纳秒激光诱导等离子体发射光谱中的自吸收效应

为了减小激光诱导等离子体发射光谱中光谱线的自吸收效应,提高激光光谱分析技术对物质中高含量元素的检测水平,实验采用了一种平面反射镜装置约束等离子体,比较了有或无平面反射镜装置时光谱线的线型变化。实验表明,在无平面反射镜装置时,样品元素Al,Mg和Mn的光谱线半高全宽度分别为0.16,0.24,0.058nm,而采用由四块平面反射镜组成的装置在空间上约束激光等离子体时分别为0.11,0.13,0.047nm。结果表明,光谱线的自吸收明显减小,谱线线型变得比较锐且强度显著提高。通过观测等离子体照片,测量等离子体温度和电子密度,分析讨论了激光光谱自吸收效应降低的原因。     

激光诱导击穿光谱技术测定钢样品中元素Mn和Ni

为了减小激光等离子体发射光谱的自吸效应,提高激光诱导击穿光谱技术对物质成分的检测能力,设计了一种平面反射镜装置对等离子体进行空间约束,研究了不同实验条件下的光谱线线型,定量分析了钢样品中的元素Mn和Ni.实验结果表明,利用平面反射镜装置约束激光等离子体以后,光谱线的自吸效应比常态条件下有明显减小;通过定量分析样品元素Mn和Ni的结果看出,无平面反射镜装置时的相对标准偏差分别为3.70%和6.23%,而实验中加入面反射镜装置以后分别降至1.86%和2.16%,显著提高了分析结果的测量精度.     

平面反射镜装置对激光诱导等离子体辐射特性的影响

为获得高质量的发射光谱,提出了一种平面反射镜装置,研究了在平面反射镜装置条件下的激光诱导等离子体辐射特性。实验结果表明,相同的激光输出能量条件下,在等离子体周围放置由三块平面反射镜组成的装置以后,土壤样品中元素Mg,Fe,Ba,Ti和Al的光谱线强度比常态下的分别增大了116.2%,96.43%,90.93%,102.1%和98.57%,信噪比分别提高39.17%,32.48%,38.07%,39.95%和21.30%。通过测量激光等离子体参数,解释了平面反射镜装置对等离子体辐射增强的机理。这种简便易行的方法是改善激光诱导击穿光谱技术检测能力的有效途径。     

KCl添加剂对激光诱导土壤等离子体辐射强度的影响

为了提高激光诱导击穿光谱技术对低含量物质成分的检测能力,实验研究了KCl添加剂对土壤样品发射光谱的增强效应。利用高能量钕玻璃脉冲激光器烧蚀样品,由组合式多功能光栅光谱仪和CCD数据采集处理系统记录等离子体光谱,并通过测量光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体的电子温度和电子密度。实验结果证明,随着KCl加入量的增加,激光等离子体的光谱强度、信背比、电子温度和电子密度均呈现出先增大而后减小的规律。当KCl加入量为15%时,等离子体辐射最强,元素Mn,Fe,和Ti的谱线强度分别比无添加剂时提高了2.23,1.13和2.04倍,信背比分别提高了1.33,0.89和0.94倍;而等离子体的温度和电子密度比无添加剂时分别提高了14%和38%。     

激光诱导煤样等离子体的表征

以脉冲Nd·YAG激光器泵浦的光学参量发生/放大器输出为激发源,获得了一种家庭用煤样品的激光诱导等离子体(laser induced plasma,LIP)发射光谱。谱线线型呈洛伦兹线型,表明等离子体加宽以Stark展宽为主。利用发射谱线的Stark展宽和强度,通过测量等离子体不同位置的发射光谱,确定了等离子体温度和电子密度的空间分布,发现二者在垂直等离子体发光火焰方向相对火焰中心对称分布,沿发光火焰方向不具有对称分布的特点。发光火焰中心的等离子体温度和电子密度最大,且发光强度较大,因此利用光谱技术测量等离子体特征量时,宜采集火焰中心的发射光谱。样品中有些元素的发射谱线线型显示,等离子体中存在很强的自吸收现象,自吸收程度和激发波长及激光能量密切相关,激发波长接近谱线中心波长时,自吸收现象最明显;随激光能量的增加,发射光谱强度增加的同时,自吸收的程度也增大。把这些现象归因于原子跃迁概率的增大及激光强度增加引起的等离子体中粒子数密度的增大。自吸收现象导致实验观测到的发射谱线强度小于LIP的真实辐射强度,对等离子体进行测量时,应选取不存在自吸收现象的谱线,以便于提高测量准确度。     

激光诱导Ni等离子体特性的研究

以Nd·YAG激光器的二倍频输出作为激发源,获得了激光诱导Ni等离子体的发射光谱,基于发射光谱,对等离子体电子激发温度和电子密度进行了测量,其典型值分别为3 714 K,4.67×1016 cm-3。测量了等离子体电子激发温度和电子密度的空间分布,发现沿垂直于激光传播方向的径向,随到中心点距离的增加,等离子体辐射的强度减小,但线型和线宽不变,表明等离子体电子激发温度和电子密度沿径向均匀分布。沿激光传播方向,随到样品表面距离的增加,等离子体辐射强度、电子激发温度和电子密度先增加后降低,在距样品表面1.5 mm处,达到最大值。采用激光诱导击穿光谱技术进行相关探测时,收集距离样品表面1.5 mm处的发射谱,有利于提高探测灵敏度。     

样品添加剂对激光诱导等离子体辐射的增强效应

为了改善激光诱导等离子体的辐射特性,利用由高能量钕玻璃脉冲激光器、组合式多功能光栅光谱仪和CCD数据采集处理系统构成的光谱测量装置,以国家土壤标样为靶,研究了NaCl样品添加剂对激光等离子体辐射强度的影响,并由光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体的电子温度和电子密度。实验结果表明:随着NaCl加入量的增加,激光等离子体的光谱强度、信背比、电子温度和电子密度均呈现出先增大而后减小的趋势。当NaCl加入量为15%时,等离子体的辐射强度最大,元素Mn,K,Fe和Ti的谱线强度分别比无添加剂时提高了39.2%,42.5%,53.9%和33.8%,光谱信背比分别提高了64.4%,84.3%,44.5%和58.2%,而等离子体的电子温度和电子密度比无添加剂时分别提高了0.17倍和0.36倍。     

预制小孔对激光诱导不锈钢等离子体辐射的增强作用

为了研究预制小孔对激光诱导不锈钢等离子体辐射特性的影响,在常压下空气中,利用高能量钕玻璃脉冲激光烧蚀不锈钢样品,由组合式多功能光栅光谱仪和CCD光谱采集处理系统记录等离子体光谱,并通过测量光谱线的强度和半高全宽度分别计算了等离子体电子温度和电子密度。研究结果表明,当一束高能量激光(～5J)作用于表面放置直径为1.5 mm、深度为0.8 mm的预制小孔的不锈钢样品时,激光等离子体发射的谱线强度提高了71.5%～125.8%,光谱信背比提高了7.6%～18.5%;而等离子体温度和电子密度分别提高了1 200 K和1.21×1016cm-3。证明了预制小孔对激光诱导不锈钢等离子体辐射有明显的增强作用。     

样品温度对纳秒激光诱导Cu等离子体特征参数的影响

为了研究样品温度对激光诱导击穿Cu等离子体特征参数的影响,以黄铜为研究对象,在优化的实验条件下采用波长为532 nm的Nd∶YAG纳秒脉冲激光诱导激发不同温度下的块状黄铜,测量了Cu等离子体的特征谱线强度和信噪比;同时在局部热平衡条件下利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析计算了不同的样品温度条件下等离子体电子温度和电子密度。实验结果表明,在激光功率为60 mW时,随着样品温度的升高,Cu的特征谱线强度和信噪比逐渐增加,样品温度为130 ℃时达到最大值,然后趋于饱和。计算表明,黄铜样品中Cu元素Cu Ⅰ 329.05 nm,Cu Ⅰ 427.51 nm,Cu Ⅰ 458.71 nm,Cu Ⅰ 510.55 nm,Cu Ⅰ 515.32 nm,Cu Ⅰ 521.82 nm, Cu Ⅰ 529.25 nm,Cu Ⅰ 578.21 nm八条谱线在130℃的相对强度相较于室温（18 ℃）下分别提高了11.55倍、4.53倍、4.72倍,3.31倍、4.47倍、4.60倍、4.25倍、4.55倍,光谱信噪比分别增大了1.35倍,2.29倍、1.76倍、2.50倍、2.45倍、2.28倍、2.50倍,2.53倍。分析认为,升高样品温度会增大样品的烧蚀质量,相对于温度较低状态增加了等离子体中样品粒子浓度,进而提高等离子体发射光谱强度。所以,适当升高样品温度能够提高谱线强度和信噪比,从而增强LIBS技术检测分析光谱微弱信号的测量精度,改善痕量元素的检测灵敏度。同时研究了改变样品温度时等离子体电子温度和电子密度的变化趋势。计算表明,当样品温度从室温上升到130 ℃的过程中,等离子体的电子温度由4 723 K上升到7 121 K时基本不再变化。这种变化规律与发射谱线强度和信噪比变化趋势一致。分析认为,这主要是由于在升高样品温度的初始阶段,激光烧蚀量增大,等离子体内能增大,从而导致等离子体电子温度升高。当激光烧蚀样品的量达到一定值后不再变化,激光能量被激发溅射出来的样品蒸发物以及尘粒的吸收、散射和反射,导致激光能量密度降低,电子温度趋于饱和,达到某种动态平衡。选用一条Cu原子谱线（324.75 nm）的Stark展宽系数计算激光等离子体的电子密度,同时研究改变样品温度时等离子电子密度的变化趋势,计算表明在样品温度为130 ℃时,Cu Ⅰ 324.75 nm对应的等离子电子密度相较于室温（18 ℃）条件下增大了1.74×1017 cm-3。该变化趋势与电子温度的变化趋势一致。适当升高样品温度使得电子密度增大,从而提高电子和原子的碰撞几率,激发更多的原子,这是增强光谱谱线强度的原因之一。由此可见,升高样品温度是一种便捷的提高LIBS检测灵敏度的有效手段。     

NaCl对激光诱导土壤等离子体辐射的增强效应

为了改善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土壤样品,由光栅光谱仪和光电检测系统记录等离子体发射光谱,研究了激光输出能量（100~500 mJ）和NaCl样品添加剂（质量分数0%~20%）对等离子体辐射强度的影响。实验结果表明,在激光能量为200 mJ的优化条件下,可以提高光谱强度和信噪比,而更高激光能量诱导的等离子体中光谱线自吸严重。当土壤样品中加入适量NaCl添加剂以后,能够进一步改善激光光谱质量。NaCl加入量为10%时,等离子体中元素Fe,Ba,Al和Ti的谱线强度比无添加剂时分别提高了37%,32%, 32% 和70%,光谱信噪比分别提高了33%,26%,16% 和38%。而样品烧蚀量、电子温度和电子密度比无添加剂时分别提高了14%,9.6%和26%。     

基于自吸收量化的激光诱导等离子体表征方法

为了表征激光诱导等离子体的定量特征参数,提出了一种谱线自吸收量化的方法,通过获得分析元素谱线的半高全宽来量化谱线自吸收程度,进而得到等离子体的特征参数,包括电子温度、元素含量比以及辐射物质的绝对数密度.与传统激光诱导击穿光谱定量分析方法相比,新方法由于计算过程与谱线强度弱相关,所以分析结果基本不受自吸收效应的影响,同时也无需额外的光谱效率校准.基于铝锂合金的实验结果表明,该方法能够实现精确的相对定量分析和等离子体的特性诊断.     

样品温度对纳秒激光诱导土壤等离子体辐射特性的影响

利用脉宽8 ns,波长为532 nm的Nd:YAG单脉冲纳秒激光器,在一个标准大气压下入射到土壤中(样品土壤来自蚌埠学院校园),改变样品温度,获得了不同样品温度下激光诱导击穿光谱. 通过分析光谱,得到土壤中不同特征谱线的强度和信噪比. 分别利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法计算并分析了等离子体电子温度和电子密度随样品温度的演化规律;同时讨论了提高样品温度和激光诱导土壤等离子体辐射增强的原因. 实验结果表明,随着样品温度的升高,等离子体的谱线强度、信噪比、电子温度和电子密度会逐渐增强,并且在温度为100 °C时达到最大.     

飞秒激光诱导铝等离子体时间分辨光谱研究

在大气环境下利用中心波长800nm、脉宽为30fs的激光聚焦在铝靶上,测定了激光诱导铝等离子体中铝原子的时间分辨发射谱。在局部热平衡条件近似下,根据实验测定的谱线相对强度得到了等离子体的电子温度;研究了激光脉冲能量对等离子体电子温度的影响和等离子体电子温度的时间演化特性。同时,实验发现了394.4nm和396.1nm两条铝原子谱线存在较强的自吸收效应,实验结果表明随着激光脉冲能量的减少和延时的增加,自吸收现象逐渐消失。     

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。     

不同样品温度下聚焦透镜到样品表面距离对激光诱导铜击穿光谱的影响

研究了不同温度下聚焦透镜到样品表面距离对激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)强度的影响,使用Nd:YAG脉冲激光激发样品并产生等离子体,探测的等离子体发射的光谱线为Cu(Ⅰ)510.55 nm,Cu(Ⅰ)515.32 nm和Cu(Ⅰ)521.82 nm.使用透镜的焦距为200 mm,测量的聚焦透镜到样品表面距离的范围为170—200 mm,样品温度从25℃升高到270℃,激光能量为26 mJ.总体上,升高样品温度能有效地提高LIBS光谱的辐射强度.在25℃和100℃时,光谱强度随着聚焦透镜到样品表面距离的增加而单调增加;在样品温度更高(150, 200, 250和270℃)时,光谱强度随着距离的增加出现先升高而后又降低的变化.同时,在样品接近焦点附近,随着样品温度的升高,LIBS光谱强度的变化不明显,还可能出现光谱强度随着样品温度升高而降低的情况,这在通过升高样品温度来提高LIBS光谱强度中特别值得我们注意.为了更进一步了解这两个条件对LIBS的影响,计算了等离子体温度和电子密度,发现等离子体温度和电子密度的变化与光谱强度的变化几乎一致,更高样品温度下产生的等离子体温度和电子密度更高.