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.     

样品温度和空间约束两种方法相结合对激光诱导击穿光谱的影响

升高样品温度和采用空间约束能提高激光诱导击穿光谱的信号强度,两种技术的结合可以进一步提高激光诱导击穿光谱的光谱强度。本文在空气环境中研究了升高样品温度和空间约束效应两种方法相结合对激光诱导击穿光谱的影响,测量了激光诱导铝等离子体的时间分辨光谱。实验结果表明:升高样品温度能增加激光诱导击穿光谱的信号强度,高温样品能耦合更多的激光能量;当圆柱形腔被用于约束等离子体时,信号强度得到了进一步提高。两个实验条件的结合对于激光诱导击穿光谱信号增强的效果明显强于单独升高样品温度或者单独采用空间约束的增强效果。单一200°C高温下样品的Al(I)396.2 nm线强度增加了1.4倍;单一空间约束条件下的Al(I)396.2 nm线强度增加了1.3倍;而在200°C和空间约束的组合条件下,Al(I)396.2 nm线强度增加了2.1倍。这个结合效应增强效果产生主要由于激光照射高温样品产生更强的冲击波,从而能更有效地压缩高温下产生的更大尺寸的等离子体羽,进一步提高了激光诱导击穿光谱的强度。     

激光诱导击穿空气等离子体时间分辨特性的光谱研究

空气等离子体的时间行为对空气环境下激光诱导等离子体形成过程的研究有重要意义.本文将纳秒Nd:YAG脉冲激光(1064 nm)聚焦于一个大气压的空气中,诱导其产生等离子体.利用具有纳秒时间分辨功能的PI-MAX-II型ICCD,采用时间分辨光谱方法,研究了大气环境下激光诱导等离子体的时间行为.大气环境下的激光诱导等离子体光谱广泛分布于300—900 nm范围内,并且是由带状光谱和线状光谱叠加而成的.根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库,对等离子体光谱中的氧、氮、氢等元素的特征谱线进行了识别和归属.给出了激光诱导击穿大气等离子体光谱随时间演化的直观图像,根据空气等离子体发射谱线计算了等离子体电子温度和等离子体电子密度.这些结果对于提高在大气环境下进行的在线测量结果的准确性和精确性具有重要的科学意义.     

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。     

基于激光诱导击穿光谱技术定量分析食用明胶中的铬元素

利用激光诱导击穿光谱技术对食用明胶样品中的铬元素进行定量分析.采用Nd:YAG脉冲激光器三倍频输出的355 nm激光诱导击穿食用明胶产生激光等离子体,测量等离子发射光谱.实验数据表明:使用内标法定量分析食用明胶样品中铬元素浓度分别为10—200 ppm(1 ppm=10-6)时,铬元素含量与分析谱线(CrI:245.43 nm)强度之间具有很好的线性关系.分析了光谱探测延迟时间对明胶中铬元素激光诱导击穿光谱的影响,利用信号强度与信噪比获得了优化的光谱探测延迟时间实验参数.     

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。     

LIBS技术对羊毛脂复合物中重金属元素的成分分析

利用激光诱导击穿光谱技术对市面上某型号口红的羊毛脂复合物中重金属元素进行分析,使用波长为532nm的激光在口红表面击穿诱导高温等离子体,通过对MCP增益、延迟、门宽三个参数的优化来获得最佳光谱.由发射光谱线的强度计算等离子体的电子温度,研究了激光诱导等离子体的电子温度随时间演化的特性.     

基于飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱探测土壤重金属Cr元素含量

本文基于飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱对土壤重金属Cr元素含量进行了实验研究.利用荧光法对等离子体丝的长度进行测量,给出了在不同焦距聚焦透镜作用下土壤中Cr425.5 nm的谱线强度空间分布,实验给出了Cr元素的定标曲线.实验结果表明,土壤中Cr元素浓度分析测量的相对标准偏差小于5%,土壤中重金属Cr元素的检测极限为7.85 ppm.表明飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱技术在土壤重金属Cr元素含量的定量探测方面是完全可行的.     

多次放电的激光诱导击穿光谱信号增强

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种广泛应用于科学和工程方面的元素分析技术。LIBS测量一些微量元素时存在探测极限高的不足,因此增强LIBS信号强度,降低元素探测极限,对扩展其应用范围有着重要的意义。为了实现LIBS光谱信号的增强,提出多次放电增强激光诱导击穿光谱方法,并以固体铝合金材料为例进行了光谱信号强度增强的研究。实验发现,激光作用在铝合金材料上烧蚀样品产生等离子体并溅射到样品上方高压放电电极所在区域,该区域在等离子体产生之后50 μs之内均可以诱导高压电极放电。因此采用高频脉冲电源可以实现一次LIBS产生的等离子体诱导电极多次放电。多次放电会对等离子体进行多次激发,同时多次放电对等离子的加热作用会延缓等离子体冷却速率从而延长等离子体的持续时间,两者共同作用可以增强LIBS光谱信号强度,进而降低LIBS对微量元素的探测极限。使用频率为100 kHz的高频直流脉冲电源,利用数字延迟脉冲发生器同步激光与高压电源,在激光过后3.6 μs触发高压放电,一次LIBS产生的等离子体可以诱导电极5次放电,即对等离子体进行5次激发和加热。利用光谱仪对5次放电等离子体光谱进行积分测量。实验结果表明：使用多次放电增强之后,等离子体持续时间得到大幅延长,光谱信号强度得到大幅增强,其中,Mg Ⅱ (~279 nm)的信号强度可以增强约48倍,Al Ⅱ (~358 nm)的信号强度可以增强约72倍,微量元素Mn Ⅰ (~403 nm)的信号强度增强约6.3倍,微量元素Cu Ⅰ (~403 nm) 的信号强度增强约8.3倍。Mn Ⅰ (~403 nm)和Cu Ⅰ (~403 nm) 的探测极限分别降低为LIBS单次放电的1/6和1/8。多次放电增强激光诱导击穿光谱方法很好地增强了LIBS的光谱信号强度,降低了对微量元素的探测极限,扩展了LIBS技术的应用范围。该方法有潜力应用到贵重物品、稀有材料及文物的鉴定之中。     

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。     

High-sensitive automatic transient laser-induced breakdown spectroscopy system with high temporal and spatial resolution

A high-sensitive automatic transient laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) system is designed and integrated. It successfully avoids the delay time selecting problem in conventional LIBS system, and realizes the LIBS data acquisition with high spatiotemporal resolution automatically. Multiple transient spectra can be obtained in each measurement, which will provide more information for spectral research. The water-vapour and liquid-water Raman scattering spectra are captured by this system, and the comparison of experimental water-vapour Raman scattering spectrum with theoretical data verifies the reliability of the LIBS system. Based on this system, the air laser induced air breakdown spectra are captured and analysed. The system is also useful for the research on water-vapour Raman Lidar remote sensing.     

A highly-sensitive automatic transient laser-induced breakdown spectroscopy system with high temporal and spatial resolution

A highly-sensitive automatic transient laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS) system is designed and integrated.It successfully avoids the delay time selecting problem in the conventional LIBS system,and realizes the LIBS data acquisition with high spatiotemporal resolution automatically.Multiple transient spectra can be obtained in each measurement,which will provide more information for spectral research.The water-vapour and liquid-water Raman scattering spectra are captured by this system,and the comparison of experimental water-vapour Raman scattering spectrum with theoretical data verifies the reliability of the LIBS system.Based on this system,the air laser induced air breakdown spectra are captured and analysed.The system is also useful for the research on water-vapour Raman Lidar remote sensing.     

空气环境下基于LIBS煤中氧含量分析研究

给出了在空气环境下基于LIBS(激光诱导击穿光谱)技术的煤中有机氧含量的定量分析技术和方法。通过激光激发煤样品获得等离子体荧光谱,结合内标法、温度校正法、多线法等措施实现了对煤样品中氧含量的精确测量,其测量精度不低于1.37%,满足了燃煤电厂对煤质的分析要求。这种方法可在地矿、环保、医药、材料、考古、食品安全、生化及冶金等领域推广应用。     

On the improvement of signal repeatability in laser-induced air plasmas

The relatively low repeatability of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) severely hinders its wide commercialization. In the present work, we investigate the optimization of LIBS system for repeatability improvement for both signal generation (plasma evolution) and signal collection. Timeintegrated spectra and images were obtained under different laser energies and focal lengths to investigate the optimum configuration for stable plasmas and repeatable signals. Using our experimental setup, the optimum conditions were found to be a laser energy of 250 mJ and a focus length of 100 mm. A stable and homogeneous plasma with the largest hot core area in the optimum condition yielded the most stable LIBS signal. Time-resolved images showed that the rebounding processes through the air plasma evolution caused the relative standard deviation (RSD) to increase with laser energies of > 250 mJ. In addition, the emission collection was improved by using a concave spherical mirror. The line intensities doubled as their RSDs decreased by approximately 25%. When the signal generation and collection were optimized simultaneously, the pulse-to-pulse RSDs were reduced to approximately 3% for O(I), N(I), and H(I) lines, which are better than the RSDs reported for solid samples and showed great potential for LIBS quantitative analysis by gasifying the solid or liquid samples.     

自动聚焦激光诱导击穿光谱远程测量系统

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术具有非接触测量、无需样品预处理以及快速多元素同时分析等特点,适合于高温、高压、真空、有毒以及敌对环境等仪器和操作人员无法靠近观测对象的应用中。LIBS技术结合望远镜系统可以实现物质成分的远距离检测与分析。搭建了一套可自动聚焦的LIBS远程测量系统。该系统中的望远镜采用Schwarzschild结构,由一块凹球面反射镜和一块凸球面反射镜组成。两块球面反射镜共轴安装。其中凸面反射镜安装在电控精密平移台上,电动平移台可带动凸面反射镜沿光轴移动。通过调整凸面反射镜的位置,改变凸面反射镜和凹面反射镜的间距,进而改变系统的焦距,实现对不同距离的样品进行光谱测量。该结构的优点在于：激光聚焦光路与信号光采集光路相同,便于安装和调试;望远镜系统采用全反射式光路,适用于紫外波段检测;只包括两个球面反射镜,结构紧凑,元件容易加工。望远镜系统调焦距离为1.5～3.6 m,聚焦光斑直径约为0.5~1.0 mm。使用该系统对铜样品进行了LIBS实验,确认了Cu元素的特征谱线。通过测量Cu元素的LIBS特征谱线(Cu Ⅰ 223.01 nm, Cu Ⅰ 224.43 nm)峰面积和反射镜间距之间关系,得到了激光的最优聚焦位置。实验结果表明,该系统能够完成样品的远程激发和LIBS光谱测量,并能够对不同距离的样品进行自动聚焦。     

激光诱导等离子体光谱法检测合金钢组分的实验研究

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有无需样品制备,原位快速分析,可进行实时控制的特点使其在钢铁冶炼控制中具有巨大的实际应用价值。本文以波长为1 064 nm的Nd∶YAG调Q固体激光器为激发光源,CCD为探测器,高合金钢GBW01605—01609系列为样品,在建立的LIBS实验装置上研究激光与合金钢之间的相互作用。系统地研究了观测距离、激光能量对高合金钢样品中激光诱导击穿谱特性的影响,并分析了LIBS信号的时间分辨特性,确定了将LIBS用于合金钢微量元素定量分析时的最佳实验条件。     

铝合金焊前激光清洗的等离子体光谱在线检测

铝合金焊接技术在工业生产、制造和维修等领域有广泛的应用,焊缝内存在气孔导致焊接质量降低是铝合金焊接技术的常见问题。由于铝合金表面金属氧化物是导致气孔生成的主要来源,对激光清洗过程进行在线检测,不但可以实时分析表面氧化物的清洗状态,而且可以避免基体表面因为过度清洗造成损伤或二次氧化。提出采用激光诱导等离子体光谱(LIBS)在线检测铝合金焊前激光清洗过程,表征清洗后铝合金基体的表面状态。LIBS技术可以对多元素成分同时检测,拥有较低的检出限和较高的准确性。搭建基于Andor Mechelle 5000光谱仪的铝合金焊前激光清洗在线检测系统,剔除空气环境对实验结果的影响,测试6061铝合金表面氧化物和铝合金基体的LIBS光谱,分析两者独特的元素特征谱线,采用X射线能谱(EDS)测试结果验证元素特征谱线的准确性,并探讨激光清洗过程LIBS技术在线检测的可行性。实验测试等离子体光谱谱线强度与激光能量密度之间的关系,获得单次脉冲激光去除铝合金表面氧化物的损伤阈值,结合X射线能谱的检测结果研究激光损伤阈值的成因及影响。研究激光清洗过程等离子体光谱特征谱线与脉冲次数之间的关系,提出基于O/Al特征谱线强度比值作为在线检测清洗效果及二次氧化损伤的评判依据。为验证该评判依据的准确性,将O/Al特征谱线强度比值随清洗次数的变化趋势与X射线能谱测试获得的氧元素原子百分比变化趋势进行对比。实验结果表明:采用200~700 nm范围内激光诱导等离子体谱线特征分析激光清洗状态,可以剔除空气环境的影响;氧元素和铝元素特征谱线准确反映出表面氧化膜与铝合金基体的成分差异;X射线能谱检测元素成分和含量表明氧元素含量随着激光清洗能量密度先减后增,单次清洗铝合金的二次氧化损伤的激光能量阈值为11.46 J·cm-2,小于损伤阈值的激光能量密度对铝合金基体的多次清洗未造成损伤,等离子体光谱特征谱线强度与表面清洗状态相关, 656.5 nm(OⅡ)/396.2 nm(AlⅠ)谱线强度比值≤1.5%为激光清洗干净的依据。研究结果有利于铝合金的激光清洗实时控制技术和焊接装置集成化。     

Spectral Characterization of Nitrogen in Farmland Soil by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

Nitrogen is one of the most important elements in farmland soil, and nitrogen content is one of the evaluation indicators of fertilizers. It is difficult to measure the nitrogen content in farmland soil because the chemical and physical properties of farmland soil are complex. Through the adoption of buffer gases to remove the influence of the nitrogen in air, this paper studied the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) characteristics of nitrogen in soil to establish a foundation for in situ measurement of nitrogen in farmland soil. Three characteristic spectral lines have been found. Based on the precise controlling of laser power and triggering of delay time between laser generation and spectra collection, we have studied the effects of laser energy on LIBS spectral characteristics and the time evolution characteristics to supply the basis of parameter optimization for the measurement. In addition, we have studied the relationship between nitrogen concentration and LIBS spectral intensity. The results demonstrated that LIBS was an effective measurement method of nitrogen content in farmland soil with simple hardware structure, fast detection, and high precision.     

Laser Induced Breakdown Spectroscopy for Comparative Quantitative Analysis of Betel Leaves from Pakistan

Laser induced breakdown Spectroscopy (LIBS) was applied for the elemental analysis and exposure of the heavy metals in betel leaves in air. Pulsed Nd∶YAG (1064 nm) in conjunction with a suitable detector (LIBS 2000+, Ocean Optics, Inc) having the optical resolution of 0.06 nm was used to record the emission spectra from 220 to 720 nm. Elements like Al, Ba, Ca, Cr, Cu, P, Fe, K, Mg, Mn, Na, P, S, Sr, and Zn were found to present in the samples. The relative abundances of the observed elements were calculated through standard calibration curve method, integrated intensity ratio method, and weight percentage LIBS approach. LIBS findings were validated by comparing its results with the results obtained using a typical analytical technique of Inductively Coupled plasma-optical emission spectroscopy (ICP-OES). Limit of detection (LOD) of the LIBS system was also estimated for heavy metals. The experience gain through this work implies that LIBS could be highly applicable for testing the quality and purity of food products.     

激光诱导击穿光谱在核分析实验教学中的应用

为了适应核物理与核分析实验教学的需要,本文将激光诱导激光光谱测量以创新实验的形式引入到核工程类专业实验中.通过将纳秒激光脉冲与不同靶材作用,测量样品中各类元素的LIBS谱线,结合理论分析提取激光等离子体的电子温度和等离子体密度.假设单一元素谱线获得的等离子体密度为混合样品等离子体密度,计算得到未知重元素Fe的原子谱线展宽参数.