单脉冲和再加热正交双脉冲激光诱导击穿光谱对比研究

为了提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的检测灵敏度和辐射光谱特性,采用再加热正交双脉冲结构对样品中的4种元素Fe,Pb,Ca和Mg以及含有不同浓度重金属元素Cr的土壤样品进行分析。研究了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm的光谱强度和信背比随两激光脉冲之间时间间隔的变化关系,获得了两激光脉冲之间最佳的时间间隔为1.0 μs。在单脉冲和双脉冲条件下,得到了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm光谱强度的增强倍数分别为2.23,2.31,2.42和2.10;分析了特征谱线FeⅠ：404.581 nm和CaⅠ：422.67 nm谱线强度随时间的演化特性以及4条特征谱线信背比随光谱采集延时的变化关系,双脉冲能有效延长光谱强度的衰减时间以及提高特征谱线的信背比;比较分析了等离子体温度和电子密度随时间的演化特性,在双脉冲条件下,等离子体温度最大升高了730 K,电子密度最大增加了1.8×1016 cm-3。单脉冲和双脉冲条件下获得重金属元素Cr的检测限分别为38和20 μg·g-1,再加热正交双脉冲技术使元素检测限下降近2倍。以上结果表明：再加热正交双脉冲能有效地提升LIBS技术的检测灵敏度和光谱特性,为进一步降低元素的检测限提供了有效的方法。     

共线双脉冲激光诱导击穿光谱技术检测铝合金中的Cr和Mn

采用两台波长1064 nm的调Q脉冲Nd ∶YAG激光器和多通道小型光纤光栅光谱仪,建立了一套共线双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置。与单脉冲激光诱导技术相比,在最佳双脉冲时间延时8 μs时,Mn I 403.07 nm和Cr I 425.43 nm的光谱强度分别增加了14.3倍和17.2倍,以这两条谱线为分析线,铝合金中Mn和Cr的检测限分别由单脉冲时的73和94.5 μg/g降低至双脉冲时的3.76和4.26 μg/g,检测灵敏度提高了约20倍。     

土壤中重金属元素的双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于正交预烧蚀双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS) 技术对长春市四个地点地表土壤样品中的重金属元素进行了研究, 根据光谱线强度定性分析了重金属元素Mn, Cr, Cu, Pb含量.实验结果发现, 在532和1064 nm激光脉冲能量分别为70和100 mJ的条件下光谱增强随延时的变化出现双峰结构. 脉冲间延时20 μs时, Mn I 406.4 nm光谱增强幅度达到2.75倍, 延时为30 μs时出现第二个尖峰, 增强幅度为2.4倍.最后对正交预烧蚀DP-LIBS光谱增强机理进行了讨论. 关键词： 预烧蚀 双脉冲激光诱导击穿光谱 光谱增强 土壤污染     

钾元素单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、脉冲间隔、激光能量等)对K元素单脉冲LIBS和双脉冲LIBS等离子发射的影响.实验得知相对单脉冲激光激发,双脉冲激光激发可以显著提高等离子体发射谱线强度,增加谱线强度的衰减时间,提高LIBS数据的稳定性.通过最佳实验条件下K766.49nm谱线强度随溶液浓度的分析,得到该实验系统中,双脉冲激光激发时K元素的检测灵敏度和检测限约是单脉冲激光激发时的37倍.实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体金属的检测提供了一定依据.     

钾元素单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、脉冲间隔、激光能量等)对K元素单脉冲LIBS和双脉冲LIBS等离子发射的影响.实验得知相对单脉冲激光激发,双脉冲激光激发可以显著提高等离子体发射谱线强度,增加谱线强度的衰减时间,提高LIBS数据的稳定性.通过最佳实验条件下K766.49nm谱线强度随溶液浓度的分析,得到该实验系统中,双脉冲激光激发时K元素的检测灵敏度和检测限约是单脉冲激光激发时的37倍.实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体金属的检测提供了一定依据.     

基于激光诱导击穿光谱的基体效应

为分析和改善激光诱导击穿光谱技术(LIBS)在定量分析土壤和大米中镉(Cd)元素含量时基体效应对分析结果的影响，以Cd Ⅱ226.502 nm谱线为分析对象，对比研究了基体种类、KCl质量分数和激发方式等对Cd Ⅱ226.502 nm谱线强度和定量分析结果的影响规律。研究结果表明：基体主成分的化学形态和电离能是产生基体效应的主要因素，KCl作为添加剂能明显改善大米中Cd Ⅱ226.502 nm的谱线强度，光电双脉冲激发能显著增强基体中Cd Ⅱ226.502 nm的谱线强度、稳定性并提高信噪比。与单激光脉冲激发方式相比，在光电双脉冲激发下，SiO₂、土壤和大米三种基体中Cd Ⅱ226.502 nm的检测下限分别从372、 332和2 874 mg·kg^-1降低到42、72和37 mg·kg^-1。     

铀元素的激光诱导击穿光谱测量分析

为促进LIBS技术在微量重金属元素检测以及核污染检测领域的应用,提高检测灵敏度和准确性,采用了激光双脉冲LIBS技术和光电双脉冲LIBS技术,分别对土壤和二氧化硅中的铀元素进行分析。首先,对激光脉冲能量、电压和采集延时等参数进行优化,提高铀元素特征谱线的强度和信噪比;然后在优化实验参数条件下,对含不同浓度铀元素的土壤样品和二氧化硅样品进行激发;选取UII 367.01 nm、 UII 454.36 nm两条铀元素的特征谱线作为分析线,通过铀元素浓度与特征谱线强度的线性关系,建立定标曲线。双脉冲激光激发条件为：激光脉冲1作为预脉冲,主要参数为1 064 nm, 90 mJ, 9.2 ns,激光脉冲2作为再加热脉冲,主要参数为355 nm, 50 mJ, 8 ns,两个脉冲的时间间隔800 ns,光谱采集相对第二个脉冲延时1μs,得到铀元素在土壤和二氧化硅两种样品中的浓度检测下限分别为572和110 mg·kg^-1,拟合优度值R²分别为0.958和0.999。在光电双脉冲激发条件下,激光脉冲作为预脉冲,主要参数为355 nm, 50 mJ, 8 ...     

皮秒双脉冲LA-LIBS对合金样品的微损元素分析

研究了基于一台皮秒Nd∶YAG激光器实现合金样品的双脉冲激光剥离-激光诱导击穿光谱(LA-LIBS)微损元素分析。实验采用低能量的532 nm二倍频激光烧蚀并剥离出微量样品,然后采用较高能量的延时1064 nm激光对剥离出的样品进行二次激发,以增强等离子体中的原子辐射强度和提高光谱检测灵敏度。实验分别研究了烧蚀激光脉冲和二次激发光脉冲的能量对信号强度的影响。在烧蚀激光脉冲能量为10 μJ,二次激发光脉冲能量为2.5 mJ的条件下,LA-LIBS中Cu Ⅰ 324.75 nm原子谱线的强度与单脉冲LIBS相比改善了86倍,激光烧蚀坑洞的直径小于10 μm。研究表明：基于一台皮秒Nd∶YAG激光器,采用双脉冲LA-LIBS技术可以较好地实现对固体样品的微损元素分析。该技术在贵重样品分析和高空间分辨的二维元素显微分析中具有一定的应用价值。     

液相射流中中Al元素单双脉冲LIBS研究

为了综合比较单双脉冲激光诱导击穿光谱技术(LIBS)在液体中重金属元素的检测效果,利用自建的液相射流单-双脉冲LIBS技术装置,对AlCl₃水溶液中的Al元素LIBS特性进行测量和分析。实验中使用两台532 nm Nd∶YAG激光器作为激发光源,等离子体辐射信号通过光谱仪和ICCD进行采集。实验研究了单脉冲下Al(396.15 nm)发射谱线的谱线强度随激光能量、ICCD门延时、门宽之间的变化关系,获得了最优化实验参数激光能量为50 mJ,ICCD门延迟为1 200 ns,门宽为150 ns。在相同的实验条件下,实验考察了Al(369.15 nm)发射谱线的谱线强度随双脉冲之间的延时,激光总能量,ICCD门延时的变化关系,获得了最优化实验参数为两双脉冲之间的延时为1 000 ns,激光总能量为50 mJ,ICCD门延时为1 100 ns。单脉冲和双脉冲条件下获得重金属Al的LIBS检测限分别为26.79和10.80 ppm,双脉冲LIBS技术使元素检测限下降2倍多。实验结果表明双脉冲可以提升LIBS技术的探测灵敏度,为LIBS技术应用于水体中重金属快速检测提供了依据。     

液相射流中中Al元素单双脉冲LIBS研究（英文）

为了综合比较单双脉冲激光诱导击穿光谱技术(LIBS)在液体中重金属元素的检测效果,利用自建的液相射流单-双脉冲LIBS技术装置,对AlCl3水溶液中的Al元素LIBS特性进行测量和分析。实验中使用两台532nm Nd∶YAG激光器作为激发光源,等离子体辐射信号通过光谱仪和ICCD进行采集。实验研究了单脉冲下Al(396.15nm)发射谱线的谱线强度随激光能量、ICCD门延时、门宽之间的变化关系,获得了最优化实验参数激光能量为50mJ,ICCD门延迟为1 200ns,门宽为150ns。在相同的实验条件下,实验考察了Al(369.15nm)发射谱线的谱线强度随双脉冲之间的延时,激光总能量,ICCD门延时的变化关系,获得了最优化实验参数为两双脉冲之间的延时为1 000ns,激光总能量为50mJ,ICCD门延时为1 100ns。单脉冲和双脉冲条件下获得重金属Al的LIBS检测限分别为26.79和10.80ppm,双脉冲LIBS技术使元素检测限下降2倍多。实验结果表明双脉冲可以提升LIBS技术的探测灵敏度,为LIBS技术应用于水体中重金属快速检测提供了依据。     

Plasma property effects on spectral line broadening in double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy

Double-pulse Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) in an orthogonal configuration was used to investigate plasma temperature and electron density effects on Mg II emission spectral line broadening. The experiments were carried out with two Nd:YAG lasers, one operating at 355 nm for ablation and the other one at 1064 nm for plasma reheating in air at atmospheric pressure. Temporally resolved plasma temperature and electron density were measured at various delay times. Data in this study show prolonged emission of Mg II (280.27 nm) as well as enhancement of the signal intensity when using double-pulse excitation compared to the single-pulse case. An enhancement of ～8× was attained with a delay between the laser pulses equal to 1 μs. The enhancement was accompanied by higher plasma temperature and increased electron density. The double-pulse LIBS configuration provides energy to sustain the plasma emission at a period in time when the linewidth is minimum, thereby improving the analytical capabilities of low spectral resolution instrumentation typically used in LIBS system.     

共线DP-LIBS低碳合金钢中碳元素定量分析

碳元素是决定合金钢性能的重要元素之一。为了提高低碳合金钢中碳元素的检测灵敏度,在氩气氛围中利用共线双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)合金钢样品中的碳元素进行了检测。首先,使用高速相机采集双脉冲实验条件下的等离子体图像,研究等离子体形貌随脉冲间隔时间变化的演化规律,结合双脉冲条件下获得的光谱信息,确立碳元素的最佳脉冲间隔时间为1 900 ns。其次,研究了氩气吹扫条件和氩气气室条件对碳元素光谱信号强度的影响。氩气气室能够有效屏蔽空气中二氧化碳的影响,从而提高合金钢中碳元素分析的准确性。最后,采用内标法对合金钢样品中的碳元素进行定量分析。与单脉冲得到的结果相比,双脉冲实验条件下,碳元素定标曲线的R2由0.983提升至0.991,检测限由206 μg·g-1提高至110 μg·g-1,共线DP-LIBS技术使合金钢中碳元素检测限提高了1.87倍。恰当的脉冲间隔时间能够有效的提高共线DP-LIBS光谱特性和设备的检测灵敏度,同时双脉冲的二次激发效果可以进一步有效的减弱实验条件波动带来的影响,使定标模型具有更好的线性相关性。     

磁场约束下激光诱导等离子体光谱强度演化研究

对磁场约束下激光诱导铜等离子体光谱强度演化进行了实验研究,分析了在磁场约束环境下的等离子体光谱强度演化过程以及激光能量对光谱增强的影响.实验结果表明:在磁场约束下铜等离子体内原子光谱和离子光谱均有所增强,在磁场约束下Cu I 510.55 nm谱线强度时间演化过程中在1.2—5.7μs时间范围内附近出现双峰结构,在距离靶材表面0—1.4 mm空间范围内磁场约束Cu I 510.55 nm光谱增强明显.Cu I510.55 nm和Cu I 515.32 nm光谱增强因子随激光能量的增加呈单调递减变化,激光能量20 mJ时增强因子最大分别为11和8.对磁场约束下等离子体发射光谱强度增强的物理原因进行了探讨.     

激光诱导击穿光谱结合标准加入法定量分析土壤中铅、镉、铬和铜

利用课题组自主研制的便携式激光诱导击穿光谱测量系统定量分析土壤及固体废弃物中四种重金属元素Pb,Cd,Cr和Cu.实验采用中心波长为1064 nm的Nd:YAG脉冲激光器作为激发光源,工作频率为3 Hz,单脉冲能量为100 mJ,脉冲宽度为6 ns;以高分辨率、宽光谱段的中阶梯光栅光谱仪和增强型电荷耦合器件为谱线分离与探测器件,探测范围为200~500 nm,分辨率为0.08~0.12 nm.为了提高光谱强度及检测灵敏度,通过半球空间约束装置对等离子进行约束,并采用多芯光纤实现多通道不同角度光谱信号收集,接收角度为45°.实验时激光重复频率为2 Hz,延时为1.5μs,门宽为1.05 ms.文章创新性地将曲线拟合代替直线拟合用于标准加入法定量分析基质未知样品中重金属元素,有效提高了测量结果的准确性,尤其是低浓度的土壤样品,直线拟合无法定量分析重金属含量,相比而言,曲线拟合相关系数更高,测量结果更接近国标方法,可以满足一级土壤污染的检测.七个土壤及固体废弃物样品检测的相对误差如下,直线拟合相对误差分别为:Pb 1.26%~79.38%,Cr-22.44%~82.06%,Cu 15.09%~190.50%,Cd 32.76%~167.96%,曲线拟合相对误差为分别Pb-4.19%~11.92%,Cr-38.31%~9.26%,Cu-7.24%~26.86%,Cd-10.52%~12.94%,相对误差平均值为10.47%.     

Micromachining of copper using Nd:YAG laser radiation at 1064, 532, and 355 nm wavelengths

The interaction phenomena of nanosecond time period Q-switched diode-pumped Nd:YAG laser pulses using 1064, 532 and 355 nm with 0.25 mm thick pure-copper foil was investigated at an incident laser intensity range of 0.5–57.9 GW/cm². For each sample, etch rate and surface structure were determined. Analysis of the results of the tests included scanning electron microscopy (SEM). A maximum etch rate of 13.3 μm per pulse was obtained for the etch rate tests carried out at 532 nm. The maximum etch rate obtainable for 1064 nm was 2.21 μm per pulse, and for 355 nm, 6.68 μm per pulse. The dramatic decrease in etch rate observed when processing at 1064 nm is thought to occur due the highly reflective nature of copper as the interaction wavelength is increased, plus the nature of the plasma formed above the material during the high-intensity laser–material interaction. This plasma then imparts energy to the surface of the processed area leading to surface melting of the area surrounding the hole as can be seen by the SEM photographs.     

土壤中砷元素的激光诱导击穿光谱测量分析

利用Nd:YAG脉冲激光器作为光源,在实验室自然大气环境下诱导产生国家标准土壤的激光等离子体,选取砷的228.8nm特征谱线作为分析线,测量并分析了砷元素的激光诱导击穿光谱特性。在相同含量和积分时间条件下,调节延迟时间,获取了砷元素的时间演化特性。确定砷元素的最佳延迟时间为1μs,积分时间为2μs。测定不同含量下,砷的特征谱线强度,给出砷元素的定标曲线,并计算得到砷元素的检测限为45mg/kg。