非平坦样品激光诱导等离子体光谱特性研究

激光诱导击穿光谱（LIBS）作为一种快速、实时的元素分析技术,由于其在痕量元素探测、地质环境监测等领域有着广阔的应用前景,而受到人们极大的关注。在实际应用中,样品表面是影响等离子体产生及其特性的关键环境因素之一。在大气环境下,利用脉宽为8 ns、波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光产生等离子体,对比研究了天然岩石样品在非平坦和平坦表面条件下等离子体的发射光谱。基于激光辅助辐射波模型,阐释了非平坦样品表面对其光谱特性的影响。通过对比等离子体时间积分光谱,发现非平坦样品的谱线强度相比于平坦样品的谱线强度减弱了近70%,该结果说明非平坦样品表面对LIBS真实测量数据的负面影响不可忽视。针对褐铁矿样品中的谱线Fe Ⅰ 404.58 nm和Fe Ⅰ 438.35 nm,研究了在平坦和非平坦样品表面下的峰值强度以及其衰减因子随激光能量的变化规律,结果表明非平坦样品表面条件下采集的光谱强度始终低于平坦样品表面的光谱强度。光谱强度的衰减因子先随激光能量增大而逐渐降低,并在激光能量33 mJ达到最小值,后随激光能量的进一步增大而增大。实验结果进一步表明在非平坦样品表面条件下产生了密度较低的等离子体,并且非平坦与平坦样品的电子密度的比值在激光能量33 mJ时达到最小,此结果与光谱强度的衰减因子随激光能量的变化趋势一致,这是源于非平坦样品表面会形成较大激光入射角度,使得激光等离子体能量吸收区厚度变薄,产生等离子体屏蔽效应所对应的激光能量阈值升高。此外,样品表面状态和激光能量对等离子体温度的影响甚微。阐述了非正入射时等离子体特征参数与正入射时等离子体特征参数的联系和差异,揭示了非平坦样品激光等离子体特征参量变化的内在物理机制,为室外LIBS探测技术在元素定性和定量分析中光谱强度的校正提供参考。     

不同能量水下激光诱导等离子体的轴向辐射分布特性研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术作为一项新兴的水下原位探测技术,备受海洋探测技术领域的关注。将这项技术推向实用化的关键之一是改善LIBS的远程探测能力,因此需要采用超击穿阈值的高能量探测激光。为观察超击穿阈值情况下的等离子体辐射和动态击穿特性,采用图像与光谱相结合的方法,以KCl溶液为样品进行了系列实验研究。通过对1～20 mJ不同能量激发下的等离子体图像分析,获得了不同激发条件下总辐射的轴向跨度和最亮点位置信息。随激光脉冲能量增大,等离子体长度增加,从1 mJ时的0.49 mm增加到20 mJ时的1.83 mm,同时辐射最亮点位置向激光入射方向移动了0.79 mm。结合光谱探测分析,得出等离子体特征辐射的轴向空间分布也对激光能量有明显的依赖性。虽然不同能量下谱线强度呈相似的轴向空间分布,但钾原子辐射最强处的位置和相应强度均随能量变化,在5 mJ激发下获得最佳辐射强度。实验结果表明,为满足远程LIBS应用需求,提高激光能量时应考虑其对原子辐射的影响。还对不同能量下的谱线的半高宽和信背比进行了观测分析。     

激光波长对水中金属元素激光诱导击穿光谱探测的影响

针对激光诱导击穿光谱(LIBS)在海洋应用中的问题,对1 064和532nm两个激发波长下水中LIBS光谱特性进行探测分析,以比较其烧蚀效果。通过激光诱导等离子体的时间分辨光谱,分析水下等离子体电子密度随时间的演化规律,1 064nm激光诱导等离子体寿命约为1 200ns,而532nm激光激发情况下等离子体寿命仅约为600ns。基于光在水中的传输特性和LIBS的实验结果,建立了获得最佳LIBS探测效果所需的入水前激光脉冲能量Eiopt(r)与探测距离r的关系,并应用到水下原位探测的模拟分析。结果表明,当探测距离不大于5cm时,所需的入水前1 064nm激光单脉冲能量小于100mJ,该激发波长可用于LIBS的水下探测;当探测距离增至10cm时,所需的入水前532nm激光单脉冲能量只需30mJ左右。因此,当原位探测距离增加时,则需考虑选择532nm激光作为烧蚀光源。     

激光感生击穿光谱技术(LIBS)的原理及影响因素

激光感生击穿光谱技术（LIBS）具有不需制备样品,快速分析,可进行实时控制的特点显示了巨大实际应用价值,文中介绍了激光感生击穿光谱技术（LIBS）的发展历史、研究现状及其原理。同时通过重复频率为20 Hz,最高单脉冲能量为50　mJ的纳秒激光（10 ns,1　064 nm）研究了在不同激发条件下Cr和Co薄膜产生的光谱信号。得出对于Cr膜当激发能量小于10 mJ时,信号差异不明显。但是当激发能量超过10　mJ时将产生明显的变化。分析了激光特性、延迟时间、实验装置、环境气体的种类及压力、单/双脉冲、以及采用的理论分析方法对LIBS探测结果的影响。     

液相射流中中Al元素单双脉冲LIBS研究

为了综合比较单双脉冲激光诱导击穿光谱技术(LIBS)在液体中重金属元素的检测效果,利用自建的液相射流单-双脉冲LIBS技术装置,对AlCl₃水溶液中的Al元素LIBS特性进行测量和分析。实验中使用两台532 nm Nd∶YAG激光器作为激发光源,等离子体辐射信号通过光谱仪和ICCD进行采集。实验研究了单脉冲下Al(396.15 nm)发射谱线的谱线强度随激光能量、ICCD门延时、门宽之间的变化关系,获得了最优化实验参数激光能量为50 mJ,ICCD门延迟为1 200 ns,门宽为150 ns。在相同的实验条件下,实验考察了Al(369.15 nm)发射谱线的谱线强度随双脉冲之间的延时,激光总能量,ICCD门延时的变化关系,获得了最优化实验参数为两双脉冲之间的延时为1 000 ns,激光总能量为50 mJ,ICCD门延时为1 100 ns。单脉冲和双脉冲条件下获得重金属Al的LIBS检测限分别为26.79和10.80 ppm,双脉冲LIBS技术使元素检测限下降2倍多。实验结果表明双脉冲可以提升LIBS技术的探测灵敏度,为LIBS技术应用于水体中重金属快速检测提供了依据。     

Na_2SO_4溶液激光拉曼/激光诱导击穿光谱联合探测

光谱技术应用于海底极端环境下多参数、多相态、无接触探测已成为深海化学传感器发展的一个重要方向,尤其是水下激光拉曼光谱技术和水下激光诱导击穿光谱技术正成为目前研究开发的热点。该工作旨在探索一项水下激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱(LIBS-LRS)联合探测技术,以实现LIBS和拉曼两种检测技术在检测系统上的整合,在信息获取上的互补。在实验室搭建了一套LIBS-LRS联合探测装置,该装置对于拉曼和LIBS采用同样的激发光源、光谱仪和探测器,前置光路分为两部分:拉曼光路和LIBS光路,分别收集Na_2SO_4溶液的拉曼信号和LIBS信号。前置光路收集的拉曼和LIBS信号由Y型光纤导入光谱仪,分别在面阵CCD不同区域进行探测。利用该装置对配置的Na_2SO_4溶液进行探测,同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号。另外,随着激光能量的提高,在532nm脉冲激光能量超过3.6mJ时,在拉曼光路同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号,这样采用同一光路即可实现两种光谱技术的联合,然而实验发现,随着激光能量的增加,激光在溶液中击穿产生的轫致辐射造成了光谱探测基线整体的抬升,对拉曼光谱弱信号的探测是不利的。实验结果初步证明了在拉曼和LIBS在水下联合探测的可行性。     

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。     

样品温度对激光诱导土壤等离子体辐射特性的影响

为了研究样品温度对激光诱导等离子体辐射特性的影响,以国家标准土壤样品为靶,在空气中利用波长为1 064nm的Nd∶YAG纳秒脉冲激光烧蚀不同温度(≤350℃)下的片状样品,测量了激光诱导等离子体的发射光谱强度和信噪比,计算了光谱分析检出限和信号的测量准确度.实验结果表明,当能量为200mJ时,随着样品温度的升高,等离子体辐射逐渐增强,并且在样品温度为300℃时达到最大值.计算表明,元素Al、Mg、Ba和Fe在300℃样品温度时的光谱线强度比室温条件下分别提高了67%、58%、61%和52%,信噪比分别增大了41%、51%、28%和38%,且元素分析检出限和光谱信号稳定性均有改善.升高样品温度有利于改善激光光谱的质量.     

合金钢的激光诱导击穿光谱实验条件优化

利用1 064 nm波长Nd∶YAG脉冲激光诱导击穿合金钢产生激光等离子体光谱,采用高分辨率及门宽控制的ICCD探测LIBS信号光谱。选用铁元素原子谱线404.581,414.387,427.176和438.355 nm进行分析,研究了不同实验参数对LIBS光谱信号强度的影响结果。实验结果表明,激光脉冲能量、激光聚焦位置以及ICCD探测器的延时等实验参数对合金钢LIBS信号有较大影响。通过优化这些实验参数,获得高光谱强度和信背比的LIBS信号,确定了LIBS技术用于合金钢微量元素成分分析的最佳实验条件,从而开展合金钢样品成分分析。     

激光诱导Ti等离子体电子温度的实验研究

室温,常压下,利用Nd∶YAG脉冲激光器产生的波长为1 064 nm, 脉宽12 ns,能量分别180, 230和280 mJ的脉冲激光冲击Ti靶,使用中阶梯光栅光谱仪检测了三种激光能量下对应的光谱。调节延时器DG645的延迟时间,检测了延迟0～500 ns时间范围内Ti等离子体对应激光能量下的发射光谱,分析光谱,可以得到了九条不同的的TiⅠ 和TiⅡ等离子体谱线,证明在该实验条件下,Ti靶能够充分吸收能量电离且离子谱线具有不同的演化速率,利用Saha-Boltzmann法计算并分析Ti等离子体电子温度,实验结果表明：相同的延迟时间,激光能量越大,谱线相对强度越大,电子温度越高,谱线相对强度的变化量随激光能量的变化量增大而增大;在延时0～150 ns内,三种激光能量下的等离子体电子温度和谱线的相对强度都随延迟时间的增加而快速下降,其中280 mJ激光能量下的等离子体电子温度和谱线强度下降速率较快;在150～250 ns范围内,电子温度和谱线强度均随延迟时间的增加有一个缓慢的上升,180 mJ激光能量下的等离子体电子温度和谱线强度的上升速率较快。250～500 ns范围内,三种激光能量下的电子温度和谱线强度均随延迟时间的增加而缓慢下降。     

激光诱导Mg等离子体电子温度的实验研究

利用波长为1 064 nm,最大能量为500 mJ的Nd∶YAG脉冲激光器在室温,一个标准大气压下对Mg合金冲击,改变激光能量,得到相应的Mg等离子体特征谱线。分析谱线,发现谱线有不同的演化速率,同时得到了MgⅠ,MgⅡ离子谱线,证明此实验条件下,激光能量足够Mg合金靶材充分电离。选择了相对强度较大的MgⅠ 383.2 nm, MgⅠ 470.3 nm, MgⅠ 518.4 nm三条激发谱线,利用这些发射谱线的相对强度计算了等离子体的电子温度,激光能量为500 mJ时,等离子体温度为1.63×104 K。实验结果表明：在本实验条件下,Mg原子可以得到充分激发;在200～500 mJ激光能量范围内,等离子体温度随着激光能量的降低而衰减,在350～500 mJ激光能量范围内的等离子体温度随激光能量的变化速度十分明显,200～350 mJ时等离子体温度变化速度迅速减缓;激光能量为300 mJ时,谱线相对强度明显减弱,低于350和250 mJ的谱线相对强度,不符合谱线相对强度会随着激光能量提高而上升的变化趋势,证明发生了等离子体屏蔽现象,高功率激光产生的等离子体隔断了激光与材料之间的耦合。此时的等离子体温度明显升高,不符合变化趋势,这是由于在发生等离子体屏蔽现象时,激光能量被等离子体吸收,导致等离子体温度上升。     

纳秒脉冲激光诱导土壤等离子体辐射强度研究

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激光诱导等离子体发射光谱,研究了激光输出能量(100～500mJ)对等离子体辐射强度的影响。实验结果表明,在激光能量为200mJ的优化条件下,可以提高光谱强度和信背比。当激光束被适当散焦以后激发样品时,能够进一步改善光谱质量,散焦位置为+6mm时元素Mg,Al,K和Fe的谱线强度比未散焦时分别提高了46%,63%,59%和45%,而光谱信背比分别提高了11%,31%,35%和38%。这为检测土壤样品中痕量杂质元素奠定了基础。     

532和1 064 nm激光的水下LIBS探测对比研究

海洋是国家可持续发展的战略要地,迫切需要海洋探测技术的快速发展,光谱类的化学传感器由于具有原位、非接触和长期探测的优势日益成为研究热点。为了将激光诱导击穿光谱（LIBS）技术应用于海洋原位探测,采用532和1 064 nm波长激光在能量分别为3和40 mj附近进行烧蚀,对比实验研究了532和1 064 nm激光作用下的LIBS击穿特性,并重点探讨了水下激光传输距离对LIBS信号的影响。结果显示,采用1 064 nm的激光能够获得更高的谱线强度和信背比,以及更长的等离子体寿命,但LIBS信号稳定性较差;受水体对不同波长激光能量衰减不同的影响,在水下传输距离2～5 cm范围内,随着1 064 nm激光能量的衰减LIBS信号衰减也很明显,而位于海水“透射窗口”的532 nm的激光LIBS信号基本保持不变。为今后LIBS海洋原位探测系统的开发提供了有价值的设计依据。     

火焰原子吸收对K元素激光诱导击穿光谱测量的影响

当使用激光诱导击穿光谱技术（LIBS）测量火焰场内碱金属元素时,等离子体内碱金属原子所发出的LIBS信号,会受到等离子体外火焰中基态碱金属原子的吸收,影响测量精度。基于Beer Lambert定律和CH4 空气火焰场内气态含K物质的热力学平衡原理,建立了火焰场内K元素LIBS信号的原子吸收模型,并分析了实际生物质颗粒燃烧K元素释放浓度范围内,火焰气氛、K元素浓度分布以及总K浓度对火焰原子吸收效率的影响。研究发现,随着O2/CH4的摩尔比值的增加,火焰中热力学平衡状态下K原子占总K的比例从约25%逐步降低,火焰原子吸收效率也从86.8%逐步降低。当O2/CH4的摩尔比值大于2时,火焰尾气中会存在剩余O2,此时火焰内K原子的吸收效率均低于13%。同时,火焰中K元素浓度分布以及总K浓度的合理调整亦对火焰原子吸收效率具有降低作用。在此基础上,提出了创造氧化性气氛、调整K浓度分布来降低火焰原子吸收效率和提高LIBS测量精度的解决途径。     

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。     

金属特性对激光诱导击穿光谱最佳实验参数的影响

采用波长为532nm的单脉冲激光诱导两种金属样品铜和锌,产生等离子光谱,固定激光能量40mJ、门宽100ns、光谱仪入射狭缝0.1mm、ICCD增益100等参数,研究金属样品物理化学特性对汇聚透镜焦点到样品表面距离、ICCD采集延迟等最优化实验参数的影响.实验中分别选取铜样品Cu（I）521.82nm和锌样品Zn（I）481.053nm谱线作为LIBS信号,实验测定的透镜焦点在距样品表面不同距离处的LIBS信号强度,结果表明铜和锌样品的聚焦透镜焦点分别在样品表面内距表面的距离为5mm和5.5mm时得到光谱信号强度最大;铜和锌的ICCD探测延时分别为1300ns和1100ns时等离子体光谱信号的信噪比最大并具有可观测的强度,依据铜和锌样品物理化学特性的差异对实验结果进行了合理的分析与讨论,为后续研究金属样品LIBS技术的基底效应、纳米结构增强激光诱导击穿光谱机理提供数据参考.     

复混肥中钾含量的激光诱导击穿光谱分析

将激光诱导击穿光谱技术(LIBS)应用于复混肥中的主要营养元素之一钾(K)元素的含量检测.样品中K养分的浓度较高,在等离子体形成过程中容易发生自吸收.通过分析谱线的激发能级、跃迁几率以及自吸收程度,确定最佳分析谱线为钾的原子线404.40 nm.同时为了提高LIBS分析复合肥样品的测量精度,分析了光谱测量稳定性随谱线信号平均次数的变化规律.结果显示,在本实验条件下,一次测量平均100个脉冲所得的光谱信号,其相对标准偏差较小.实验总共分析了9个复合肥样品,其中7个作为定标样品,建立K养分浓度的定标曲线,另外2个作为未知样品,用以检验LIBS分析K养分浓度的测量精确度.研究结果表明,定标曲线的线性拟合度为0.989,检验样品的绝对误差小于0.3%,体现了激光诱导击穿光谱技术快速分析复混肥中钾养分的潜力.     

液相基质中微量金属元素Pb的激光诱导击穿光谱研究

通过单脉冲激光诱导击穿光谱技术（LIBS）,测定了Pb（NO3）2水溶液中微量重金属元素Pb的LIBS光谱。实验研究溶液中Pb元素的LIBS光谱信号的时间（300ns-1300ns）演化特性,得到了本实验的优化实验条件,光谱探测相对激光的延时为800ns,单脉冲激光能量35mJ。在最佳实验条件下测定Pb微量元素的LIBS定标曲线,计算得到LIBS用于Pb(NO3)2溶液中痕量金属元素分析的检测限为177ppm。     

不同样品温度下聚焦透镜到样品表面距离对激光诱导铜击穿光谱的影响

研究了不同温度下聚焦透镜到样品表面距离对激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)强度的影响,使用Nd:YAG脉冲激光激发样品并产生等离子体,探测的等离子体发射的光谱线为Cu(Ⅰ)510.55 nm,Cu(Ⅰ)515.32 nm和Cu(Ⅰ)521.82 nm.使用透镜的焦距为200 mm,测量的聚焦透镜到样品表面距离的范围为170—200 mm,样品温度从25℃升高到270℃,激光能量为26 mJ.总体上,升高样品温度能有效地提高LIBS光谱的辐射强度.在25℃和100℃时,光谱强度随着聚焦透镜到样品表面距离的增加而单调增加;在样品温度更高(150, 200, 250和270℃)时,光谱强度随着距离的增加出现先升高而后又降低的变化.同时,在样品接近焦点附近,随着样品温度的升高,LIBS光谱强度的变化不明显,还可能出现光谱强度随着样品温度升高而降低的情况,这在通过升高样品温度来提高LIBS光谱强度中特别值得我们注意.为了更进一步了解这两个条件对LIBS的影响,计算了等离子体温度和电子密度,发现等离子体温度和电子密度的变化与光谱强度的变化几乎一致,更高样品温度下产生的等离子体温度和电子密度更高.     

激光诱导击穿光谱实验装置的参数优化研究

为了使激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置中的多个关键参数达到最优化设置,以便更好地服务于煤质分析,实验中对这些参数与煤粉等离子体中待测元素发射谱线信噪比间的关系进行了详细研究,并根据信噪比大小来进行最优化参数的选择.实验结果表明,对于本LIBS实验装置,其最优化参数设置是将激光脉冲能量设为120 mJ·Pulse-1...