激光诱导煤粉等离子体的特性研究

本文研究了煤粉形态对于激光诱导煤粉等离子体特性的影响,以指导应用激光感生击穿光谱进行煤质测量时最佳样品形态的选择.建立了一套激光诱导击穿光谱的实验台架,对同一煤种的4个不同粒径范围的粉状样品进行激光激发与光谱分析,利用钙原子不同跃迁能级发射谱线的强度分布计算了0.3～0.5μs区间内的等离子体温度,并依据谱线Stark展宽与电子密度的关系得到了等离子体的电子密度.再对激发不同粒径煤粉样品产生的等离子体温度与电子密度进行了对比.实验证明,煤粉粒径越小,等离子体温度越高且电子密度越大,也即样品的等离子化程度越高,越有利于煤中元素的定量分析.     

用激光感生击穿光谱技术测量燃煤含碳量

研究了应用激光感生击穿光谱技术对燃煤进行元素快速定量分析的可行性。介绍了用于激光感生击穿光谱技术定量分析的定标曲线方法，并以5种煤样作为实验对象，选取激光击穿煤粉时碳元素505.2nm原子发射谱线为分析谱线，定量分析了延迟时间分别为0.8μs，1.2μs，1.6μs，2.0μs和2.4μs时煤粉中的含碳量，将测量结果与元素分析仪测量结果比较，延迟时间为1.6μs时测量误差最小。根据等离子体发射机制分析了延迟时间对定量分析的影响。实验结果表明：激光感生击穿光谱技术的分析精度较高，可望用于煤质特性快速检测。     

样品形态对燃煤的激光烧蚀特性影响分析

将激光诱导击穿光谱技术应用于煤质检测,分析了燃煤形态对激光烧蚀特性的影响.利用532 nm激光在大气常压环境下烧蚀样品.同时使用多通道光纤光谱仪和CCD探测器对激光烧蚀形成的等离子体发射信号进行分光和探测.对比分析两种不同形态煤样的等离子体温度、电子密度以及元素特征谱线强度随脉冲能量变化的规律.实验研究表明,样品形态对燃煤的激光烧蚀特性有显著影响.不问形态燃煤的等离子体温度、电子密度以及元素特征谱线强度随脉冲能量的变化规律有所不同.相同实验条件下,粉状煤样形成的等离子体温度和电子密度均比块状煤样的高,但块状煤样的元素特征谱线强度则更大.     

激光诱导氮气等离子体时间分辨光谱研究及温度和电子密度测量

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种重要的分析手段被广泛应用于材料分析、环境监测等领域.特别是随着大气污染问题的日趋严重,基于LIBS的大气污染在线监测分析技术快速发展,氮气等离子体特性的时间演化规律对研究激光诱导大气等离子体动力学和发展大气污染监测的LIBS技术具有重要意义.而温度和电子数密度作为表征等离子体状态最重要的参数,直接影响着等离子体形成、膨胀和退化中的动力学过程以及等离子体中的能量传输效率.本文利用等离子体时间分辨光谱,研究了连续背景辐射、分子谱线强度及信背比(分子谱线与连续背景辐射的比值)在等离子体演化过程中的变化规律,结果显示连续背景辐射寿命在700 ns左右,N_2~+(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+,v:0-0)跃迁谱线强度在12—15μs范围内达到最大值,信背比随时间呈现上升、稳定的趋势,因此利用N+2分子离子第一负带系(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+)研究等离子体温度的观测窗口应选择在10—25μs之间;基于双原子光谱理论,通过拟合实测光谱和仿真光谱研究了大气压下激光诱导氮气等离子体温度随时间的演化趋势,由于辐射损耗远小于碰撞作用,在10—28μs内等离子体温度从约10000 K按指数衰减到约6000 K;在准确测定仪器展宽线型的基础上,利用Nelder-Mead单纯形算法,研究了N原子746.831 nm谱线的Stark展宽和位移随时间的演化趋势,计算了等离子体中电子数密度随时间在10~(17)—10~(16)cm~(-3)量级间衰减,通过分析发现造成等离子体中电子数衰减的主要机理是三体碰撞复合.     

空气呼吸模式CO2激光等离子体光谱观察

为了了解采用脉冲CO₂激光推进空气呼吸模式时光船参数等对产生等离子体的影响，介绍了利用实验室自行研制的紫外预电离TEA CO₂激光器进行的激光等离子体实验。实验采用底面直径为60mm、焦距为5mm和10mm的抛物面光船。介绍了空气呼吸模式激光等离子体的谱和明显的特征谱线，以及等离子体的时间演化过程。结果表明：空气呼吸模式等离子体的持续时间约为20μs，在6μs左右时信号强度达到最大值；激光脉冲作用后，信号迅速衰减；10mm光船产生的等离子体信号峰值和持续时间均略长于5mm光船的。     

用激光感生击穿光谱对大气进行定量分析

研究将激光感生击穿光谱技术用于元素定量分析的可行性。利用Nd∶YAG激光器发出的激光与一个大气压下的空气相互作用产生激光等离子体，等离子体的光经单色仪分光后转化为电信号进入计算机，存储了600～800nm的等离子体光谱数据。利用自由定标模型对等离子体进行了分析。在延迟时间8μs、采样门宽0.4μs时，利用二维波尔兹曼平面得到了大气等离子体处于局部热平衡时的温度（1.62×10K）。在假设空气全部由N和O组成的条件下由自由定标模型得到了空气中氧的含量（20.75%）和氮的含量（79.25%）。试验结果与实际吻合得很好。实验证实了用激光感生击穿光谱对大气进行定量分析是可行的，为大气污染监测研究和试验工作奠定了基础。     

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.     

激光诱导的钛酸钡等离子体的时间分辨光谱

利用光学多通道分析仪（ＯＭＡⅢ）研究脉冲激光沉积钛酸钡薄膜过程中的激光诱导等离子体的时间分辨发射光谱，利用各种粒子不同时刻发射的谱线强度描绘成该粒子的飞行时间谱，表征了等离子体中该粒子的空间浓度分布，根据飞行时间谱的特征，推算了粒子束脉冲（等离子体）的空间宽度及其与缓冲气体压力的关系，提出了在激光沉积多元氧化物薄膜过程中的合适的缓冲气体压力范围，解释了激光原位沉积高温超导薄膜中所需氧气分压达３０Ｐ     

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 064nm)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532nm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。     

样品温度对纳秒激光诱导Cu等离子体特征参数的影响

为了研究样品温度对激光诱导击穿Cu等离子体特征参数的影响，以黄铜为研究对象，在优化的实验条件下采用波长为532 nm的Nd∶YAG纳秒脉冲激光诱导激发不同温度下的块状黄铜，测量了Cu等离子体的特征谱线强度和信噪比；同时在局部热平衡条件下利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析计算了不同的样品温度条件下等离子体电子温度和电子密度。实验结果表明，在激光功率为60 mW时，随着样品温度的升高，Cu的特征谱线强度和信噪比逐渐增加，样品温度为130 ℃时达到最大值，然后趋于饱和。计算表明，黄铜样品中Cu元素Cu Ⅰ 329.05 nm，Cu Ⅰ 427.51 nm，Cu Ⅰ 458.71 nm，Cu Ⅰ 510.55 nm，Cu Ⅰ 515.32 nm，Cu Ⅰ 521.82 nm, Cu Ⅰ 529.25 nm，Cu Ⅰ 578.21 nm八条谱线在130℃的相对强度相较于室温（18 ℃）下分别提高了11.55倍、4.53倍、4.72倍，3.31倍、4.47倍、4.60倍、4.25倍、4.55倍，光谱信噪比分别增大了1.35倍，2.29倍、1.76倍、2.50倍、2.45倍、2.28倍、2.50倍，2.53倍。分析认为，升高样品温度会增大样品的烧蚀质量，相对于温度较低状态增加了等离子体中样品粒子浓度，进而提高等离子体发射光谱强度。所以，适当升高样品温度能够提高谱线强度和信噪比，从而增强LIBS技术检测分析光谱微弱信号的测量精度，改善痕量元素的检测灵敏度。同时研究了改变样品温度时等离子体电子温度和电子密度的变化趋势。计算表明，当样品温度从室温上升到130 ℃的过程中，等离子体的电子温度由4 723 K上升到7 121 K时基本不再变化。这种变化规律与发射谱线强度和信噪比变化趋势一致。分析认为，这主要是由于在升高样品温度的初始阶段，激光烧蚀量增大，等离子体内能增大，从而导致等离子体电子温度升高。当激光烧蚀样品的量达到一定值后不再变化，激光能量被激发溅射出来的样品蒸发物以及尘粒的吸收、散射和反射，导致激光能量密度降低，电子温度趋于饱和，达到某种动态平衡。选用一条Cu原子谱线（324.75 nm）的Stark展宽系数计算激光等离子体的电子密度，同时研究改变样品温度时等离子电子密度的变化趋势，计算表明在样品温度为130 ℃时，Cu Ⅰ 324.75 nm对应的等离子电子密度相较于室温（18 ℃）条件下增大了1.74×1017 cm-3。该变化趋势与电子温度的变化趋势一致。适当升高样品温度使得电子密度增大，从而提高电子和原子的碰撞几率，激发更多的原子，这是增强光谱谱线强度的原因之一。由此可见，升高样品温度是一种便捷的提高LIBS检测灵敏度的有效手段。     

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).     

煤粉颗粒流在不同焦点位置条件下的激发特性

将激光诱导击穿光谱技术应用到煤粉颗粒流测量中,分析激光与样品流相互作用,并考察不同的聚焦焦深对等离子体激发特性的影响。在自行搭建的两相流的实验台架上,在大气环境条件下,利用激光器分别对1.0,0.5,0,-0.5, -1.0 mm焦深作用条件下的煤粉颗粒流进行击穿,同时利用光谱仪对等离子体信号进行采集。在相同的激光能量以及收光角度等条件下,改变聚焦激光的焦深,分析对比不同焦深下的等离子体温度、电子密度以及对煤元素分析中关注的C, Si和Al三个代表元素的光谱强度的变化规律。结果表明,不同的激光聚焦焦深对等离子体温度、电子密度和元素光谱强度的影响规律较为明显,三个参数整体变化规律是一致的,最优点为0 mm,其次为1.0,0.5,-0.5 mm,最劣点为-1.0 mm。     

0.351μm激光辐照靶角度和时间分辨的侧向散射研究

 建立了一套角度和时间同时分辨的散射光诊断系统,利用星光Ⅱ装置输出的0.351μm激光辐照平面靶,研究了激光与靶作用产生的侧向散射光的时间行为,实验对金盘靶、CH膜靶和泡沫CH靶与激光作用产生的散射激光进行了研究,在多个角度获得了时间分辨的散射光信息,由角分布的结构得到了等离子体密度分布的一些重要信息。     

A fast method for the calculation of electron number density and temperature in laser-induced breakdown spectroscopy plasmas using artificial neural networks

A fast and precise method for the determination of electron temperature and electron number density in laser-induced plasmas is presented. The method is based on the use of a simple artificial neural network (ANN), trained on a suitable set of laser-induced breakdown spectroscopy spectra. The training procedure is quite fast; once the ANN is set, the determination of plasma temperature and electron number density is almost instantaneous, allowing the possibility of measuring these parameters, with good precision, in real time. A direct application of this new method could be the characterization of plasmas generated during pulsed laser deposition process of thin films and nanoparticles generation. The plasma electronic parameters will help to tune the energies involved in the stoichiometry and crystallization control of those nanostructured materials. As an example, the characteristics of the plasma induced by a Nd:YAG laser on a pure titanium target are determined, at different laser fluences.     

激光大气等离子体光谱特性实验研究

报道了对波长为1．06μm的脉冲激光在气体样品中产生的等离子体进行光谱研究的结果。气体样品为一个标准大气压的纯氮、纯氧和空气,光谱探测范围为300～900nm。结果表明,各种气体样品的激光等离子体光谱均表现为连续谱和线状谱的叠加,文中分别给出了连续谱和线状谱的基本特征,讨论了这些特征与等离子体物理特性的关系,并分析了纯氮、纯氧与空气激光等离子体光谱之间的异同。给出了激光等离子体光谱的时间演化和空间分布的基本特征,并初步讨论了与这些特征相关的等离子体物理特性。这些结果有助于加深对激光等离子体特性和机理,特别是对等离子体产生后的弛豫过程和复合机制的了解。     

等离子体波导中的复合X射线激光

短脉冲强激光和气体靶相互作用可产生等离子体波导。利用自相似模型，得到了等离子体波导中等离子体参数的时空演化。利用自编制的程序，以类Ｈｅ氮为例，研究了在这种等离子体波导中，产生复合机制Ｘ射线激光的过程。研究表明，在等离子体波导中有可能产生复合机制Ｘ射线激光，从而有可能利用等离子波导获得大ＧＬ值的复合机制Ｘ射线激光     

Laser-Generated Plasmas as X-Ray Sources in the keV-Range

This report will give an introduction to the X-line emission processes in laser-generated plasmas according to a plasma physical point of view. After a short discussion of the experimental results using laser pulses in the range of ? 10 J and irreadiances of 1 to 100 MW/cm² and of first conclusions about the temperature scaling and the dependence of the emission concerning the atomic number of the target material some models of laser-generated plasmas are analysed. The simple hot-spot model neglects any hydrodynamics and only solves for the rate equations. We discuss the underlying collisional-radiative model and evaluate the numerical results of a more complete model for the spatial and temporal plasma evolution including the hydrodynamics. The applications of such plasmas as small, strong, short sources of X-rays in the keV range is discussed with regard to the lithographic replication of sub-μm structures and to the EXAFS spectroscopy. Laser-generated plasmas are compared with conventional X-ray tubes (with rotating anode) and with synchrotrons. The question of amplified spontaneous emission in the XUV range (superradicant X-ray sources) is only shortly touched upon. In conclusion some comments are given to the recoil momentum effects of the ablating plasma on the target are given (rocket model).     

Effect of KCI additive on laser-induced soil plasma radiation

In order to improve laser-induced breakdown spectroscopy for low-level elements testing capability, the enhancement effects of KCl additive on the emission spectra of soil samples were studied. The laser spectrum analytical system is composed of a high-energy neodymium glass laser ablating samples, a multifunctional and automatic scanning spectrometer, and a CCD data acquisition system recording plasma spectra. The electron temperature and electron density of plasmas were calculated by measuring spectral line intensity and stark broadening respectively. The experimental results showed that with the increase in the KCl additive, the spectral intensity, signal-to-background ratio, the electron temperature and the electron density all went up firstly and then down. When 15% KCl was added, the radiation intensity of plasma reached the maximum value, the spectral lines intensity of element Mn, Fe, and Ti increased by 2.23, 1.13 and 2.04 than that without additive respectively, the spectral signal-to-background ratio increased by 1.33, 0.89 and 0.94 times respectively; while the electron temperature and electron density of plasmas were heightened by 14% and 38% respectively.