激光诱导Cu等离子体光谱时间演化特性研究

针对激光诱导Cu等离子体时间演化问题,使用Nd∶YAG脉冲激光器对Cu样品进行烧蚀产生等离子体,采集延迟时间为0.5～10 μs时等离子体时间分辨光谱并对整体谱线进行分析。激光能量调节为142 mJ,在热力学平衡状态下,利用Boltzmann斜率法测得等离子体电子温度。选择独立较好、不受相邻谱线影响的Cu I 521.8 nm作为特征谱线测量其半波宽度,并采用Stark展宽法计算等离子体的电子密度。实验表明:随着延时时间的增加,等离子体内能因不断向外扩展转化为动能而骤减,电子温度整体呈下降趋势,且在延时时间为2 μs时达到最大,延时时间13 μs后下降趋缓。随着延迟时间的增加,等离子体的电子密度降低,电子与发射粒子之间的碰撞程度也相应降低,谱线展宽随之减小。     

利用脉冲激光预诱导激发产生增强等离子体及其性质的研究

利用普通电焊枪对金属样品进行烧蚀时,由于温度限制,产生的激发等离子体无法满足局部热平衡条件,导致测量等离子体性质出现许多受限条件,如连续多帧光谱全噪声采样信号、基底效应影响和电子温度波动较大等。为解决此问题,提出利用一束短脉冲NdYAG激光器结合精密数字延时脉冲发生器的方法,让该短脉冲激光束平行于样品表面照射进行预激发,再通过电焊枪垂直于样品表面进行二次电离产生高温等离子体。实验结果表明,这种利用短脉冲激光预激发的方式所产生的等离子体特征光谱信号强度大幅增强和电子温度得到提高,最高可达45倍,同时连续采集时特征光谱全噪声信号帧数明显降低,信噪比也得到很好的提高。另外,还讨论了短脉冲激光预激发时间和光纤探测端面几何位置对测量结果的影响。     

不同空间约束壁数对激光诱导铜击穿光谱的影响

提高激光诱导击穿光谱(LIBS)的信号强度是提高LIBS探测灵敏度的重要途径。本文以铜靶为烧蚀样品,研究了大气环境中不同空间约束壁数(0、2、3、4)和圆柱形约束壁对激光诱导Cu等离子体光谱的影响,并通过Boltzmann图方法测量了等离子体的电子温度。实验结果表明：当使用约束壁约束Cu等离子体时,Cu原子谱线强度、信背比和电子温度均比不存在约束时明显提高;随着腔体约束壁数增加,Cu原子谱线强度、信背比和电子温度逐渐提高;当腔体约束壁为圆柱形时,Cu原子谱线强度、信背比和电子温度最高。空间约束壁为圆柱形壁时空间约束对等离子体的约束效果最好,光谱信号最优。     

激光诱导击穿固体样品中金属元素光谱的实验研究

激光诱导击穿样品产生的等离子体寿命通常在微秒量级,对其时间演化过程进行了解有利于优化信号采集.定标曲线是定量分析的基础,并且与测量灵敏度和准确度密切相关.采用聚焦的脉冲激光束击穿样品形成等离子体,其发射光谱由中阶梯光栅光谱仪分光,并由增强型电荷耦合器件(ICCD)进行光电探测采集.为了实现对金属元素的激光诱导击穿光谱(LIBS)测量,在石墨中分别加入Ca,Al,Na,K等元素制作成片状实验样品,利用实验装置进行了系统的激光击穿光谱探测研究.应用ICCD100 ns光学门宽的时间分辨率,通过实验得到了等离子体的时间演化特性曲线,分析了激光击穿固体样品后各待测元素的演化过程.根据含有不同浓度的同种元素样品的LIBS实验结果,归纳出各元素浓度与谱线强度的定标曲线,且大多数定标曲线的线性拟合相关度较高.同一元素不同波长的谱线,其定标曲线的斜率不同,对其差异进行了分析.     

激光诱导水垢等离子体温度精确求解研究

为了减小谱线自发辐射跃迁几率等参量的不确定性带来的计算误差,采用一种改进型的迭代Boltzmann算法研究了激光诱导水垢等离子体的电子温度,经过12次迭代,线性相关系数由0.7687提高到0.99991,得到水垢等离子体的电子温度为5012K。Lorentz函数拟合Ca Ⅱ 393.37nm得到水垢等离子体的电子密度是5.7×1016cm-3,远高于临界值6.4×1015cm-3,证明激光诱导水垢等离子体满足局部热力学平衡模型。结果表明,本方法不仅操作简单,而且可以明显提高等离子体特征参量的求解精度。     

脉冲CO2激光诱导空气等离子体的光谱诊断

为了了解激光诱导等离子体的演化过程,得到等离子体的相关参量,采用横向激励大气压CO2激光器在抛物反射面中聚焦击穿空气形成等离子体,利用成像光谱仪和增强型CCD探测器对激光诱导等离子体进行了时间和空间分辨的实验分析,取得了激光诱导空气等离子体的时间演化和空间分辨光谱。分别利用氧原子的线状谱和连续谱的比值及谱线半峰全宽计算得到电子温度达到了4104K,电子密度在1018cm-3量级。结果表明,相比于低能量的激光诱导等离子体的辐射光谱,高能量激光诱导的等离子体则向外辐射出很强的连续光谱,同时,等离子体以激光支持爆轰波的形式快速向外膨胀,由于外围等离子体对激光能量的屏蔽作用,等离子体出现了空间分离的现象。该研究结果对理解等离子体和高能量脉冲激光的相互作用过程是有帮助的。     

不同硬度受热面材料的激光诱导等离子体光谱特性分析

将激光诱导击穿光谱(LIBS)用于锅炉受热面材料特性分析,选用受热面常用的珠光体耐热钢12Cr1MoV,并通过热处理工艺制备了不同硬度的实验样品。选择样品中基体元素Fe和合金元素Mn、Cr、V合适的分析谱线,对比分析了不同硬度条件下离子谱线与原子谱线的强度比和等离子体温度的变化规律。实验结果表明,由于等离子体冲击波特性差异和激光烧蚀质量的变化,导致了特征元素离子谱线与原子谱线强度比随着样品硬度的增加而增强,等离子体温度随硬度的增加而升高。     

水分对激光诱导煤粉等离子体特性的影响

研究了水分对激光诱导击穿煤粉等离子体特性的影响,以分析水分对激光诱导击穿煤粉定量测量的影响.实验选取了空干基C和Si元素含量相近但水分差别较大的神华煤和平朔煤,分别采用其收到基和干燥基共4个样品进行实验.采用Ca的原子谱线计算了各样品在延迟时间分别为83 ns,500 ns,917 ns和1292 ns时的激光诱导击穿等离子体温度,并分别用C247.856 nm和Si390.5523 nm特征谱线估算了电子密度.实验表明,各样品的激光等离子体温度随着延迟时间的增大而降低,含水分的煤样其激光诱导击穿等离子体的温度较低,而电子密度受水分的影响不大,含水分的煤样其激光诱导击穿的特征谱线强度较弱.     

环境气压对激光诱导等离子体内靶材元素与空气元素光谱时间分辨特性的影响

激光诱导击穿光谱已被广泛应用于物质分析,但是目前的研究多关注于靶材料元素,极少有对环境气体元素进行分析的公开报道,而激光诱导等离子体与环境空气混合的过程对于理解等离子体膨胀过程极其重要。鉴于此,本团队研究了激光诱导击穿光谱中靶材元素铜和气体元素氮、氢、氧的特征光谱随环境气压、延迟时间变化的规律。实验结果表明：铜元素的特征光谱强度与环境气压不呈单调关系,气体元素的光谱强度与环境气压呈单调关系,其中氮元素只有在环境气压大于10 Pa时才可以探测到,氢和氧元素可以在10-2 Pa时探测到;气体元素的光谱强度随环境气压升高而单调增强,随延迟时间增加而快速下降,信噪比随延迟时间增加而先增大后下降。本工作有助于促进对激光诱导等离子体膨胀过程的理解和实验参数的优化。     

样品温度对激光诱导黄铜等离子体辐射特性的影响

为了研究样品温度变化对激光诱导铜等离子体特征参数的影响,利用单脉冲激光诱导激发加热台上的样品形成等离子体, 改变样品温度获得相应的黄铜等离子体发射光谱。分析了样品温度变化时特征谱线强度的变化,并在局部热 平衡(Local thermodynamic equilibrium, LTE)条件下,利用Boltzman方程和Stark展宽计算并获得不同样品温度 条件下等离子体电子温度和电子密度随时间的演化规律,同时讨论了激光诱导金属等离子体光谱增强的原因。 实验结果表明,延迟时间相同时,样品温度越高,谱线强度越强,电子温度和电子密度越大。由此可见, 适当升高样品温度可以提高谱线强度。     

激光诱导土壤等离子体光谱辐射实验参数优化

采用激光诱导击穿光谱法（LIBS）对土壤进行了研究。激光器采用的是Nd:YAG脉冲激光器,激光器的输出波长是1 064 nm,脉宽是5.82 ns,激光聚焦在土壤表面产生激光诱导等离子体,通过优化实验参数（ICCD延时、脉冲能量、ICCD门宽、脉冲频率、谱图积累次数）对Ca Ⅱ 393.37 nm和Ca Ⅱ 396.37 nm两条特征谱线强度及信背比的影响,确定实验最佳条件是ICCD延时1 s,激光能量50 mJ,ICCD门宽3.5 s,脉冲频率1 Hz,谱图积累次数100次。在最优实验条件下计算等离子体参数,得出土壤中的等离子体电子温度是11 604 K,土壤的等离子体电子密度是5.1551016 cm-3,经过计算,土壤样品满足LTE条件。这说明,以上关于土壤样品的等离子体参数计算结果是真实有效的。     

紫外激光诱导击穿光谱的应用与发展

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种基于原子发射光谱的元素分析技术,是元素分析领域重要的研究手段。作为LIBS分析的激发光源,紫外激光具有光子能量大、空间分辨率高等优点,可以提高烧蚀效率、减少分馏效应,在地质检测和生物医药检测方面有很好的应用前景;也可从提升元素分析的效果,扩大LIBS技术的应用范围。介绍了紫外LIBS技术的原理与特点,讨论了国内外紫外LIBS技术的应用,总结了紫外LIBS技术的发展趋势。     

激光诱导击穿空气等离子体参数的光谱分析法

空气等离子体的电子温度和密度对激光诱导空气击穿等离子体产生闪光过程的研究有着重要的意义,本文将纳秒Nd∶YAG脉冲激光(1064 nm)聚焦于大气中,诱导其产生等离子体闪光,并通过Avantes-ULS3648型9通道的光谱仪采集闪光光谱,通过光谱分析,研究了不同延迟时间下激光诱导击穿空气等离子体产生过程中的等离子体电子温度和电子密度的变化情况。根据同一元素不同峰值位发出的光谱,由相对强度比较法可以得出等离子体电子温度,由斯塔克展宽法可得到等离子体电子密度的变化,通过分析发现,等离子体电子温度和密度均随延迟时间的增大而下降。这些结果对研究强激光作用下空气击穿的气体动力理论机制有一定的科学意义。     

激光诱导Al等离子体中电子密度和温度的实验研究

激光烧蚀等离子体在微量元素分析方面有着重要的应用背景，而缓冲气体的种类及压力对激光等离子体的特性有重要影响。报道了以氦气、氩气、氮气和空气作为缓冲气体，实验测定了不同气压下Nd：YAG激光烧蚀Al靶产生的等离子体中的时间分辨发射光谱，利用发射谱线的Stark展宽和相对强度计算了等离子体中的电子密度和温度，得到了在不同缓冲气体中激光诱导Al等离子体的电子密度随延时、气压的演化规律，同时得到了电子温度的时间演化特性。实验结果表明，电子密度的数量级约为10^17cm^-3，电子温度测量值约为10000K，二者都是在激光脉冲后随时间快速衰减，直到4μs以后达到一个较低的水平并缓慢变化，其中以氩气作为缓冲气体时等离子体中的电子密度最大。     

AICl3水溶液的激光诱导击穿光谱研究

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术已成功地对固体样品和气相样品中的重金属痕量元素进行了定性或半定量分析。为对液体基质的重金属元素进行痕量分析，使用实验中容易实现的单脉冲激光诱导击穿光谱技术，测定了AlCl3水溶液的激光诱导击穿光谱。系统地研究了溶液中Al原子激光诱导击穿光谱信号的时间演化特性、激光能量对激光诱导击穿光谱信号的影响和激光诱导击穿光谱用于液体中AlCl3痕量分析的检测限。实验结果表明，此方法所适用的激光能量比前人所做实验的激光能量小，只需50mj左右，这使得实验条件更容易得到满足，同时得到了一个较高的液体样品的激光诱导击穿光谱信号检测限。实验还表明，液体激光诱导击穿光谱信号存在特有的时间演化特性，其激光诱导击穿光谱信号的寿命相对于固体样品激光诱导击穿光谱信号来说比较短，只有30ns左右，同时激光诱导击穿光谱信号强度上升和衰减也比较迅速。     

激光诱导等离子体辐射特性的研究综述

激光诱导等离子体作为一种宽光谱辐射源,能够产生X射线、紫外、可见、红外、太赫兹以及微波波段的辐射,可应用于天体物理、惯性约束核聚变、生物医学、材料科学、光谱分析、环境工程、信息技术、超快技术、光刻技术、成像技术、雷达技术、半导体技术等众多领域,具有较高的实用价值。迄今为止,有关激光诱导等离子体辐射特性的文献报道大多集中于描述激光与物质在单一波段的相互作用,对辐射的产生机理还未完全掌握,对完整光谱的研究综述依然比较缺乏。从电磁辐射光谱及其辐射机制的角度,对激光诱导等离子体的辐射特性做出了系统的梳理分类,对国内外相关团队的研究成果进行了总结和分析,特别从不同视角探究了等离子体与光谱辐射之间的物理关系。介绍了激光诱导等离子体各个波段的辐射特点,并讨论了影响辐射的相关因素。最后,对红外波段和太赫兹波段的研究前景进行了展望。     

激光诱导击穿光谱内标参量选取方法研究

内标法是激光诱导击穿光谱(LIBS)定量分析主要使用的方法之一,采用内标法进行定量分析的关键就是内标参量的选取。以Fe 438.35 nm作为分析谱线,分别选取434~441 nm光谱积分、Al 309.29 nm、Si 288.17 nm、Ca 317.9 nm为内标参量,对水泥样品中的Fe元素进行定量分析,得到的定标曲线线性度分别为0.993、0.962、0.992和0.846。通过分析各内标参量与分析谱线光谱强度比值随积分延迟时间的变化情况,以及针对每个样品选用不同的内标参量得到的多组测量数据的离散程度,得出采用内标法进行LIBS定量分析时,应该选择在积分延迟时间附近光谱强度变化与待测元素的分析谱线最为相似的作为内标参量的结论。这样能有小减弱由于激光器时间抖动导致的定量分析误差,提高定量分析精度。     

土壤疏松度对激光等离子体的影响分析

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土壤激光等离子体,测量并分析了土壤疏松度对土壤中铅元素激光诱导击穿光谱特性的影响。实验结果表明,随着对土壤施加压力的变大,谱线强度和等离子体温度先随之增加后变化缓慢,谱线强度的相对标准偏差在压力为1400 N时达最小值。采用内标法和背景修正法对土壤疏松度的影响进行了修正,一定程度上减小了土壤疏松度的影响。     

土壤钾元素的激光诱导击穿光谱定量检测分析

实现土壤中钾元素含量的快速、现场测量对农田施肥与农业生产管理具有重要意义。利用波长为1064nm的Nd…YAG脉冲激光器作为激发光源,以宽光谱范围、高分辨率的中阶梯光栅光谱仪和高灵敏度的增强型电荷耦合器件(ICCD)作为光谱分光和检测器件,研究土壤中钾元素的激光诱导击穿光谱特性。实验中以钾元素的769.90nm谱线作为分析线,确定探测最佳延时为1μs,最佳检测门宽为5.2μs,钾元素质量分数的检测限为0.006858%,得到土壤样品定标曲线,且预测值与真实值相对误差小于5%。通过对12种不同基体类型的标准土样进行检测分析,结果表明,在实际的定量检测中需针对不同基体类型土壤样品进行分别标定。该研究结果为土壤钾元素的快速、现场定量检测提供了参考。     

脐橙含铅量的激光诱导击穿光谱检测实验研究

实验利用1064nm Nd:YAG纳秒激光器诱导击穿脐橙样品产生等离子体光谱,用八通道光纤光谱仪测量脐橙的激光诱导击穿光谱(LIBS)特性,通过鉴别分析,选取铅的(PbI 405.78nm)特征谱线作为分析线,测定不同铅浓度下的特征谱线强度,根据谱线强度与浓度的关系,建立定标曲线。实验结果表明,脐橙中重金属铅元素含量较低时,其光谱谱线强度与浓度呈线性关系,其拟合度为0.95;脐橙中重金属铅元素含量较高时,等离子体发射光谱的谱线存在自吸收现象,使其定标曲线向下偏移趋势,呈现曲线关系,其拟合度为0.98。LIBS技术还可以快速分析出水果样品中重金属元素的相对含量,能实际应用于与食品安全相关的领域。