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。     

用激光诱导击穿光谱测量铝合金的激光烧蚀阈值

采用正交几何配置的双波长双脉冲激光烧蚀-激光诱导击穿光谱技术准确测量了铝合金样品的激光烧蚀阈值。在烧蚀激光波长为532 nm、脉宽为12 ns并采用焦距为2 cm的非球面透镜强聚焦的条件下,得到铝合金的激光能量烧蚀阈值为48 J,等效的能量密度烧蚀阈值为9.8 J/cm2。该技术是一种新的激光烧蚀阈值的光谱测量手段,与传统的测量技术相比,具有高灵敏、准确、快捷和便利的特点,可以用于不同材料的激光烧蚀阈值的准确测量。     

用高重频激光剥离-火花诱导击穿光谱分析铝合金样品

为了提高基于等离子体原子发射光谱元素分析技术的分析速度,在高重复频率的前提下建立了一套激光剥离-火花诱导击穿光谱元素分析系统并以铝合金为样品开展了光谱分析。实验以低脉冲能量的声光调Q固体激光脉冲剥离样品,并触发高压火花放电以增强等离子体辐射、提高光谱分析灵敏度。研究结果表明： 在高重频火花放电的作用下,等离子体辐射的峰值强度和弛豫时间分别得到了增强和延长,信号的时间积分强度增强因子可以达到1～2个数量级,且更易于实现时间分辨的信号检测。对铝合金中微量铬元素分析的检出限可达~132 ppm。该研究验证了高重频激光剥离-火花诱导击穿光谱用于分析固体样品元素的可行性,其技术有望在固体样品元素的快速分析中发挥一定的作用。该光谱技术能同时兼顾扫描成像的速度、空间分辨率和光谱分析灵敏度,并为固体样品的二维或者三维元素分布的高分辨快速扫描成像分析提供了一种很好的技术途径。     

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。     

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     

Ni原子双飞秒脉冲激光诱导击穿光谱的信号增强研究

在大气环境下采用波长为800nm,脉宽为30fs的飞秒激光研究了Ni的双脉冲激光诱导击穿光谱,与单飞秒脉冲激光诱导击穿光谱相比,双飞秒脉冲在最优的双脉冲相对延时下,其信号强度增强接近10倍,实验研究了双脉冲相对延时在0-1300ps范围内不同延时对激光诱导击穿光谱信号强度增强因子的影响。整个相对延时区域可以分为三个阶段：在0-50ps区域内信号增强因子是一个持续增大的过程,在50ps左右,达到一个最大值;在50-300ps区域内,信号增强因子呈现出一个先下降后上升的过程;在300-1300ps,信号增强因子基本保持不变。     

基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术研究进展

激光诱导击穿光谱技术是一种新型的原子光谱分析技术,具有实时快速、 多元素同时分析和样品预处理简单等特点,从一出现便受到研究人员的广泛关注,但分析灵敏度差一直是限制该技术发展的重要因素。基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术将原子荧光光谱技术和激光诱导击穿光谱技术结合,对目标元素进行选择性激发,可以大幅提高激光诱导击穿光谱技术的分析灵敏度,极大地拓展了LIBS技术在痕量元素检测领域的应用。本文综述了基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术的研究进展,介绍了激光诱导等离子体中荧光光谱的产生过程以及基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术的基本类型和基础原理,详细分析了烧蚀激光能量、 共振激发激光能量和波长、 烧蚀激光和共振激发激光之间的延时以及光谱采集门宽对光谱增强效果的影响,阐述了其在冶金、 环境监测、 同位素检测等领域的应用现状和存在的问题,并对其未来发展前景进行了展望。     

Ni原子双飞秒脉冲激光诱导击穿光谱的信号增强研究

在大气环境下采用波长为800nm,脉宽为30fs的飞秒激光研究了Ni的双脉冲激光诱导击穿光谱,与单飞秒脉冲激光诱导击穿光谱相比,双飞秒脉冲在最优的双脉冲相对延时下,其信号强度增强接近10倍,实验研究了双脉冲相对延时在0-1300ps范围内不同延时对激光诱导击穿光谱信号强度增强因子的影响。整个相对延时区域可以分为三个阶段：在0-50ps区域内信号增强因子是一个持续增大的过程,在50ps左右,达到一个最大值;在50-300ps区域内,信号增强因子呈现出一个先下降后上升的过程;在300-1300ps,信号增强因子基本保持不变。     

黄连、附片和茯苓内铜元素激光诱导击穿光谱分析

为了验证激光诱导击穿光谱技术对中药内重金属铜元素检测的可行性,以黄连、附片、茯苓作为检测对象,分别为其配制了一系列浓度不同的含铜样品。采用1 064 nm的纳秒脉冲激光器作为激发光源,八通道光谱仪进行光谱采集。选用Cu 324.7 nm作为特征谱线进行分析,实验确定最佳延迟时间为0.5μs。根据黄连、附片、茯苓的不同基体情况分别选取适当内标参量进行定量分析,所得线性拟合度分别为0.986,0.931,0.975,并与直接定标所得结果进行了对比。实验结果表明,内标法可提升拟合精度,激光诱导击穿光谱技术可用于中药重金属铜元素污染的快速检测。     

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。     

Laser ablation of powdered samples and analysis by means of laser-induced breakdown spectroscopy

The presented work proves the capacities of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) as a fast, universal, and versatile technique for analysis of complex materials as ceramics. This paper reports on the analysis of ceramic raw materials (brick clays and kaolin) submitted to laser ablation in the form of pressed pellets. Spectrographic study was provided by standard single-pulse LIBS technique and orthogonal reheating double-pulse LIBS. It was found that both methods are comparable in terms of analytical performance, if adequate experimental parameters and signal detection systems are used.     

Double-pulse neodymium YAG/Carbon dioxide laser-induced breakdown spectroscopy for excitation of bulk and trace analytes

The mechanisms involved in signal enhancement and persistence of the plasma in double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy are investigated, and their implications to improving figures of merit for bulk and trace analytes in sample are discussed. For double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy, 1064 nm neodymium YAG laser is used for ablation and 10.6 µm transversely excited atmospheric carbon dioxide laser in near-collinear geometry is used for reheating. Significant improvement in signal detection and sensitivity of both bulk and trace analytes using double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy as compared to conventional single-pulse laser-induced breakdown spectroscopy are observed. Using double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy in near-collinear geometry, Cu and Fe as bulk and trace analytes, respectively, in brass sample, showed 5 and 6 times improvement in persistence of the spectral emission. Temporal and time-integrated studies show that ionic lines are significantly enhanced compared to neutral lines. Plasma characterization employing spectroscopic methods showed significant enhancement in plasma temperature resulting in higher signal as well as increased plasma persistence of the species studied.     

Effect of parameters on Si plasma emission in collinear double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy

Collinear dual-pulse laser-induced breakdown spectroscopy was carried out on Si crystal by using a pair of nanosecond Nd:YAG laser sources emitting at 1064 nm. The spectral intensities and signalto-noise ratios of selected Si atomic and ionic lines were used to evaluate the optical emission. The optical emission intensity was recorded while varying the interpulse delay time and energy ratio of the two pulsed lasers. The effects of the data acquisition delay time on the line intensity and signal-to-noise ratio have been investigated as well. Based on the results, the optimal interpulse delay time, energy ratio of the two pulsed lasers, and data acquisition delay time for achieving the maximum atomic and ionic line intensities were found for generation of Si plasma with the collinear dual-pulse laser approach. The dominant mechanism for the observed line intensity variation was also discussed. In addition, the plasma temperature and electron number density at different gate delay times and different interpulse delay times were derived. A significant influence of plasma shielding on the electron temperature and electron number density at shorter interpulse delay times was observed.     

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.     

基于激光诱导击穿光谱技术对钢中Mn和Cr元素的定量分析

采用激光诱导击穿光谱分析技术对钢样中锰、铬两种微量元素的含量进行了测量.实验研究发现,最优取样的延迟时间为2.0μs,最佳激光光束聚焦位置和光谱收集探头分别位于样品表面以下3.5mm和表面以上1.5mm处.以Mn Ⅰ:403.07 nm和Cr Ⅰ:427.48 nm作为分析线,分别采用传统定量分析和内定标的方法对钢样中...     

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。     

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。