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.     

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.     

空气及水汽的激光诱导击穿光谱特性实验研究

以大气颗粒物测量为目标,实验研究了作为背景的空气分子的激光诱导击穿光谱(laser induced breakdown spectrometry, LIBS),以NIST原子发射谱线数据库为参考,对其中的O,N,H等主要元素的特征谱线进行了标识。研究了CCD光谱仪实验参数对空气等离子体发射谱线的影响,得出积分延时大于7 μs时可以较好地减小空气分子所产生的干扰谱线,积分时间宽度大于仪器最小值(1. 1 ms)时对谱线信号强度影响较小等结论。还研究了水汽的激光诱导击穿光谱,分析了O,N,H等元素的发射谱线信号强度的变化,发现H的发射谱线信号强度与水汽含量之间具有很好的线性关系。这些结果对于在大气环境条件下,对大气颗粒物的识别具有重要的指导意义。     

纳秒激光诱导空气等离子体的红外辐射特性研究

纳秒激光诱导空气等离子体存在从紫外、可见、近红外乃至射频微波的宽谱段辐射,但目前的研究大多关注紫外到可见波段的光谱辐射。激光等离子体作为一种新型的红外辐射源具有很多优势,相比于红外干扰弹以及红外干扰手段而言,空气等离子体红外辐射源可以灵活布置,成本低廉,因此研究空气等离子体的红外辐射特性就很有必要。针对目前脉冲激光诱导空气等离子体的红外干扰研究需要,对激光波长为532 nm的纳秒脉冲激光诱导空气等离子体的红外辐射特性进行实验研究,探讨激光能量对空气等离子体红外辐射强度的影响规律,以及空气等离子体红外辐射的角度分布特性,分析了等离子体红外辐射的可能产生机制。实验结果表明,激光诱导空气等离子体在950～1 700 nm范围内的红外光谱为线状谱和连续谱的叠加。其中线状谱主要是氮和氧的中性原子谱线,并且氮原子红外辐射占主导。随着激光能量的增加,由于空气击穿产生的氧和氮原子数量增加,导致空气等离子体红外辐射的谱线强度逐渐增大。随着红外探测角度的变化,在探测角度为75°时,OⅠ 1 128.63 nm和NⅠ1 246.96和1 362.42 nm谱线强度达到最大,在探测角度为120°时,NⅠ 1 011.46和1 053.96 nm谱线强度达到最大,这是因为空气等离子体红外辐射强度随探测角度变化呈现空间非对称性,表明空气等离子体内不同粒子的空间分布呈现非对称性。     

放电等离子体高精度空间分辨光谱测量方法

放电等离子体光谱技术及激光诱导击穿光谱技术由于实验系统相对简单、信号强,很早就被应用于组分测量领域。由于自由放电在时间和空间上都具有随机性,这使得放电等离子体空间分辨光谱的精确测量变得十分困难;而激光诱导击穿光谱技术又局限于点测量。介绍了一种基于飞秒激光诱导的放电等离子体一维空间分辨光谱的高精度测量方法。飞秒激光自聚焦可以形成一段丝状弱等离子体通道,将该等离子体通道靠近高压直流脉冲电极时,可作为高压电极放电的触发源。这种触发方式可在规定的时刻触发高压电并诱导其沿着等离子体通道的路径击穿气体。实验多次测量放电开始时刻与激光到达时刻的时间间隔的波动小于0.01μs,证实了使用本方法诱导高压放电具有很高的重复性。由此可知,利用飞秒激光自聚焦成丝产生的弱等离子体通道诱导高压放电,可实现对高压放电的空间和时间的精确控制,进而可以采集放电等离子体通道的一维空间分辨光谱。实验结果表明,在喷管结构主导的流场环境中,由于喷管中纯N_2与喷管外空气的组分不同,在高空间分辨光谱中,可以清晰地看到一维等离子体通道上不同位置的组分浓度变化情况。在一维空间分辨光谱中将N~+和O光谱信号强度与N_2和O_2的浓度进行关联,可实现流场组分的一维在线诊断。该方法不仅具有纳秒激光诱导击穿光谱技术的相同优点,还具有一维空间分辨能力,在组分一维精确测量方面极具优势。同时,该方法还有望实现高时间分辨测量,对研究放电等离子体的时空演化过程具有重要的意义。     

飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究

对中心波长为800 nm,脉宽为100 fs的激光脉冲烧蚀空气中硅(111)产生的等离子体发射光谱进行了时间和空间分辨研究. 结果表明,在等离子体羽膨胀初期(小于50 ns时间范围内),等离子体发射光谱主要由连续光谱构成,此后连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位;在羽体膨胀过程中离子谱线的存在时间短于原子谱线的存在时间. 由时间分辨发射光谱发现在羽体膨胀过程中等离子体辐射波长存在红移现象,波长红移量随时间演化呈二次指数衰减. 最后给出等离子体发射光谱谱线强度的时空演化规律. 关键词： 飞秒激光 脉冲激光烧蚀 等离子体 发射光谱     

半球空腔约束对激光诱导玻璃等离子体辐射增强特性的研究

为了增强激光诱导玻璃等离子体的辐射光谱信号,采用直径为10mm的玻璃纤维材质半球空腔对等离子体进行束缚,对比研究了无约束和约束两种实验条件下的辐射光谱信号.由于激光的聚焦情况对玻璃等离子体特性有较大影响,实验首先对激光在样品中的聚焦位置进行了优化,结果表明当样品表面位于透镜焦平面以上3mm处时激光诱导玻璃等离子体辐射光谱最强.然后采用时间分辨光谱对比研究了无约束和半球空腔约束下光谱强度的时间演变规律,并分析了谱线强度增大倍数的时间演变,结果表明在等离子体产生后6~15μs的时间内,半球空腔约束下谱线强度呈现出增强的现象,且具有不同能级的谱线增强程度不同,当采集延时为10μs时具有最优增强效果.最后研究了激光能量对半球空腔约束下等离子体辐射增强效果的影响,研究结果表明,随着激光能量增大,谱线增强倍数逐渐增加,当激光能量超过170mJ以后,谱线增强效果开始下降.     

低真空时激光诱导Al等离子体辐射分析

用Nd :YAG激光烧蚀Al靶获得等离子体 ,激光脉冲能量为 145mJ·pulse-1,光源中通入Ar气作保护气体 ,压强为 10 0Pa。利用时间分辨技术获得纳秒级时间分辨光谱。分析了等离子体连续辐射、连续辐射的吸收、Al原子谱线辐射的时间演化规律 ,并进行了简短的讨论。结果发现 ,低真空时激光诱导Al等离子体的连续辐射、连续辐射的吸收、Al原子谱线辐射的时间演化规律以及它们之间的相互关系 ,与常压时的情况十分相似     

一种时间分辨激光诱导击穿光谱的测量方法

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种动态光谱。时间分辨LIBS光谱测量是研究激光诱导等离子体演化和谱线自吸收的重要技术。结合激光诱导击穿光谱测量的时序特性,提出一种利用常规性能光谱探测设备获得微秒级时间分辨LIBS光谱的测量方法。通过控制毫秒级光谱探测设备的积分延迟时间,获得不同延时下的LIBS光谱信号,对所得光谱进行处理得到相应特征谱线拟合强度,将所测的特征谱线强度按照一定的时间间隔进行差分,得到差值即为差分间隔时间内特征谱线的积分强度。采用差分时间间隔应大于系统最差时序精度,同时优选无重叠干扰和背底连续的谱线信号进行分析。以等离子体产生后持续时间为横坐标,计算所得谱线差值强度为纵坐标,即可获得特征谱线的强度演化曲线。通过实验验证,使用积分时间为毫秒量级光谱仪和时序精度为0.021微秒控制系统,该方法可以实现微秒量级时间分辨LIBS光谱测量,可用于表征LIBS光谱特征谱线演化过程,降低了LIBS光谱时间分辨测量系统成本。     

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.     

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。     

Spatial and Temporal Characteristics of an Excimer Laser-Induced Lead Plasma Emission

A laser-induced plasma was generated from a lead target using an ArF excimer laser (λ = 193 nm) and characterized by time-resolved and time-integrated spatially resolved spectrometry. The ambient atmosphere (gas composition and pressure) influenced the emission intensity for both atomic and ionic lines. The emission of laser-induced lead plasma varied with time as well as the location in the plasma. Lead ion emission decayed more rapidly than lead atomic line emission. High excitation temperatures and nonlinear optical phenomena were observed in the laser-induced lead plasma. Gas breakdown and the subsequent shielding effect of the incident laser beam in different ambient gas compositions and pressures were discussed to explain the different efficiency of metal ion for matioa in the plasma. The experimental results show that spatial discrimination of the laser-induced plasma emission is desirable for direct spectrochemical analysis.     

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.     

Temporal and Spectral Characterization of Breakdown Plasma Induced by Laser Radiation in Colloidal Solutions of Gold Nanoparticles

Temporal and spectral characteristics of laser-induced breakdown plasma in colloidal solutions of gold nanoparticles were experimentally studied. Near-infrared laser sources of nanosecond pulses were used. It was shown that under certain experimental conditions nanosized plasma around nanoparticles might change to laser-induced breakdown plasma in liquid. The dependencies of the plasma temporal and spectral characteristics on laser pulse duration as well as resulting nanoparticles properties were studied. Laser-induced breakdown plasma lifetime was shown to be comparable with laser pulse duration. The efficiency of gold nanoparticles fragmentation was shown to depend on laser pulse duration. Similar experiments were carried out under reduced external pressure. It turned out to affect the properties of both plasma plume and nanoparticles. Transmission electron microscopy and disc measuring centrifuge were used for nanoparticle morphology and size analysis. Extinction spectra of colloidal solutions and emission spectra of plasma were studied by means of optical spectroscopy.     

Calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy for quantitative elemental analysis of materials

The application of calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy (CF-LIBS) for quantitative analysis of materials, illustrated by CF-LIBS applied to a brass sample of known composition, is presented in this paper. The LIBS plasma is produced by a 355?nm pulsed Nd:YAG laser with a pulse duration of 6?ns focussed onto a brass sample in air at atmospheric pressure. The time-resolved atomic and ionic emission lines of Cu and Zn from the LIBS spectra recorded by an Echelle spectrograph coupled with a gated intensified charge coupled detector are used for the plasma characterization and the quantitative analysis of the sample. The time delay where the plasma is optically thin and is also in local thermodynamic equilibrium (LTE), necessary for the elemental analysis of samples from the LIBS spectra, is deduced. An algorithm relating the experimentally measured spectral intensity values with the basic physics of the plasma is developed. Using the algorithm, the Zn and Cu concentrations in the brass sample are determined. The analytical results obtained from the CF-LIBS technique agree well with the certified values of the elements in the sample, with an accuracy error <1%.     

激光烧蚀金属靶时气体电离分析

我们使用Ｎｄ：ＹＡＧ激光器烧蚀金属Ａｌ靶获得等离子体,利用光谱时－空分辨技术,关于环境气体分解及其对等离子体辐射特征的影响进行了研究。使用的气体是Ａｒ,Ａｉｒ,Ｎ２。结果发现,在等离子体形成初期,等离子体时－空分辨谱中有大量的环境气体离子谱线。基于Ａｌ等离子体不同激光能量下的时间－空间分辨谱。对激光烧蚀金属靶时气体电离现象进行了分析,对气体分解造成的影响进行了简单的讨论。     

激光诱导Ni 等离子体电子温度、电子密度的时间演化特性研究

本文在350～600 nm波长范围内测定了激光烧蚀Ni等离子体中Ni原子的时间分辨发射光谱.由发射光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体电子温度和电子密度,并由实验结果讨论了激光等离子体中电子温度、电子密度的时间演化特性.