用大芯径石英玻璃光纤传输兆瓦级高能激光脉冲及其在双波长LA-LIBS技术中的应用

为了解决单脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)技术在元素分析时空间分辨本领与分析灵敏度之间的矛盾,本文利用一台双波长输出的Nd∶YAG激光器开展了双波长激光剥离-激光诱导击穿光谱(LA-LIBS)技术的研究。其中532 nm的二倍频激光用于剥离样品;1 064 nm的基频激光通过大芯径石英玻璃光纤传输并实现一定的延时后用于击穿被剥离的样品。两束激光采用正交几何配置以实现高空间分辨高灵敏的元素分析。实验研究了1 064 nm激光到光纤的耦合、光纤输出后的准直以及再聚焦时的一些关键技术问题。研究并得出了四种不同光纤对激光能量的传输能力。选择利用芯径为800 μm,数值孔径为0.39、长50 m的石英玻璃光纤成功传输了15 mJ的调Q激光脉冲并实现了250 ns的延时。并在此基础上开展了铜合金样品的双波长LA-LIBS分析,实验验证了基于一台Nd∶YAG激光器开展双波长LA-LIBS研究的可行性。该技术只需要一台激光器就可以完成相应的光谱分析,具有系统结构简单,便于小型化等优点,适合对不同样品开展原位的高空间分辨高灵敏的元素显微分析。     

SESAM实现Nd:YAG激光器被动锁模研究及皮秒脉冲测量

分析了1.06 μm半导体可饱和吸收镜(SESAM)结构及被动锁模基本原理,利用SESAM实现了脉冲式Nd:YAG激光器1.06μm激光的被动锁模,获得了稳定的皮秒激光脉冲序列输出,脉冲序列的能量为45mJ.实验上还研究了腔长对SESAM锁模效果的影响.提出一种基于迈克耳逊干涉仪的皮秒光脉冲测量方法--二次谐波自相关单次测量法,分析这种测量方法的原理并构建实验装置对SESAM被动锁模Nd:YAG激光器的皮秒激光脉冲进行测量,测得激光脉冲宽度为43.6 ps.二次谐波单次测量法具有精度较高,操作简单等优点.     

银饰品中铜杂质含量的激光剥离—激光诱导击穿光谱定量分析

正交双波长双脉冲的激光剥离—激光诱导击穿光谱技术能够在较少样品烧蚀的前提下获得高的光谱分析灵敏度,因此该技术可以从根本上解决在单脉冲激光诱导击穿光谱技术中空间分辨本领与光谱分析灵敏度之间的矛盾。为了消除在该光谱技术中的实验参数对光谱信号强度及其定量分析结果的影响,实验研究了银饰品中杂质铜的光谱信号与银元素的光谱信号的相关性。研究结果表明：324.75 nm的铜原子辐射线与328.07 nm的银原子辐射线的强度呈很高的线性相关性,因此选择以银328.07 nm的光谱线作为内标线,采用内标法就可以消除双光束激光的空间几何配置以及剥离激光脉冲能量等实验参数对铜原子辐射信号的影响,从而可以采用正交双波长双脉冲激光剥离——激光诱导击穿光谱技术开展银饰品中铜杂质含量的定量分析。选择银328.07 nm的光谱线作为内标线,基于内标法建立了铜的校正曲线。当激光烧蚀坑洞直径约为17 μm时, 当前实验条件下银饰品中铜元素的检出限可以达到44 ppm。     

基于1064nm光纤皮秒种子源的Nd:YAG再生放大器

利用Nd:YAG再生放大器,对1064 nm掺镱锁模全光纤激光器输出的皮秒脉冲进行了功率放大.研究分析了掺镱锁模全光纤激光器输出脉冲对Nd:YAG再生放大器能量提取效率的影响,通过对掺镱锁模全光纤激光器自相位调制的控制,减少了输出光谱的振荡结构,提高了掺镱锁模全光纤激光器对Nd:YAG再生放大器的能量提取效率,实现了对锁模全光纤激光器输出的中心波长1064.4 nm,3 dB光谱宽度0.35 nm、脉宽11 ps、单脉冲能量为3.2 nJ、频率为38 MHz的锁模脉冲的再生放大,得到输出重复频率为1 kHz,最大的单脉冲能量为1.3 mJ的皮秒脉冲.     

合金钢的激光诱导击穿光谱实验条件优化

利用1 064 nm波长Nd∶YAG脉冲激光诱导击穿合金钢产生激光等离子体光谱,采用高分辨率及门宽控制的ICCD探测LIBS信号光谱。选用铁元素原子谱线404.581,414.387,427.176和438.355 nm进行分析,研究了不同实验参数对LIBS光谱信号强度的影响结果。实验结果表明,激光脉冲能量、激光聚焦位置以及ICCD探测器的延时等实验参数对合金钢LIBS信号有较大影响。通过优化这些实验参数,获得高光谱强度和信背比的LIBS信号,确定了LIBS技术用于合金钢微量元素成分分析的最佳实验条件,从而开展合金钢样品成分分析。     

利用激光诱导击穿光谱对铝合金成分进行多元素同时定量分析

利用激光诱导击穿光谱定量分析了铝合金中多种元素的成分。采用Nd∶YAG脉冲激光器,在空气环境下烧蚀铝合金固体样品获得等离子体。利用多通道光栅光谱仪和CCD检测器对200～980 nm波长范围的光谱进行同时检测。研究了检测时延、激光脉冲能量、元素深度分布对光谱强度的影响,考虑这些因素之后对实验参数进行了优化。在优化的实验参数下对国家标准铝合金样品中的八种元素Si,Fe,Cu,Mn,Mg,Zn,Sn及Ni进行了定标,并利用定标曲线对一种铝合金样品进行了定量分析。实验结果表明,测量结果的相对标准偏差(RSD)最大为5.89%,相对误差在-20.99%～15%范围内,说明对铝合金样品成分进行定量分析,激光诱导击穿光谱是一种有效的光谱分析工具,但是分析结果的准确度仍需要提高。     

用于原子能级结构研究的激光共振电离光谱系统

激光共振电离光谱技术是一种利用一路或多路激光将待测原子选择性共振激发与电离,通过测量离子信号来研究原子能级结构的光谱技术。研建了一套激光共振电离光谱装置,用于原子高激发态能级结构参数的测量。分别从该装置的总体结构、关键技术和应用实例等方面进行了详细介绍。该套装置主要包括高调谐精度的染料激光器系统、高效的激光离子源系统和高分辨率的飞行时间质量分析器。染料激光器系统包括3台多纵模可调谐染料激光器和1台单纵模可调谐染料激光器,均为脉冲工作方式,重复频率为10 kHz,泵浦源均为532 nm的Nd∶YAG固体激光器。激光离子源系统包括原子化源、激光与原子相互作用区和离子光学透镜组三部分组成,样品在原子化源中被电加热实现原子化,喷射出的原子被激光选择性激发、电离,产生的离子被离子传输透镜整形成能量分散小、束窄的离子束。飞行时间质量分析器采用了反射式结构设计、脉冲垂直推斥技术和偏转板调节技术。利用此装置,实验测定了U原子的自电离态光谱,获得了U原子一条较佳的三色三光子共振电离路径,对应激光的波长分别为591.7,565.0和632.4 nm。此系统还可用于测量同位素位移和原子超精细结构等参数。另外,由于此系统中联用了质量分析器,因此可用于样品多元素分析、痕量元素分析、同位素丰度分析。     

发射光谱法研究纳秒激光烧蚀硅等离子体特性

利用调Q Nd3+∶YAG激光器三倍频355 nm激光脉冲烧蚀空气环境的硅样品,观测不同脉冲激光能量下产生的等离子体在380～420 nm范围内的时间-空间分辨等离子体发射光谱,观测到在等离子体羽膨胀初期存在N+发射光谱。在局域热力学平衡近似条件下,根据时间-空间分辨等离子体发射光谱计算得到等离子羽体电子温度和电子密度随时间延时存在二次指数衰减变化,等离子体羽体电子温度和电子密度的空间分布近似呈Lorentz分布,发现在确定激光脉冲能量下电子密度空间分布最大值偏离光谱强度最大空间位置并对产生原因进行分析,探讨了等离子体羽参数与激光脉冲能量的关系。     

国产掺Nd3+透明薄片陶瓷的光学性能研究

研究了国产透明陶瓷Nd∶YAG和Nd∶YSAG的光学和激光性能.介绍了透明陶瓷Nd∶YAG和Nd∶YSAG的制作方法及其光谱性能,报道了相应的激光实验结果.对于Nd∶YAG薄片激光器,得到了中心波长1 064.2 nm,半高全宽为0.89 nm的激光输出,泵浦阈值功率0.267 W,最大激光输出功率0.319 W.对于Nd∶YSAG薄片激光器,由于荧光寿命比较长,可实现高掺杂,输出激光的中心波长为1 063.8 nm,半高全宽为1.6 nm,最大激光输出功率为0.356 W,斜率效率达23.2％,结果证明国产Nd∶YSAG陶瓷适用于短脉冲薄片激光器.     

Ce3+∶LiCaAlF6紫外激光器的研究

报道了利用Nd∶YAG四倍频266 nm脉冲激光端面泵浦Ce∶LiCAF晶体，采用平凹谐振腔，输出296 nm波长紫外激光.当输出镜透过率为20％，入射泵浦能量为13.5 mJ时，获得最大输出激光脉冲能量为270 μJ，脉冲宽度为3.4 ns，输出激光峰值功率为79.4 kW，光－光转换效率为2%，斜效率为1.6％.     

Effects of pulse energy ratios on plasma characteristics of dual-pulse fiber-optic laser-induced breakdown spectroscopy

Laser-induced plasmas of dual-pulse fiber-optic laser-induced breakdown spectroscopy with different pulse energy ratios are studied by using the optical emission spectroscopy(OES)and fast imaging.The energy of the two laser pulses is independently adjusted within 0–30 m J with the total energy fixed at 30 m J.The inter-pulse delay remains 450 ns constantly.As the energy share of the first pulse increases,a similar bimodal variation trend of line intensities is observed.The two peaks are obtained at the point where the first pulse is half or twice of the second one,and the maximum spectral enhancement is at the first peak.The bimodal variation trend is induced by the change in the dominated mechanism of dual-pulse excitation with the trough between the two peaks caused by the weak coupling between the two mechanisms.By increasing the first pulse energy,there is a transition from the ablation enhancement dominance near the first peak to the plasma reheating dominance near the second peak.The calculations of plasma temperature and electron number density are consistent with the bimodal trend,which have the values of 17024.47 K,2.75×10¹⁷cm;and 12215.93 K,1.17×10¹⁷cm;at a time delay of 550 ns.In addition,the difference between the two peaks decreases with time delay.With the increase in the first pulse energy share,the plasma morphology undergoes a transformation from hemispherical to shiny-dot and to oblate-cylinder structure during the second laser irradiation from the recorded images by using an intensified charge-coupled device(ICCD)camera.Correspondingly,the peak expansion distance of the plasma front first decreases significantly from 1.99 mm in the single-pulse case to 1.34 mm at 12/18(dominated by ablation enhancement)and then increases slightly with increasing the plasma reheating effect.The variations in plasma dynamics verify that the change of pulse energy ratios leads to a transformation in the dual-pulse excitation mechanism.     

Capillary discharge tabletop soft X-ray lasers reach new wavelengths and applications

For many years, researchers have envisioned the development of compact high repetition rate tabletop soft X-ray lasers that could be routinely used in application in numerous disciplines. With demonstrated average powers of several mW and mJ-level pulse energy at 46.9 nm, capillary discharge-pumped lasers are the first compact lasers to reach this goal. In this paper we summarize the development status of high repetition rate tabletop soft X-ray lasers based on capillary discharge excitation, and give examples of their successful use in several applications. Results of the use of a capillary discharge pumped 46.9 nm laser in dense plasma interferometry, soft X-ray reflectometry for the determination of optical constants, and laser ablation are described. The observation of lasing at 53 nm line in Ne-like Cl with output pulse energy up to 10 μJ is also reported.     

准分子激光取样与电感耦合等离子体质谱和光谱联用分析仪器研究进展

将准分子激光剥蚀取样后的产物经由电感耦合等离子质谱与光谱分析,从而获得被激光剥蚀样品的元素与同位素含量信息,是迄今为止适应于表面原位微区分析最为重要的分析科学技术手段之一.基于准分子激光剥蚀取样技术分别与电感耦合等离子体质谱或发射光谱技术联用的分析手段,已经被广泛应用于地质学、材料学、环境科学,甚至生命科学领域的原位微...     

激光诱导击穿光谱定量分析玉石中的Mg,Fe和Ca

基于对样品进行的激光诱导击穿光谱和X射线荧光光谱分析测试建立了天然玉石中主要元素Mg,Ca和微量元素Fe的定标曲线。实验采用纳秒级的Nd∶YAG激光器(波长:1 064nm)为光源,在延迟时间为3μs,激光脉冲累积数量为110,单个脉冲能量为100mJ,脉冲重复频率为10Hz的实验条件下,采用激光诱导击穿光谱技术装置对天然南阳独山玉石样品中的元素进行等离子体激发测试,得到波长在300~1 000nm的等离子光谱图。通过将得到的光谱图中特征峰与美国国家标准与技术研究院数据库进行对比,发现测试样品中含有Mg,Fe和Ca等元素,以X射线荧光光谱分析技术对四种南阳独山玉标准样品中测量出的Mg,Fe和Ca元素氧化物含量作为标准数据,选取含量比较高的Al元素作为内标元素,采用内标法对玉石光谱图中Mg,Fe和Ca元素特征峰值进行线性拟合,从而得出Mg,Fe和Ca三种元素的定标曲线,求出待测样品中这3种元素氧化物的含量,结果表明这三种元素氧化物的含量与中国珠宝宝石收藏鉴赏全集资料中所给出的元素氧化物含量的百分比范围MgO(0.28%~1.73%),Fe2O3(0~0.8%),CaO(18%~20%)相符合,相比于常用的方法,激光诱导击穿光谱技术可以快速地对待测样品进行检测,样品预处理简单且对样品损害较小。进一步验证了激光诱导击穿光谱技术对于玉石应用的可行性。     

Soft picosecond X-ray laser nanomodification of gold and aluminum surfaces

Experimental and theoretical investigations of aluminum (Al) and gold (Au) surface modification by soft X-ray laser pulse are presented. Well-polished samples of Al and Au are irradiated by ps-duration pulse with wavelength of 13.9 nm at the energy range of 24–72 nJ. Differences in the melting and the ablation processes for those materials are observed. It is shown that at low laser pulse energy, the nanoscale ripples on the surface may be induced by melting without following ablation. In that case, the nanoscale changes in the surface are caused by splash of molten metal under gradient of fluence. At higher laser pulse energy, the ablation process occurs and craters are formed on the surface. However, the melting determines the size of the modified surface at all ranges of the laser energies. For interpretation of experimental results, the atomistic simulations of melting and ablation processes in Al and Au are provided. The calculated threshold fluencies for melting and ablation are well consistent with measured ones.     

激光感生击穿光谱技术（LIBS）的原理及影响因素

激光感生击穿光谱技术（LIBS）具有不需制备样品,快速分析,可进行实时控制的特点显示了巨大实际应用价值,文中介绍了激光感生击穿光谱技术（LIBS）的发展历史、研究现状及其原理。同时通过重复频率为20 Hz,最高单脉冲能量为50　mJ的纳秒激光（10 ns,1　064 nm）研究了在不同激发条件下Cr和Co薄膜产生的光谱信号。得出对于Cr膜当激发能量小于10 mJ时,信号差异不明显。但是当激发能量超过10　mJ时将产生明显的变化。分析了激光特性、延迟时间、实验装置、环境气体的种类及压力、单/双脉冲、以及采用的理论分析方法对LIBS探测结果的影响。     

Dual-pulse laser-induced breakdown spectrometry of bronze alloys and coatings

The possibilities of using dual-pulse laser atomic-emission spectroscopy for both the estimation of elemental concentrations in bronzes and layer-by-layer analysis of a bronze coating on steel bead wire have been examined. Two methods have been proposed to lower the radiation flux density q in studies of thin metallic layers. These were based respectively on using optical filters and defocusing the radiation with respect to a sample surface. It has been found that the decrease of q results in reducing the influence of tin on copper evaporation under dual-pulse laser irradiation.     

激光诱导击穿光谱技术对土壤中重金属元素Cr的定量分析

为促进LIBS技术在土壤微量重金属元素检测中的应用,提高特征谱线的光谱强度和信背比,对实验参数进行优化,并对Cr元素进行分析。首先对激光器激发能量、样品距透镜距离和光谱仪采集延时等实验参数进行优化。对比激光器能量从60 mJ到110 mJ的谱线强度和信背比,当选用90 mJ的激发能量时可以得到最佳实验结果。其次,选择不同样品到透镜的距离,对比从焦前5 mm到焦后5 mm得到的实验结果,得出样品与透镜距离为焦后1 mm（即聚焦位置121 mm）时,Cr元素的特征谱线和信背比达到最佳。最后,分析对比光谱仪采集延时对谱线强度和信背比的影响,结果显示,与能量对等离子辐射强度的影响趋势大致相同,当采集延时为1 000 ns时,实验结果最佳。在最佳实验条件下（即激光器能量90 mJ、聚焦位置121 mm、采集延时1 000 ns）,对12种含有重金属Cr元素的土壤样品进行了光谱检测,为减弱外界环境的干扰,对同一样品的10个激光烧蚀位置得到的光谱做平均值预处理,选择Cr(Ⅰ)357.86 nm,Cr(Ⅰ)425.44 nm,Cr(Ⅰ)427.49 nm为特征谱线,通过建立样品掺杂浓度和光谱强度的定标曲线,得到了三条谱线的检测限LOD分别为74.62,64.07和67.49 mg·kg-1,拟合优度值R2分别为0.98,0.97和0.99,均方根误差值RMSE分别为0.41,0.33和0.35。同时,引入偏最小二乘法及支持向量机算法进一步提高了定标模型精度。研究表明,通过对实验参数进行优化及改善LIBS技术对微量元素的定量探测参数,得到了最优的光谱强度和信背比,并通过对Cr元素进行定量分析,计算定标曲线的Lorenz拟合得到检测限、拟合优度和均方根误差等实验参数,提高了LIBS对土壤中重金属元素的检测精度,这对于利用LIBS技术检测微量重金属元素具有重要的参考意义。