金属特性对激光诱导击穿光谱最佳实验参数的影响
发布时间：2021-02-17 08:42
采用波长为532 nm的单脉冲激光诱导两种金属样品铜和锌,产生等离子光谱,固定激光能量40 mJ、门宽100 ns、光谱仪入射狭缝0.1 mm、ICCD增益100等参数,研究金属样品物理化学特性对会聚透镜焦点到样品表面距离、ICCD采集延迟等最优化实验参数的影响.实验中分别选取铜样品Cu（I）521.82 nm和锌样品Zn（I）481.053 nm谱线作为LIBS信号,实验测定的透镜焦点在距样品表面不同距离处的LIBS信号强度,结果表明铜和锌样品的聚焦透镜焦点分别在样品表面内距表面的距离为5 mm和5.5 mm时得到光谱信号强度最大;铜和锌的ICCD探测延时分别为1300 ns和1100 ns时等离子体光谱信号的信噪比最大并具有可观测的强度,依据铜和锌样品物理化学特性的差异对实验结果进行了合理的分析与讨论,为后续研究金属样品LIBS技术的基底效应、纳米结构增强激光诱导击穿光谱机理提供数据参考.
【文章来源】：原子与分子物理学报. 2020,37(05)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
实验装置图
将聚焦透镜焦点置于样品表面内5 mm处,实验测定的样品不同ICCD门延时下的LIBS光谱如图3显示.由图可见,在490-540 nm光谱区域内除521.82 nm谱线的强度随延时先增大后慢慢减小外,其余谱线都呈随延时增大而逐渐减小的趋势,背景强度呈逐渐减小的趋势,光谱信号在5 μs延时范围内都具有可观测的强度,之后信号较弱,在25 μs以后信号基本消失.实验测定了延时从0.1-5 μs范围内变化时LIBS信号强度和噪声信号强度,噪声信号强度是通过测定LIBS信号附近背景信号的标准偏差得到,测定结果如图4所示.由图4可知延时在0.1-5 μs内,随着延时的增加LIBS信号强度和噪声强度不断减小,信噪比呈现先增大后减小的趋势,最大值为1300 ns.
高功率脉冲激光束通过会聚透镜聚焦作用于样品表面,会聚透镜焦点到样品表面的距离不同,导致作用样品表面的激光功率密度出现较大差异,光谱信号强度和信噪比出现较大差异,因此有必要对该实验参数进行优化.首先将会聚透镜焦点置于样品表面上5 mm处开始测定LIBS信号,通过平移台实现透镜焦点至样品表面间距以1 mm或者0.5 mm的间隔减小直至焦点位于样品表面内某处,这样就可以测定不同距离时的LIBS信号和噪声的强度.实验中分别选取铜样品Cu(I)521.82 nm和锌样品Zn(I)481.053 nm谱线作为优化的LIBS信号,实验测定的透镜焦点在距样品表面不同距离出的LIBS信号强度,如图2(a)、(b)所示.由图2可看出焦点在表面之外时信号强度较弱,随着不断靠近样品表面,信号强度逐渐增强,这主要因为焦点在样品表面之外时,空气的击穿对能量产生严重损耗,且激光作用样品的焦斑面积较大功率密度较小,导致光谱强度较弱,靠近表面时激光焦斑面积逐渐变小且功率密度逐渐变大,故信号逐渐增强,但信号强度最大值并没有出现在焦点位于样品表面处(d=0)而是位于样品表面内某处(d<0),Cu样品信号最大值是焦点在样品表面内5 mm处,Zn是在样品表面内5.5 mm处.这主要因为在等离子体击穿阈值不变的前提下,焦点位于样品表面内某处能获得最多的烧蚀量,形成的激光等离子体中包含更多的样品成分,从而增强信号强度.由图2还可以看出相对于铜样品,锌样品的透镜焦点最优位置位于样品表面更深处,这可能与金属样品的物理化学性质密切相关,铜的熔点1083℃要比锌的熔点419℃高,铜的激光烧蚀阈值要明显高于锌,因此在相同的脉冲激光能量下,Zn样品的激光烧蚀深度应更深;同时铜的密度8.96 g/cm3比锌7.13 g/cm3要大也导致铜样品需要更高的激光烧蚀阈值.
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米增强激光诱导击穿光谱的苹果表面农药残留检测[J]. 赵贤德,董大明,矫雷子,田宏武,邢振. 光谱学与光谱分析. 2019(07)
[2]激光诱导液相基质等离子体的空间演化特性[J]. 余建立,李乘,姚关心,杨新艳,张先燚,郑贤锋,崔执凤. 中国激光. 2019(08)
[3]样品温度对纳秒激光诱导Cu等离子体特征参数的影响[J]. 王莉,傅院霞,徐丽,宫昊,荣长春. 光谱学与光谱分析. 2019(04)
[4]激光诱导击穿光谱液态金属成分在线分析仪在线监测熔融铝液中元素成分[J]. 辛勇,李洋,蔡振荣,杨铭,杨志家,孙兰香. 冶金分析. 2019(01)
[5]Elemental composition of rice using calibration free laser induced breakdown spectroscopy[J]. Abdul Jabbar,Mahmood Akhtar,Arslan Ali,Shaukat Mehmood,Sidra Iftikhar,Muhmmad Aslam Baig. Optoelectronics Letters. 2019(01)
[6]激光诱导Cu等离子体特性研究[J]. 傅院霞,王莉,马龙颍,徐丽,屈苏平. 原子与分子物理学报. 2019(02)
[7]利用激光诱导击穿光谱技术探测大气颗粒物中的Pb元素[J]. 张启航,刘玉柱,祝若松,金峰,周冯斌,尹文怡. 激光与光电子学进展. 2018(12)
[8]基于电极富集的水体重金属LIBS检测灵敏度研究[J]. 王园园,赵南京,马明俊,方丽,余洋,孟德硕,谷艳红,贾尧,刘建国,刘文清. 光谱学与光谱分析. 2017(03)
[9]LIBS在气溶胶诊断方面的应用[J]. 张磊,王哲,丁洪斌. 大气与环境光学学报. 2016(05)
[10]合金钢的激光诱导击穿光谱实验条件优化[J]. 邵妍,高勋,杜闯,赵振明,陈伟钰,郝作强,孙长凯,林景全. 光谱学与光谱分析. 2013(02)
硕士论文
[1]水溶液中多种微量金属元素的激光诱导击穿光谱动力学研究[D]. 李乘.安徽师范大学 2019
[2]复杂颗粒激光诱导等离子体光谱特性及测量参数的优化研究[D]. 龚书航.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
本文编号：3037736
【文章来源】：原子与分子物理学报. 2020,37(05)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
实验装置图
将聚焦透镜焦点置于样品表面内5 mm处,实验测定的样品不同ICCD门延时下的LIBS光谱如图3显示.由图可见,在490-540 nm光谱区域内除521.82 nm谱线的强度随延时先增大后慢慢减小外,其余谱线都呈随延时增大而逐渐减小的趋势,背景强度呈逐渐减小的趋势,光谱信号在5 μs延时范围内都具有可观测的强度,之后信号较弱,在25 μs以后信号基本消失.实验测定了延时从0.1-5 μs范围内变化时LIBS信号强度和噪声信号强度,噪声信号强度是通过测定LIBS信号附近背景信号的标准偏差得到,测定结果如图4所示.由图4可知延时在0.1-5 μs内,随着延时的增加LIBS信号强度和噪声强度不断减小,信噪比呈现先增大后减小的趋势,最大值为1300 ns.
高功率脉冲激光束通过会聚透镜聚焦作用于样品表面,会聚透镜焦点到样品表面的距离不同,导致作用样品表面的激光功率密度出现较大差异,光谱信号强度和信噪比出现较大差异,因此有必要对该实验参数进行优化.首先将会聚透镜焦点置于样品表面上5 mm处开始测定LIBS信号,通过平移台实现透镜焦点至样品表面间距以1 mm或者0.5 mm的间隔减小直至焦点位于样品表面内某处,这样就可以测定不同距离时的LIBS信号和噪声的强度.实验中分别选取铜样品Cu(I)521.82 nm和锌样品Zn(I)481.053 nm谱线作为优化的LIBS信号,实验测定的透镜焦点在距样品表面不同距离出的LIBS信号强度,如图2(a)、(b)所示.由图2可看出焦点在表面之外时信号强度较弱,随着不断靠近样品表面,信号强度逐渐增强,这主要因为焦点在样品表面之外时,空气的击穿对能量产生严重损耗,且激光作用样品的焦斑面积较大功率密度较小,导致光谱强度较弱,靠近表面时激光焦斑面积逐渐变小且功率密度逐渐变大,故信号逐渐增强,但信号强度最大值并没有出现在焦点位于样品表面处(d=0)而是位于样品表面内某处(d<0),Cu样品信号最大值是焦点在样品表面内5 mm处,Zn是在样品表面内5.5 mm处.这主要因为在等离子体击穿阈值不变的前提下,焦点位于样品表面内某处能获得最多的烧蚀量,形成的激光等离子体中包含更多的样品成分,从而增强信号强度.由图2还可以看出相对于铜样品,锌样品的透镜焦点最优位置位于样品表面更深处,这可能与金属样品的物理化学性质密切相关,铜的熔点1083℃要比锌的熔点419℃高,铜的激光烧蚀阈值要明显高于锌,因此在相同的脉冲激光能量下,Zn样品的激光烧蚀深度应更深;同时铜的密度8.96 g/cm3比锌7.13 g/cm3要大也导致铜样品需要更高的激光烧蚀阈值.
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米增强激光诱导击穿光谱的苹果表面农药残留检测[J]. 赵贤德,董大明,矫雷子,田宏武,邢振. 光谱学与光谱分析. 2019(07)
[2]激光诱导液相基质等离子体的空间演化特性[J]. 余建立,李乘,姚关心,杨新艳,张先燚,郑贤锋,崔执凤. 中国激光. 2019(08)
[3]样品温度对纳秒激光诱导Cu等离子体特征参数的影响[J]. 王莉,傅院霞,徐丽,宫昊,荣长春. 光谱学与光谱分析. 2019(04)
[4]激光诱导击穿光谱液态金属成分在线分析仪在线监测熔融铝液中元素成分[J]. 辛勇,李洋,蔡振荣,杨铭,杨志家,孙兰香. 冶金分析. 2019(01)
[5]Elemental composition of rice using calibration free laser induced breakdown spectroscopy[J]. Abdul Jabbar,Mahmood Akhtar,Arslan Ali,Shaukat Mehmood,Sidra Iftikhar,Muhmmad Aslam Baig. Optoelectronics Letters. 2019(01)
[6]激光诱导Cu等离子体特性研究[J]. 傅院霞,王莉,马龙颍,徐丽,屈苏平. 原子与分子物理学报. 2019(02)
[7]利用激光诱导击穿光谱技术探测大气颗粒物中的Pb元素[J]. 张启航,刘玉柱,祝若松,金峰,周冯斌,尹文怡. 激光与光电子学进展. 2018(12)
[8]基于电极富集的水体重金属LIBS检测灵敏度研究[J]. 王园园,赵南京,马明俊,方丽,余洋,孟德硕,谷艳红,贾尧,刘建国,刘文清. 光谱学与光谱分析. 2017(03)
[9]LIBS在气溶胶诊断方面的应用[J]. 张磊,王哲,丁洪斌. 大气与环境光学学报. 2016(05)
[10]合金钢的激光诱导击穿光谱实验条件优化[J]. 邵妍,高勋,杜闯,赵振明,陈伟钰,郝作强,孙长凯,林景全. 光谱学与光谱分析. 2013(02)
硕士论文
[1]水溶液中多种微量金属元素的激光诱导击穿光谱动力学研究[D]. 李乘.安徽师范大学 2019
[2]复杂颗粒激光诱导等离子体光谱特性及测量参数的优化研究[D]. 龚书航.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
本文编号：3037736
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/3037736.html
教材专著
