基于高重频激光剥离-火花诱导击穿光谱的合金元素定量分析技术研究
发布时间：2021-06-28 09:01
基于激光剥离（laser-ablation,LA）的固体样品直接采样和元素分析技术一直是处于分析科学领域前沿的研究课题,激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS）技术就是一个典型的代表。LIBS技术具有无需复杂的样品准备过程、分析速度快、可实时在线或远程分析以及可以分析任何形态样品、任何元素的优点,因而在包括材料科学、生物医药、农业、环境科学、考古学、空间探测等领域均获得了广泛的应用。然而LIBS技术也存在一些典型的不足之处。进一步提高LIBS技术的光谱分析性能,包括光谱分析的灵敏度、分析速度和定量分析精度一直是国内外相关学者重点关注的关键科学问题。本文本着改善现有LIBS技术的光谱分析灵敏度和提高分析速度、实现更为便利的光谱分析的目的,首次在国际上提出了高重复频率（简称“高重频”）激光剥离-火花诱导击穿光谱（High repetition rate laser-ablation spark-induced breakdown spectroscopy,HRR LA-SIBS）这一新的光谱分析技术,并先后采用了声光调Q Nd:...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
激光诱导击穿光谱原理图
第一章绪论17HRRLIBS方面的一些代表性的研究工作有：Eland等人对飞秒激光器的物理性能以及空间分辨能力（图1-7）进行了探究[138]，该小组通过使用脉宽为140fs的激光进行激发，研究了激光脉冲能量对LIBS技术中的等离子体发射强度和平均温度的影响，实验发现，与纳秒激光激发相比，采用飞秒激光激发具有多个优势，不仅具有高空间分辨的潜力，还由于等离子体的连续背景较小，使得使用非门控探测器来直接记录光谱并用于元素分析成为可能。图1-7通过使用不同能量的脉宽为140fs的激光在钢样品表面烧蚀的凹坑的SEM图像。其脉冲能量分别为（A）0.26，（B）0.38，（C）0.46，（D）0.50，（E）0.65，（F）0.81，（G）0.87和（H）0.94mJ[138]Gill小组在采用飞秒激光器开展的高重频LIBS中研究了热的积累与消散对光谱信号的影响[139]。该小组还研究了飞秒激光的重复频率对骨烧蚀宽度、样品温度和LIBS技术信号的影响，获取了飞秒激光烧蚀骨骼样品后的SEM图（图1-8），分析了信号强度和背景的变化，并分析了骨骼的温度分布情况。国内的Gao等人利用飞秒激光丝-激光诱导击穿光谱技术对土壤中的重金属Cr元素的含量进行了实验研究[140]。他们利用荧光法对等离子体丝的长度进行了测量，给出了在不同焦距聚焦透镜作用下土壤中CrI425.5nm的谱线强度空间分布，并实验得到了Cr元素的定标曲线。结果显示，利用飞秒激光诱导击穿光谱技术对土壤中重金属Cr元素进行检测的检出限为7.85ppm。
华南理工大学博士学位论文18图1-8用重复频率分别为1kHz（a，c）和33kHz（b，d）的飞秒激光烧蚀的骨骼的SEM图像[139]Porizka等人基于声光调QNd:YAG纳秒激光器建立了小型化LIBS实验装置，在高重复频率的工作模式下，采用基于声光调制器（Acousto-opticalmodulator，AOM）的门控信号检测装置对铝合金中微量元素Mg进行定量分析，建立了校正曲线并计算了检出限，得到Mg元素的检出限约为0.13wt.%[141]。与采用非门控信号检测装置相比（检出限为0.625wt.%），分析灵敏度有了进一步的改善。Cristoforetti等人为了减小实验装置尺寸、建立适合原位分析的便携式激光诱导击穿光谱分析系统，利用了声光调QNd:YAG小型激光器作为剥离光源来进行实验研究[142]。在高重频LIBS中，用普通CCD在非门控的信号采集模式下记录光谱，他们对比了采用配备了ICCD光电探测器的中阶梯光谱仪和配备非增强型CCD的光谱仪的分析性能，研究发现后者不仅体积比中阶梯光谱仪要小得多，而且检测速度更快，成本更低。对10个经认证的含有Mg、Mn、Fe、Si、Ni、Ti和Cu等微量元素铝标样进行了定量分析，建立了校正曲线，并分别计算了采用两种实验装置得到的所有微量元素的检出限。由于光谱中存在较高的背景信号干扰，使用增强型光电探测器获得的检出限比使用非增强型光电探测器获得的检出限要好2-7倍。Freedman等人利用微片激光器联合手持式光谱仪建立了一套紧凑易操作的激光诱导击穿光谱分析系统对铝合金样品进行定量分析，通过透镜聚焦烧蚀样品后产生了10
【参考文献】：
期刊论文
[1]Portable fiber-optic laser-induced breakdown spectroscopy system for the quantitative analysis of minor elements in steel[J]. 曾庆栋,邓凡,朱志恒,唐云,王波云,肖永军,熊良斌,余华清,郭连波,李祥友. Plasma Science and Technology. 2019(03)
[2]Influence of a Static Magnetic Field on Laser Induced Tungsten Plasma in Air[J]. 吴鼎,刘平,孙立影,海然,丁洪斌. Plasma Science and Technology. 2016(04)
[3]Signal Detection of Carbon in Iron-Based Alloy by Double-Pulse Laser-Induced Breakdown Spectroscopy[J]. 林晓梅,李晗,姚清华. Plasma Science and Technology. 2015(11)
[4]Spectral Enhancement of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy in External Magnetic Field[J]. 李丞,高勋,李奇,宋超,林景全. Plasma Science and Technology. 2015(11)
[5]The Effect of an External Magnetic Field on the Plume Expansion Dynamics of Laser-Induced Aluminum Plasma[J]. Atif HUSSAIN,李奇,郝作强,高勋,林景全. Plasma Science and Technology. 2015(08)
[6]高峰值功率微片激光器及其在LIBS中的应用[J]. 邓奔,王杰,姜培培,吴波,沈永行. 中国激光. 2014(11)
[7]Microanalysis of silver jewellery by laser-ablation laser-induced breakdown spectroscopy with enhanced sensitivity and minimal sample ablation[J]. 磨俊宇,陈钰琦,李润华,周奇,楼洋. Chinese Optics Letters. 2014(08)
[8]基于飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱探测土壤重金属Cr元素含量[J]. 高勋,杜闯,李丞,刘潞,宋超,郝作强,林景全. 物理学报. 2014(09)
[9]基于等离子体锥形空间约束对土壤中Cr的LIBS研究[J]. 林永增,姚明印,陈添兵,黎文兵,郑美兰,徐雪红,涂建平,刘木华. 光谱学与光谱分析. 2013(11)
[10]光纤激光器研究进展[J]. 申人升,张玉书,杜国同. 半导体光电. 2009(01)
本文编号：3254023
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
激光诱导击穿光谱原理图
第一章绪论17HRRLIBS方面的一些代表性的研究工作有：Eland等人对飞秒激光器的物理性能以及空间分辨能力（图1-7）进行了探究[138]，该小组通过使用脉宽为140fs的激光进行激发，研究了激光脉冲能量对LIBS技术中的等离子体发射强度和平均温度的影响，实验发现，与纳秒激光激发相比，采用飞秒激光激发具有多个优势，不仅具有高空间分辨的潜力，还由于等离子体的连续背景较小，使得使用非门控探测器来直接记录光谱并用于元素分析成为可能。图1-7通过使用不同能量的脉宽为140fs的激光在钢样品表面烧蚀的凹坑的SEM图像。其脉冲能量分别为（A）0.26，（B）0.38，（C）0.46，（D）0.50，（E）0.65，（F）0.81，（G）0.87和（H）0.94mJ[138]Gill小组在采用飞秒激光器开展的高重频LIBS中研究了热的积累与消散对光谱信号的影响[139]。该小组还研究了飞秒激光的重复频率对骨烧蚀宽度、样品温度和LIBS技术信号的影响，获取了飞秒激光烧蚀骨骼样品后的SEM图（图1-8），分析了信号强度和背景的变化，并分析了骨骼的温度分布情况。国内的Gao等人利用飞秒激光丝-激光诱导击穿光谱技术对土壤中的重金属Cr元素的含量进行了实验研究[140]。他们利用荧光法对等离子体丝的长度进行了测量，给出了在不同焦距聚焦透镜作用下土壤中CrI425.5nm的谱线强度空间分布，并实验得到了Cr元素的定标曲线。结果显示，利用飞秒激光诱导击穿光谱技术对土壤中重金属Cr元素进行检测的检出限为7.85ppm。
华南理工大学博士学位论文18图1-8用重复频率分别为1kHz（a，c）和33kHz（b，d）的飞秒激光烧蚀的骨骼的SEM图像[139]Porizka等人基于声光调QNd:YAG纳秒激光器建立了小型化LIBS实验装置，在高重复频率的工作模式下，采用基于声光调制器（Acousto-opticalmodulator，AOM）的门控信号检测装置对铝合金中微量元素Mg进行定量分析，建立了校正曲线并计算了检出限，得到Mg元素的检出限约为0.13wt.%[141]。与采用非门控信号检测装置相比（检出限为0.625wt.%），分析灵敏度有了进一步的改善。Cristoforetti等人为了减小实验装置尺寸、建立适合原位分析的便携式激光诱导击穿光谱分析系统，利用了声光调QNd:YAG小型激光器作为剥离光源来进行实验研究[142]。在高重频LIBS中，用普通CCD在非门控的信号采集模式下记录光谱，他们对比了采用配备了ICCD光电探测器的中阶梯光谱仪和配备非增强型CCD的光谱仪的分析性能，研究发现后者不仅体积比中阶梯光谱仪要小得多，而且检测速度更快，成本更低。对10个经认证的含有Mg、Mn、Fe、Si、Ni、Ti和Cu等微量元素铝标样进行了定量分析，建立了校正曲线，并分别计算了采用两种实验装置得到的所有微量元素的检出限。由于光谱中存在较高的背景信号干扰，使用增强型光电探测器获得的检出限比使用非增强型光电探测器获得的检出限要好2-7倍。Freedman等人利用微片激光器联合手持式光谱仪建立了一套紧凑易操作的激光诱导击穿光谱分析系统对铝合金样品进行定量分析，通过透镜聚焦烧蚀样品后产生了10
【参考文献】：
期刊论文
[1]Portable fiber-optic laser-induced breakdown spectroscopy system for the quantitative analysis of minor elements in steel[J]. 曾庆栋,邓凡,朱志恒,唐云,王波云,肖永军,熊良斌,余华清,郭连波,李祥友. Plasma Science and Technology. 2019(03)
[2]Influence of a Static Magnetic Field on Laser Induced Tungsten Plasma in Air[J]. 吴鼎,刘平,孙立影,海然,丁洪斌. Plasma Science and Technology. 2016(04)
[3]Signal Detection of Carbon in Iron-Based Alloy by Double-Pulse Laser-Induced Breakdown Spectroscopy[J]. 林晓梅,李晗,姚清华. Plasma Science and Technology. 2015(11)
[4]Spectral Enhancement of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy in External Magnetic Field[J]. 李丞,高勋,李奇,宋超,林景全. Plasma Science and Technology. 2015(11)
[5]The Effect of an External Magnetic Field on the Plume Expansion Dynamics of Laser-Induced Aluminum Plasma[J]. Atif HUSSAIN,李奇,郝作强,高勋,林景全. Plasma Science and Technology. 2015(08)
[6]高峰值功率微片激光器及其在LIBS中的应用[J]. 邓奔,王杰,姜培培,吴波,沈永行. 中国激光. 2014(11)
[7]Microanalysis of silver jewellery by laser-ablation laser-induced breakdown spectroscopy with enhanced sensitivity and minimal sample ablation[J]. 磨俊宇,陈钰琦,李润华,周奇,楼洋. Chinese Optics Letters. 2014(08)
[8]基于飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱探测土壤重金属Cr元素含量[J]. 高勋,杜闯,李丞,刘潞,宋超,郝作强,林景全. 物理学报. 2014(09)
[9]基于等离子体锥形空间约束对土壤中Cr的LIBS研究[J]. 林永增,姚明印,陈添兵,黎文兵,郑美兰,徐雪红,涂建平,刘木华. 光谱学与光谱分析. 2013(11)
[10]光纤激光器研究进展[J]. 申人升,张玉书,杜国同. 半导体光电. 2009(01)
本文编号：3254023
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