紫铜等离子体特征谱线及其展宽形成机制

利用波长为1064 nm,最大能量为500 mJ的 Nd：YAG脉冲激光器对紫铜进行冲击,并且改变激光能量,获得一系列等离子体特征谱线,结果表明：本实验条件下,获得铜原子谱线不完整,只有5条明显激发谱线,分别为：CuⅠ 406.33 nm, CuⅠ 458.69 nm, CuⅠ 521.8 nm, CuⅠ 529.25 nm, CuⅠ 578.2 nm。根据跃迁原理,得出激光不能使铜原子完全受到激发;选取CuⅠ 521.8 nm原子光谱与CuⅠ 578.2 nm的原子光谱谱线线型作为分析对象,发现其展宽线型不同,分别为Lorenz线型与Gauss线型。通过对应线型曲线方程分析得出,同一原子光谱不同波段对应形成光谱展宽机制不同。     

激光微区发射光谱谱线品质的研究

利用单脉冲YAG激光、YGJ Ⅱ激光微区分析仪结合光电检测系统 ,在减压氩气环境下实验研究了金属分析样品发射光谱中CuⅠ 32 4 7nm和CuⅠ 32 7 4nm的时间特性、谱线强度及空间分布 ,并与空气环境下的实验结果进行了比较。实验结果表明在减压氩气环境下 ,激光微区发射光谱与环境气体、环境气压和辅助激发参数密切相关。当辅助电极端面直径为 1 5mm、辅助电极距分析样品表面高度为 4mm、辅助电极间距为3mm、辅助激发电压为 1 30 0V、氩气压力 33 2kPa时 ,CuⅠ 32 4 7nm和CuⅠ 32 7 4nm谱线的发射时间比空气下延长了 50 0 μs,谱线强度约为相同气压空气环境下的 4倍 ,约为 1个大气压空气环境下谱线强度的 2倍 ,谱线的半最大值宽度明显变窄。因此氩气环境延长了谱线的发射时间 ,减少了自吸效应 ,使谱线强度明显增强 ,谱线品质得到显著改善。     

激光诱导击穿铜特征谱线自吸收特性研究

应用Nd∶YAG脉冲激光器(532 nm)作为光源,诱导激发TU0Cu样品。以光栅光谱仪和ICCD为谱线分离与探测器件,在30～110 mJ激光能量范围和触发后211～230 μs时间范围内对Cu(Ⅰ)特征谱线324.754,327.396,510.554,515.324和521.320 nm的自吸收特性进行比较研究。研究表明,特征谱线自吸现象随时间增加逐渐减弱,经过5～20 μs逐步消失;在50～100 mJ能量范围内,随着激光能量的增大,谱线的自吸收程度增加,持续时间变长。同时特征谱线的自吸收特性因谱线跃迁能级状态不同而存在差异,具有相同原子组态的324.754,327.396 nm和515.324,521.320 nm两组谱线的自吸收程度随时间和激光能量的演变以及自吸持续时间随能量的变化都分别表现出相似的特征,且总角动量J较大(324.754 nm,1/2-3/2;521.320 nm,3/2-5/2)的谱线自吸收程度相对明显,持续时间较长,受能量变化影响敏感,自吸收程度随能量变化幅度也较大。谱线510.554 nm(3d104p-3d94s2)在能量小于80 mJ时自吸程度较低,持续时间较短;能量在80～100 mJ范围内时自吸程度加大,持续时间变长。     

多脉冲高能强激光对诱导Cu等离子体发射光谱的影响

用Nd:YAG脉冲激光器产生的1.064μm激光,在空气环境下作用于金属Cu诱导产生等离子体,采用ME5000改进型中阶梯光栅光谱仪获得了同一能量多次激光脉冲冲击下和不同能量激光脉冲冲击下的Cu等离子体发射光谱,分析了谱线强度与多脉冲强激光诱导次数之间的关系变化,实验表明:随着激光作用次数的不断增加,特征谱线相对强度都呈不断下降趋势,尤其是第二次和第一次相比,谱线强度下降幅度达58.87%;随着激光脉冲能量的增加,原子特征谱线的相对强度和半高全宽都迅速增强,增强趋势呈指数函数变化。     

磁场约束下激光诱导等离子体光谱强度演化研究

对磁场约束下激光诱导铜等离子体光谱强度演化进行了实验研究,分析了在磁场约束环境下的等离子体光谱强度演化过程以及激光能量对光谱增强的影响.实验结果表明:在磁场约束下铜等离子体内原子光谱和离子光谱均有所增强,在磁场约束下Cu I 510.55 nm谱线强度时间演化过程中在1.2—5.7μs时间范围内附近出现双峰结构,在距离靶材表面0—1.4 mm空间范围内磁场约束Cu I 510.55 nm光谱增强明显.Cu I510.55 nm和Cu I 515.32 nm光谱增强因子随激光能量的增加呈单调递减变化,激光能量20 mJ时增强因子最大分别为11和8.对磁场约束下等离子体发射光谱强度增强的物理原因进行了探讨.     

样品温度对纳秒激光诱导Cu等离子体特征参数的影响

为了研究样品温度对激光诱导击穿Cu等离子体特征参数的影响,以黄铜为研究对象,在优化的实验条件下采用波长为532 nm的Nd∶YAG纳秒脉冲激光诱导激发不同温度下的块状黄铜,测量了Cu等离子体的特征谱线强度和信噪比;同时在局部热平衡条件下利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析计算了不同的样品温度条件下等离子体电子温度和电子密度。实验结果表明,在激光功率为60 mW时,随着样品温度的升高,Cu的特征谱线强度和信噪比逐渐增加,样品温度为130 ℃时达到最大值,然后趋于饱和。计算表明,黄铜样品中Cu元素Cu Ⅰ 329.05 nm,Cu Ⅰ 427.51 nm,Cu Ⅰ 458.71 nm,Cu Ⅰ 510.55 nm,Cu Ⅰ 515.32 nm,Cu Ⅰ 521.82 nm, Cu Ⅰ 529.25 nm,Cu Ⅰ 578.21 nm八条谱线在130℃的相对强度相较于室温（18 ℃）下分别提高了11.55倍、4.53倍、4.72倍,3.31倍、4.47倍、4.60倍、4.25倍、4.55倍,光谱信噪比分别增大了1.35倍,2.29倍、1.76倍、2.50倍、2.45倍、2.28倍、2.50倍,2.53倍。分析认为,升高样品温度会增大样品的烧蚀质量,相对于温度较低状态增加了等离子体中样品粒子浓度,进而提高等离子体发射光谱强度。所以,适当升高样品温度能够提高谱线强度和信噪比,从而增强LIBS技术检测分析光谱微弱信号的测量精度,改善痕量元素的检测灵敏度。同时研究了改变样品温度时等离子体电子温度和电子密度的变化趋势。计算表明,当样品温度从室温上升到130 ℃的过程中,等离子体的电子温度由4 723 K上升到7 121 K时基本不再变化。这种变化规律与发射谱线强度和信噪比变化趋势一致。分析认为,这主要是由于在升高样品温度的初始阶段,激光烧蚀量增大,等离子体内能增大,从而导致等离子体电子温度升高。当激光烧蚀样品的量达到一定值后不再变化,激光能量被激发溅射出来的样品蒸发物以及尘粒的吸收、散射和反射,导致激光能量密度降低,电子温度趋于饱和,达到某种动态平衡。选用一条Cu原子谱线（324.75 nm）的Stark展宽系数计算激光等离子体的电子密度,同时研究改变样品温度时等离子电子密度的变化趋势,计算表明在样品温度为130 ℃时,Cu Ⅰ 324.75 nm对应的等离子电子密度相较于室温（18 ℃）条件下增大了1.74×1017 cm-3。该变化趋势与电子温度的变化趋势一致。适当升高样品温度使得电子密度增大,从而提高电子和原子的碰撞几率,激发更多的原子,这是增强光谱谱线强度的原因之一。由此可见,升高样品温度是一种便捷的提高LIBS检测灵敏度的有效手段。     

磁空混合约束激光诱导Cu等离子体光谱特性

本文基于发射光谱法对磁空混合约束铜等离子体光谱特性进行了研究,分析了磁空混合约束条件下铜等离子体光谱强度演化过程以及等离子体光谱轴向和横向分布.实验结果表明,在磁空混合约束和空间约束条件下等离子体光谱均出现增强,对原子光谱Cu I 521.8 nm的最大增强因子分别为2和1.2,磁空混合作用等离子体离子光谱增强效果大于纯空间约束情形.在磁空混合约束作用下,光谱增强在小延时来源于磁场约束产生,而大延时为空间约束产生.结合光学阴影成像法,分析了Cu I 521.8 nm谱线强度的轴向和横向空间强度分布,由于空间约束作用的冲击波反射压缩,使等离子体羽横向膨胀方向存在约束,使等离子体内原子数密度最大空间位置前移,造成了磁空混合约束下Cu I 521.8 nm谱线强度的轴向最大空间位置远离铜表面.     

空气中激光烧蚀Cu产生等离子体发射光谱的研究

利用Q-开关Nd:YAG激光器产生的1.06 μm、10 ns的脉冲激光聚焦在空气中的Cu靶上,观测了激光诱导的Cu等离子体发射光谱.采用不同的激光能量,分析了波长范围为440 nm到540 nm的空间分辨发射光谱.在局部热力学平衡(LTE)条件近似下,根据谱线的相对强度,得到了等离子体电子温度约在104 K以上,给出了靶面附近电子温度的空间演化规律,并探讨了N(Ⅱ)500.52 nm谱线的谱线强度和半高全宽随激光能量的变化规律.     

HT—6M托卡马克边界粒子循环

利用光学多道分析仪系统进行了高分辨率的Ｈａ谱线线型的测量,从Ｈａ谱线线型直接得出氢原子的能量分布。由能量分布可知 ,发生在等离子体边界的原子,分子过程是离子在孔栏表面中性化后的反射,以及电子碰撞引起的氢分子的激发离解和电离离解。通过高斯拟合,得出了再循环粒的入射速度。     

激光能量对激光诱导Cu等离子体特征辐射强度、电子温度的影响

利用Nd:YAG激光(波长1 064 nm,脉宽10 ns)烧蚀金属Cu靶获得等离子体 .改变激光脉冲能量,观测到Cu的原子谱线和离子谱线随激光脉冲能量有不同的变化关系, 但都在330 mJ/pulse时,谱线强度达到最大,随后在330 mJ～370 mJ/pulse间出现一小平台 ,能量继续增加,各谱线强度减小.同时,使用烧蚀Cu靶产生的五条原子谱线(465.11 nm,5 10.55 nm,515.32 nm,521.82 nm,529.25 nm)的相对强度,在局部热力学平衡近似下,利用B oltzmann图的最小二乘法拟合,测定了不同激光能量下Cu等离子体的电子温度.随激光能量的增加,电子温度近似单调地从1.02×104 K上升到1.46×104 K后,反而有所下降.     

Spectral structure of 510.6 and 578.2 nm lines in?a?CuBr?vapor?laser

Considering the hyperfine structure and the isotopic splitting of copper active atomic levels, the temporal behavior of the spectral structure of amplified spontaneous emission at 510.6 nm line was calculated. The spectral line shapes of 510.6 and 578.2 nm laser lines were measured and compared with the calculated results at different experimental configurations, i.e., without cavity mirrors, with the back mirror, and with cavity mirrors. The results of the 578.2 nm line revealed that the mode competition was involved in the formation of laser oscillation.     

Analysis of the spectral structure of CuBr laser lines

The spectral structure of spontaneous emission of copper atom at 510.6 nm and 578.2 nm was calculated considering the hyperfine structure of energy levels and the isotope shift. The spectral structure of the 510.6 nm and 578.2 nm laser lines was measured in a sealed-off CuBr laser tube with periodic refreshment of the neon buffer gas under different work temperature and excited voltage. The spectral structure of the spontaneous emission of copper atom was found to have similar outline with its laser lines. The spectrum of the 510.6 nm laser line maintains similar outline with three peaks at various discharging parameters while the spectrum of the 578.2 nm laser line is strongly dependent on the reservoir temperature and the discharge voltage.     

Structure of 510.6 and 578.2 nm copper laser lines

The structure of the 510.6 and 578.2 nm copper laser lines were calculated and measured as a function of cooper density and buffer gas pressure. The line shapes were consistent with the calculations only near the oscillation threshold. The buffer gas pressure data indicate that the pressure broadening coefficient is very small for our experimental conditions.     

发射光谱法对早期激光诱导铝合金等离子体诊断研究

对激光诱导等离子体参数进行诊断有多种方法,其中采用发射光谱法对其诊断是一种重要的方法。文中采用Nd∶YAG固态激光器,输出波长1 064 nm红外激光与铝合金样品相互作用,深入研究了铝合金等离子体产生早期(<1 μs)谱线轮廓、谱线强度、线背比、谱线半峰宽及位移等随时间演变规律。研究表明,激光与物质相互作用早期,电子数密度非常大,电子与离子及原子之间的相互作用非常强烈,谱线的Stark展宽效应非常明显,导致多重谱线重叠在一起,随时间演变,电子数密度及电子温度的降低,多重谱线的半峰宽越来越窄且谱线轮廓对称性越来越好。MgⅠ285.212 6 nm谱线强度早期逐渐增强,大约100 ns左右谱线强度达到最大值,然后谱线强度呈逐渐减小的趋势,这是由于等离子体产生早期,电子及离子占主导地位,故早期原子谱线强度较弱,随时间演变,电子与离子之间的复合,原子数密度逐渐增加,故原子谱线逐渐增强,达到最大值之后,由于等离子体激发温度的降低,故谱线强度逐渐减弱。以NIST波长位置为参考,等离子体产生的早期谱线发生了红移,连续背景强度随时间演变呈幂函数形式急剧递减,与之相反,谱线的连续背景强度与谱线强度相比,连续背景衰减的速度更为迅速,故导致谱线信背比随时间演变呈增大趋势,本研究对等离子体早期这些现象从理论角度进行了深入探讨。     

金纳米与磁场作用下LIBS检测灵敏度改善研究

针对激光诱导击穿光谱技术（LIBS）中等离子体的发射光谱增强问题,提出一种磁场增强LIBS与纳米颗粒增强LIBS（NELIBS）相结合的方法。采用热蒸发法在样品表面沉积一层直径20 nm的金纳米颗粒。利用波长为1 064 nm,最大能量为200 mJ的Nd∶YAG脉冲激光器在室温,一个标准大气压下对纯铜和黄铜进行诱导击穿。调整激光能量为30~110 mJ,分别使用传统LIBS、磁场增强LIBS、NELIBS以及两种方法结合对纯铜进行激光诱导击穿,得到特征谱线(Cu Ⅰ 521.8 nm)的强度增强因子和信噪比,并对其增强机理进行分析。在相同环境下使用四种方式对黄铜和纯铜进行诱导击穿以探测样品中的微量元素。当在样品表面沉淀金纳米颗粒或者将沉淀有金纳米颗粒的样品放在磁场中进行诱导击穿时,发现纯铜样品的光谱中存在Mg元素的特征谱线Mg Ⅱ 279.569 nm,黄铜样品的光谱中存在Si元素的特征谱线 Si Ⅰ 251.611 nm。实验结果表明：单独施加磁场约束或增加纳米金颗粒均可以有效增强等离子体光谱强度,但增强效果弱于两种方法结合,磁场约束对光谱的增强效果弱于NELIBS的增强效果。当结合NELIBS与磁场约束LIBS时,谱线增强因子最高可达14.3(Cu Ⅰ 521.8 nm),相比于磁场增强LIBS和NELIBS,最大增强因子分别提高了28%和59%。四种情况中当激光脉冲能量逐渐增大时,等离子体向外膨胀的强度增大,磁场产生的洛伦兹力束缚等离子的能力相对减弱,同时纳米金颗粒对等离子体发射光谱的增强作用被削弱,谱线强度降低,等离子体的增强因子逐渐减小后趋于稳定。通过NELIBS与磁场约束LIBS结合方式,不仅可以有效提高等离子体的发射谱线强度,改善光谱信号信噪比,而且传统LIBS方法中由于谱线强度低、背景噪声大而无法探测的微量元素可以被探测到,LIBS技术对微量元素的探测能力得到显著提高,微量元素的探测下限变得更低。NELIBS与磁场约束LIBS结合的方法具有更高的灵敏度和准确度,为激光诱导击穿光谱技术的谱线增强方法提供了新的思路,在该领域具有广阔的应用前景。     

Multiple spectral structure of the 578.2 nm copper laser line

The multiple spectral structure of the 578.2 nm copper laser line of a CuBr laser is investigated. By considering the special hyperfine transitions of the⁶³Cu atom, the discharge disturbance and the competition of transitions, an explanation of the multiple line structure is given