基于LIBS及时间分辨特征峰的激光除漆机理研究

激光除漆是一种高效、清洁的新型清洗技术，对激光除漆物理过程和机理的研究是该技术发展的关键。基于LIBS技术，测量得到油漆去除过程中等离子体的发光光谱，计算出油漆样品去除前后等离子体的电子密度和温度，研究了油漆中特征元素对应的光谱特征峰强度随时间的变化情况。结果表明，随着激光作用脉冲数量的增加，油漆去除深度逐渐增加，等离子体电子密度和温度在将漆去除干净的最后几个脉冲作用时呈下降趋势。油漆中Ti元素的所对应的特征峰信号持续时间为2个μs，油漆去除前后信号强度呈现跳跃减少，该现象可用于快速、准确、实时的判断油漆去除情况。     

激光能量对粉煤灰未燃碳测量的影响

搭建了基于激光诱导击穿光谱技术的成分分析应用研究台架,应用于粉煤灰未燃碳的检测,考察不同能量的脉冲激光烧蚀粉煤灰样品时的等离子体特性。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。分析碳谱线强度、等离子体温度和电子密度随激光能量变化的趋势,掌握激光能量对粉煤灰未燃碳测量的影响规律。研究结果显示,随着激光能量的增大,碳谱线强度、等离子体温度和电子密度均先增大后减小,空气击穿明显增强。随后碳谱线强度的变化趋于平缓并开始下降。合适的激光能量可以增强等离子体发射信号,并避免强烈空气击穿的不利影响,有助于提高测量精度。     

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.     

基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术研究进展

激光诱导击穿光谱技术是一种新型的原子光谱分析技术,具有实时快速、 多元素同时分析和样品预处理简单等特点,从一出现便受到研究人员的广泛关注,但分析灵敏度差一直是限制该技术发展的重要因素。基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术将原子荧光光谱技术和激光诱导击穿光谱技术结合,对目标元素进行选择性激发,可以大幅提高激光诱导击穿光谱技术的分析灵敏度,极大地拓展了LIBS技术在痕量元素检测领域的应用。本文综述了基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术的研究进展,介绍了激光诱导等离子体中荧光光谱的产生过程以及基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术的基本类型和基础原理,详细分析了烧蚀激光能量、 共振激发激光能量和波长、 烧蚀激光和共振激发激光之间的延时以及光谱采集门宽对光谱增强效果的影响,阐述了其在冶金、 环境监测、 同位素检测等领域的应用现状和存在的问题,并对其未来发展前景进行了展望。     

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%。     

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。     

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。     

激光诱导击穿光谱在薄膜损伤分析中的应用

提出了应用激光诱导击穿光谱技术对薄膜损伤特性进行表征的方法,研究了纳秒脉冲激光作用下薄膜损伤时的等离子体光谱特征,并应用该技术对薄膜的抗激光损伤特性进行了测量.实验测得,HfO2单层膜在78mJ的激光能量的辐照下,薄膜损伤时的等离子体温度为2 807.4K,且电子密度为7.4×1017cm-3.利用识别薄膜损伤时的等离子体光谱的特征,准确地判断了薄膜是否损伤,避免了薄膜损伤的误判现象.结果表明,激光诱导击穿光谱技术适用于薄膜的激光损伤测试中,并且是一种非常有效的测试分析方法.     

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%。     

Influence of water environment on paint removal and the selection criteria of laser parameters

Laser paint removal in a water environment does not diffuse ablation pollution products into air. Characteristics of water, such as high specific heat and heat flux, generate different effects of the laser paint removal than in an air environment. In this study, the effects of air and water environments on the mechanism and effect of laser paint removal are analyzed and compared experimentally and theoretically. In air, thermodynamic ablation causes removal of paint, whereas in water, stress coupled with plasma shock waves cause tear and splash removal of paint layers after fracture and damage. Fracture and pressure thresholds of the paint and substrate, respectively, indicate the optimum energy density range for laser paint removal in water, providing a reference for engineering applications.     

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。     

激光烧蚀硅表面的发射光谱分析

研究了不同能量的纳秒激光脉冲聚焦到单晶硅片上时,激光等离子体的自由电子密度和温度以及损伤形貌随激光脉冲能量增加的变化规律。研究结果表明：激光脉冲击穿硅介质产生的激光等离子体的体积以及自由电子密度和温度大小,决定了硅表面损伤的形貌特点和大小。自由电子密度和温度的变化特点是：随着激光脉冲能量的增加,激光等离子体的体积不断增大,自由电子温度缓慢增加而密度基本不变。又由于激光等离子体的自由电子密度和温度呈现从中心到边缘由大到小的变化趋势,所以损伤形貌总的特点是内部区域的熔化非常充分,形成明显的周期性排列的规则条纹,且条纹的排列趋势呈现环状;中部区域熔化不充分,形成条纹不很规则;边缘区域处分界明显,有时出现等离子体产生喷溅变色痕迹。     

激光诱导等离子体的实验研究及其在光谱分析中的应用

综述了近几年国内外在激光诱导等离子体方面的实验研究进展 ,及其在光谱分析中的应用。着重阐明了在不同的条件下 (气体种类、环境气压、激光能量、波长、脉宽、功率密度、观测高度 )激光诱导等离子体的形成、辐射、电子温度、电子密度和扩散速度方面的实验研究 ;另外 ,激光诱导等离子体用于物质成分分析中 ,主要阐述了直接采集等离子体的辐射进行固态、液态和气态样品的分析以及激光烧蚀与ICP光源联用进行的光谱化学分析两个方面 ,并对影响分析精确度和检出限的因素进行了简要讨论     

聚四氟乙烯材料表面激光改性与刻蚀

利用波长为248 nm的准分子激光束在不同激光能量密度下照射聚四氟乙烯(PTFE)材料的表面,并用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼(Raman)光谱等手段对激光处理前后样品的表面形貌、化学成分和结构进行测量和分析,进而对激光与聚四氟乙烯相互作用的机理进行了研究。实验结果表明,激光辐照使聚四氟乙烯表面产生去氟效应,导致表面碳化、分子链的交联以及含氧基团的产生,随着激光能量密度的增加,C=C双键逐渐形成。这些结构的变化可以导致表面硬度和粘结性增强。激光能量密度的大小对照射后样品表面的物理性质和化学结构有着重要的影响,它是聚合物表面激光改性和烧蚀的关键因素。     

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。     

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。