克服大气环境干扰的激光诱导等离子体光谱技术研究

介绍了激光诱导等离子体光谱技术的工作原理,通过阐述激光诱导等离子体光谱产生的物理机制解释了大气分子干扰固态样本测量结果的原因,建立了既能够提供低气压工作环境又方便实用的激光诱导等离子体光谱探测装置,开展了低气压环境下的试验研究,证明了大气分子元素干扰固态样本测量结果的客观存在,同时证明了低气压环境能够有效避免或者缓解大气分子干扰问题的可行性。     

气压对激光烧蚀Al靶诱导保护气电离的影响

用Nd：YAG脉冲激光烧蚀Al靶获得等离子体，脉冲能量固定在145mJ／pulse。用Ar气作保护气，利用时空分辨技术，采集了100Pa、lkPa、10kPa和100kPa气压下等离子体辐射的时空分辨谱。筒要描述了各气压下等离子体的辐射特征，详细分析了各气压下Ar的特征辐射规律。根据这些气压下Ar特征谱线的分布特征，简要论述了Ar气电离与气压的关系；用量子理论对此给予全面解释。进一步讨论了环境气体电离机制，认为环境气体对等离子体的连续辐射吸收是诱导环境气体电离的主要机制。     

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。     

环境气体中激光诱导Fe等离子体发射光谱的时间演化特性

环境气体对于激光诱导等离子体的形成和演化特征有着重要影响,适当的环境气体条件有利于激光诱导等离子体发射光谱分析的进行。利用准分子激光(308 nm)烧蚀低合金钢靶诱导等离子体原子发射光谱,研究了环境气体对等离子体发射光谱强度及时间演化特性的影响,对实验结果进行了讨论,得到了激光诱导Fe等离子体的原子发射光谱分析的优化条件。实验测定了不同气压氩气、氦气环境下及真空条件下Fe等离子体发射光谱强度及时间演化特性。结果表明,环境气体对激光诱导Fe等离子体发射光谱具有增强作用,而在较低气压下氩气比氦气的辐射增强效果更为显著。在5.32×104Pa氩气环境下,在等离子体形成后约6μs和10μs时发射谱线强度和信号背景比分别达到最大值。     

激光诱导现场探测月壤成分的可行性分析

为了验证激光诱导离解光谱技术在月球环境条件下月壤成分现场探测的可行性，设计了一套实验模拟装置，以合成月壤样品为检测目标，Nd:YAG激光器为光源，线列CCD光栅光谱仪为光谱的采集系统，真空罐模拟月球气压环境。用高纯度Fe2O3,Al2O3作为标准参考光谱样品提高识别精度。实验结果说明在模拟环境下利用激光诱导探测手段能够采集到样品的原子发射光谱，并完全可以定性识别物质中含有的成分。     

光丝诱导大气等离子体化学反应生成的一氧化氮测量

大气等离子体会诱导化学反应,一氧化氮(NO)是大气化学反应的主要产物之一,对其大气浓度的准确测量有助于揭示其大气化学反应机理并优化大气等离子体应用。在静态密闭反应池中,利用脉冲宽度35 fs、工作波长800 nm的脉冲激光生成光丝等离子体并诱导大气化学反应,进而采用中红外激光吸收光谱技术,实时测量了NO浓度随空气气压、反应时间的变化。在不同气压下,NO浓度随反应时间的增加而增加直至保持稳定,但NO达到稳定浓度所需要的反应时间随空气气压增加而延长。受到三体复合反应的影响,NO的累积体积比浓度从低气压时的400×10^-6以上减小到常压时(一个大气压)的120×10^-6左右。     

基于光栅光谱仪的激光诱导等离子体光谱探测技术研究

本文利用光栅光谱仪对铝样品和二氧化硅样品的激光诱导等离子体光谱进行了探测。获取了有效的实验数据．实验结果证明了利用光栅光谱仪和非增强型CCD能够实现被测样品的激光诱导离解光谱探测，对LIBS探测技术在国内的相关实用化研究具有一定的借鉴意义。     

组合脉冲激光铝等离子体的数值模拟研究

为了获得组合脉冲激光诱导等离子体光谱性能增强的物理机制, 基于FLASH程序模拟计算了预脉冲参数对组合脉冲激光诱导的铝等离子体参数时空分布的影响, 获得了在不同预脉冲波长和不同预主脉冲延时下产生的铝等离子体电子温度、电子密度和烧蚀质量的空间演化规律。结果表明, 在预主脉冲总能量相同的情况下, 随着预脉冲波长从0.266μm变化到1.064μm, 高温环境氦气等离子体羽辉的空间范围从0.7cm增大到3.0cm, 但组合脉冲对靶材的烧蚀效率严重下降, 而铝等离子体的最大电子温度保持稳定; 此外, 组合脉冲的时间延迟低于100ns。该研究可为组合脉冲激光诱导击穿等离子体光谱增强技术提供理论参考。     

用速率方程理论研究低压测量对激光诱导荧光探测OH自由基的影响

本文用速率方程理论导出了用激光诱导荧光法探测OH自由基时激光本身产生的自由基浓度,讨论了该浓度与气压的关系,并对低气压测量时,荧光强度的变化进行了定性的研究,结论与他人的实验结果是一致的。     

正交再加热双脉冲激光诱导黄连等离子体的光谱特性

搭建了正交的再加热双脉冲激光诱导击穿光谱(RDP-LIBS)实验装置。以黄连为研究对象,用其特征谱线的光谱强度和信背比评估了光谱特性。通过优化探测延时、两束激光能量值组合及脉冲间隔等实验参数,提高了检测的灵敏度。相比单脉冲激光诱导击穿光谱(SP-LIBS)技术,RDP-LIBS技术对4条特征谱线(Fe、Al、Ca、CN)的光谱强度增强倍数分别为4.0,5.5,10.0和3.5。RDP-LIBS下的等离子体电子激发温度和电子数密度均比SP-LIBS下的有所提高。     

基于腔体约束激光诱导击穿铝土矿光谱的参数优化

基于外加腔体约束方法,对铝土矿中Al、Si两种元素的激光诱导击穿光谱（LIBS）实验参数进行了优化研究。通过设置压强、激光能量、延迟时间等参数,使用传统LIBS和外加腔体约束LIBS（CC-LIBS）分别对铝土矿样品进行激光烧蚀,选择Si Ⅰ 288.15 nm和Al Ⅰ 308.21 nm作为特征谱线对最优实验条件进行了分析。结果表明:压强为150 MPa时,谱线强度偏差最小;能量为80 mJ时,采集到的特征谱线信噪比(SNR)最大;延迟时间为1 μs时,Al、Si两种元素得到的SNR最优,从而确定了最佳实验条件。与传统的LIBS相比,CC-LIBS采集到的特征谱线强度、SNR都有所提高,为铝土矿中Al、Si元素的检测提供了新的实验依据与思路,具有一定的参考价值。     

Time resolved laser-induced breakdown spectroscopy for calcium concentration detection in water

The laser induced breakdown spectroscopy(LIBS) is an element analysis technique with the advantages of real time detection,simultaneous multi-element identification,and in-situ and stand-off capacities.To evaluate its potential of ocean applications,in this paper,the time resolved laser-induced breakdown spectroscopy for calcium concentration detection in water is investigated.With the optimum experimental parameters,the plasma emission lifetime is determined to be about 500 ns with 532 nm laser excitation,and 1000 ns with 1064 nm laser excitation.The lowest detection concentration of 50 ppm is achieved for calcium detection in CaCl2 water solution using the 532 nm LIBS.Even better detection sensitivity is achieved using the 1064 nm LIBS,and the resulted lowest detection concentration of calcium is 25 ppm.The results suggest that it is feasible to develop LIBS as an on-line sensor for metal element monitoring in the sea.     

LIBS检测钢液Mn元素的实验条件优化

激光诱导击穿光谱(UBS)技术作为一种快速分析元素组成技术,在冶金分析领域具有广阔的应用前景。实验参数对LIBS检测钢液元素有较大影响,为提高LIBS技术检测的灵敏度需要对系统关键参数激光脉冲能量和ICCD门延时进行优化。本实验以钢液中Mn元素的分析线为研究对象,在激光等离子体满足局部热平衡和光学薄条件下,用Mn元素最大信噪比(SNR)来筛选优化结果。结果表明,通过优化这些实验参数,得到高光谱强度和信噪比的UBS信号,确定了最佳实验条件,这为LIBS钢液元素定量分析打下了坚实的实验数据基础。     

Laser-induced breakdown spectroscopy characterization of Al in different matrix

Some experimental investigations were carried out with the samples of metal Al and AlCl3 solutions. It is found that the spectrum varies with the change of experimental setup parameters both in Al bulk material and AlCl3 solutions. The temporal evolution properties and the affection of incident laser energy on the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) signals were also discussed. The lifetime of laser induced plasma in AlCl3 solutions is found to be about 30 ns which is much shorter than in solid materials. Compared with the solid samples, the Al LIBS signals in AlCl3 solutions require higher laser energy. Under the optimized conditions, the detection limit of Al in AlCl3 solution was determined to be around 1000 ppm for the system we used.     

激光感生击穿光谱及研究现状

综述了激光感生击穿光谱技术及其研究现状。对激光感生击穿光谱的原理、特点、理论上和应用中的发展历史和现状进行了系统地介绍。理论上的研究包括激光感生等离子体内部的平衡及非平衡等问题;在应用研究上,激光感生击穿光谱开始广泛地应用于燃烧、冶金、水污染、土污染、艺术品及染料鉴定等行业,并开始有成品仪器出现。     

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。     

准东煤化学处理后碱金属含量的激光测量研究

为了评价水洗、醋酸铵洗和盐酸洗等化学处理方法去除准东煤中碱金属的能力,分析激光诱导击穿光谱（LIBS）技术快速测量煤中碱金属含量的可行性和准确性,采用去离子水、醋酸铵溶液和稀盐酸溶液依次对准东煤进行化学处理,并利用LIBS技术对各样本中的Na,K元素进行测量,同时与电感耦合等离子光谱（ICP）检测结果进行对比,得到了验证LIBS技术测量准东煤中碱金属含量可靠性的实验数据。结果表明,水洗等化学处理可高效地去除准东煤中的碱金属,而LIBS技术对不同样本中的Na,K元素测量重复性较好,并且具有较高的灵敏度和较低的检测极限,LIBS检测结果与ICP的相对误差不超过7%。该结果说明LIBS可作为在线测量煤样中碱金属含量的一种有效手段。     

基于激光诱导离解光谱技术的元素识别方法

阐述了激光诱导离解光谱技术的工作原理,论述了激光诱导离解光谱技术的元素识别过程,分析了元素识别误差存在的原因,有针对性地提出了基于标准样品原子谱线的元素识别方法,建立了一套激光诱导离解光谱探测试验系统,对标准样品和待测样品进行了相关试验,试验结果证明了基于标准样品的元素识别方法的可行性和识别优势.     

利用激光击穿光谱检测烟气中的重金属成分

搭建了一套激光击穿光谱(LIBS)实验系统, 采用Nd∶YAG脉冲激光器作为光源击穿烟气形成等离子体, 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。以煤燃烧产生的烟气和烟花爆竹燃烧产生的烟气等为对象, 获得了烟气多种重金属元素的激光击穿光谱。光谱图表明, 该技术能够同时检测烟气中的多种金属成分。以Pb元素为对象, 配置含Pb不同浓度的固体样品进行了定标实验, 结果表明, Pb谱线强度与其元素浓度成线性关系。