双飞秒激光脉冲诱导击穿光谱增强特性研究

在大气环境中,以钴为样品,通过单脉冲飞秒激光诱导击穿光谱及共轴双飞秒脉冲激光诱导击穿光谱的对比实验,研究了双脉冲激光诱导击穿光谱的谱线增强机制,测量了双脉冲激光诱导击穿光谱随脉冲时间间隔的变化趋势。结果表明,在最优化的脉冲时间间隔条件下,双脉冲激光诱导等离子体光谱获得明显增强。进一步,通过线性Boltzmann法得出了电子温度随脉冲时间间隔的演化,发现了谱线增强因子和电子温度随脉冲时间间隔呈现出相同的演化趋势,并经历两个明显的变化过程,得出了谱线信号强度的增强依赖于电子温度升高的结论。     

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。     

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.     

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.     

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.     

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。     

样品温度对纳秒激光诱导土壤等离子体辐射特性的影响（英文）

利用脉宽8 ns,波长为532 nm的Nd:YAG单脉冲纳秒激光器,在一个标准大气压下入射到土壤中(样品土壤来自蚌埠学院校园),改变样品温度,获得了不同样品温度下激光诱导击穿光谱.通过分析光谱,得到土壤中不同特征谱线的强度和信噪比.分别利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法计算并分析了等离子体电子温度和电子密度随样品温度的演化规律;同时讨论了提高样品温度和激光诱导土壤等离子体辐射增强的原因.实验结果表明,随着样品温度的升高,等离子体的谱线强度、信噪比、电子温度和电子密度会逐渐增强,并且在温度为100℃时达到最大.     

样品温度对纳秒激光诱导土壤等离子体辐射特性的影响

利用脉宽8 ns,波长为532 nm的Nd:YAG单脉冲纳秒激光器,在一个标准大气压下入射到土壤中(样品土壤来自蚌埠学院校园),改变样品温度,获得了不同样品温度下激光诱导击穿光谱. 通过分析光谱,得到土壤中不同特征谱线的强度和信噪比. 分别利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法计算并分析了等离子体电子温度和电子密度随样品温度的演化规律;同时讨论了提高样品温度和激光诱导土壤等离子体辐射增强的原因. 实验结果表明,随着样品温度的升高,等离子体的谱线强度、信噪比、电子温度和电子密度会逐渐增强,并且在温度为100 °C时达到最大.     

激光诱导Ni等离子体特性的研究

以Nd·YAG激光器的二倍频输出作为激发源,获得了激光诱导Ni等离子体的发射光谱,基于发射光谱,对等离子体电子激发温度和电子密度进行了测量,其典型值分别为3 714 K,4.67×1016 cm-3。测量了等离子体电子激发温度和电子密度的空间分布,发现沿垂直于激光传播方向的径向,随到中心点距离的增加,等离子体辐射的强度减小,但线型和线宽不变,表明等离子体电子激发温度和电子密度沿径向均匀分布。沿激光传播方向,随到样品表面距离的增加,等离子体辐射强度、电子激发温度和电子密度先增加后降低,在距样品表面1.5 mm处,达到最大值。采用激光诱导击穿光谱技术进行相关探测时,收集距离样品表面1.5 mm处的发射谱,有利于提高探测灵敏度。     

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.     

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。     

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.     

激光大气等离子体的空间分布特性

 利用Nd:YAG激光器产生的1.06 μm激光束（脉冲能量为500 mJ，脉冲宽度为10 ns, 重复频率为30 Hz）聚焦形成长约8 cm、直径5 cm的激光大气等离子体柱，分别沿激光束方向和垂直于激光束方向探测了该等离子体柱的空间分辨光谱，并由此反演得出电子密度和电子温度空间分布特性。实验结果表明：激光大气等离子体中各种离子和电子呈泪滴型分布，即沿激光束方向不对称，而垂直激光束方向对称分布，最大电子密度1018/cm3，最高电子温度3 000 K。     

Spatial characterization of laser-induced sparks in air

Images and emission spectra of sparks produced by laser-induced breakdown in air were investigated as functions of the laser energy and optical configuration. The laser-induced breakdown was generated by focusing a 532-nm nanosecond pulse from a Q-switched Nd:YAG laser. The data were collected using an intensified CCD camera and a Cassegrain optics system coupled to an ICCD spectrometer. The results provided information about the first stages of laser-induced spark breakdown. Good reproducibility of the plasma location and shape was observed; these parameters depended largely on the optical configuration and plasma energy absorption rate. The high spatial resolution of the Cassegrain optics system was used to observe different ionization levels in the plasma kernel, which confirmed the electron cascade mechanism for plasma formation. The different ionization levels partially explained the asymmetry of the ignition induced by the plasma generation in gaseous mixture. Backward propagation of the plasma along the laser path was observed using the high spatial and temporal resolution of the experimental apparatus. The propagation was largely due to the thickness of the plasma relative to the laser wavelength, which created different ionization levels and energy absorption rates throughout the plasma. This observation was correlated with images obtained using the ICCD camera.     

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%。     

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.     

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.     

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。     

飞秒激光低压镍等离子体光谱的实验研究

分别对低于0.1 MPa的空气和氩气环境气体条件下的飞秒激光镍等离子体光谱进行了实验研究。结果表明,在两种环境气体中,激光镍等离子体光谱均表现为连续谱和原子线状谱的叠加。随着环境气压的降低,由于电子密度的下降,从而使得低压条件下的谱线比高压条件下的谱线具有更好的分辨特性。同时,谱线强度经历了由缓慢增强发展到迅速降低的演化过程。另外,还讨论了环境气体成分对谱线强度的影响。