532和1 064 nm激光的水下LIBS探测对比研究

海洋是国家可持续发展的战略要地,迫切需要海洋探测技术的快速发展,光谱类的化学传感器由于具有原位、非接触和长期探测的优势日益成为研究热点。为了将激光诱导击穿光谱（LIBS）技术应用于海洋原位探测,采用532和1 064 nm波长激光在能量分别为3和40 mj附近进行烧蚀,对比实验研究了532和1 064 nm激光作用下的LIBS击穿特性,并重点探讨了水下激光传输距离对LIBS信号的影响。结果显示,采用1 064 nm的激光能够获得更高的谱线强度和信背比,以及更长的等离子体寿命,但LIBS信号稳定性较差;受水体对不同波长激光能量衰减不同的影响,在水下传输距离2～5 cm范围内,随着1 064 nm激光能量的衰减LIBS信号衰减也很明显,而位于海水“透射窗口”的532 nm的激光LIBS信号基本保持不变。为今后LIBS海洋原位探测系统的开发提供了有价值的设计依据。     

激光诱导等离子体光谱空间分布特性

激光波长和激光入射角是影响激光诱导等离子体空间分布和光谱强度空间分布特性的重要因素.基于流体动力学和SAHA方程,仿真了激光诱导等离子体的二维空间演化过程,研究了激发等离子体的辐射光谱空间分布特性及激光波长、入射角度等参数对等离子体特征谱线空间分布特性的影响.研究结果表明:波长为1064 nm的激光在不同延时条件下,最佳激光入射角度均为0°.当入射角度为0°时,所激发的等离子体辐射在不同的探测角度处均有较强的光谱信号,且在100,500,1000 ns延时条件下,最佳探测角分别为±41°、±11°和±12°.对于不同的波长,当延时分别为100 ns和500 ns且激光以0°入射时,长波长激光所激发的等离子体光谱在不同探测角处的强度均强于短波长激光.当延时为100 ns时,1064 nm波长激光所激发的光谱在最佳探测角位置的强度约为532 nm和266 nm波长激光所激发的光谱在各自最佳探测角位置强度的2倍.随着探测角绝对值的减小,等离子体辐射光谱强度先增大,到达最佳探测角后强度再减小.入射波长分别为532 nm和1064 nm的激光诱导击穿光谱实验结果验证了仿真结果.     

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。     

金属特性对激光诱导击穿光谱最佳实验参数的影响

采用波长为532nm的单脉冲激光诱导两种金属样品铜和锌，产生等离子光谱，固定激光能量40mJ、门宽100ns、光谱仪入射狭缝0.1mm、ICCD增益100等参数，研究金属样品物理化学特性对汇聚透镜焦点到样品表面距离、ICCD采集延迟等最优化实验参数的影响.实验中分别选取铜样品Cu（I）521.82nm和锌样品Zn（I）481.053nm谱线作为LIBS信号，实验测定的透镜焦点在距样品表面不同距离处的LIBS信号强度，结果表明铜和锌样品的聚焦透镜焦点分别在样品表面内距表面的距离为5mm和5.5mm时得到光谱信号强度最大；铜和锌的ICCD探测延时分别为1300ns和1100ns时等离子体光谱信号的信噪比最大并具有可观测的强度，依据铜和锌样品物理化学特性的差异对实验结果进行了合理的分析与讨论，为后续研究金属样品LIBS技术的基底效应、纳米结构增强激光诱导击穿光谱机理提供数据参考.     

Na_2SO_4溶液激光拉曼/激光诱导击穿光谱联合探测

光谱技术应用于海底极端环境下多参数、多相态、无接触探测已成为深海化学传感器发展的一个重要方向,尤其是水下激光拉曼光谱技术和水下激光诱导击穿光谱技术正成为目前研究开发的热点。该工作旨在探索一项水下激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱(LIBS-LRS)联合探测技术,以实现LIBS和拉曼两种检测技术在检测系统上的整合,在信息获取上的互补。在实验室搭建了一套LIBS-LRS联合探测装置,该装置对于拉曼和LIBS采用同样的激发光源、光谱仪和探测器,前置光路分为两部分:拉曼光路和LIBS光路,分别收集Na_2SO_4溶液的拉曼信号和LIBS信号。前置光路收集的拉曼和LIBS信号由Y型光纤导入光谱仪,分别在面阵CCD不同区域进行探测。利用该装置对配置的Na_2SO_4溶液进行探测,同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号。另外,随着激光能量的提高,在532nm脉冲激光能量超过3.6mJ时,在拉曼光路同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号,这样采用同一光路即可实现两种光谱技术的联合,然而实验发现,随着激光能量的增加,激光在溶液中击穿产生的轫致辐射造成了光谱探测基线整体的抬升,对拉曼光谱弱信号的探测是不利的。实验结果初步证明了在拉曼和LIBS在水下联合探测的可行性。     

激光触发伪火花开关的研究

通过等离子体建模仿真及物理实验结合的方式验证了激光触发伪火花开关的可行性。分别使用波长266 nm和532 nm的激光,对激光触发伪火花开关的最低激光触发能量、阳极着火延迟时间和时间跳动三项参数进行测试。在非聚焦模式下,仅调整激光能量,测得开关在波长266 nm激光触发下,最低触发能量为15 mJ,该触发能量下,阳极着火延迟时间约为340 ns,时间跳动约为40 ns;在波长532 nm激光触发下,最低触发能量为83 mJ,该触发能量下,阳极着火延迟时间约为420 ns,时间跳动约为60 ns。在维持实验平台不变的情况下,仅对入射激光进行聚焦,测得波长266 nm激光触发下,最低触发能量为4 mJ,当触发能量8 mJ时,阳极着火延迟时间190 ns,开关时间跳动小于1 ns;波长532 nm激光触发下,最低触发能量为6 mJ,当激光触发能量为8 mJ时,阳极着火延迟时间240 ns,开关时间跳动小于1 ns。     

激光波长对煤激光诱导击穿光谱特性影响的试验研究

我国电站入炉煤种复杂多变,实时快速获取煤质成分对保障锅炉的安全、高效、低污染运行具有重大意义。将激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于燃煤煤质测量,观测了不同波长激光(355,532和1 064 nm)诱导产生的等离子体时间演变特性和不同电离特性元素的谱线时间特性,对比了出现屏蔽效应时的能量阈值随激光波长的变化特征,并研究了激光波长对煤LIBS光谱特性的影响规律。结果发现：使用532 nm激光作为激发光源时,煤LIBS光谱具有最强的谱线信号强度,且出现等离子体屏蔽效应的能量阈值也较高,是一种较理想的激发光源,为LIBS技术在煤质测量领域的工业应用提供了实验依据。     

不同能量水下激光诱导等离子体的轴向辐射分布特性研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术作为一项新兴的水下原位探测技术,备受海洋探测技术领域的关注。将这项技术推向实用化的关键之一是改善LIBS的远程探测能力,因此需要采用超击穿阈值的高能量探测激光。为观察超击穿阈值情况下的等离子体辐射和动态击穿特性,采用图像与光谱相结合的方法,以KCl溶液为样品进行了系列实验研究。通过对1～20 mJ不同能量激发下的等离子体图像分析,获得了不同激发条件下总辐射的轴向跨度和最亮点位置信息。随激光脉冲能量增大,等离子体长度增加,从1 mJ时的0.49 mm增加到20 mJ时的1.83 mm,同时辐射最亮点位置向激光入射方向移动了0.79 mm。结合光谱探测分析,得出等离子体特征辐射的轴向空间分布也对激光能量有明显的依赖性。虽然不同能量下谱线强度呈相似的轴向空间分布,但钾原子辐射最强处的位置和相应强度均随能量变化,在5 mJ激发下获得最佳辐射强度。实验结果表明,为满足远程LIBS应用需求,提高激光能量时应考虑其对原子辐射的影响。还对不同能量下的谱线的半高宽和信背比进行了观测分析。     

真空条件下不同波长固体激光烧蚀单晶硅的实验研究

通过倍频Nd：YAG固体激光的基波得到波长分别为532、355和266 nm的激光,研究了单晶硅（Si）对不同波长固体激光的吸收规律和3种不同波长激光在真空条件下烧蚀单晶Si的烧蚀特征。结果表明,单晶Si对波长为100~370 nm的紫外激光具有很好的吸收效果;在其他条件相同时,532 nm波长激光烧蚀单晶Si所需最低单脉冲能量（Ep=30 μJ）是355和266 nm波长激光烧蚀单晶Si所需最低单脉冲能量（Ep=15 μJ）的2倍;532、355和266 nm的激光烧蚀单晶Si的烧蚀阈值随着波长的变短而变小。     

液相基质中微量金属元素Pb的激光诱导击穿光谱研究

通过单脉冲激光诱导击穿光谱技术（LIBS）,测定了Pb（NO3）2水溶液中微量重金属元素Pb的LIBS光谱。实验研究溶液中Pb元素的LIBS光谱信号的时间（300ns-1300ns）演化特性,得到了本实验的优化实验条件,光谱探测相对激光的延时为800ns,单脉冲激光能量35mJ。在最佳实验条件下测定Pb微量元素的LIBS定标曲线,计算得到LIBS用于Pb(NO3)2溶液中痕量金属元素分析的检测限为177ppm。     

水下探测用高重频双波段激光器

就水下探测设备要求激光器输出频率高、体积小、波段宽,提出通过侧面泵浦激光技术和电光调Q技术获得高重频1 064 nm波段激光。利用腔外波长变换技术,实现532 nm激光输出。在电源输入电流100 A,调Q驱动频率1 kHz的条件下, 获得36 mJ的1 064 nm激光输出和20 mJ的532 nm激光输出。试验结果表明:通过半导体泵浦技术和频率变换技术,可实现高重频窄脉宽双波段激光输出。     

机载大气探测激光雷达人眼安全分析

 依据美国ANSI标准,模拟计算了0~12 km的高度范围内不同的激光束发散角和不同激光脉冲能量比例的532和1 064 nm激光脉冲人眼安全最大阈值能量。给出两种532和1 064 nm激光脉冲人眼安全最大阈值能量分配方案：(1)激光束发散角为0.3 mrad且532与1 064 nm的激光脉冲最大阈值能量之比为1∶2;（2）激光束发散角为0.4 mrad且532与1 064 nm的激光脉冲最大阈值能量之比为1∶1。分析了用这两种激光脉冲人眼安全最大阈值能量分配方案探测模式大气时所对应的信噪比。分析结果表明：这两种方案既能保证机载激光雷达对模式大气探测时地面人眼安全又能达到探测所要求的信噪比。     

超声波雾化辅助液体样品激光诱导击穿光谱技术研究

受到液体内部复杂环境因素的影响,LIBS技术在针对液体样品的成分检测分析的应用受到很大的制约.文章提出了一种由超声波雾化器件辅助,先将液体雾化成空气中密集的雾状小液滴,然后进行LIBS检测的新方法.并依据此思路实现了一套由超声波雾化器、Nd∶YAG激光器(1 064 nm)和ICCD探测器组成的检测系统.使用该系统对溶解有镁元素的水溶液样品进行了系统实验分析.实验发现,即使在相对较低的脉冲能量(30 mJ)下,该方法诱导的LIBS信号仍具有较长的寿命和较高的信背比.该方法对Mg元素的检测限能够达到0.242 ppm(10-6 g·g-1)量级.同时,文章还利用Ha线对等离子体的电子密度进行了计算,分析了等离子体演化的特点.     

水溶液中金属元素的激光诱导击穿光谱的检测分析

文章对竖直流动的CuSO₄和Pb(NO₃)₂水溶液样品表面的激光诱导击穿光谱的（简称LIBS）特性进行了观测分析。实验中采用的烧蚀激光波长为532 nm,脉冲宽度为10 ns,重复频率为10 Hz;LIBS信号的探测通过一色散相加型双光栅单色仪、Boxcar和PMT的组合来完成。通过对水溶液中金属元素的LIBS信号随时间和能量演化规律的分析,初步确定了系统 的最佳烧蚀能量和最佳探测延时。受样品表面附近空气击穿时氧元素信号的影响,实验对Cu和Pb各自的击穿位置进行了优化。在分析影响LIBS光谱探测因素的基础上,进一步优化了系统的工作条件和探测 参数。通过对不同浓度下LIBS信号的探测分析,初步确定了系统对Cu与Pb的最低检测浓度,分别约为31,50 ppm(μg·mL-1)。文章还对将LIBS技术运用到海水中重金属的实时在线检测的可 行性进行了讨论。     

利用LIBS技术实现钢液中多元素含量检测

在钢铁冶炼中,成分含量检测是保证冶炼质量的关键之一,激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有遥测的特点,非常适合于炉内钢水成分的检测。实验室搭建了一熔融合金LIBS检测实验系统,该系统由 Nd:YAG调Q激光器(重复频率10 Hz,波长1 064 nm,脉冲宽度10 ns,单脉冲能量约240 mJ),高频感应电炉(温度1 600 ℃),光谱仪(波长范围186～310 nm,光谱分辨率0.1 nm),激光聚焦和信号光收集系统组成。实现了对钢液中多元素的LIBS光谱检测,通过内标法建立了相应元素的定标曲线,并给出了系统的检测限。采用深紫外镀膜探测器的光谱仪和抗紫外曝光处理的光纤,在大气环境下得到的C,S,Mn和Cr元素定标曲线的线性相关系数优于0.96,检测限分别达到169,15,58.9和210 μg·g-1。对比发现,不同元素得到最佳定标曲线所需延时条件不同。     

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。     

激光能量对激光诱导Cu等离子体特征辐射强度、电子温度的影响

利用Nd:YAG激光(波长1 064 nm,脉宽10 ns)烧蚀金属Cu靶获得等离子体 .改变激光脉冲能量,观测到Cu的原子谱线和离子谱线随激光脉冲能量有不同的变化关系, 但都在330 mJ/pulse时,谱线强度达到最大,随后在330 mJ～370 mJ/pulse间出现一小平台 ,能量继续增加,各谱线强度减小.同时,使用烧蚀Cu靶产生的五条原子谱线(465.11 nm,5 10.55 nm,515.32 nm,521.82 nm,529.25 nm)的相对强度,在局部热力学平衡近似下,利用B oltzmann图的最小二乘法拟合,测定了不同激光能量下Cu等离子体的电子温度.随激光能量的增加,电子温度近似单调地从1.02×104 K上升到1.46×104 K后,反而有所下降.