脈沖激光誘導(dǎo)Al等離子體的光譜特性分析

李業(yè)秋，黃成敏，周航宇

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

脈沖激光誘導(dǎo)Al等離子體的光譜特性分析

李業(yè)秋，黃成敏，周航宇

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

利用Nd：YAG脈沖調(diào)Q激光器在空氣環(huán)境下誘導(dǎo)擊穿Al金屬樣品，獲得不同激光能量下Al等離子體的發(fā)射光譜。對(duì)激光入射波長(zhǎng)進(jìn)行選擇，分析譜線(xiàn)強(qiáng)度和脈沖寬度與能量大小之間的變化關(guān)系。結(jié)果表明：532nm激光比1064nm激光對(duì)Al金屬激發(fā)效果更好，激發(fā)出的300nm和396nm兩條Al等離子體光譜信號(hào)強(qiáng)度均與入射激光能量成線(xiàn)性關(guān)系。

Nd:YAG ；激光誘導(dǎo)等離子體光譜(LIPS)；發(fā)射光譜

激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)(LIPS)具有快速實(shí)時(shí)以及非接觸的特點(diǎn)，其在檢測(cè)領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景。對(duì)等離子體輻射光譜進(jìn)行分析，可得到物質(zhì)成分及含量的信息[1]。當(dāng)高功率脈沖激光聚焦到樣品表面時(shí)，樣品表面元素吸收激光能量被激發(fā)形成等離子體，當(dāng)被激發(fā)的高溫等離子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，發(fā)出的特征光譜包含了元素的成分特性。使用光譜儀對(duì)這一特征光譜進(jìn)行采集，可推測(cè)出樣品中含有的元素種類(lèi)和含量大小[2-4]。LIPS方法已廣泛應(yīng)用于分析固體、液態(tài)、氣態(tài)材料樣品的物理化學(xué)特性。趙書(shū)瑞[5]等使用釹玻璃激光器誘導(dǎo)擊穿獲得Al金屬等離子體,對(duì)鋁合金中Al元素進(jìn)行定量分析。薛思敏[6]等利用Nd∶YAG脈沖激光燒蝕Al靶產(chǎn)生等離子體,獲得在直流電場(chǎng)條件下Al 等離子體的發(fā)射光譜，實(shí)驗(yàn)表明,直流電場(chǎng)對(duì)Al原子的譜線(xiàn)強(qiáng)度有顯著的增強(qiáng)作用。Cravetchi等[7]用鈦藍(lán)寶石飛秒脈沖激光器在空氣環(huán)境中激發(fā)誘導(dǎo)Al金屬獲得其等離子體發(fā)射光譜，并分析激光脈沖能量對(duì)檢出限的影響。本文以Al金屬為樣品，應(yīng)用激光誘導(dǎo)等離子體光譜探測(cè)技術(shù),對(duì)Al金屬特征譜線(xiàn)進(jìn)行測(cè)定。

1 理論基礎(chǔ)

激光誘導(dǎo)等離子體輻射產(chǎn)生的具體過(guò)程比較復(fù)雜。在等離子體形成的初期，由于光熱作用等離子體開(kāi)始輻射連續(xù)譜,這主要是熱電子的韌致輻射引起的，隨后會(huì)產(chǎn)生離子線(xiàn)和原子線(xiàn)的線(xiàn)狀輻射。在等離子體演化初期韌致輻射占主導(dǎo)地位[8];復(fù)合輻射和韌致輻射共同產(chǎn)生等離子體的連續(xù)輻射;在等離子體演化后期,其連續(xù)輻射主要由韌致輻射產(chǎn)生。

高功率脈沖激光經(jīng)透鏡聚焦照射到樣品上時(shí)，樣品表面會(huì)吸收光子能量，表面物質(zhì)發(fā)生氣化，原子受熱電離產(chǎn)生熱電子。當(dāng)表面物質(zhì)進(jìn)一步吸收激光能量時(shí)，熱電子運(yùn)動(dòng)速度增加并獲得能量從而撞擊其它原子，其它原子又受電離產(chǎn)生新的受激電子，這樣既產(chǎn)生了雪崩式的電離，在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的電子和離子從而形成激光誘導(dǎo)等離子體[9-10]。在等離子體形成過(guò)程中，原子或離子被激發(fā)到不同的能級(jí)上，當(dāng)原子和離子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生元素特征輻射譜線(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

激光誘導(dǎo)等離子體的實(shí)驗(yàn)裝置一般由Nd:YAG脈沖激光器、聚焦光路、接收裝置及光纖光譜儀三部分組成。激光器為Nd:YAG電光調(diào)Q脈沖激光器，輸出激光波長(zhǎng)為1064nm,經(jīng)倍頻晶體后輸出波長(zhǎng)為532nm；激光脈沖寬度為18ns，輸出激光脈沖能量為50mJ。光譜儀選用Avantes高分辨率光譜儀，探測(cè)范圍200～900nm，入射孔徑100μm。聚焦透鏡焦距100mm。實(shí)驗(yàn)采用的樣品為固定于調(diào)整架的5052型鋁合金。

在空氣環(huán)境下使用脈沖激光激發(fā)誘導(dǎo)產(chǎn)生A1等離子體，當(dāng)脈沖激光作用于樣品表面后，在聚焦點(diǎn)附近迅速產(chǎn)生高溫、高密度的等離子體，產(chǎn)生的等離子體輻射光譜通過(guò)光纖探測(cè)頭接收。為更好的接收入射光譜信號(hào)，在光纖探頭前加入耦合透鏡以增加信號(hào)光的入射光通量。最后把接收到的光譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)光路示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)光路示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

Nd：YAG脈沖激光輸出波長(zhǎng)分別為1064nm和532nm，得到兩種激發(fā)波長(zhǎng)下的Al等離子體光譜圖如圖2、圖3所示。

圖2 激發(fā)波長(zhǎng)為1064nm的Al等離子光譜

圖2為在空氣環(huán)境下，輸入電壓為680V時(shí)Nd：YAG調(diào)Q脈沖激光器(波長(zhǎng)1064nm，脈寬為18ns)激發(fā)的Al等離子體發(fā)射光譜。圖中在305nm、395nm處有明顯的波峰，確定是Al等離子體的發(fā)射光譜。但光譜圖中背景輻射過(guò)高，導(dǎo)致Al等離子體發(fā)射光譜的信背比不高，這是因?yàn)槿肷浼す獠ㄩL(zhǎng)為1064nm，照射到樣品表面時(shí)產(chǎn)生一定的熱效應(yīng)，湮沒(méi)了一些Al等離子體的光譜信息。

圖3為在空氣環(huán)境下，電壓680V時(shí)Nd：YAG調(diào)Q脈沖激光器(波長(zhǎng)532nm，脈寬為18ns)激發(fā)的Al等離子體發(fā)射光譜。在圖中可以明顯的看到，位于305nm、395nm處有波峰。Al等離子體發(fā)射光譜信號(hào)信背比較好。

圖3 激發(fā)波長(zhǎng)為532nm的Al等離子光譜

通過(guò)比較1064nm和532nm兩個(gè)激光波長(zhǎng)激發(fā)的Al等離子體光譜圖，可知532nm的激光比起1064nm的激光能更好地激勵(lì)A(yù)l等離子體的產(chǎn)生。532nm激光可激勵(lì)產(chǎn)生多條清晰的Al等離子體光譜線(xiàn)，且產(chǎn)生的等離子體光譜信號(hào)信背比較好，所以在以下的實(shí)驗(yàn)中使用532nm激光作為激發(fā)Al金屬的激發(fā)光源。在不同輸入電壓的條件下，分別得到脈沖激光激發(fā)的Al等離子體發(fā)射光譜。對(duì)Al等離子體的305nm、395nm處特征波峰強(qiáng)度進(jìn)行記錄，得到相對(duì)強(qiáng)度與激光激勵(lì)電壓的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 Al等離子體光譜的電壓與相對(duì)強(qiáng)度對(duì)比圖

激光激發(fā)金屬樣品產(chǎn)生的等離子體是非穩(wěn)態(tài)的，其等離子體光譜特性與激光器參數(shù)以及外界環(huán)境氣體等因素相關(guān)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較1064nm和532nm兩個(gè)激光波長(zhǎng)所激發(fā)的Al等離子體光譜圖，在532nm激光激發(fā)的光譜圖中能觀察到多條清晰的Al等離子體光譜線(xiàn)，短波長(zhǎng)激光能更好地激勵(lì)A(yù)l等離子體的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

本文用Nd：YAG脈沖激光器在空氣環(huán)境下誘導(dǎo) Al樣品獲得等離子體發(fā)射光譜。對(duì)305nm和395nm兩條主要的Al等離子體光譜信號(hào)進(jìn)行比較，獲得了不同激光能量下等離子體的特征發(fā)射光譜，兩條特征光譜強(qiáng)度均與入射激光能量大小成正比關(guān)系，且395nm譜線(xiàn)峰強(qiáng)高于305nm譜線(xiàn)峰強(qiáng)，但305nm譜線(xiàn)相對(duì)395nm具有更好的線(xiàn)性度。

[1]唐曉閂，李春燕，季學(xué)韓，等.激光誘導(dǎo)Al等離子體發(fā)射光譜特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].原子與分子物理學(xué)報(bào)，2004，21(2)：176-180.

[2]宋一中，李尊菅，朱瑞富，等.激光誘導(dǎo)Al等離子體吸收譜分析[J].光譜學(xué)與光譜分析，2002，22(2)：192-194.

[3]姚紅兵，孟春梅，張永康，等.激光誘導(dǎo)產(chǎn)生Al等離子體發(fā)射光譜分析[J].強(qiáng)激光與粒子數(shù)，2011，23(8)：2111-2115.

[4]楊芳.金屬 Al 脈沖激光等離子體的時(shí)間分辨光譜研究[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2011：13-20.

[5]趙書(shū)瑞,陳金忠,易曉云.激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)展[J].光譜實(shí)驗(yàn)室，2009,26(4)：1046-1050.

[6]薛思敏,歐陽(yáng)玉花.激光產(chǎn)生Al等離子體基本特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,31(4)：149-151.

[7]Cravetchi IV,Taschuk MT,Tsui YY,et al.Evaluation of femtosecond LIBS for spectrochemical microanalysis of aluminium alloys[J].Anal Bioanal Chem,2006,385(2):287-294.

[8]魯先樣，徐國(guó)偉，費(fèi)騰，等.金屬材料的激光誘導(dǎo)等離子體光譜法成分分析的實(shí)驗(yàn)研究[J].量子電子學(xué)報(bào)，2011,28(1)：1-5.

[9]亓洪興，陳木旺，呂剛.基于光柵光譜儀的激光誘導(dǎo)等離子體光譜探測(cè)技術(shù)研究[J].激光雜志，2006，27(4)：29-30.

[10]羅文峰，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的初步研究[D].西安：中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，2011：10-25.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Investigation on the Al Spectrum Characteristic of Laser-Induced Plasma

LI Yeqiu,HUANG Chengmin,ZHOU Hangyu

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

In air environment,Nd:YAG pulse Q-switched laser was induced to breakdown Al metal sample,and Al plasma emission spectrum by different laser energy was obtained.The suitable laser wavelength was determined，the change relationship between spectral line intensity and laser pulse width and energy was analyzed.The results show that the 532nm laser is better than 1064nm laser on Al metal excitation effect.The strength of two Al plasma spectrum signals of 300nm and 396nm are linear relationship with the incident laser energy.

Nd:YAG;laser induced plasma spectroscopy (LIPS);emission spectrum

2014-09-26

李業(yè)秋(1981—)，男，講師，研究方向：激光技術(shù)與應(yīng)用.

1003-1251(2015)03-0079-03

TN249

A