空间约束飞秒激光诱导铜等离子体特性研究

发布时间：2020-06-20 21:19

【摘要】：目前激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有实验重复性差和检测灵敏度低等缺点,限制了LIBS的快速应用。相对于纳秒激光烧蚀而言,飞秒激光由于其烧蚀效率较高,热影响区较小,击穿阈值稳定,飞秒激光诱导等离子体光谱信号具有高的稳定性和准确性。空间约束等离子体能够增强发射光谱强度,提高等离子体稳定性。本文结合飞秒激光诱导等离子体和空间约束优点,开展空间约束飞秒激光诱导击穿铜等离子体特性研究,实现等离子体光谱增强,提高等离子体光谱稳定性,从而提高LIBS实验重复性和检测灵敏度。飞秒激光诱导铜等离子体在内径为6 mm的圆筒空间约束作用下,铜等离子体发射光谱出现增强,并且谱线增强因子与跃迁上能级有关,上能级越高,增强因子越大。在空间约束作用下,铜等离子体寿命有所延长,且等离子体电子温度与电子密度均有提高。实验结果表明激光功率密度、空间约束尺寸和空间约束形态等参数对空间约束飞秒激光等离子体特性有显著影响,光谱增强因子随着激光功率密度的增大而增大,且空间约束作用时间提前。对内径尺寸为4、6和8 mm的圆筒空间约束作用,光谱增强因子随着空间约束尺寸的增大而减小,且空间约束作用时间在大延时出现。圆筒空间约束下的光谱增强因子、电子温度和电子密度均大于平板约束条件。基于荧光成像法开展了平板空间约束对飞秒激光诱导铜等离子体羽的膨胀形态研究,等离子体羽体轴向膨胀距离和速度与板间距成反比,而径向的膨胀距离和速度与板间距成正比。在空间约束飞秒激光等离子体特性研究基础上,开展了空间约束fs-LIBS用于铝合金中铜元素的定量分析,在内径为4 mm圆筒空间约束作用下,检测限(LOD)、平均相对检测误差值(ARE)、相对标准差值(RSD)和交叉验证均方差值(RMSECV)分别为9.9μg/g、2.35%、16%和0.125%,相比无约束条件下分别降低了82.72%、76.85%、78.38%和41.32%。实验表征空间约束fs-LIBS技术有效地提高了LIBS检测精度和实验重复性,为LIBS用于微量元素的快速定量分析奠定了理论基础和技术支持。通过以上实验获得的等离子体光谱数据和羽体图像,揭示了空间约束增强飞秒激光诱导诱导等离子体光谱的物理机制,证实了空间约束方法有效地提高了fs-LIBS的检测精度。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O53;TN249
【图文】：

原理图,原理图,检测技术,激光脉冲

光谱(laser induced breakdown spectroscopy，次提出并在实验室实现[1]，现如今已经发展为素种类及其含量进行检测的技术[2-4]。该技术原能激光脉冲辐照待测样品表面，在辐照区会形等离子体光谱，并分析分立光谱的中心波长和素成份及其浓度。LIBS 作为原子发射光ES)的一种，因其具有可以在线远程实时分析、激光脉冲烧蚀量介于 10-12~10-9g)、待测样品无成为“绿色化学”检测技术，现已成为 AES 检测有前景的元素成份检测技术。LaserSpectrographCICD

原理图,火星探测器

前景的元素成份检测技术。LaserSpectrographCICD图 1.1 LIBS 原理图1.2 LIBS 的应用LIBS 检测技术因其可以无接触检测、对样品可以进行微损甚至无损检测、多元素同时测定、远程遥感实时在线检测、易于与其他设备耦合等优点，LIBS 元素检测技术已被广泛应用于环境检测[7-9]，文物检测[10-11]，地球化学分析[12-13]，生物鉴定[14-16]，放射性元素检测[17]，工业分析[18-20]，甚至是太空探测[21-23]等领域。(1) 环境检测近年来随着工业的迅速发展

【参考文献】