一种多元非线性模型在激光诱导击穿光谱定量分析中的应用

现有的激光诱导击穿光谱定量分析模型大多是基于激光诱导等离子体处于局部热平衡这一假设,而实际上等离子体只是在有限的时间、空间内近似处于热平衡状态。非热平衡状态下各个能级上的粒子布居数不服从玻尔兹曼分布,故用某一能级的单一谱线做定量分析会带来一定误差。考虑到等离子体的非热平衡状态,提出了一种多元非线性定量分析模型,该模型充分利用了待分析粒子的不同上能级对应的多条跃迁谱线信息,能够有效减小信号不稳定对定量分析结果的影响。利用此模型和建立在等离子体局部热平衡假设上的单谱线内标模型分别对30块钢铁样品中Mn元素的含量进行定量分析对比,对比结果表明,多元非线性模型的测量准确性和重复性均优于单谱线内标模型。     

利用激光诱导击穿光谱分析土壤成份

 搭建了一套激光诱导击穿光谱实验装置,并通过配置特定样品,开展了一系列激光诱导击穿光谱探测实验。根据含有不同质量分数的同种元素样品的激光诱导击穿光谱实验结果,获得元素质量分数与谱线强度的关系曲线(定标曲线)。对中南民族大学附近的土壤进行激光诱导击穿光谱实验,发现土壤中含有Mg,Ca,Na等18种元素,对河南云台山茱萸峰岩石的激光诱导击穿光谱实验结果仅获得Fe,Mg,Ca 3种金属元素。比较这2种实际样品的激光诱导击穿光谱结果表明,检测样品的物理结构影响激光诱导光谱的实验结果。     

1064 nm Nd:YAG激光诱导铁等离子体特征参数的研究

利用1064 nm Nd:YAG激光器研究了激光诱导铁条等离子体的特征参数。为了减小测量误差和谱线自发辐射跃迁几率不确定性带来的计算误差,采用改进的迭代Boltzmann方法精确求解铁等离子体的电子温度为8058 K。Lorentz函数拟合Fe I 376.553 nm得到等离子体的电子数密度为8.71017 cm-3。分析表明等离子体的加热机制主要是逆轫致过程,其吸收系数是0.14 cm-1。实验数据证实激光诱导铁等离子体处于局部热力学平衡状态和光学薄状态。     

采用激光诱导击穿光谱技术探测等离子体温度

阐述了激光诱导击穿技术的基本原理，研究了激光诱导击穿光谱技术在探测等离子体温度方面的应用，并进行了实验研究。在等离子体达到局部热平衡时，通过探测Cu的等离子体特征谱线相对强度的方法，达到用激光诱导击穿光谱技术探测等离子体温度的目的。实验结果表明，该方法方便、快捷，具有一定的实际应用价值。     

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。     

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.     

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.     

基于发射光谱法锡等离子体特征参数的求解研究

利用调QNd:YAG 1064 nm激光器诱导产生锡等离子体,基于9条锡发射谱线,构建二维玻尔兹曼图,得到锡等离子体电子温度5063 K,利用洛伦兹函数拟合锡发射谱线Sn(I) 228.66 nm,得到锡等离子体电子密度3.8×10¹⁷ cm^-3,结果证实激光诱导的锡等离子体处于热力学平衡状态.     

激光诱导击穿光谱对四种香的快速检测

激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy)作为一种极具前景的分析和测量技术应用日益广泛。对四种香(艾草香、藏香、檀香、沉香)样品进行了激光等离子体光谱测量和分析, 得到了样品中元素的成分;并且对四种香样品中的Cu,Mn,Ca和Fe四种金属元素典型谱线的强度进行了统计分析和元素含量的对比。基于等离子体的局域热动力学的平衡模型, 计算了Ca元素的等离子体温度。实验结果为采用激光诱导击穿光谱对香品成分进行快速检测和分析的可行性提供了依据。     

杨树叶片的飞秒等离子体丝诱导击穿光谱研究

开展了杨树叶片的飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱研究, 定性比较分析了长春市区的第一汽车厂、火车站、净月潭公园及长春理工大学四个地理区域的杨树叶片中重金属元素Ca, Fe和Cr. 实验结果表明, 通过分析杨树叶片中Ca Ⅱ 393.37 nm和Fe Ⅰ 422.87 nm光谱谱线可知叶茎中Ca和Fe元素浓度均高于叶肉. 比较长春四个地理区域的杨树叶的飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱, 发现汽车厂附近的杨树叶内重金属Ca, Fe和Cr 元素浓度最高, 净月公园的杨树叶重金属浓度最低. 由于飞秒激光等离子体丝光强度的“光学钳箍”效应, 对于杨树叶片这种表面不平整样品, 仍可获得稳定性较好的等离子体光谱. 飞秒激光等离子体丝诱导光谱技术有望在环境污染在线检测具有广泛的潜在应用.     

Evaluation of plasma produced by first and second harmonic nano-second laser for enhancing the capability of laser induced breakdown spectroscopy technique

Evaluation of plasmas produced and optimized for improving the capability of convenential laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) for analytical purposes of solid samples is the main goal of the present work. The plasma produced in the present study was generated by focusing a single nano-second Nd:YAG laser at the fundamental wavelength of 1064 nm and at the second harmonic wavelength of 532 nm on an Al target in air at atmospheric pressure. The emission spectrum was recorded time resolved over the whole UV-NIR (200–1000 nm) spectral range. This work describes an extension of previously reported studies and focuses now on the determination of the plasma parameters at the optimum condition – highest signal-to-noise ratio (SNR) and minimum limit of detection (LOD) — of the LIBS technique, which is now widely applied to the elemental analysis of materials in atmospheric air. Parameters of the produced plasma in the time interval from 0 to 10 μs are determined for to further understanding the LIBS plasma dynamics. O I and Mn I spectral lines are used in the present work as thermometric lines for the determination of the plasma temperature based on Boltzmann plots. Stark broadening of lines yields the electron density. The widths of the H _α -line at 656.27 nm, of the O I line at 844.65 nm, of Al II lines at 281.65 nm and 466.30 nm and of the Si I line at 288.15 nm has been utilized for that. The plasma temperature ranged from 0.73 eV to around 1 eV for the different laser energies with both laser wavelengths for the optimized plasma used for LIBS analysis. This temperature is very close to that well known for the other spectrochemical analytical techniques or in excitation sources such as inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES).     

激光等离子体温度时间演化特性

 用脉冲CO₂激光的10.6 μm光束击穿空气产生等离子体,使用光谱仪和ICCD采集等离子体辐射光谱,在局部热力学平衡近似下,利用相对谱线强度法对激光等离子体温度进行了计算。当激光器单脉冲能量为35 J时,选择NⅡ399.5 nm和NⅡ500.5 nm两条线状谱的相对谱线强度计算了不同延迟时间下等离子体温度。实验结果表明:在等离子体的不同位置,等离子体温度均随时间经历了明显的上升到饱和再到下降的过程,等离子体前沿的温度最先达到饱和,距离靶面最近的位置温度达到饱和所需时间最长。     

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。     

Study on quantitative analysis of slag based on spectral normalization of laser-induced plasma image

To reduce the influence of laser-induced breakdown spectroscopy （LIBS） experimental parameter fluctuations to quantitative analysis of slag components, a normalization method using integral intensity of plasma image was proposed and a series of experiments with slag samples were performed. Mg II 279.55 nm, Ca II 396.85 and Ca I 422.67 nm were selected as analytical lines, and analytical curves of reference mass fractions versus spectral line intensities were established. With the incre- ment of set threshold for edge extraction of plasma image, the determination coefficients and relative standard deviations of analytical curves were improved gradually and reached the optimmn values when the threshold was equal to 10 000. Comparing with the results without normalization and normalized by whole spectrum area, the relativity between spectral line intensity and mass fraction can be enhanced etfieiently after normalized by integral intensity of plasma image. The verification experiments with Ti alloy samples further confirmed the conclusions mentioned above.     

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。     

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.     

背景扣除和强度校正对激光诱导等离子体光谱参数的影响

激光诱导击穿光谱技术以其无需样品预处理、分析速度快、能实现多元素同时检测和远程分析等优点已经被广泛应用于诸多领域的物质成分定性或定量分析。该技术的理论基础是激光诱导等离子体。对等离子体光谱参数(如光谱谱线强度、等离子体温度等)的准确测量是利用该技术进行定性或定量分析的前提条件。实际的实验系统中,由于仪器本身固有的性能限制,会造成采集光谱信号的失真,从而限制等离子体光谱参数的精确测量或计算。为了克服仪器固有性能的影响,分析了实验系统所用中阶梯光栅光谱仪和传输光纤的固有性能缺点对光谱信号背景噪声和元素谱线绝对强度的影响,然后采用剥峰法对光谱信号中存在的锯齿状背景噪声进行扣除,利用辐射定标光源的标准光谱数据对谱线绝对强度进行校正,并对比了背景扣除和强度校正对等离子体谱线强度和等离子体温度的影响,实验表明谱线强度校正对合金钢等离子体380 nm以下的光谱信号具有较大影响,通过背景扣除和强度校正后,等离子体温度由13 401.75 K降低至8 980.72 K,玻尔兹曼平面法求解等离子体温度的拟合决定系数由0.60提高至0.91。因此在光谱数据处理之前对测量光谱进行背景扣除和强度校正是十分必要的,为提供可靠地光谱数据进行物质成分定性或定量分析奠定了基础。     

应用激光诱导击穿光谱检测污水溶液中的砷

工业冶炼过程中产生的废水中含有As等重金属元素,对环境造成污染并对人类身体健康形成危害,有必要对其进行实时、在线的监测。激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种新型的元素测量技术,具有快速检测等优点。文章作者搭建了一套激光诱导击穿光谱实验装置,采用Nd∶YAG激光器产生的脉冲激光击穿样品产生等离子体,其发射的光谱被中阶梯光栅光谱仪分光,并用ICCD进行光电探测。对从现场采集的含砷工业废水开展了LIBS探测实验,并定性分析出了As元素的特征谱线。根据一系列含As浓度不同的污水样品的LIBS实验结果,获得元素浓度与谱线强度的关系曲线(定标曲线)。采用定标曲线可以对未知含As浓度的工业废水进行定量分析。结果表明,采用LIBS方法能够实现对污水溶液中的As元素的快速检测,具有广泛的应用前景。     

The validity of commercial LIBS for quantitative analysis of brass alloy — comparison of WDXRF and AAS

Commercial low-cost laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been successfully employed for the quantitative analysis of a Cu-based alloy using a Nd:YAG laser at 1064 nm. The main aim of the present investigation is to explore the benefits of a commercial low-cost LIBS setup. It was recognized that some trace elements such as Al and S could not be detected by LIBS even with a high-resolution spectrometer. The main difficulties in quantifying Cu as a basic component of a brass alloy are related to the self-absorption of Cu spectral lines, with the effect complicated at Cu concentrations higher than 65%. However, few Cu lines such as that at 330.795 nm would be helpful to use due to their lower susceptibility to self-absorption. LIBS, flame atomic absorption spectrometry (FAAS), and wavelength dispersive X-ray fluorescence (WDXRF) were compared for the detection of major and trace metals in the Cu-based alloy. In the case of WDXRF, the brass samples were identified by using a standardless quantitative analysis program depending on a fundamental parameter approach. The quantitative analysis results were acceptable for most of the major and minor elements of the brass sample. Therefore, commercial low cost LIBS would be useful for quantitative analysis of most elements in different types of alloys.     

利用激光诱导击穿光谱原位在线检测褐煤及煤烟

褐煤是我国现阶段的主要用煤,但因为其较低的煤化程度,使用时会产生污染环境的二氧化碳和黑灰,而且烟尘中含有的金属离子会危害人体健康,所以开展对褐煤烟尘的研究非常有意义。而激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有快速、多元素同时分析的特点,适合用于煤烟的原位在线探测。实验制备了含铅浓度不同的三种褐煤样本(O, H, L),其中O为原始无铅样本,利用LIBS对褐煤及煤烟进行原位在线探测。实验仪器主要由激光器,反射镜,聚焦透镜,触发装置,载物平台和分析系统组成。用高纯度铅块校准实验中的的波长漂移。分析了褐煤样本O, H, L的元素成分。发现褐煤O中含有C, Si, Fe, Mg, Al, Ca, Sr, Na等元素,同时检测到空气中的元素N,O,H_α和H_β等,且含铅褐煤光谱中多出了8条铅元素的谱线,最后给出了褐煤中主要元素的光谱鉴别表。然后使用447 nm的连续光点燃褐煤,将1 064 nm的脉冲光聚焦在煤烟上,对褐煤煤烟进行了原位在线检测。发现煤烟中含有Mg, Ca, Al, Sr, Pb等金属离子,说明了褐煤中的一些金属离子会随着煤烟排放到空气中并危害人体健康。经褐煤及煤烟的光谱比较,发现煤烟的信噪比更差,且所有元素的谱线强度都比在褐煤中弱很多,另外发现在烟尘中碳原子谱线的相对强度是所有元素中最高的（无明火）,这说明LIBS可以有效探测CO₂。分析了实验中的CN分子谱,给出了CN分子的具体波长,并利用LIFBASE软件拟合了CN分子的转动温度和振动温度,分别为6 780和7 520 K。最后对样本H和L两种煤烟中的铅浓度进行分析,选取参考线(Ca Ⅱ 363.846 nm)归一化之后比较了铅元素在363.956, 368.346和405.780 nm处的相对强度,发现这三条特征谱线的相对强度与自身实际所含的铅浓度呈很好的线性关系,验证了LIBS技术应用于煤烟中重金属元素半定量分析的可行性。