1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室，安徽 合肥 230031
为了促进激光诱导击穿光谱技术（LIBS）在土壤重金属元素检测中的应用，提高重金属元素检测灵敏度，研究向土壤样品中掺杂不同比例NaCl粉末对重金属Cd元素LIBS光谱增强效果，结果表明：向土壤样品中掺杂NaCl粉末可以显著提高Cd元素特征谱线强度。当NaCl掺杂质量分数为90%时，Cd元素2条特征谱线Cd 214.441 nm、Cd 228.802 nm的检测限分别从30.57 mg/kg降低至1.526 mg/kg、从28.12 mg/kg降低至2.501 mg/kg。计算等离子温度和电子密度，二者均随着NaCl掺杂质量分数的增加而逐渐升高，掺杂NaCl可以有效提高激光与土壤的耦合效率，增加土壤的烧蚀量，从而增强Cd元素光谱强度，该研究结果对LIBS在微量重金属检测中的应用具有重要的参考意义。
激光诱导击穿光谱 土壤Cd元素 NaCl掺杂 等离子体温度 电子数密度 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1730006
红外与激光工程
2023, 52(3): 20220470
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
3 西北大学化学与材料科学学院, 合成与天然功能分子教育部重点实验室, 陕西 西安 710127
激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种快速、 实时的元素分析技术, 由于其在痕量元素探测、 地质环境监测等领域有着广阔的应用前景, 而受到人们极大的关注。 在实际应用中, 样品表面是影响等离子体产生及其特性的关键环境因素之一。 在大气环境下, 利用脉宽为8 ns、 波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光产生等离子体, 对比研究了天然岩石样品在非平坦和平坦表面条件下等离子体的发射光谱。 基于激光辅助辐射波模型, 阐释了非平坦样品表面对其光谱特性的影响。 通过对比等离子体时间积分光谱, 发现非平坦样品的谱线强度相比于平坦样品的谱线强度减弱了近70%, 该结果说明非平坦样品表面对LIBS真实测量数据的负面影响不可忽视。 针对褐铁矿样品中的谱线Fe Ⅰ 404.58 nm和Fe Ⅰ 438.35 nm, 研究了在平坦和非平坦样品表面下的峰值强度以及其衰减因子随激光能量的变化规律, 结果表明非平坦样品表面条件下采集的光谱强度始终低于平坦样品表面的光谱强度。 光谱强度的衰减因子先随激光能量增大而逐渐降低, 并在激光能量33 mJ达到最小值, 后随激光能量的进一步增大而增大。 实验结果进一步表明在非平坦样品表面条件下产生了密度较低的等离子体, 并且非平坦与平坦样品的电子密度的比值在激光能量33 mJ时达到最小, 此结果与光谱强度的衰减因子随激光能量的变化趋势一致, 这是源于非平坦样品表面会形成较大激光入射角度, 使得激光等离子体能量吸收区厚度变薄, 产生等离子体屏蔽效应所对应的激光能量阈值升高。 此外, 样品表面状态和激光能量对等离子体温度的影响甚微。 阐述了非正入射时等离子体特征参数与正入射时等离子体特征参数的联系和差异, 揭示了非平坦样品激光等离子体特征参量变化的内在物理机制, 为室外LIBS探测技术在元素定性和定量分析中光谱强度的校正提供参考。
激光诱导击穿光谱 非平坦样品 原子光谱 等离子体温度 电子密度 Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) Non-flat sample Atomic lines Plasma temperature Electron density 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3024
1 华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室, 江西 南昌 330013
2 南昌工程学院机械与电气工程学院, 江西 南昌 330099
水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用, 但目前对水下湿法焊接引弧过程的物理本质的研究很少。 首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台, 同步采集不同水深条件下焊接过程中的电流、 电压及光谱信号, 对不同水深条件下水下湿法焊接引弧阶段进行界定, 高速摄像机拍摄水下湿法焊接引弧过程以更直观观察引弧过程中电弧、 气泡等水下动态变化。 在此基础上, 设置光谱仪延时, 分别采集了引弧5, 10, 15, 20及25 ms的光谱信号; 改变水深条件, 得到不同水深条件下引弧不同时刻的电弧光谱图。 根据谱线选取原则综合分析, 选取Fe元素作为计算水下湿法焊接引弧电弧温度的特征元素。 引弧不同时刻均选取了五组数据, 运用统计分析的方法对五组数据做平均化处理, 以保证计算结果的准确性和可靠性。 从Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线作为计算水下湿法焊接引弧过程电弧温度的目标谱线, 再利用玻尔兹曼图示法分别计算了不同水深条件下引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度。 结果表明: 在相同水深条件下, 引弧过程中电弧等离子体温度是随着引弧时间的不断增加而不断变化的, 但其变化趋势并不是简单的线性增加, 而是分别在引弧的不同时刻出现峰值; 随着水深的增加, 水下湿法焊接电弧等离子体的温度也随着上升, 但其电弧温度的上升趋势开始变缓慢, 40 m水深相对于20 m水深的电弧温度上升量要低于20 m水深条件下相对0.3 m水深条件下的电弧温度上升量。 伴随着水深的增加, 水下环境压力增大造成电弧进一步压缩, 但压缩量有限。 由于电弧被压缩, 弧光的强度也增大。 通过光谱分析的方法, 从电弧物理的角度获悉水下湿法焊接引弧过程的物理本质, 对认识电弧建立过程中微观击穿机理及实际生产中进一步提升引弧过程的稳定性提供了重要参考。
水下湿法焊接 光谱信号 引弧过程 等离子体温度 弧光强度 Underwater wet welding Spectral signal Arc process Plasma temperature Arc intensity 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1586
中北大学电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051
激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种物质成分分析技术, 它利用脉冲激光聚焦在样品表面, 当激光烧蚀样品时产生等离子体, 光谱仪收集等离子体辐射的光谱, 计算机进行元素分析。 它具有操作简便快速, 检测元素全面等优点。 传统LIBS存在检测灵敏度低, 谱线背景噪声高等缺点, 将LIBS技术与腔体约束结合起来可以增强光谱强度, 同时信噪比和等离子体温度等一些参数也会有效提高。 使用PLA和铝两种材料的圆柱形约束腔固定在黄铜样品表面, 直径分别为5和6 mm, 高度分别为1, 2, 3, 4和5 mm。 利用光谱仪采集了Cu Ⅰ 510.55 nm, Cu Ⅰ 515.32 nm和Cu Ⅰ 521.82 nm三条Cu等离子体谱线, 并对其进行了分析研究。 实验结果表明相比于未加腔体约束, 光谱强度在每种腔体约束下都得到了增强。 针对Cu Ⅰ 515.32 nm谱线, 研究了它在各个约束腔下的增强因子和信噪比。 随着圆柱形约束腔高度的增加, 增强因子呈现先增大后减小的趋势, 在高度为4 mm时达到最大。 同一高度、 不同直径的约束腔, 直径为5 mm时比6 mm时要大。 而对于同一高度、 同一直径的腔体来说, 铝材料腔体约束下都比PLA材料的大。 在当前实验条件下, 高度4 mm、 直径5 mm的铝材料的约束腔增强效果最明显, 增强因子达到最大值28.29。 信噪比与增强因子变化趋势一致, 也在高度4 mm、 直径5 mm的铝材料的约束腔下达到最大值44.03, 是没有腔体约束时的13.89倍。 此外, 计算了等离子体温度, PLA材料的约束腔对等离子体温度影响较小, 而在铝约束腔下等离子体温度增加明显, 5 μs时在与没有约束腔时相差达到最大值467.35 K。 腔体约束装置简单, 与LIBS系统组合方便, 并且增强光谱效果明显, 具有广阔的应用前景。 本文研究了LIBS系统结合不同材料的腔体约束对激光诱导击穿Cu等离子体光谱的影响, 对腔体材料的选取有一定的参考价值。
激光诱导击穿光谱 腔体约束 腔体材料 信噪比 等离子体温度 Laser-induced breakdown spectroscopy Cavity confinement Cavity material Signal-to-noise ratio Plasma temperature 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3801
华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室, 江西 南昌 330013
水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用, 但缺乏对其机理方面的研究, 利用光谱分析的方法对水下湿法焊接引弧过程的电弧等离子体温度和电子数密度进行了研究。 首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台, 对焊接过程中的电流电压及光谱信号进行了同步采集, 根据电流电压信号的数据对水下湿法焊接引弧过程进行了界定。 在此基础上, 通过光谱仪的延时功能分别采集了引弧5, 10, 15, 20及25 ms的光谱信号, 对采集的光谱信号进行分析, 标定了计算等离子体温度及电子数密度所需要的Fe元素谱线和H元素谱线, 为了保证计算结果的准确性和可靠性, 引弧不同时刻均选取了五组数据, 运用统计分析的方法对五组数据作平均化处理, 在标定的Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线, 利用玻尔兹曼图示法分别计算了引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度, 同时, 根据光谱仪检测到的氢元素的α谱线, 结合等离子体发射光谱的斯塔克谱线展宽理论, 计算了水下湿法焊接引弧不同时刻的电子数密度。 计算结果表明: 在引弧的不同时刻, 水下湿法焊接电弧等离子体温度变化呈现不同的特点, 在引弧5和20 ms温度值分别出现峰值, 到最后稳弧时刻温度值达到4 414 K; 电子数密度在引弧不同时刻也不同, 同样在引弧5和20 ms出现峰值, 在出现峰值点的时刻, 电流同样出现峰值。 电弧等离子体温度和电子数密度在引弧不同时刻的变化趋势, 验证了电弧的形成伴随着空间间隙被击穿的过程, 其计算结果可以为进一步从电弧物理的角度探寻水下湿法焊接引弧过程的物理本质, 引导并寻求更有效的引弧方法提供重要参考。
水下湿法焊接 电弧光谱诊断 引弧 等离子体温度 电子数密度 Underwater wet welding Arc spectroscopy Arc ignition Plasma temperature Electron number density 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3404
激光诱导击穿光谱（LIBS）因具有实时快速、 多元素分析、 样品损伤性小等优势, 已成为检测未知物质元素组分以及相应元素含量的重要手段。 近期的一些研究表明, 百纳秒级别激光脉冲由于在确保有效击穿阈值的条件下延长了激光与样品作用时间, 使得其LIBS光谱质量相对于传统10 ns级激光脉冲得到了提高; 适度降低环境气压（至104 Pa量级）, LIBS光谱强度和信背比均得到明显提高。 为探究低气压对长脉宽（百纳秒级）激光诱导铜合金等离子体光谱特性的影响, 采用自主研发80 ns脉宽Nd∶YAG激光器（波长1 064 nm, 单脉冲能量20~200 mJ）作为激发光源, 样品为BYG19431的锡青铜（基体元素Cu质量百分数为92.9%, 低含量元素Fe质量百分数为0.007 8%）, 通过样品气氛控制系统改变环境气压, 分别研究了低环境压力（1.01×105, 9.6×104, 9.2×104, 8.8×104和8.4×104 Pa）下铜合金基体元素Cu与低含量元素Fe光谱特性。 实验中, 激光脉冲重复频率为1 Hz, 每次打击均为新鲜表面（通过真空腔内的可控旋转平台更换样品位置）, 每个能量和气压下分别选取5个脉冲能量较稳定的光谱, 取平均值作为当前实验条件的最终实验结果, 激光脉冲能量的实时监测由透反比1∶1分束镜及能量计完成。 研究发现, 基体元素谱线（Cu Ⅰ 324.75 nm）, 常压下低能量（20 mJ, 40 mJ）时均存在较严重的自吸收现象。 在60 mJ时, 虽自吸收效应得到改善, 但谱线背景强度升高, 且激光对样品的损伤加大。 为在低光谱背景, 微样品损伤的条件下实现光谱质量的进一步提升, 实验激光能量为20 mJ。 结果表明, 随着环境气压降低, 基体元素Cu自吸收程度大幅度降低, 样品中低含量Fe元素谱线信背比增加, 等离子温度升高, 谱线展宽变窄。 气压为8.4×104 Pa时, 与常压相比基体元素铜（Cu Ⅰ 324.75 nm）与微量元素铁（Fe Ⅰ 330.82 nm）谱线信背比分别增强5.31和2.43倍; 等离子体温度提升了21.6%; Fe Ⅰ 330.82 nm谱线展宽由0.29 nm降到0.21 nm, 在一定程度提高了LIBS元素谱线的分辨率。
80 ns 长脉宽 低气压 自吸收 信背比 等离子体温度 80 ns long-pulse-width Low-pressure Self-absorption SBR Plasma temperature 光谱学与光谱分析
2020, 40(9): 2891
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Physics SUPA, University of Strathclyde, G4 0NG, UK
2 Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt, 64289 Darmstadt, Germany
3 York Plasma Institute, University of York, YO10 5DD, UK
4 STFC-Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, OX11 0QX, UK
The spatial-intensity profile of light reflected during the interaction of an intense laser pulse with a microstructured target is investigated experimentally and the potential to apply this as a diagnostic of the interaction physics is explored numerically. Diffraction and speckle patterns are measured in the specularly reflected light in the cases of targets with regular groove and needle-like structures, respectively, highlighting the potential to use this as a diagnostic of the evolving plasma surface. It is shown, via ray-tracing and numerical modelling, that for a laser focal spot diameter smaller than the periodicity of the target structure, the reflected light patterns can potentially be used to diagnose the degree of plasma expansion, and by extension the local plasma temperature, at the focus of the intense laser light. The reflected patterns could also be used to diagnose the size of the laser focal spot during a high-intensity interaction when using a regular structure with known spacing.
high power laser laser–solid interactions plasma temperature diagnosis High Power Laser Science and Engineering
2019, 7(1): 010000e2
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 合肥 230026
3 中石化中原石油工程有限公司录井公司, 河南 濮阳 457001
对制备的七种不同湿度的岩屑样品进行实验, 研究了水分含量对激光诱导岩屑等离子体特性的影响以及不同水分含量下样品中各元素浓度值的修正方法.实验分析了Ca II 422.67 nm 谱线强度随岩屑样品含水量的变化, 通过Ca II 和Al I 各自四条谱线的玻尔兹曼图计算了不同水分含量下的等离子体平均温度, 并使用Lorentz拟合Ca II 422.67 nm谱线获得了不同水分含量岩屑等离子体的电子密度.实验结果表明, 随着水分含量的增加, 光谱强度、等离子体温度和电子密度均线性降低, 各元素自由定标模型定量分析结果有较大差异, 但不同水分含量的岩屑等离子体均满足局部热力学平衡的Mc Whirter标准, 自由定标模型可以用于不同水分含量岩屑样品的分析及影响的简单修正.
岩屑 水分含量 激光诱导击穿光谱 等离子体温度 电子密度 热力学平衡 Rock cuttings Moisture content LIBS Plasma temperature Electron density Local thermodynamic equilibrium
