1 长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
2 长春工业大学机电工程学院, 吉林 长春 130012
3 吉林建筑科技学院, 吉林 长春 130114
为了解决LIBS技术应用于冶金过程成分分析时, 温度变化导致测量精度低, 重复性差的问题, 就温度变化对等离子体的影响进行研究。 以Al元素为研究对象, 对比分析不同温度下的光谱强度、 等离子体电子温度和电子密度, 总结了温度上升和下降时光谱强度和等离子体特征参数的变化规律。 结果表明, Al元素特征谱线强度随温度上升呈增大趋势, 在700 ℃时达到饱和, 等离子体特征参数变化趋势与谱线强度基本一致, 当样品温度加热至700 ℃时, 等离子体电子温度上升至13 122 K, 电子密度增大至4.65×1016 cm-3; 与温度上升相比, 温度下降过程中, 等离子体光谱强度, 电子温度和电子密度的变化总体分为三个阶段。 第一阶段, 样品停止加热自然冷却, 光谱强度、 电子温度和电子密度随样品温度迅速下降; 第二阶段, 当样品温度下降至660 ℃左右时, 光谱强度下降速度变缓, 并趋于平稳, 此时等离子体电子温度稳定在16 000 K左右, 电子密度为7.6×1016 cm-3; 第三阶段, 光谱强度及等离子体特征参数持续下降, 直至样品温度下降至室温。 由此可见, 将LIBS技术应用于熔融金属成分检测时, 可以通过控制样品温度, 获取最佳的测量点, 进而提高LIBS技术的检测准确性。
激光诱导击穿光谱 样品温度 电子温度 电子密度 Laser induced breakdown spectroscopy Sample temperature Electron temperature Electron density
1 长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
2 长春工业大学机电工程学院, 吉林 长春 130012
针对土壤定量分析受基体效应影响大, LIBS定量分析精度不佳等问题, 采用粒子群算法对LSSVM进行优化, 提高模型的精确度。 选取Pb Ⅰ 405.78 nm和Cr Ⅰ 425.44 nm作为分析谱线进行分析。 采集十二个不同浓度样品的特征光谱, 每个浓度样品在不同点采集20组数据, 将其中17组数据设为训练集, 3组数据设为预测集, 用LSSVM和PSO-LSSVM两种方法建立定标模型。 对比两种模型的拟合相关系数(R2)、 训练集均方根误差(RMSEC)和预测集均方根误差(RMSEP)。 由于自吸收效应的影响, 随着浓度的增加, 预测值逐渐低于实际值, LSSVM定标模型的拟合程度较低, 无法达到实验要求, 模型性能有待提高。 利用粒子群算法对LSSVM的模型参数惩罚系数和核函数参数进行优化, 得到最佳的参数组合, Pb元素为(8 096.8, 138.865 7), Cr元素为(4 908.6, 393.563 5), 用最佳的参数组合构建LSSVM的定标模型。 相比于LSSVM, PSO-LSSVM定标模型的精确度更高, Pb和Cr元素的R2提高到了0.982 8和0.985 0, 拟合效果明显提升。 Pb和Cr元素的训练集均方根误差由0.026 0 Wt%和0.027 2 Wt%下降到0.022 4 Wt%和0.019 1 Wt%, 预测集均方根误差由0.101 8 Wt%和0.078 8 Wt% 下降到0.045 8 Wt%和0.042 0 Wt%, 模型的稳定性进一步提高。 说明PSO-LSSVM算法能够更好地降低土壤基体效应和自吸收效应带来的影响, 提高分析结果的精确度与稳定性。
激光诱导等离子体技术 粒子群优化 最小二乘支持向量机 定量分析 Laser-induced breakdown spectroscopy Particle swarm optimization Least squares support vector machine Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3583
1 长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
2 长春工业大学机电工程学院, 吉林 长春 130012
3 吉林建筑科技学院, 吉林 长春 130012
激光诱导击穿光谱技术(LIBS)用于检测时, 由于谱线多且复杂, 存在许多冗余的信息, 这些都会对定量分析造成影响。 因此, 提取有效的特征变量在LIBS的定量分析中具有非常重要的意义。 对CaCl2溶液中的Ca元素进行光谱特征选择方法分析, 对比单变量模型、 偏最小二乘回归和CART回归树定标模型的准确度和稳定性。 针对水体表面的波动性较大, 光谱稳定性差, 同时光谱受基体效应和自吸收效应影响等问题, 首先采用单变量模型得到的拟合系数(R2)仅有0.933 2, 训练均方根误差(RMSEC)、 预测均方根误差(RMSEP)和平均相对误差(ARE)分别为0.019 2 Wt%, 0.017 7 Wt%和11.604%。 经偏最小二乘回归优化后, 模型R2提高到0.975 3, RMSEC, RMSEP和ARE分别降低到0.010 8 Wt%, 0.013 Wt%和7.49%。 为了进一步提高定量分析的准确度, 建立CART回归树定标模型。 该方法在构建树模型时, 通过平方误差最小化准则, 从复杂的光谱信息中选取最优的特征变量组合做分类决策, 从而建立Ca元素的定标曲线。 通过CART回归树的变量选择, 特征变量个数从100个减少到6个, 变量的压缩率达到了94%, 显著降低了无关谱线的干扰, 回归树模型的相关系数R2, RMSEC, RMSEP和ARE分别为0.997 5, 0.003 5 Wt%, 0.006 1 Wt%和2.500%。 相较于传统的单变量模型与偏最小二乘回归, CART回归树模型具有更高的精度、 更小的误差。 通过对特征变量的有效筛选, 剔除无关信号的干扰, 显著降低了基体效应和自吸收效应对LIBS定量分析的影响, 提高了定量分析的准确度和稳定性。
激光诱导击穿光谱 特征变量选择 CART回归树 定量分析 Laser-induced breakdown spectroscopy Feature variable selection CART regression tree Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3240
长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
为了提高土壤重金属激光诱导击穿光谱特征谱线的稳定性, 进而提高土壤定量分析的精度, 将图像寻优与激光诱导等离子体技术相结合对土壤中的Cu元素进行分析。 通过实验对比分析了 Cu Ⅰ 324.75 nm与 Cu Ⅰ 327.40 nm两条谱线的特性, 最后选取了Cu Ⅰ 324.75 nm作为分析谱线。 利用小波变换对光谱进行了降噪处理, 排除了基底效应对结果的影响, 提高了光谱的稳定性。 随后对不同延时下等离子体图像进行实时采集, 分析了延迟时间对光斑面积与光谱强度的影响, 确定了最佳延时为900 ns。 在最佳延时、 相同能量下, 对不同浓度土壤有寻优模型的光谱数据RSD与无寻优光谱数据的RSD进行了对比。 通过图像寻优模型选取最优的等离子体图像, 利用选取后的谱线数据进行计算, 发现不同浓度土壤的RSD都有较大改善, 无寻优条件下, 各浓度的RSD分别为5.39%, 6.22%, 7.56%, 8.42%和9.63%; 寻优条件下, 各浓度的RSD分别为3.24%, 4.47%, 5.32%, 6.13%和7.21%。 图像寻优的方法有效抑制了连续背景辐射, 提高了光谱的稳定性和重复性。 与没有经过图像寻优的数据相比, 经过图像寻优模型的谱线RSD分别下降了2.15%, 1.75%, 2.24%, 2.29%和2.42%。 大大提高了土壤中Cu元素含量的检测稳定性。 最后, 利用内标法对土壤重金属进行定量分析, 相比于无寻优条件下, 有寻优条件下定标模型的精确度和稳定性都有提高, R2由0.978提高到了0.995。 由以上数据可知图像寻优技术大大提高了光谱的稳定性, 在土壤重金属LIBS检测中图像寻优技术可以很大程度地提高LIBS技术对元素检测的定量分析能力。
激光诱导等离子体技术 土壤 图像寻优 内标法 Laser-induced plasma technology Soil Image optimization Internal standard method 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3282
1 长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
2 长春工业大学机电工程学院, 吉林 长春 130012
为了提高土壤定量分析的精度, 分别把偏最小二乘法(PLS)和最小二乘支持向量机(LSSVM)与激光诱导等离子体技术相结合对土壤中的Cu元素进行分析。 对比分析了Cu Ⅰ 324.75 nm和Cu Ⅰ 327.40 nm两条特征谱线, 最终选择Cu Ⅰ 324.75 nm作为分析谱线。 首先对实验参数进行优化。 通过对比激光能量、 采集延时与信噪比之间的关系, 确定最佳能量为90 mJ, 最佳采集延时为1 000 ns。 然后在最佳实验条件下采集五个不同浓度样品的特征光谱, 并用内标法、 PLS和LSSVM建立定标模型。 对比三种模型的拟合系数、 均方根误差和平均相对误差, 发现由于土壤基体效应和自吸收效应的影响, 内标法的定标模型性能较差, 拟合程度未达到实验要求, 而均方根误差和平均相对误差的数值过大, 无法满足实验对于精确度和稳定性的要求。 用PLS对定标模型进行校准, 相对于内标法而言, 定标模型的精确度和稳定性均有明显的提高, R2由0.870 1提高到0.985 1, 训练集和预测集的均方根误差均下降到了0.1 Wt%量级, 平均相对误差虽有所下降, 但仍然无法达到实验要求, 说明PLS虽然可以在一定程度上提高定标模型的精确度, 但在提高稳定性方面仍有欠缺, 并不能很好的降低土壤的基体效应与自吸收效应。 与内标法和PLS的定标模型相比, LSSVM定标模型的精确度和稳定性最好, R2提高到了0.997 6, 模型中的数据点基本分布在拟合曲线上, 具有良好的线性相关性。 相比于内标法, LSSVM定标模型训练集的均方根误差由3.448 8 Wt%下降到0.018 7 Wt%, 预测集的均方根误差由1.280 7 Wt%下降到0.149 1 Wt%, 体现稳定性的平均相对误差降低了6.24倍。 与PLS定标模型相比, LSSVM定标模型的各个参数均有大幅降低, 特别是平均相对误差由7.455 6%下降到2.137 0%, 可以满足稳定性要求。 说明在提高定标模型精确度与稳定性方面, LSSVM算法更具有优势, 能够更好地降低土壤基体效应和自吸收效应带来的影响。
激光诱导等离子体技术 内标法 偏最小二乘法 最小二乘支持向量机 土壤 Laser-induced plasma technology Internal standard method Partial least squares Least squares support vector machine Soil 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1523
1 中国科学院光电研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京国科世纪激光技术有限公司, 北京 100192
提出一种可实现大功率输出、重复频率为80 MHz的皮秒锁模振荡器，当抽运功率为22.4 W 时，可实现功率为5.1 W，频谱信噪比大于60 dB，脉冲宽度为23.7 ps 的皮秒脉冲的稳定输出。通过选择合理的半导体可饱和吸收镜(SESAM)参数和合适的腔型，实现SESAM 长期无损伤运转并进行500 h 的实验验证。采用888 nm 激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO4 晶体的两级功率放大系统将皮秒锁模振荡器的功率提升至44 W。放大系统的光-光转换效率大于25%，输出光具有良好的光斑模式，光束质量因子M2<1.5。
激光器 皮秒锁模振荡器 半导体可饱和吸收镜 激光放大 888 nm 抽运
1 中国科学院光电研究院, 北京 100194
2 北京国科世纪激光技术有限公司, 北京 102211
激光远距离测距是通过发射激光和返回激光之间的时间间隔来获得距离信息的一种测距方式。随着全固态激光技术和光子探测技术的发展，高能量、千赫兹全固态绿光激光器作为光源具有目标捕获快、回波数多、测距精度高、标准点数据密度高等优点，已逐渐取代闪光灯抽运激光器，成为目前激光远程测距领域中的主流。
1 中国科学院光电研究院, 北京 100080
2 北京国科世纪激光技术有限公司, 北京 102211
报道了一种基于电光腔倒空技术的高重复频率、短脉冲Nd:YVO4激光器。该激光器以880 nm连续波激光二极管作为端面抽运源，采用BBO晶体组成的普克尔盒作为电光Q开关。通过优化谐振腔，提高了激光器热稳定性和模式匹配效率。在30 W的抽运功率下，获得了脉冲重复频率最高为500 kHz，脉冲宽度为6 ns，平均功率为10 W的1064 nm稳定基横模脉冲激光输出。
激光技术 电光腔倒空 高重复频率 880 nm抽运 中国激光
2014, 41(10): 1002006
1 现代工程与应用科学工学院, 南京大学, 江苏 南京 210093
2 北京国科世纪激光技术有限公司, 北京 102211
3 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
主要介绍了以光学超晶格作为频率变换介质的皮秒可调谐激光技术, 包括同步抽运光参量振荡和单次通过的光参量产生技术。在25 W皮秒同步抽运下, 激光器在24 μm输出功率超过6W, 波长可调谐范围达到15 μm。
皮秒 同步抽运 可调谐 中红外 Pico-second Synchronously-pump tunable lasers Mid-infrared
1 中国科学院光电研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京国科世纪激光技术有限公司, 北京 100192
设计了皮秒激光加工系统，该系统可输出355、532、1064 nm皮秒脉冲激光，单脉冲能量最大1.5 mJ，脉冲宽度9.12 ps。进行了轴向色差补偿设计，轴向焦点补偿最大距离0.4 mm，最小焦斑直径为3 μm，峰值功率密度达0.6×1015 W/cm2。应用该系统，开展了不同波长与不同材料作用的加工实验研究。研究表明，1064 nm皮秒脉冲激光可用于手机屏幕切割，532 nm皮秒脉冲激光可用于光电探测器制作，355 nm皮秒脉冲可用于精细度要求较高的金属类材料加工。
激光技术 皮秒激光 精细加工 色差补偿 中国激光
2013, 40(s1): s103001
