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.     

液相和固相钢铁的激光诱导击穿光谱特性

为深入了解激光诱导击穿光谱技术应用于钢液成分的检测机制,对45#钢样品分别为高温熔融液态和冷却凝固后的固态样品的激光诱导击穿光谱特性进行了对比分析.实验表明,相比固体样品,在相同实验条件下对钢液进行直接测量的稳定性相对较差.各波段的光谱强度液态钢的要明显强于固态钢,两者的等离子体特性存在较大差别.采用Fe的五条原子谱线...     

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.     

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。     

湿度对激光诱导土壤等离子体特性的影响

为研究土壤湿度对激光等离子体的影响,通过制备六种不同湿度的土壤样品进行实验,选取铅的特征谱线(Pb:405.78nm)为分析线。实验结果表明,随着土壤湿度的增加,谱线的强度、信噪比及RSD线性减小。在局部热力学平衡近似下,选取铁在400～440nm波长范围内的四条特征谱线,利用玻尔兹曼图,测定了等离子体温度在不同湿度下的变化特性,随着湿度从零增加到20%,等离子体温度从11800K近似单调的下降到7800K,电子密度从3.3×106cm-3减小到2.8×106cm-3。     

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。     

激光诱导等离子体光谱空间分布特性

激光波长和激光入射角是影响激光诱导等离子体空间分布和光谱强度空间分布特性的重要因素.基于流体动力学和SAHA方程,仿真了激光诱导等离子体的二维空间演化过程,研究了激发等离子体的辐射光谱空间分布特性及激光波长、入射角度等参数对等离子体特征谱线空间分布特性的影响.研究结果表明:波长为1064 nm的激光在不同延时条件下,最佳激光入射角度均为0°.当入射角度为0°时,所激发的等离子体辐射在不同的探测角度处均有较强的光谱信号,且在100,500,1000 ns延时条件下,最佳探测角分别为±41°、±11°和±12°.对于不同的波长,当延时分别为100 ns和500 ns且激光以0°入射时,长波长激光所激发的等离子体光谱在不同探测角处的强度均强于短波长激光.当延时为100 ns时,1064 nm波长激光所激发的光谱在最佳探测角位置的强度约为532 nm和266 nm波长激光所激发的光谱在各自最佳探测角位置强度的2倍.随着探测角绝对值的减小,等离子体辐射光谱强度先增大,到达最佳探测角后强度再减小.入射波长分别为532 nm和1064 nm的激光诱导击穿光谱实验结果验证了仿真结果.     

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     

ADN基液体推进剂激光诱导等离子体的光谱研究

ADN（二硝酰胺铵）基单组元液体推进剂是一种新兴的、可替代肼的绿色推进剂,发展非接触式手段、实时分析元素含量对于研究ADN基推力器的燃烧诊断十分重要.通过建立绝对辐射光谱和高分辨率光谱测量系统,优化了实验参数,研究了由ADN-甲醇-水组成推进剂的激光诱导击穿光谱,分析了光谱中元素H,N,O的时间演化特性,基于Boltzmann斜线法和Stark效应法分别得到了激光诱导产生等离子体的电子温度和电子密度的时间演化曲线,推进剂的初始电子温度为68 000 K,电子密度为1.6×1019 cm-3,利用e指数拟合得到相应的弛豫时间分别为270 ns和90 ns,该实验条件下未发现ADN基推进剂成功点火现象.      

激光诱导氩气等离子体时间分辨特性研究

激光诱导击穿光谱(L IB S)以激光诱导微等离子体的原子发射为技术特征,在科研与工业领域正得到重视与蓬勃发展.作为环境气体的氩气对等离子体演化过程中粒子的碰撞过程有重要影响,决定着L IBS技术分析性能的发挥.利用光谱诊断技术深入研究LIBS技术条件下氩气的光谱特征,对于提升LIBS技术及其应用水平具有重要的意义.利...     

运用响应面分析法优化激光诱导土壤等离子体测试参数

测试参数的选择和优化是进行激光诱导击穿光谱（LIBS）试验的重要步骤之一,合适的测试参数能够保障所得光谱数据的准确性。本研究运用LIBS技术,以土壤中主要元素（硅、铁、镁、钙、铝、钠、钾等）为载体,研究LIBS不同测试参数对元素谱线特性影响,优化得到普适的土壤测试条件。设计了以LIBS系统中激光脉冲能量（LE）、延迟时间（DT）和聚焦透镜到样品的距离（LTSD）三因素的二次中心组合的试验,以土壤中主要元素的特征谱线组合信背比（SBR）Y_SBR为目标函数,分析了三因素之间交互作用对Y_SBR的影响。结果表明：因素DT对Y_SBR的线性效果显著,而LE和LTSD对Y_SBR的线性效果均不显著;三者的交互影响对Y_SBR的交互效果都不显著;对于二次项LE2,DT2和LTSD2对Y_SBR的曲面效应均显著。优化得到最佳的试验条件是：激光能量LE为103.09 mJ,延迟时间为2.92 μs,透镜到样品的距离LTSD为97.69 mm,得到最大组合信背比Y_SBR为198.602。这些测试参数是后期LIBS数据准确分析的前提,为田间实地土壤LIBS检测参数的选择提供重要的借鉴。     

激光诱导击穿光谱法对钢铁偏析样品的分析

经典判断钢铁样品是否存在偏析带方法有金相显微及硫印方法,其缺点在于分析速度慢,且无法提供元素的含量分布信息。文中在最佳实验条件下,采用激光诱导击穿光谱(LIBS),在空间横向分辨率约为100 μm左右对两块钢铁中低合金板坯及均匀样品扫描分析,在建立校准曲线的基础上,将元素强度二维分布转化为含量二维分布。研究表明,编号为86#样品C,Si,Mn,P,S及Cu等元素存在明显的偏析,编号为174#样品C,Si,P,Ti等元素存在明显的偏析,并对偏析带的宽度进行估算,其偏析带的位置及宽度与金相显微分析方法相吻合。对均匀样品扫描分析,C,Si,Mn,P,S等元素均匀分布,不存在偏析带,通过元素强度或含量二维分布图可间接反映样品的均匀性。与传统的金相分析方法相比较,LIBS不仅可快速准确体现样品偏析带位置及宽度,而且还可同时提供元素含量分布(如C,Si,Mn,P,S等元素)等方面的信息。此方法可用于快速对钢铁样品是否存在偏析带及其宽度进行表怔,从而为钢铁冶炼工艺的改进提供理论依据。     

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。     

超光滑基片等离子体表面处理研究

通过对射频功率、反应室压强和处理时间等参量进行实验,系统研究了等离子体处理对基片表面状态的影响.结果表明,等离子体处理可以溅射去除加工变质层,降低表面粗糙度,提高基片表面洁净度和表面能.优化后的参量证实,经等离子处理的基片比未经等离子体处理的基片镀膜后损耗平均降低34.2 ppm,并且显示出良好的一致性.     

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。     

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.     

不同收光方式下煤粉流的等离子体信号探测

针对煤粉流组分分布的不均匀性, 研究不同收光方式对煤粉流的激光诱导等离子体的光谱信号收集效果的影响.选用电厂常用燃煤神木混为实验对象,利用自行搭建的气固两相流实验台架产生稳定煤粉流,对比同向收光方式和侧向收光方式下煤的特征谱线信号探测的强度和稳定性.研究结果表明,相同实验条件下,中间穿孔反射镜使同向收光方式下探测的光谱信号强度较弱,而等离子体信号源位置沿激光束轴线的变化、等离子体信号本身沿空间分布的不均匀性及煤粉流的阻挡作用使侧向收光方式下探测的光谱信号稳定性较弱.     

Plasma plume photography and spectroscopy of Fe—Oxide materials

Time-resolved photography was employed to study plasma dynamics and particle ejection of laser-irradiated iron oxide materials. Nano-particle powder, pressed powder pellets and sintered ceramics were ablated in air and Ar gas background by means of short laser pulses (Nd:YAG laser wavelength λ = 1064 nm and pulse duration τ_L ≈ 6 ns; KrF laser λ = 248 nm and τ_L ≈ 20 ns). Plasma plume dynamics significantly depended on sample morphology. The ejection of non-luminous particles up to several hundreds of microseconds after the laser pulse was observed for powder and pressed powder target materials. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) was employed for element analysis of iron oxide powders, pressed pellets and sintered ceramics. LIBS spectra of the different targets were comparable to each other and qualitatively independent of target morphology.