土壤中重金属元素的双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于正交预烧蚀双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS) 技术对长春市四个地点地表土壤样品中的重金属元素进行了研究, 根据光谱线强度定性分析了重金属元素Mn, Cr, Cu, Pb含量.实验结果发现, 在532和1064 nm激光脉冲能量分别为70和100 mJ的条件下光谱增强随延时的变化出现双峰结构. 脉冲间延时20 μs时, Mn I 406.4 nm光谱增强幅度达到2.75倍, 延时为30 μs时出现第二个尖峰, 增强幅度为2.4倍.最后对正交预烧蚀DP-LIBS光谱增强机理进行了讨论. 关键词： 预烧蚀 双脉冲激光诱导击穿光谱 光谱增强 土壤污染     

Ni原子双飞秒脉冲激光诱导击穿光谱的信号增强研究

在大气环境下采用波长为800nm,脉宽为30fs的飞秒激光研究了Ni的双脉冲激光诱导击穿光谱,与单飞秒脉冲激光诱导击穿光谱相比,双飞秒脉冲在最优的双脉冲相对延时下,其信号强度增强接近10倍,实验研究了双脉冲相对延时在0-1300ps范围内不同延时对激光诱导击穿光谱信号强度增强因子的影响。整个相对延时区域可以分为三个阶段：在0-50ps区域内信号增强因子是一个持续增大的过程,在50ps左右,达到一个最大值;在50-300ps区域内,信号增强因子呈现出一个先下降后上升的过程;在300-1300ps,信号增强因子基本保持不变。     

Ni原子双飞秒脉冲激光诱导击穿光谱的信号增强研究

在大气环境下采用波长为800nm,脉宽为30fs的飞秒激光研究了Ni的双脉冲激光诱导击穿光谱,与单飞秒脉冲激光诱导击穿光谱相比,双飞秒脉冲在最优的双脉冲相对延时下,其信号强度增强接近10倍,实验研究了双脉冲相对延时在0-1300ps范围内不同延时对激光诱导击穿光谱信号强度增强因子的影响。整个相对延时区域可以分为三个阶段：在0-50ps区域内信号增强因子是一个持续增大的过程,在50ps左右,达到一个最大值;在50-300ps区域内,信号增强因子呈现出一个先下降后上升的过程;在300-1300ps,信号增强因子基本保持不变。     

激光诱导击穿光谱结合神经网络测定土壤中的Cr和Ba

提出了一种基于人工神经网络的激光诱导击穿光谱技术实现元素成分高准确度定量分析的方法.采用基于动量和自适应学习速率梯度下降算法的反向传播神经网络,结合激光诱导击穿光谱技术的方法测定土壤中Cr和Ba元素的含量,得到了Cr和Ba的含量以及多次重复预测的相对标准偏差,并与采用传统的内标法得到的检测结果相比较.研究结果表明:基于动量和自适应学习速率梯度下降算法的反向传播神经网络分析方法,与激光诱导击穿光谱技术相结合能更好地实现对土壤样品中Cr和Ba元素的定量检测.相对内标法,神经网络分析方法与激光诱导击穿光谱技术相结合可以很明显地提高检测准确度和精密度,对采用激光诱导击穿光谱技术定量检测土壤重金属污染具有很好的应用价值.     

再加热双脉冲与单脉冲激光诱导Fe等离子体发射光谱实验对比研究

使用单脉冲和再加热双脉冲激光对位于空气中的钢样进行烧蚀激发等离子体,对两种方式产生的光谱进行研究。再加热双脉冲激光诱导击穿光谱采用两束激光,一束烧蚀样品激发等离子体,另外一束激光对产生的等离子进行加热。通过对比发现:采用再加热双脉冲激发样品,增强了发射光谱的信号,增大了等离子体的连续光谱,提高了信号的稳定性,十次测量信号的相对标准偏差从5.0%降低到2.0%。另外,还对影响双脉冲信号增强程度的因素进行了分析,研究了光谱的增强程度随两脉冲间隔和采集延时的变化;激发上能级对光谱增强程度的影响,上能级越高增强程度越大。     

钾元素单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、脉冲间隔、激光能量等)对K元素单脉冲LIBS和双脉冲LIBS等离子发射的影响.实验得知相对单脉冲激光激发,双脉冲激光激发可以显著提高等离子体发射谱线强度,增加谱线强度的衰减时间,提高LIBS数据的稳定性.通过最佳实验条件下K766.49nm谱线强度随溶液浓度的分析,得到该实验系统中,双脉冲激光激发时K元素的检测灵敏度和检测限约是单脉冲激光激发时的37倍.实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体金属的检测提供了一定依据.     

钾元素单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、脉冲间隔、激光能量等)对K元素单脉冲LIBS和双脉冲LIBS等离子发射的影响.实验得知相对单脉冲激光激发,双脉冲激光激发可以显著提高等离子体发射谱线强度,增加谱线强度的衰减时间,提高LIBS数据的稳定性.通过最佳实验条件下K766.49nm谱线强度随溶液浓度的分析,得到该实验系统中,双脉冲激光激发时K元素的检测灵敏度和检测限约是单脉冲激光激发时的37倍.实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体金属的检测提供了一定依据.     

铀元素的激光诱导击穿光谱测量分析

为促进LIBS技术在微量重金属元素检测以及核污染检测领域的应用,提高检测灵敏度和准确性,采用了激光双脉冲LIBS技术和光电双脉冲LIBS技术,分别对土壤和二氧化硅中的铀元素进行分析。首先,对激光脉冲能量、电压和采集延时等参数进行优化,提高铀元素特征谱线的强度和信噪比;然后在优化实验参数条件下,对含不同浓度铀元素的土壤样品和二氧化硅样品进行激发;选取UII 367.01 nm、 UII 454.36 nm两条铀元素的特征谱线作为分析线,通过铀元素浓度与特征谱线强度的线性关系,建立定标曲线。双脉冲激光激发条件为：激光脉冲1作为预脉冲,主要参数为1 064 nm, 90 mJ, 9.2 ns,激光脉冲2作为再加热脉冲,主要参数为355 nm, 50 mJ, 8 ns,两个脉冲的时间间隔800 ns,光谱采集相对第二个脉冲延时1μs,得到铀元素在土壤和二氧化硅两种样品中的浓度检测下限分别为572和110 mg·kg^-1,拟合优度值R²分别为0.958和0.999。在光电双脉冲激发条件下,激光脉冲作为预脉冲,主要参数为355 nm, 50 mJ, 8 ...     

激光诱导击穿光谱结合神经网络测定土壤中的Cr和Ba

提出了一种基于人工神经网络的激光诱导击穿光谱技术实现元素成分高准确度定量分析的方法.采用基于动量和自适应学习速率梯度下降算法的反向传播神经网络,结合激光诱导击穿光谱技术的方法测定土壤中Cr和Ba元素的含量,得到了Cr和Ba的含量以及多次重复预测的相对标准偏差,并与采用传统的内标法得到的检测结果相比较.研究结果表明:基于动量和自适应学习速率梯度下降算法的反向传播神经网络分析方法,与激光诱导击穿光谱技术相结合能更好地实现对土壤样品中Cr和Ba元素的定量检测.相对内标法,神经网络分析方法与激光诱导击穿光谱技术相结合可以很明显地提高检测准确度和精密度,对采用激光诱导击穿光谱技术定量检测土壤重金属污染具有很好的应用价值.     

土壤中砷元素的激光诱导击穿光谱测量分析

利用Nd:YAG脉冲激光器作为光源,在实验室自然大气环境下诱导产生国家标准土壤的激光等离子体,选取砷的228.8 nm特征谱线作为分析线,测量并分析了砷元素的激光诱导击穿光谱特性。在相同含量和积分时间条件下,调节延迟时间,获取了砷元素的时间演化特性。确定砷元素的最佳延迟时间为1 s,积分时间为2 s。测定不同含量下,砷的特征谱线强度,给出砷元素的定标曲线,并计算得到砷元素的检测限为45 mg/kg。     

Effect of parameters on Si plasma emission in collinear double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy

Collinear dual-pulse laser-induced breakdown spectroscopy was carried out on Si crystal by using a pair of nanosecond Nd:YAG laser sources emitting at 1064 nm. The spectral intensities and signalto-noise ratios of selected Si atomic and ionic lines were used to evaluate the optical emission. The optical emission intensity was recorded while varying the interpulse delay time and energy ratio of the two pulsed lasers. The effects of the data acquisition delay time on the line intensity and signal-to-noise ratio have been investigated as well. Based on the results, the optimal interpulse delay time, energy ratio of the two pulsed lasers, and data acquisition delay time for achieving the maximum atomic and ionic line intensities were found for generation of Si plasma with the collinear dual-pulse laser approach. The dominant mechanism for the observed line intensity variation was also discussed. In addition, the plasma temperature and electron number density at different gate delay times and different interpulse delay times were derived. A significant influence of plasma shielding on the electron temperature and electron number density at shorter interpulse delay times was observed.     

Effects of pulse energy ratios on plasma characteristics of dual-pulse fiber-optic laser-induced breakdown spectroscopy

Laser-induced plasmas of dual-pulse fiber-optic laser-induced breakdown spectroscopy with different pulse energy ratios are studied by using the optical emission spectroscopy(OES)and fast imaging.The energy of the two laser pulses is independently adjusted within 0–30 m J with the total energy fixed at 30 m J.The inter-pulse delay remains 450 ns constantly.As the energy share of the first pulse increases,a similar bimodal variation trend of line intensities is observed.The two peaks are obtained at the point where the first pulse is half or twice of the second one,and the maximum spectral enhancement is at the first peak.The bimodal variation trend is induced by the change in the dominated mechanism of dual-pulse excitation with the trough between the two peaks caused by the weak coupling between the two mechanisms.By increasing the first pulse energy,there is a transition from the ablation enhancement dominance near the first peak to the plasma reheating dominance near the second peak.The calculations of plasma temperature and electron number density are consistent with the bimodal trend,which have the values of 17024.47 K,2.75×10¹⁷cm;and 12215.93 K,1.17×10¹⁷cm;at a time delay of 550 ns.In addition,the difference between the two peaks decreases with time delay.With the increase in the first pulse energy share,the plasma morphology undergoes a transformation from hemispherical to shiny-dot and to oblate-cylinder structure during the second laser irradiation from the recorded images by using an intensified charge-coupled device(ICCD)camera.Correspondingly,the peak expansion distance of the plasma front first decreases significantly from 1.99 mm in the single-pulse case to 1.34 mm at 12/18(dominated by ablation enhancement)and then increases slightly with increasing the plasma reheating effect.The variations in plasma dynamics verify that the change of pulse energy ratios leads to a transformation in the dual-pulse excitation mechanism.     

八字门滑坡滑带土壤的激光击穿光谱探测

利用搭建的一套激光击穿光谱测量土壤样品的实验系统,对三峡坝区香溪河段八字门滑坡滑带土壤进行了探测研究。在同一纬度不同海拔高度选取了5个地点采取了土壤样品,对5个样品进行了实验测量,得到了这些土壤样品的光谱图,并对其中的Mg,Al,Si,K等元素进行了定性和定量分析。结果表明,这些元素随着海拔的降低,其含量也逐渐降低。     

激光诱导击穿光谱定量检测土壤微量重金属元素方法研究

在对激光诱导击穿光谱数据分析的基础上提出了一种可以用于元素定量分析的方法。该方法利用傅里叶分析的方法研究了光谱数据中的不同部分(白噪声、热辐射噪声和原子发射光谱),通过带通滤波实现发射光谱与大部分噪声的分离,得到仅含少量白噪声的发射光谱;通过计算待量化元素谱线与其对应单位强度特征谱线的相似度引入卷积强度来衡量待测谱线的强度。选取Cu 324.75nm作为分析线,Ti 337.28nm谱线作为参考线,采用上述方法对含微量Cu元素土壤样品进行了测量。实验结果显示:Cu元素含量和其卷积强度的线性系数达到0.997 9,计算得到土壤中Cu元素的检测限为44mg.kg-1,达到国家土壤环境质量标准规定的二级土壤中Cu含量要求,测量相对误差在10%以内,表明该方法能够满足土壤微量重金属检测简便、快速的要求。     

The role of microwaves in the enhancement of laser-induced plasma emission

We studied experimentally the effect of microwaves (MWs) on the enhancement of plasma emission achieved by laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). A laser plasma was generated on a calcium oxide pellet by a Nd:YAG laser (5 mJ, 532 nm, 8 ns) in reduced-pressure argon surrounding gas. A MW radiation (400 W) was injected into the laser plasma via a loop antenna placed immediately above the laser plasma to enhance the plasma emission. The results confirmed that when the electromagnetic field was introduced into the laser plasma region by the MWs, the lifetime of the plasma was extended from 50 to 500 µs, similar to the MW duration. Furthermore, the plasma temperature and electron density increased to approximately 10900 K and 1.5×10¹⁸ cm^-3, respectively and the size of the plasma emission was extended to 15 mm in diameter. As a result, the emission intensity of Ca lines obtained using LIBS with MWs was enhanced by approximately 200 times compared to the case of LIBS without MWs.     

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.     

土壤重金属铬元素的激光诱导击穿光谱定量分析研究

利用Nd ∶YAG脉冲激光器(波长:1064 nm)作为光源,在实验室自然大气环境下诱导产生土壤激光等离子体,通过等离子体原子发射光谱法定量分析了国家标准土壤样品中元素Cr的含量.实验上研究了在最佳实验条件下土壤中Cr的LIBS分析谱线,测定了Cr元素的定标曲线.实验结果表明,Cr元素浓度在(60—400)×10^-6范围内,元素含量与光谱线强度之间有较好的线性关系;元素Cr浓度分析测量的相对标准偏差(RSD)为7.89%,定量分析结果与标准值的相对偏差为5.3%,Cr元素的检测限为1 关键词： 土壤污染 定量分析 激光诱导击穿光谱 定标曲线     

应用激光诱导击穿光谱检测土壤中的铅

应用激光诱导击穿光谱技术对模拟土壤中Pb进行快速定量分析。该模拟土壤由PbCl₂,CaCO₃,SiO₂,KBr化学纯试剂制备而成。通过实验得到信噪比随延时的增大呈先增后减的变化规律。利用实验光谱图建立了Pb含量的定标曲线。定量分析研究得到：该方法用于Pb含量定量分析的平均相对误差为8.33%,最低检测限为89μg/g。实验结果验证了激光诱导击穿光谱技术用于土壤中Pb含量测量的能力。     

激光诱导击穿光谱技术结合神经网络和支持向量机算法的人参产地快速识别研究

利用激光诱导击穿光谱技术结合机器学习算法,对东北5个产地(大兴安岭、集安、恒仁、石柱、抚松)的人参进行产地识别,建立了主成分分析算法分别结合反向传播(BP)神经网络和支持向量机算法的人参产地识别模型.实验采集了5个产地人参共657组在200—975 nm的激光诱导击穿光谱,经光谱数据预处理后,对C,Mg,Ca,Fe,H...