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.     

激光诱导的钛酸钡等离子体的时间分辨光谱

利用光学多通道分析仪（ＯＭＡⅢ）研究脉冲激光沉积钛酸钡薄膜过程中的激光诱导等离子体的时间分辨发射光谱，利用各种粒子不同时刻发射的谱线强度描绘成该粒子的飞行时间谱，表征了等离子体中该粒子的空间浓度分布，根据飞行时间谱的特征，推算了粒子束脉冲（等离子体）的空间宽度及其与缓冲气体压力的关系，提出了在激光沉积多元氧化物薄膜过程中的合适的缓冲气体压力范围，解释了激光原位沉积高温超导薄膜中所需氧气分压达３０Ｐ     

激光诱导氮气等离子体时间分辨光谱研究及温度和电子密度测量

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种重要的分析手段被广泛应用于材料分析、环境监测等领域.特别是随着大气污染问题的日趋严重,基于LIBS的大气污染在线监测分析技术快速发展,氮气等离子体特性的时间演化规律对研究激光诱导大气等离子体动力学和发展大气污染监测的LIBS技术具有重要意义.而温度和电子数密度作为表征等离子体状态最重要的参数,直接影响着等离子体形成、膨胀和退化中的动力学过程以及等离子体中的能量传输效率.本文利用等离子体时间分辨光谱,研究了连续背景辐射、分子谱线强度及信背比(分子谱线与连续背景辐射的比值)在等离子体演化过程中的变化规律,结果显示连续背景辐射寿命在700 ns左右,N_2~+(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+,v:0-0)跃迁谱线强度在12—15μs范围内达到最大值,信背比随时间呈现上升、稳定的趋势,因此利用N+2分子离子第一负带系(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+)研究等离子体温度的观测窗口应选择在10—25μs之间;基于双原子光谱理论,通过拟合实测光谱和仿真光谱研究了大气压下激光诱导氮气等离子体温度随时间的演化趋势,由于辐射损耗远小于碰撞作用,在10—28μs内等离子体温度从约10000 K按指数衰减到约6000 K;在准确测定仪器展宽线型的基础上,利用Nelder-Mead单纯形算法,研究了N原子746.831 nm谱线的Stark展宽和位移随时间的演化趋势,计算了等离子体中电子数密度随时间在10~(17)—10~(16)cm~(-3)量级间衰减,通过分析发现造成等离子体中电子数衰减的主要机理是三体碰撞复合.     

氩气环境下煤炭的激光诱导等离子体特性研究

激光诱导击穿光谱分析煤质时,挥发性物质在热效应作用下会从煤中释放出来并在空气中点燃,导致分析的不确定性。提出了一种在样品表面施加局部氩气的方法,以抑制挥发物的燃烧,减少基体效应,从而提高定量分析的准确性。结果表明,施加局部氩气气氛后,燃烧火焰强度和持续时间以及光谱中Na、K元素谱线的信号强度和持续时间均有所下降,C、H谱线的信号强度和稳定性明显增强,说明局部氩气气氛有效抑制了挥发物燃烧,改善光谱信号质量。比较了空气和氩气气氛下偏最小二乘法的定量分析煤炭挥发分含量的效果,结果显示,局部氩气气氛有效提升定量分析性能,预测均方根误差从1.652%下降到1.488%,平均相对误差从6.148%下降到5.041%,平均绝对误差也从1.263%微降到1.240%。     

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。     

无机爆炸物及其主要成分的激光诱导击穿光谱实验研究

以一种常见的无机爆炸物——黑火药及其主要成分硝酸钾作为研究对象,硝酸钠样品作为参照物,使用1 064nm调Q激光器作为光源,进行实验研究。获得了不同环境气体(空气和氩气)中三种样品的击穿诱导等离子体光谱,在不同延迟条件下获得了三种样品的时间分辨谱,并分析了三种样品的O/N谱线强度比值随延时的变化,得出在延时596ns时,O/N比值达到最大值。     

煤质特性对激光等离子体的影响

为研究煤质特性对激光等离子体的影响，选取8种代表性煤样为实验对象，首先对煤样进行了元素分析和工业分析，并通过实验研究激光与不同煤样之间的相互作用，分析了水分、灰分等对激光等离子体的影响。试验结果表明，煤化程度不同的煤呈现出不同的等离子体时间谱；在等离子体形成的初期，时间谱均呈上升趋势（＜1μs），随着等离子体信号的衰减，曲线呈单调下降趋势（约1μs后），煤化程度高的煤种在激光作用约2μs之后发生二次电离；在相同实验条件下，不同煤种的等离子体温度不同，煤化程度越高等离子体温度越高。     

激光诱导Pb等离子体光谱的时间演化特性

用 Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06 μm激光在空气中烧蚀金属Pb靶产生等离子体,并观测了其时间分辨的发射光谱. 依据光谱线波长、相对强度等参数估算了不同延迟时间等离子体的电子温度;由PbI线的Stark加宽计算得到等离子体的电子密度;讨论了电子温度和电子密度的时间分布特征. 电子温度平均为14500 K、电子密度达到1017 cm-3. 从等离子体产生、发展机制的角度定性探讨了电子温度和电子密度的时间分布特征.     

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.     

激光诱导Pb等离子体光谱的时间演化特性

用 Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06 μm激光在空气中烧蚀金属Pb靶产生等离子体,并观测了其时间分辨的发射光谱. 依据光谱线波长、相对强度等参数估算了不同延迟时间等离子体的电子温度;由PbI线的Stark加宽计算得到等离子体的电子密度;讨论了电子温度和电子密度的时间分布特征. 电子温度平均为14500 K、电子密度达到1017 cm-3. 从等离子体产生、发展机制的角度定性探讨了电子温度和电子密度的时间分布特征.     

用激光诱导击穿光谱技术比较土豆和百合中的微量元素

激光诱导击穿光谱(LIBS)已成功地运用于固体、液体、气体样品中微量元素的测量以及微生物、细菌等的鉴别分析上,而在植物样品上面的应用则是一个较新的课题。该实验用纳秒Nd∶YAG激光器击穿真空冻干的土豆、百合样品,用光纤光谱仪测量了其LIBS光谱。通过鉴别、分析LIBS光谱,得到了这两种样品中微量元素的成分。并且对土豆干和百合干中Ca,Na,K,Fe,Al,Mg六种金属元素典型谱线的强度进行了统计分析,并由此得到了样品中这六种微量元素含量的对比情况。实验结果表明土豆干中的Ca和Na等含量都明显高于百合干,而百合干中Mg的含量较高。实验结果还表明用LIBS技术检测、对比冻干植物样品中微量元素含量是一种快速、有效的分析方法。     

激光诱导击穿光谱对四种香的快速检测

激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy)作为一种极具前景的分析和测量技术应用日益广泛。对四种香(艾草香、藏香、檀香、沉香)样品进行了激光等离子体光谱测量和分析, 得到了样品中元素的成分;并且对四种香样品中的Cu,Mn,Ca和Fe四种金属元素典型谱线的强度进行了统计分析和元素含量的对比。基于等离子体的局域热动力学的平衡模型, 计算了Ca元素的等离子体温度。实验结果为采用激光诱导击穿光谱对香品成分进行快速检测和分析的可行性提供了依据。     

空气环境下煤粉流LIBS多元素同时检测中激光能量研究

考察了大气环境下激光诱导击穿光谱适用于煤粉流多元素同时检测的激光能量范围,分析了造成煤粉流测量谱线信号波动的原因,得到了适用于煤粉流多元素同时检测的激发区域功率密度范围和最佳功率密度。实验选取能量范围为20～160 mJ,粒径小于200 μm煤粉颗粒经下料口自由下落形成煤粉流束,通过螺杆式给粉机控制流量,波长1 064 nm脉冲激光聚焦后作用于下降的煤粉流束上,产生等离子体,光谱仪采集等离子体发射光谱信号,分析结果表明：实验台架下适于煤粉流LIBS检测的能量范围为30～60 mJ,对应激发前沿功率密度选取范围14.4～34.4 GW·cm-2,最佳测量功率密度19.5 GW·cm-2。     

小波变换基线扣除对激光诱导等离子体温度计算的改善

温度是激光诱导等离子体特性研究最重要的参数之一,为降低光谱连续背景对Boltzmann平面法计算等离子体温度的精密度的影响,利用小波变换对等离子体光谱进行分解,并采用软阈值法对代表光谱基线的低频信号进行扣除。选择合适的小波分解层数L及阈值系数α能有效提高Boltzmann图的线性相关度,即有更高的拟合系数R2,从而提高等离子体温度的计算精密度。对低合金钢样品417～445 nm波段LIBS光谱采用db4小波函数进行分解、基线扣除和信号重构,选用12条Fe原子谱线建立Boltzmann图,由Boltzmann图拟合直线的斜率计算得到等离子体温度。对L和α系数进行了优化选择,研究发现,采用8层小波分解时Boltzmann图具有较高的R2,而α的选择与时延t_d有关,t_d≤4.0 μs时,α=0.3可获得最佳R2值,之后随t_d的增大,α逐渐减小; 在t_d≥6.5 μs后,α=0,即光谱低频信号被完全扣除,说明基线对光谱特征谱线的干扰随时延的增加逐渐减弱。基线扣除后各时延的等离子体温度降低约2 000～3 000 K,温度随时延的增加逐渐降低,与等离子体膨胀过程中温度逐渐下降的物理过程相吻合,且变化过程中的波动变小。     

远程激光诱导击穿光谱定量分析铝合金中的微量元素

基于纳秒Nd∶YAG激光器与卡塞格林式望远镜系统建立了一套25m远距离激光诱导击穿光谱测量装置,实现了对金属靶材的远距离测量.在此基础上,利用铝合金标样开展了金属中微量元素远程定量分析,研究了不同距离下铝合金中Pb、Fe、Ni三种元素的定量分析标定曲线与探测极限.实验结果表明,在5m至20m三种测量距离下,Pb、Fe、Ni三种元素定标曲线的相关性系数均高于0.97;尽管激光诱导击穿光谱的光谱信号随测量距离增加快速下降,但是检测限随测量距离增加并无显著改变,均在50ppm以下.     

钢铁中钒、钛元素的激光诱导击穿光谱定量检测

采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术测量钢铁中钒、钛元素的含量。选取V Ⅰ 440.85 nm和Ti Ⅰ 334.19 nm作为定量分析谱线、基体元素谱线Fe Ⅰ 438.35 nm作为内标谱线,分别建立了基本定标法和内定标法的钢铁样品中V和Ti含量的光谱分析定标曲线,并将它们用于检验样品的定量分析。研究表明,V和Ti基本定标曲线的拟合相关系数R2分别为0.987 5和0.990 9,对检验样品中V和Ti元素的测定相对误差最大分别为11.1%和4.0%;而采用内定标法时,V和Ti的拟合相关系数R2分别达到0.995 2和0.992 1,对检测样品中V和Ti元素的测定相对误差均可降低到4.0%以下。结果证明,采用内定标的激光诱导击穿光谱分析方法更适于钢铁样品中钒、钛含量的测定。     

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.     

Laser-induced spark for simultaneous ignition and fuel-to-air ratio measurements

This work investigates the use of laser-induced gas breakdown for simultaneously igniting and measuring fuel-to-air ratio of CH₄–air and H₂–air combustible mixtures. The fuel-to-air ratio is determined using the measured spectral peak ratio I_o,Hα/I_o,OI. Sparks are produced using a single-mode, Q-switched Nd–YAG laser. The laser produces a beam of 6 mm in diameter at the wavelength of 1064 nm and pulse duration of 5.5 ns. The beam optics is designed to have mainly a beam splitter and a focusing lens. The beam splitter is coated to reflect the laser beam and transmit emission lines with wavelengths from 600 to 900 nm which are then collected by a fiberoptic cable and detected by an imaging spectrometer–detector assembly. The results showed a linear dependence of the spectral peak ratio on the equivalence ratio that can be generally expressed by φ=a(I_o,Hα/I_o,OI)+b, where a and b are the parameters that depend on the gas pressure. Using the least-square curve fitting technique to fit the experimental data, a calibration curve for calculating the equivalence ratio as a function of the ratio of (I_o,Hα/I_o,OI) was generated.     

Laser-induced breakdown spectroscopic studies of marbles

We present laser-induced breakdown spectroscopic studies of variety of marbles extracted from Quetta region of Boluchistan, Pakistan using a Nd:YAG laser (532 nm) in conjunction with LIBS 2000 detection system. The emission spectra of Onyx (white spot) and Quetta Green Marble samples have been recorded as a function of laser irradiance. The elemental composition and their relative abundance in each sample are fond to be quite different. In Onyx (white spot), calcium dominates while in the Quetta Green marble magnesium is the dominant element. In addition the effect of the laser irradiance on the emission intensity, width and shift of the transition lines have been studied.