1 上海大学物理系，上海 200444
2 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室，上海 201800
应用纳秒脉冲激光烧蚀铝的动力学模型分析了激光诱导等离子体的演化过程。通过设置有无空腔的不同情况，研究和讨论了空间约束对等离子体和光谱信号的影响，并得到了等离子体演化过程中的电子温度和电子数密度。基于局域热平衡的假设，计算了铝在396.15 nm波长处的谱线强度。与无空腔条件下产生的等离子体相比，有空腔时等离子体的电子温度和电子数密度都明显提高。随着空腔宽度的增加，增强效果减弱，光谱信号强度先升后降，在空腔宽度为1.4 cm处获得最大值。建立了实验装置，实验结果与仿真结果吻合得较好，在同一宽度下得到了最大的信号强度值。模拟和实验结果提供了膨胀过程中等离子体空间和时间分布的数值信息，并解释了空腔存在对等离子体演化产生影响的机制。
光谱学 激光诱导击穿光谱 仿真分析 等离子体演化 空间约束 光谱信号强度
1 长春理工大学物理学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学化学与环境工程学院, 吉林 长春 130022
铝合金中Fe元素的浓度会影响铝合金的软硬程度, 从而影响铝合金器件的工作使用寿命, 因此铝合金中Fe的含量检测精度非常重要, 开展了空间约束结合支持向量机提高毫秒激光诱导击穿光谱的铝合金中的Fe元素成分检测精度研究。 在平板空间约束条件下, 毫秒激光诱导铝等离子体光谱出现了光谱增强, 并且提高了等离子体辐射光谱稳定性, 光谱辐射中的Fe Ⅰ 345.99 nm, Fe Ⅰ 369.51 nm, Al Ⅰ 394.40 nm, Al Ⅰ 396.15 nm四条特征谱线的增强因子分别为2.20, 2.14, 2.28, 2.41。 建立了基于外标法和支持向量机(SVM)的铝合金中Fe元素定量分析定标模型, 采用外标法得到有无平板空间约束下ms-LIBS对Fe元素的定标曲线的拟合相关系数R2, RMSEC, RMSEP和ARE分别为0.893, 0.261 Wt%, 0.156 Wt%, 40.977%和0.852, 0.337 Wt%, 0.274 Wt%, 42.947%。 在约束条件下SVM模型的RMSEC为0.086 2 Wt%, RMSEP为0.043 1 Wt%; 采用SVM方法得到有无平板空间约束下ms-LIBS对Fe元素的定标曲线的拟合相关系数R2, RMSEC, RMSEP和ARE分别为0.984, 0.086 Wt%, 0.043 Wt%, 3.715%和0.941, 0.134 Wt%, 0.051 Wt%, 12.353%。 结果表明, 在空间约束条件下, 采用ms-LIBS结合SVM方法能够大幅度提高ms-LIBs的定量分析精度和实验重复性, 且有效降低了铝合金的基体效应, 能够满足铝合金的痕量元素快速检测。
激光诱导击穿光谱 支持向量机 空间约束 毫秒激光 铝合金 Laser-induced breakdown spectroscopy Support Vector Machine Spatial constraint Millisecond laser Aluminum alloy
1 吉林大学白求恩第一医院核医学科，吉林 长春 130021
2 空军航空大学航空基础学院，吉林 长春 130022
3 吉林大学原子与分子物理研究所，吉林 长春 130012
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。
光谱学 激光诱导击穿光谱 空间约束壁数 光谱增强 电子温度
1 空军航空大学 航空基础学院，吉林 长春 130022
2 空军航空大学 作战勤务学院，吉林 长春 130022
3 吉林大学第一医院 核医学科，吉林 长春 130021
4 吉林大学 原子与分子物理研究所，吉林 长春 130012
升高样品温度和采用空间约束能提高激光诱导击穿光谱的信号强度，两种技术的结合可以进一步提高激光诱导击穿光谱的光谱强度。本文在空气环境中研究了升高样品温度和空间约束效应两种方法相结合对激光诱导击穿光谱的影响，测量了激光诱导铝等离子体的时间分辨光谱。实验结果表明：升高样品温度能增加激光诱导击穿光谱的信号强度，高温样品能耦合更多的激光能量；当圆柱形腔被用于约束等离子体时，信号强度得到了进一步提高。两个实验条件的结合对于激光诱导击穿光谱信号增强的效果明显强于单独升高样品温度或者单独采用空间约束的增强效果。单一200 °C高温下样品的Al(I) 396.2 nm线强度增加了1.4倍；单一空间约束条件下的Al(I) 396.2 nm线强度增加了1.3倍；而在200 °C和空间约束的组合条件下，Al(I) 396.2 nm线强度增加了2.1倍。这个结合效应增强效果产生主要由于激光照射高温样品产生更强的冲击波，从而能更有效地压缩高温下产生的更大尺寸的等离子体羽，进一步提高了激光诱导击穿光谱的强度。
激光诱导击穿光谱 样品温度 空间约束 光谱增强 等离子体 laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) sample temperature spatial confinement spectral enhancement plasma
1 吉林化工学院理学院, 吉林 吉林 132022
2 吉林大学原子与分子物理研究所, 吉林 长春 130012
3 吉林大学吉林省应用原子分子光谱重点实验室, 吉林 长春 130012
在大气环境中,研究平行板约束对激光诱导PMMA等离子体中CN分子光谱的影响,测量得到的5条光谱峰所处波长分别为388.29 nm(0-0)、387.0 nm(1-1)、386.14 nm(2-2)、385.44 nm(3-3)及385.03 nm(4-4)。实验结果表明,空间约束下的CN分子光谱峰强度明显高于无空间约束下的。另外,通过拟合CN光谱获得了CN分子的振动温度,结果显示,空间约束下的CN分子的振动温度明显高于无空间约束下的振动温度,且高激光能量下的CN分子振动温度高于低激光能量下的振动温度。平行板反射冲击波压缩等离子体羽,使得其温度和数密度增加,增强了激光诱导PMMA等离子体中CN分子的光谱强度。
光谱学 激光诱导击穿光谱 空间约束 光谱增强 振动温度
1 贵州电网有限责任公司 输电运行检修分公司, 贵阳 550000
2 中国电建集团 贵州电力设计研究院有限公司, 贵阳 550000
为了解决目前电力线悬挂点定位方法鲁棒性低、定位不精确的问题, 采用基于激光点云的结合局部3维重建与迭代搜索的方法对电力线悬挂点定位进行了研究。首先, 对电力线点云空间特征进行分析进而推导电力线空间约束条件, 以此作为生长准则进行基于空间约束的区域生长, 实现跨越多档的单根电力线分割; 然后, 对杆塔点云聚类提取杆塔中心点, 以杆塔中心点连线的角平分线为基准划定每档电力线的空间分割平面; 之后, 对各分割平面附近电力线点云进行空间多项式局部3维重建; 最后, 结合分割平面迭代搜索计算重建电力线的交点, 实现电力线悬挂点空间位置定位。结果表明, 对于3种电压等级线路点云及2种数据质量点云, 电力线悬挂点定位平均偏差均在0.09m以内, 最小偏差为0.03m。该方法鲁棒性高, 可以精确地实现各电压等级及各质量点云数据中的电力线悬挂点定位, 为后续基于悬挂点的电力线模拟工况安全分析提供了基础。
激光技术 电力线悬挂点 空间约束 区域生长 空间分割平面 局部3维重建 迭代搜索 laser technique power line suspension point spatial constraint region growth spatial segmentation plane local 3-D reconstruction iterative search
火箭军工程大学导弹工程学院, 陕西 西安 710025
针对现有的非重叠视场多相机系统标定方法复杂的问题,提出了一种基于空间约束的非重叠视场相机精确标定方法。将多个小靶标分布在各自相机的视场中,拼接成大的标定平面,采用大视场相机对固连靶标进行平面测量,求得标定板之间的位置关系,作为相机之间的关**数;通过非重叠视场相机分别获取视场区域中的小靶标,依据空间约束条件,构建相机之间的重投影误差函数,采用Levenberg-Marquardt算法进行非线性优化,获取优化后的非重叠视场相机之间的转换矩阵。实验结果表明,所提出的全局标定方法在X轴和Y轴方向上的重投影误差分别为0.33 mm和0.57 mm,具有较高的精度和稳定性,可以实现非重叠视场相机的精确标定。
机器视觉 非重叠视场 靶标拼接 空间约束 非线性优化 精确标定 光学学报
2019, 39(10): 1015003
吉林大学 原子与分子物理研究所, 长春 130012
以硅靶作为烧蚀样品, 研究了空气环境中空间约束的激光诱导击穿光谱.采用5×5组圆柱形约束腔来约束激光诱导的等离子体羽, 直径分别为4、6、8、10、12 mm, 深度分别为2、4、6、8、10 mm.激光脉冲的能量为70 mJ.利用Si(I)390.55 nm谱线分析了不同直径和深度的圆柱形空间约束腔对LIBS光谱强度的影响.结果表明空间约束下激光诱导硅产生的Si(I)390.55 nm光谱强度明显高于无空间约束下的光谱强度.在当前的实验条件下, 不同的约束腔的直径和深度对光谱辐射强度也有较大的影响,当圆柱形约束腔的直径和深度不同时, 获得的光谱强度也是不同的, 表明腔的尺寸对于光发射强度起很重要的作用.腔直径6 mm和深度2 mm的时候Si(I)390.55 nm谱线强度出现最大值.空间约束的增强主要来自激光诱导的等离子体时伴随产生的冲击波, 空间约束腔反弹冲击波并与等离子体进行相互作用, 致使等离子体的温度和密度增加, 最终提高等离子体的光辐射强度.
激光诱导击穿光谱 空间约束 光谱增强 Laser-induced breakdown spectroscopy Spatial confinement Spectral enhancement
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, 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
针对水体重金属污染检测的需求, 研究了以高纯石墨片为水体富集基底, 样品多次富集结合等离子体空间约束的水体重金属LIBS检测方法, 并对Pb, Cu, Cd, Ni等不同重金属元素的测量稳定性及检测限进行了分析。 实验采用波长为1 064 nm的Nd∶YAG调Q激光器, 分辨率为0.1 nm的光纤光谱仪分别对上述水体中重金属元素含量的特征光谱进行分光探测。 结果表明, 样品多次富集结合空间约束方法能够有效地提高水体重金属检测的灵敏度及稳定性并降低元素检测限, 空间约束条件下特征光谱强度增强约2.5倍, 光谱稳定性也得到提高, 相对标准偏差由非约束情况下的11.34%降低至8.77%。 对不同浓度的Pb, Cu, Cd, Ni四种重金属元素进行检测并建立定标曲线, Pb, Cu, Cd, Ni的检测限均低于国家工业废水排放标准的1/6, 满足工业废水重金属的检测需求, 为工业废水重金属的减排控制与超标排放预警监测提供了一种有效方法和技术支持。
激光诱导击穿光谱 空间约束 石墨富集 水体重金属 LIBS Spatial confinement Enrichment of graphite Heavy metal in water 光谱学与光谱分析
2017, 37(5): 1525
