激光诱导金属等离子体中的自吸效应研究

为了减小激光诱导等离子体中光谱线自吸收对分析结果的影响,提高发射光谱的谱线质量,实验利用组合式多功能光栅光谱仪和CCD探测器等组成的光谱分析系统记录光谱信息,采用平面反射镜装置对激光等离子体进行约束,比较了不同实验条件下光谱线的线型演化过程,并且通过测量等离子体的温度、电子密度以及样品蒸发量给出了合理解释。实验结果表明,当采用合适的平面反射镜装置约束激光等离子体时,等离子体的轴向温度有所升高,径向温度分布趋于均匀;等离子体的电子密度有较大幅度的提高;然而,样品蒸发量却有比较明显的减小。这几个方面的原因能够有效地降低光谱线的自吸收程度。由此可见,利用平面反射镜装置优化实验条件以后,可以有效减小激光诱导等离子体发射光谱的自吸收效应,在常量元素的定量分析中,允许选择灵敏谱线作为分析线,这为提高激光诱导击穿光谱技术的精确测量奠定了基础。     

激光诱导击穿光谱技术测定钢样品中元素Mn和Ni

为了减小激光等离子体发射光谱的自吸效应,提高激光诱导击穿光谱技术对物质成分的检测能力,设计了一种平面反射镜装置对等离子体进行空间约束,研究了不同实验条件下的光谱线线型,定量分析了钢样品中的元素Mn和Ni.实验结果表明,利用平面反射镜装置约束激光等离子体以后,光谱线的自吸效应比常态条件下有明显减小;通过定量分析样品元素Mn和Ni的结果看出,无平面反射镜装置时的相对标准偏差分别为3.70%和6.23%,而实验中加入面反射镜装置以后分别降至1.86%和2.16%,显著提高了分析结果的测量精度.     

平面反射镜装置对激光诱导等离子体辐射特性的影响

为获得高质量的发射光谱,提出了一种平面反射镜装置,研究了在平面反射镜装置条件下的激光诱导等离子体辐射特性。实验结果表明,相同的激光输出能量条件下,在等离子体周围放置由三块平面反射镜组成的装置以后,土壤样品中元素Mg,Fe,Ba,Ti和Al的光谱线强度比常态下的分别增大了116.2%,96.43%,90.93%,102.1%和98.57%,信噪比分别提高39.17%,32.48%,38.07%,39.95%和21.30%。通过测量激光等离子体参数,解释了平面反射镜装置对等离子体辐射增强的机理。这种简便易行的方法是改善激光诱导击穿光谱技术检测能力的有效途径。     

不同气压下激光诱导击穿Cu合金等离子体光谱自吸收现象研究

采用波长532 nm激光（脉宽为8 ns）诱导激发铜合金等离子体光谱,研究了激光能量分别为100,80,60和40 mJ时,常压下谱线（CuⅠ 324.754 nm）自吸收现象;在激光能量为100和40 mJ的条件下,研究了低环境压力对铜合金等离子体元素发射谱线自吸收现象和谱线特性的影响。结果表明：常压下谱线（CuⅠ 324.754 nm）存在严重的自吸收现象,自吸收程度随激光能量减小而降低。适度降低环境压强,谱线的自吸收程度大大降低,谱线的信背比增大,且在一定的低气压条件下,自吸收现象可以基本消除。在5.0×104 Pa气压下,两种能量下谱线的信背比均达到最大值,分别为8.90和8.66,相对于常压分别增大了11.23和12.62倍,此时谱线强度的相对标准偏差分别为2.9%和1.3%;两种能量下等离子体元素发射谱线的线宽随着气压的下降迅速减小,当气压为5.0×104 Pa时,等离子体元素发射谱线的线宽分别为0.08和0.06 nm,是常压下线宽的19%和20%。研究表明：低压环境能明显提高光谱分析的灵敏度和精密度,使得在分析较高含量元素时允许选择灵敏谱线,为采用LIBS技术准确测定高含量元素提供了有效方法。     

激光诱导煤样等离子体的表征

以脉冲Nd·YAG激光器泵浦的光学参量发生/放大器输出为激发源,获得了一种家庭用煤样品的激光诱导等离子体(laser induced plasma,LIP)发射光谱。谱线线型呈洛伦兹线型,表明等离子体加宽以Stark展宽为主。利用发射谱线的Stark展宽和强度,通过测量等离子体不同位置的发射光谱,确定了等离子体温度和电子密度的空间分布,发现二者在垂直等离子体发光火焰方向相对火焰中心对称分布,沿发光火焰方向不具有对称分布的特点。发光火焰中心的等离子体温度和电子密度最大,且发光强度较大,因此利用光谱技术测量等离子体特征量时,宜采集火焰中心的发射光谱。样品中有些元素的发射谱线线型显示,等离子体中存在很强的自吸收现象,自吸收程度和激发波长及激光能量密切相关,激发波长接近谱线中心波长时,自吸收现象最明显;随激光能量的增加,发射光谱强度增加的同时,自吸收的程度也增大。把这些现象归因于原子跃迁概率的增大及激光强度增加引起的等离子体中粒子数密度的增大。自吸收现象导致实验观测到的发射谱线强度小于LIP的真实辐射强度,对等离子体进行测量时,应选取不存在自吸收现象的谱线,以便于提高测量准确度。     

磁约束技术对激光诱导等离子体辐射特性的影响

为了提高激光诱导击穿光谱质量,利用Nd:YAG激光器烧蚀土壤样品,研究了磁场作用下的激光诱导等离子体辐射特性。实验结果表明,在相同激光输出能量条件下,随着磁场强度的增大,等离子体的辐射强度逐渐增强。计算可知,当采用的磁场强度为0.5T时,样品元素Al,Fe,Ba和Ti的光谱线强度比无磁场作用时的分别增强了52.35%,46.64%,64.01%和51.73%,光谱信噪比分别提高了45.44%,69.64%,40.26%和41.33%;而等离子体的电子温度和电子密度分别提高了1 355.01K和0.53×1016cm-3。可见,利用磁场约束等离子体的技术是提高激光光谱质量的一种有效方法。     

样品添加剂对激光诱导等离子体辐射的增强效应

为了改善激光诱导等离子体的辐射特性,利用由高能量钕玻璃脉冲激光器、组合式多功能光栅光谱仪和CCD数据采集处理系统构成的光谱测量装置,以国家土壤标样为靶,研究了NaCl样品添加剂对激光等离子体辐射强度的影响,并由光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体的电子温度和电子密度。实验结果表明:随着NaCl加入量的增加,激光等离子体的光谱强度、信背比、电子温度和电子密度均呈现出先增大而后减小的趋势。当NaCl加入量为15%时,等离子体的辐射强度最大,元素Mn,K,Fe和Ti的谱线强度分别比无添加剂时提高了39.2%,42.5%,53.9%和33.8%,光谱信背比分别提高了64.4%,84.3%,44.5%和58.2%,而等离子体的电子温度和电子密度比无添加剂时分别提高了0.17倍和0.36倍。     

KCl添加剂对激光诱导土壤等离子体辐射强度的影响

为了提高激光诱导击穿光谱技术对低含量物质成分的检测能力,实验研究了KCl添加剂对土壤样品发射光谱的增强效应。利用高能量钕玻璃脉冲激光器烧蚀样品,由组合式多功能光栅光谱仪和CCD数据采集处理系统记录等离子体光谱,并通过测量光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体的电子温度和电子密度。实验结果证明,随着KCl加入量的增加,激光等离子体的光谱强度、信背比、电子温度和电子密度均呈现出先增大而后减小的规律。当KCl加入量为15%时,等离子体辐射最强,元素Mn,Fe,和Ti的谱线强度分别比无添加剂时提高了2.23,1.13和2.04倍,信背比分别提高了1.33,0.89和0.94倍;而等离子体的温度和电子密度比无添加剂时分别提高了14%和38%。     

激光直接加热自背光法辐射不透明度测量方法探索

本文提出一种基于单束激光直接加热多层平面靶开展 稠密等离子体辐射不透明度特性研究的靶物理设计并对其进行了实验验证. 在XG-II激光装置上, 采用三倍频束匀滑激光辐照Au/CH/Al/CH多层平面靶产生背光源和Al样品等离子体, 通过观测背光源经样品等离子体衰减后的透过谱得到样品等离子体的辐射吸收性质. 采用Multi-1D程序对激光加热多层靶进行了辐射流体力学数值模拟, 给出了样品等离子体状态及其时间演化过程. 利用细致谱项模型 (DTA) 对实验测量的Al等离子体吸收谱进行理论分析, 表明等离子体温度在20–70 eV之间, 该结果与辐射流体力学模拟结果基本一致. 关键词： 吸收光谱 自背光 激光等离子体     

圆柱形空间约束腔直径和深度对激光诱导硅等离子体光谱的影响

以硅靶作为烧蚀样品,研究了空气环境中空间约束的激光诱导击穿光谱.采用5×5组圆柱形约束腔来约束激光诱导的等离子体羽,直径分别为4、6、8、10、12mm,深度分别为2、4、6、8、10mm.激光脉冲的能量为70mJ.利用Si(I)390.55nm谱线分析了不同直径和深度的圆柱形空间约束腔对LIBS光谱强度的影响.结果表明空间约束下激光诱导硅产生的Si(I)390.55nm光谱强度明显高于无空间约束下的光谱强度.在当前的实验条件下,不同的约束腔的直径和深度对光谱辐射强度也有较大的影响,当圆柱形约束腔的直径和深度不同时,获得的光谱强度也是不同的,表明腔的尺寸对于光发射强度起很重要的作用.腔直径6mm和深度2mm的时候Si(I)390.55nm谱线强度出现最大值.空间约束的增强主要来自激光诱导的等离子体时伴随产生的冲击波,空间约束腔反弹冲击波并与等离子体进行相互作用,致使等离子体的温度和密度增加,最终提高等离子体的光辐射强度.     

样品的激光诱导击穿光谱及谱线的自吸收现象

以脉冲Nd∶AG激光器的二倍频输出为激发源,获得了一种家庭用煤的激光诱导击穿光谱(laser induced breakdown spectrum,LIBS)。通过对谱线的归属,发现该煤种除包含文献报道的C,Si,Mg,Fe,Al,Ca,Ti,Na,K元素外,还包含Cd,Co,Hf,Ir,Li,Mn,Ni,Rb,Sr,V,W,Zn,Zr等微量元素,谱图中没有出现对应H和O元素的谱线,把该现象归因于H和O原子的跃迁概率较小,而灵敏谱线对应跃迁的上能级能量较大。同时发现随激光脉冲能量的增加,等离子体发射谱线的强度增大,增加到一定程度,K原子766.493和769.921 nm谱线会出现自吸收现象,自吸收的程度随激光能量的增加而增强,出现明显的双峰结构,把自吸收现象归因于原子大的跃迁概率及激光强度增加引起等离子体中粒子数密度的增大。     

激光诱导镍等离子体的自吸收时间分辨特性研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种新兴的元素分析技术,但自吸收效应对LIBS测最的影响较大.文中利用Nd:YAG激光器产生的基频1 064 nm脉冲激光在空气中击穿镍靶产生等离子体,观测了四条跃迁对应同一电子组态(3d<'9>(<'2>D)4p-3d<'9>(<'2>D)4s)谱线Ni I 341.476/351.034/351.505/352.454 nm的自吸收现象.实验发现,谱线Ni I 351.034 nm没有出现自吸收现象,其下能级电子组态为3d9(<'2>D)4s的各能级中能量最高的<'3>D,态.对于其他三条谱线,在等离子体辐射初期白吸收较为严重,随着等离子体的演化,自吸收减弱.不同谱线的自吸收持续时间不同,其中谱线Ni I 352.454 nm自吸收最为严重,且当门延时为1 100 ns时仍存在明显自吸收现象,而NiI 341.476/351.505 nm的自吸收持续时间分别为900和500 ns.自吸收现象随着激光脉冲能量的增加而减弱.结果表明通过选择合适的谱线、激光脉冲能量和较长的探测门延时可以有效避免自吸收现象对LIBS测量的影响.文章还对不l司谱线自吸收持续时间小同的原因进行了讨论.     

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。     

激光诱导击穿光谱自吸收效应校正方法的研究进展

激光诱导击穿光谱作为一种新型的物质成分检测技术,具有快速、实时、微损、原位、多元素同时分析等优势,目前在环境监测,食品安全,选矿冶金,生物医疗,太空探测等多个领域都具有广泛应用。然而,由于元素谱线的自吸收效应,使得激光诱导击穿光谱谱线强度降低,严重时甚至会使特征谱线峰型产生凹陷（即“自蚀”现象）,定标曲线变弯曲,导致该技术的元素检测精准度变差,从而无法实现大规模商业应用。因此,对激光诱导击穿光谱自吸收效应及其校正方法的探索,一直以来是学者们研究的热点。综述了自吸收效应校正方法的研究进展,分析了自吸收效应产生的物理机制,分别从实验参数优化、物理辅助装置、自吸收模型和校正算法等多个角度对自吸收效应的几种主要校正方法进行了归纳和总结,并对其优势和缺点进行了对比分析,其中实验参数优化具有原理简单、易操作的优势;能态选择性共振激发自吸收效应抑制效果稳定;微波辅助激发成本较低,可同时对多元素实现自吸收抑制;自吸收系数法可直接量化自吸收效应强弱,计算步骤简便且所需等离子体参数较少;基于内参考线的自吸收校正算法计算效率高,校正效果明显;光学薄法可直接获取光学薄等离子体谱线,避免理论误差。最后,对自吸收效应未来的研究方向和发展趋势进行了展望。     

NaCl对激光诱导土壤等离子体辐射的增强效应

为了改善激光诱导击穿光谱质量,采用Nd:YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发土壤样品,由光栅光谱仪和光电检测系统记录等离子体发射光谱,研究了激光输出能量（100~500 mJ）和NaCl样品添加剂（质量分数0%~20%）对等离子体辐射强度的影响。实验结果表明,在激光能量为200 mJ的优化条件下,可以提高光谱强度和信噪比,而更高激光能量诱导的等离子体中光谱线自吸严重。当土壤样品中加入适量NaCl添加剂以后,能够进一步改善激光光谱质量。NaCl加入量为10%时,等离子体中元素Fe,Ba,Al和Ti的谱线强度比无添加剂时分别提高了37%,32%, 32% 和70%,光谱信噪比分别提高了33%,26%,16% 和38%。而样品烧蚀量、电子温度和电子密度比无添加剂时分别提高了14%,9.6%和26%。     

发射光谱法对早期激光诱导铝合金等离子体诊断研究

对激光诱导等离子体参数进行诊断有多种方法,其中采用发射光谱法对其诊断是一种重要的方法。文中采用Nd∶YAG固态激光器,输出波长1 064 nm红外激光与铝合金样品相互作用,深入研究了铝合金等离子体产生早期(<1 μs)谱线轮廓、谱线强度、线背比、谱线半峰宽及位移等随时间演变规律。研究表明,激光与物质相互作用早期,电子数密度非常大,电子与离子及原子之间的相互作用非常强烈,谱线的Stark展宽效应非常明显,导致多重谱线重叠在一起,随时间演变,电子数密度及电子温度的降低,多重谱线的半峰宽越来越窄且谱线轮廓对称性越来越好。MgⅠ285.212 6 nm谱线强度早期逐渐增强,大约100 ns左右谱线强度达到最大值,然后谱线强度呈逐渐减小的趋势,这是由于等离子体产生早期,电子及离子占主导地位,故早期原子谱线强度较弱,随时间演变,电子与离子之间的复合,原子数密度逐渐增加,故原子谱线逐渐增强,达到最大值之后,由于等离子体激发温度的降低,故谱线强度逐渐减弱。以NIST波长位置为参考,等离子体产生的早期谱线发生了红移,连续背景强度随时间演变呈幂函数形式急剧递减,与之相反,谱线的连续背景强度与谱线强度相比,连续背景衰减的速度更为迅速,故导致谱线信背比随时间演变呈增大趋势,本研究对等离子体早期这些现象从理论角度进行了深入探讨。     

Spectral structure of 510.6 and 578.2 nm lines in?a?CuBr?vapor?laser

Considering the hyperfine structure and the isotopic splitting of copper active atomic levels, the temporal behavior of the spectral structure of amplified spontaneous emission at 510.6 nm line was calculated. The spectral line shapes of 510.6 and 578.2 nm laser lines were measured and compared with the calculated results at different experimental configurations, i.e., without cavity mirrors, with the back mirror, and with cavity mirrors. The results of the 578.2 nm line revealed that the mode competition was involved in the formation of laser oscillation.