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。     

偏振分辨激光诱导击穿光谱的铝铁合金信背比改善效果研究

偏振分辨激光诱导击穿光谱(PRLIBS)以其低成本压制背景的特点在LIBS降低检测限上有着重要意义,但是理论上的争议和信背比改善效果不稳定限制了其应用前景。为深入分析等离子体产生偏振特性的原理和PRLIBS信背比的改善效果,采用1 064 nm纳秒脉冲激光器和光纤光谱仪对铝铁合金样品进行了偏振分辨LIBS的信背比改善效果及偏振原理的探索性实验。通过对辐射能量的估算,大胆地推测轫致辐射在背景辐射中的占比是由大变小的,并据此解释了背景辐射强度在时间上的变化。通过改变能量密度、检偏角度、探测角、延时时间、积分时间等因素,采集光谱强度和波长数据、计算偏振度和信背比,观察到铝铁合金的等离子体光谱中背景谱和分立谱均有偏振且存在偏振度和偏振方向的差异,发现偏振LIBS改善信背比的效果与实验参数包括能量密度、延时时间、检偏角度以及波长有关。PRLIBS信背比关于能量密度的变化与一般LIBS类似,在能量较大时会趋于饱和。检偏角度会影响信背比大小,与光谱的偏振方向和偏振度有关,推导了信背比改善效果关于偏振度、检偏角度、偏振方向夹角的公式。在波长上连续谱偏振度趋势较为稳定而分立谱偏振度随光谱强度增大而减小。随延时时间增加,偏振度变化不明显,原因是相比于积分时间延时的改变量很小,而信背比的变化趋势与无偏振LIBS一致。总结了国内外对PRLIBS机理具有代表性的解释并进行了讨论,排除了激光光场、菲涅尔反射、各向异性电子速度分布等因素对等离子体偏振特性的决定性作用。研究结论是在ns-LIBS实验中,复合辐射在可见光和紫外光范围内占背景辐射的大部分,其偏振特性主要源于等离子体复合阶段产生的各向异性复合过程,原子谱偏振特性可能源于该过程中受激原子的磁性支能级间数量的不平衡,而背景谱与原子谱的偏振度及偏振方向的差异主要取决于偏振特性产生机理的不同。研究发现, PRLIBS并不总能提升元素的信背比,尤其对弱光谱信号改善效果有限,要获得较好的压制背景的效果,可以对PRLIBS的能量密度、检偏角度、延时与积分时间等条件加以控制,在能量密度20 J·cm-2积分时间30μs检偏角度20°下FeⅠ407.12 nm处的信背比由4.86提升至12.97。偏振度与探测角相关性较小,原因可能是导体的菲涅尔反射效应很弱。研究结果对PRLIBS的原理研究和应用提供了有效的理论基础。     

通过二次回归正交设计对激光诱导击穿光谱实验参数优化建模

激光诱导击穿光谱(LIBS)为多元素同时分析提供了一种简单、快速的分析工具。对LIBS多元素同时分析时实验参数优化,提出了一个"综合信背比(ISBR)"的优化目标函数。基于二次回归正交设计(QROD)构建了激光脉冲能量、检测延时、样品距透镜距离、积分时间这些因素对目标函数影响的多因素模型。结果表明,目标函数可以顾及多条谱线性能,为多元素同时分析提供参数优化的依据。利用QROD方法建立多因素模型,可以获得比单因素逐个优化更优的实验条件,并大大减少了实验次数。     

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.     

水泥中金属元素的激光诱导击穿光谱实验条件研究

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种被广泛使用的物质元素检测技术。由于它的探测结果受多种因素的影响,因此,分析比较不同实验条件对LIBS光谱测量的影响对LIBS检测有着重要的意义。通过采用四川省北川县中联水泥有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥制成的水泥压片,利用八通道光纤光谱仪AvaSpec-2048-USB2-RM、延时触发器DG645进行了LIBS检测。针对影响水泥几种重要技术指标的金属元素Mg,Al,Na,K进行了分析。主要对比了激光频率、同一点测量次数对不同金属元素光谱信号强度的影响,得出在本实验条件下的最佳实验参数：10 Hz为最佳激光频率,激光频率为10 Hz时元素Mg,Al,Na,K所得到的光谱强度比8 Hz时分别提高了67.66%,47.88%,84.59%,43.36%。由于压片样品在放置过程中,表面会有少量的氧化、潮解, 在以测量10次求一次平均所得结果进行记录的条件下,以第三、四次记录结果为最佳。     

基于激光诱导击穿光谱技术的铝合金成分定量分析

利用Nd:YAG激光器输出的532nm激光束对位于空气中的标准变形铝合金样品进行烧蚀产生了激光诱导等离子体.对测量的230—440nm波长范围的光谱进行了谱线标定,同时基于自由定标方法对样品成分进行了定量分析,确定了样品中的元素含量.分析结果与标准值具有较好的一致性.     

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。     

单脉冲和再加热正交双脉冲激光诱导击穿光谱对比研究

为了提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的检测灵敏度和辐射光谱特性,采用再加热正交双脉冲结构对样品中的4种元素Fe,Pb,Ca和Mg以及含有不同浓度重金属元素Cr的土壤样品进行分析。研究了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm的光谱强度和信背比随两激光脉冲之间时间间隔的变化关系,获得了两激光脉冲之间最佳的时间间隔为1.0 μs。在单脉冲和双脉冲条件下,得到了4条特征谱线FeⅠ：404.581 nm,PbⅠ：405.78 nm,CaⅠ：422.67 nm和MgⅠ：518.361 nm光谱强度的增强倍数分别为2.23,2.31,2.42和2.10;分析了特征谱线FeⅠ：404.581 nm和CaⅠ：422.67 nm谱线强度随时间的演化特性以及4条特征谱线信背比随光谱采集延时的变化关系,双脉冲能有效延长光谱强度的衰减时间以及提高特征谱线的信背比;比较分析了等离子体温度和电子密度随时间的演化特性,在双脉冲条件下,等离子体温度最大升高了730 K,电子密度最大增加了1.8×1016 cm-3。单脉冲和双脉冲条件下获得重金属元素Cr的检测限分别为38和20 μg·g-1,再加热正交双脉冲技术使元素检测限下降近2倍。以上结果表明：再加热正交双脉冲能有效地提升LIBS技术的检测灵敏度和光谱特性,为进一步降低元素的检测限提供了有效的方法。     

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...     

便携式激光诱导击穿光谱最新研究进展

作为一种新型快速的物质成分分析技术,激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)已经在越来越多的工业领域中被证明具有巨大的应用潜力.然而,由于野外作业或工业现场检测环境嘈杂恶劣,对仪器设备的尺寸和抗恶劣环境的能力提出了更高的要求.近年来,新型激光器的发展进一步促...     

激光诱导击穿光谱技术及应用研究进展

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种基于原子发射光谱学的元素定性、定量检测手段。本文介绍了LIBS技术的原理、应用方式、检测元素种类及检测极限;综述了该项技术在固体、液体、气体组分检测方面的技术发展,以及在环境检测、食品安全、生物医药、材料、军事、太空领域的应用进展。最后,提出了高功率、高稳定的激光光源和准确的定量分析方法是LIBS技术目前所面临的问题和挑战。     

激光诱导Ca等离子体温度的实验研究

等离子体温度是激光诱导击穿光谱测量中一个重要的因素。采用Nd:YAG脉冲激光器作为光源击穿样品形成等离子体,其发射光谱由中阶梯光栅光谱仪和ICCD进行分光和光电转换。通过实验得出了300~450 nm波段的光谱图,定性分析出了Ca Ⅱ 315.9, 317.9, 393.4, 396.9 nm和Ca Ⅰ 422.7 nm等发射谱线。根据激光诱导击穿光谱定量公式,等离子体温度的变化对谱线强度有影响。先假设实验中等离子体处于局部热平衡状态,选用Ca的4条一价离子谱线,根据Boltzmann斜线法计算出了等离子体温度,并得到了等离子体温度与Ca质量分数的关系。随着Ca质量分数的增加,等离子体温度也相应增加。但当Ca质量分数小于0.50%时等离子体温度增加的幅度较小,而质量分数大于0.50%时等离子体温度的上升幅度相对较大。最后经过验证,实验中等离子体处于局部热平衡状态的假设成立。     

新型便携式激光诱导击穿光谱系统综述

本文主要综述了国内外便携式激光诱导击穿光谱(LIBS)系统的研究进展和应用情况。目前该系统主要针对金属元素进行检测,对非金属等轻元素的定量分析需要较大能量的激光激发,但受限于激光器和光谱仪等组件体积的影响,研发便携式、高精度LIBS系统有较高难度。本文针对全元素检测便携设备的研发,利用限域和高压放电脉冲得到了增强的LIBS信号,降低了激光能量,从物理机理上给出了便携式LIBS设备研发的新方向。     

Mechanism of signal uncertainty generation for laser-induced breakdown spectroscopy

Relatively large measurement uncertainty severely hindered wide application for laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), therefore it is of great importance to understand the mechanism of signal uncertainty generation, including initiation and propagation. It has been found that the fluctuation of plasma morphology was the main reason for signal uncertainty. However, it still remains unclear what mechanism leads to laser-induced plasma morphology fluctuation. In the present work, we employed three fast-imaging cameras to capture three successive plasma images from a same laser-induced Titanium alloy plasma, which enables us to understand more clearly of the plasma evolution process especially for the early plasma evolution stage when plasma and surrounding gases interact drastically. Seen from the images, the plasma experienced an increasing morphological fluctuation as delay time increased, transforming from a “stable plasma” before the delay time of 100 ns to a “fluctuating plasma” after the delay time of 300 ns. Notably, the frontier part of plasma showed a significant downward motion from the delay time of 150 ns to 200 ns and crashed with the lower part of the plasma, making the plasma flatter and later even splitting the plasma into two parts, which was considered as a critical process for the transformation of “stable plasma” to “unstable plasma”. By calculating the correlation coefficient of plasma image pairs at successive delay times, it was found that the higher the similarity between two plasma at early stage, the more similar at later stage; this implied that the tiny plasma fluctuation earlier than the critical delay time (150–200 ns) was amplified, causing a large plasma fluctuation at the later stage as well as LIBS measurement uncertainty. The initiation of slight fluctuation was linked with Rayleigh–Taylor Instability (RTI) due to the drastic material interpenetration at the plasma-ambient gas interface at earlier stage (before 50 ns). That is, the uncertainty generation of LIBS was proposed as: plasma morphology fluctuation was inevitably trigged by RTI at the early stage and the tiny fluctuation was amplified by the back pressed downward process of plasma frontier material, leading to severe morphology fluctuation as well as LIBS signal uncertainty.     

The polarization characteristics of single shot nanosecond laser-induced breakdown spectroscopy of Al

The polarization-resolved laser-induced breakdown spectroscopy (PRLIBS) technique, which can significantly reduce the polarized emission from laser plasma by placing a polarizer in front of the detector, is a powerful tool to improve the line-to-continuum ratio in LIBS applications. It is shown that the continuum emission from the plasma produced through ablating an Al sample by nanosecond laser pulses is much more polarized than the discrete line emission with the singlepulse PRLIBS technique. The effects of laser fluence and detection angle on the Al polarization spectrum are systematically explored experimentally. The calculated result of the polarization spectrum as a function of laser fluence shows that it is in agreement with the experimental observations.     

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。     

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。     

Development in the application of laser-induced breakdown spectroscopy in recent years: A review

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been widely studied due to its unique advantages such as remote sensing, real-time multi-elemental detection and none-to-little damage. With the efforts of researchers around the world, LIBS has been developed by leaps and bounds. Moreover, in recent years, more and more Chinese LIBS researchers have put tremendous energy in promoting LIBS applications. It is worth mentioning that the application of LIBS in a specific field has its special application background and technical difficulties, therefore it may develop in different stages. A review summarizing the current development status of LIBS in various fields would be helpful for the development of LIBS technology as well as its applications especially for Chinese LIBS community since most of the researchers in this field work in application. In the present work, we summarized the research status and latest progress of main research groups in coal, metallurgy, and water, etc. Based on the current research status, the challenges and opportunities of LIBS were evaluated, and suggestions were made to further promote LIBS applications.