基于平面反射镜约束的激光诱导击穿光谱技术研究北大核心CSCD

为改善激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)的光谱特性,搭建了平面反射镜约束下的LIBS检测系统,将平面反射镜放置于样品两侧,分别选取平面反射镜间距7 mm,9 mm,11 mm,13 mm开展实验,得到等离子体辐射强度随平面反射镜间距增加而减小。研究了不同平面反射镜间距对土壤样品中Fe,Al,Pb 3种元素等离子体特性的影响,实验结果显示:相比于无平面反射镜约束,在平面反射镜间距为7 mm时,样品中Fe I,Al I,Pb I等3种元素的信噪比分别提高了29.9%,39.4%,31.0%;计算得到等离子体温度提高了484.54 K,等离子体电子密度提高了2.41×10^(15)cm^(-3)。对有无平面反射镜约束下的Pb元素进行定量分析,得到检测限从86.9 mg/kg降低到51.2 mg/kg,相对标准偏差从7.8%降低到4.6%。可见,利用平面反射镜是改善激光光谱特性的一种简单有效的方法。     

同位重复激光脉冲烧蚀对等离子体辐射的增强作用

为了提高激光诱导击穿光谱的质量, 采用高能量铷玻璃脉冲激光烧蚀土壤样品, 由组合式多功能光栅光谱仪和CCD探测器等组成的光谱分析系统记录光谱信息, 研究了有或无CsCl样品添加剂时多个激光脉冲作用于土壤样品同一位置条件下, 每个激光诱导等离子体辐射强度的变化情况, 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, 随着激光脉冲序数的增大, 等离子体辐射逐渐增强。计算可知, 对于含有15%CsCl的样品, 第6个激光脉冲等离子体中元素Fe、Mn、K和Ti的谱线强度比第2个激光脉冲的分别提高了3.59、2.46、2.82和1.62倍; 光谱信噪比分别提高了3.03、1.97、2.28和1.40倍; 而第6个激光脉冲等离子体的温度比第2个的升高了5 360 K。     

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。     

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。     

高气压Ar对激光诱导Al等离子体辐射特性的影响

用高能量钕玻璃激光器(0~25J)烧蚀Al靶产生等离子体。实验中测量了Ar气气压在0.1~1.0MPa范围内,等离子体发射光谱的谱线强度、半宽度、信背比以及等离子体的电子温度和电子密度随气压的变化。结果表明,随着环境气体压强的升高,等离子体的空间体积被压缩,电子温度和电子密度增大,辐射强度有明显的增强。     

样品温度对激光诱导等离子体辐射强度的影响

增强激光诱导等离子体的发射光谱强度,对于精确测量微弱光谱信号,改进待测材料中低含量元素的探测灵敏度意义重要。首先对金属样品加热升温,并且在一定温度时利用波长为1 064 nm的Nd:YAG纳秒脉冲激光烧蚀样品,激发产生等离子体,测量了不同样品温度条件下等离子体的发射光谱强度和信噪比。结果表明,采用的激光能量为200 mJ时,随着样品温度的升高,等离子体辐射会逐渐增强,并且在温度为150 ℃时达到最大。计算表明,样品中分析元素Mo、Cr、Ni和Mn在温度为150 ℃时的光谱线强度比室温条件下的分别提高了54.56%,72.43%,70.29%和54.01%,光谱信噪比分别增大了37.44%,40.74%,38.6%和37.06%。实验还通过观察等离子体的照片,测量等离子体的温度、电子密度和样品蒸发量,讨论了激光诱导金属等离子体辐射增强的原因。可见,升高样品温度是改善激光等离子体光谱质量的一种有效手段。     

预制孔穴对激光诱导等离子体辐射的增强作用

通过在样品表面上预制孔穴的方法,研究了激光诱导等离子体辐射的增强效应.实验过程中,采用高能量钕玻璃脉冲激光器(1064nm,6J,0.7ms)烧蚀土壤样品.在预制小孔参数分别为0.8mm、1.0mm、1.2mm直径和0.8mm、1.0mm、1.2mm深度的条件下,测量了激光诱导等离子体的光谱强度和信背比.实验结果表明,利用小孔对激光等离子体的约束作用,明显地增强了等离子体的辐射强度.实验确定的优化条件是,预制0.8mm直径和1.0mm深度孔穴,采集第二个脉冲激发的等离子体辐射,可以获得较高质量的激光光谱.     

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。     

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。     

高压Ar气对激光诱导等离子体辐射的增强效应

为了提高激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对低含量物质成分的检测能力,实验研究了高压(0.0-0.5 MPa)Ar环境气体对钢样晶发射光谱的增强效应.利用高能量钕玻璃脉冲激光(约6 J)烧蚀样品,由组合式多功能光栅光谱仪和CCD光谱采集处理系统记录等离子体光谱,并通过测量光谱线强度计算了等离子体电子温度.实验结果表明,当...     

双谱线内标对激光诱导击穿光谱稳定性的改善

为了改善激光诱导击穿光谱稳定性,提出了一种双谱线内标算法,采用分析谱线强度与两条内标谱线强度之和归一化的方式提高分析光谱的稳定性。以钢铁中的硅元素谱线Si Ⅰ 288.16nm为例,对算法进行了数值计算和模拟,最后以锰和铜谱线为例对算法的普遍性进行了验证。结果表明,在激光诱导等离子典型温度和电子数密度区域,采用双谱线内标算法比普通内标法能更有效地改善分析谱线的稳定性。     

CsCl添加剂对土壤的纳秒激光诱导等离子体光谱的影响

为了提高土壤中激光诱导土壤等离子体光谱的质量,以纳秒脉冲激光作为激发源,研究了CsCl作为土壤样品添加剂对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,在激光能量为200mJ的条件下,CsCl添加剂能够明显增强等离子体的辐射强度。对于土壤样品中的元素Al、Fe和Ti,添加剂含量为20%的谱线强度比无添加剂时的分别提高了42%、39%和54%,光谱信背比分别提高了8%、24%和28%,而且元素Fe和Ti的光谱线宽度变窄了。对激光能量分别为300mJ和400mJ条件下的等离子体光谱也进行了研究。     

激光诱导紫铜等离子体过程中的逆韧制辐射效应

为了研究激光等离子体相互作用过程中逆韧制辐射效应,用1064nm Nd:YAG激光器诱导产生紫铜等离子体,建立3条铜原子谱线的Boltzmann图,计算得到紫铜等离子体的电子温度为6902K。通过测量铜原子谱线324.75nm的Stark展宽,计算得到紫铜等离子体的电子密度为3.6×1017cm-3;基于铜等离子体的特征参量,得到紫铜等离子体的逆韧制辐射系数是0.021cm-1。结果表明,该光谱分析方法可以在避免对等离子体产生扰动的情况下,得到等离子体的特征参量。     

金属材料的激光诱导等离子体光谱法成分分析的实验研究

以波长1064nm的Nd：YAG调Q激光束为激发光源,对铜、镁铝合金和钢等金属材料的激光诱导等离子体光谱（Lips）进行了实验探测,并分析了延迟时间、环境气体等因素对元素光谱特性的影响。适当的延迟时间和氩气环境能显著地改善谱线的信噪比,从而提高元素含量分析的精度。     

激光诱导等离子体对水团簇受激拉曼散射的影响

利用532 nm脉冲激光作用于水分子,研究其受激拉曼Stokes和anti-Stokes散射.实验表明:激光束经过聚焦后,在能量为4 mJ时,水分子产生等离子体;在泵浦激光能量由5 mJ增加到15 mJ的过程中,水分子OH键伸缩振动的受激拉曼Stokes散射光强逐渐增大、受激谱带宽度逐渐加宽,并且受激拉曼Stokes散射中心波长呈现蓝移趋势;当能量为15 mJ时,产生了OH键伸缩振动的受激拉曼anti-Stokes散射光.利用激光诱导等离子体增强水分子团簇的受激拉曼散射理论解释了以上现象,实验与理论符合地很好.     

粒径对激光诱导煤粉流等离子体特性的影响

为了明确在应用激光诱导击穿光谱技术进行煤粉流物质成分在线检测过程中,煤粉粒径大小对激光诱导煤粉流等离子体特性的影响,利用螺杆给料机搭建煤粉颗粒流检测平台,分析了粒径不同的6种煤粉流等离子体的光谱数据。结果表明,在相同的实验条件下,随着煤粉颗粒粒径减小,等离子体的电子密度和温度升高,粒径小于50μm与粒径为250μm~300μm的样品的等离子体电子密度和温度分别升高了19.89%和13.13%;煤粉粒径大小对激光诱导煤粉流等离子体特性有很大影响,选取合适的煤粉粒径不仅可以提高光谱强度而且元素检出限也得到改善,更有利于检测样品中含量低的元素。