内占背景辐射的大部分,其偏振特性主要源于等离子体复合阶段产生的各向异性复合过程,原子谱偏振特性可能源于该过程中受激原子的磁性支能级间数量的不平衡,而背景谱与原子谱的偏振度及偏振方向的差异主要取决于偏振特性产生机理的不同。研究发现, PRLIBS并不总能提升元素的信背比,尤其对弱光谱信号改善效果有限,要获得较好的压制背景的效果,可以对PRLIBS的能量密度、检偏角度、延时与积分时间等条件加以控制,在能量密度20 J·cm-2积分时间30μs检偏角度20°下FeⅠ407.12 nm处的信背比由4.86提升至12.97。偏振度与探测角相关性较小,原因可能是导体的菲涅尔反射效应很弱。研究结果对PRLIBS的原理研究和应用提供了有效的理论基础。     

非平坦样品激光诱导等离子体光谱特性研究

激光诱导击穿光谱（LIBS）作为一种快速、实时的元素分析技术,由于其在痕量元素探测、地质环境监测等领域有着广阔的应用前景,而受到人们极大的关注。在实际应用中,样品表面是影响等离子体产生及其特性的关键环境因素之一。在大气环境下,利用脉宽为8 ns、波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光产生等离子体,对比研究了天然岩石样品在非平坦和平坦表面条件下等离子体的发射光谱。基于激光辅助辐射波模型,阐释了非平坦样品表面对其光谱特性的影响。通过对比等离子体时间积分光谱,发现非平坦样品的谱线强度相比于平坦样品的谱线强度减弱了近70%,该结果说明非平坦样品表面对LIBS真实测量数据的负面影响不可忽视。针对褐铁矿样品中的谱线Fe Ⅰ 404.58 nm和Fe Ⅰ 438.35 nm,研究了在平坦和非平坦样品表面下的峰值强度以及其衰减因子随激光能量的变化规律,结果表明非平坦样品表面条件下采集的光谱强度始终低于平坦样品表面的光谱强度。光谱强度的衰减因子先随激光能量增大而逐渐降低,并在激光能量33 mJ达到最小值,后随激光能量的进一步增大而增大。实验结果进一步表明在非平坦样品表面条件下产生了密度较低的等离子体,并且非平坦与平坦样品的电子密度的比值在激光能量33 mJ时达到最小,此结果与光谱强度的衰减因子随激光能量的变化趋势一致,这是源于非平坦样品表面会形成较大激光入射角度,使得激光等离子体能量吸收区厚度变薄,产生等离子体屏蔽效应所对应的激光能量阈值升高。此外,样品表面状态和激光能量对等离子体温度的影响甚微。阐述了非正入射时等离子体特征参数与正入射时等离子体特征参数的联系和差异,揭示了非平坦样品激光等离子体特征参量变化的内在物理机制,为室外LIBS探测技术在元素定性和定量分析中光谱强度的校正提供参考。