鋁片激光誘導(dǎo)擊穿光譜時(shí)間演化特性實(shí)驗(yàn)研究?

阿拜·艾力哈孜，奧布力喀斯木·祖，伊麗米然木·肉，尼亞孜艾力·努，戴康，普拉提·艾合買提

(新疆大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046)

0 前言

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)是基于激光等離子體光譜進(jìn)行定量和分類檢測(cè)的預(yù)測(cè)分析技術(shù)之一.與傳統(tǒng)的分析技術(shù)相比,LIBS技術(shù)具備如下的優(yōu)越性：多元素同時(shí)分析，固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)各種物質(zhì)分析,樣品尺寸和制備的要求不高等[1,2].但是，一般的LIBS測(cè)量有精度較低等缺點(diǎn)，通過(guò)采用改變環(huán)境氣體種類、氣體壓強(qiáng)、激光脈沖延時(shí)和激光脈沖能量等實(shí)驗(yàn)條件，可以彌補(bǔ)LIBS技術(shù)測(cè)量的缺陷.

用LIBS分析礦渣樣品成分時(shí)，可通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上的特征譜線來(lái)區(qū)分元素成分.但因噪聲信號(hào)和等離子體環(huán)境的約束使得一些信號(hào)不容易區(qū)分.這種情況下，也可對(duì)LIBS光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)優(yōu)化處理（如：SVM-支持向量機(jī)，PSL-分布最小二乘法等統(tǒng)計(jì)方法），即從背景信號(hào)中濾出有用光譜信號(hào)，用于元素的定量和分類分析[3].

用LIBS技術(shù)進(jìn)行元素定性和定量分析對(duì)原始數(shù)據(jù)的要求較高.在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理之前，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的適當(dāng)調(diào)整：如，改變樣品池中的氣體及壓強(qiáng)、調(diào)整脈沖激光能量、改善等離子體激發(fā)和信號(hào)受激模塊性能等手段，對(duì)獲得高信噪比的光譜信號(hào)時(shí)很重要的.本文主要內(nèi)容為實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同環(huán)境氣體背景下聚焦激光脈沖生成的Al等離子體發(fā)射譜的時(shí)間分辨輪廊，分析環(huán)境氣體對(duì)等離子體溫度、電子密度、發(fā)射光強(qiáng)度的影響.

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

LIBS安裝圖如圖1所示.用能量為90 mJ/脈沖，輸出頻率為10 Hz,脈沖持續(xù)時(shí)間為6ns的Nd：Yag脈沖激光器輸出的脈沖光通過(guò)焦距為100mm的長(zhǎng)焦透鏡聚焦在轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱體表面上繞的鋁薄片上，產(chǎn)生等離子體.轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱體由被一節(jié)5V電池供電的小型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由一個(gè)可變電阻器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電流，從而可以得到穩(wěn)定的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.電動(dòng)機(jī)、圓柱體、電池一齊放置在不銹鋼四壁十字管的一支臂管里，繞鋁片的圓柱體剛好放置在十字管交叉處.圓柱體半徑為十字管半徑的一半.十字管三個(gè)臂末端裝有石英窗片，用于激光的輸入和熒光觀測(cè).剩下一個(gè)臂通過(guò)波紋管連接至真空系統(tǒng)和充氣系統(tǒng).系統(tǒng)內(nèi)加入環(huán)境氣體之前要抽真空到10?5Torr.要加入的環(huán)境氣體Ar、He、N2的純度都高于99%.在與激光束垂直方向檢測(cè)Al等離子體發(fā)射的熒光，熒光由透鏡組聚焦到光纖頭上，經(jīng)過(guò)光纖通過(guò)單色儀分光，由ICCD（型號(hào)為：IStar，Andor co.）記錄并存于計(jì)算機(jī)中.Nd：YAG激光器與ICCD探測(cè)窗的時(shí)間間隔（稱為延遲時(shí)間）是通過(guò)時(shí)間延遲器（DG535型脈沖信號(hào)發(fā)生器）產(chǎn)生，通過(guò)延遲時(shí)間的控制可以得到等離子體發(fā)射光的時(shí)間演化譜線輪廓.

圖1 Al薄片LIBS測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

十字管里分別充壓強(qiáng)為10000Pa的Ar、He、N2和空氣.每次沖完一種氣體后，啟動(dòng)脈沖激光器，與激光束入射方向垂直的方向采集轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱體表面鋁片上產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光，用光譜儀掃描并用ICCD記錄200-600nm范圍內(nèi)的光譜線強(qiáng)度，而600nm以上的光譜中背景光會(huì)掩蓋許多原子分子光譜信號(hào)，因此沒(méi)做記錄.記錄光譜如圖2所示.圖中的整個(gè)光譜數(shù)據(jù)時(shí)激光脈沖過(guò)后100ms時(shí)間內(nèi)的信號(hào)累加得到的.

從圖2中可以明顯地看到Al的離子、原子譜線.其中最強(qiáng)的是Al(I)原子的396.12nm線和394.3nm線.Al(I)的396.12nm線是激發(fā)的Al原子42S1/2態(tài)的電子自發(fā)躍遷到32P3/2態(tài)時(shí)產(chǎn)生，而394.3nm線是42S1/2態(tài)的電子自發(fā)躍遷到32P3/2態(tài)時(shí)產(chǎn)生.這兩條線是Al原子的最強(qiáng)特征譜線，而且是精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線，普遍用于Al元素的標(biāo)定.另外還可以看到Al(I)的308.12和309.23nm譜線，但這兩條譜線在紫外區(qū)，強(qiáng)度較弱，測(cè)得的時(shí)間演化光譜輪廊不明顯.譜線中還可以看到比較強(qiáng)的Al離子單線.而環(huán)境氣體譜線不明顯，基本上被連續(xù)的背景譜帶掩蓋.為此在下面的Al等離子體發(fā)射光時(shí)間分辨光譜分析是基本上使用Al的396.12nm，394.3nm特征線.

圖2 Al等離子體發(fā)射譜線

激光束和受激熒光信號(hào)之間不同的時(shí)間延遲獲得的三維光譜數(shù)據(jù)如圖3所示.

圖3 Al薄片在不同氣體環(huán)境中的LIBS時(shí)間分辨光譜

圖3中顯示的是Ar，He，N2和空氣中的Al等離子體時(shí)間和空間分辨光譜.從圖中可以看出Ar氣體環(huán)境下的時(shí)間分辨光譜輪廊非常明顯，噪聲很小.He氣環(huán)境下的時(shí)間分辨光譜輪廊也與Ar氣的類此，但強(qiáng)度比Ar氣的弱一點(diǎn).相比來(lái)說(shuō)，N2分子氣體和空氣環(huán)境中的等離子體時(shí)間分辨輪廊優(yōu)點(diǎn)亂，強(qiáng)度較低，噪聲影響明顯.Ar、He、N2分子氣體環(huán)境下Al特征譜線強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)的值與空氣中的對(duì)比，可以獲得各種氣體環(huán)境相對(duì)于空氣的光強(qiáng)增益系數(shù)，如表1所示.表中的數(shù)據(jù)可以說(shuō)明Ar氣對(duì)Al等離子體發(fā)射光中的396.3nm線的增益最強(qiáng).其次就是He氣對(duì)光強(qiáng)也有增益.

表1 不同環(huán)境氣體對(duì)光譜強(qiáng)度相對(duì)增益

氮?dú)馐请p原子分子，比較惰性氣體，它內(nèi)部的自由度比較多，在與等離子體碰撞過(guò)程中可能打開(kāi)的損耗能量通道較多，因此對(duì)等離子體發(fā)射光的相對(duì)增益不大.同樣空氣中的其它雙原子和多原子分子都象氮分子一樣打開(kāi)很多碰撞能量轉(zhuǎn)移通道，因此空氣中的等離子體發(fā)射譜強(qiáng)度比純的惰性氣體弱的多.圖3中，四張圖里的特征光譜強(qiáng)度沿時(shí)間軸方向的變化快慢程度的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，空氣中的特征譜線衰減的比任何其它氣體環(huán)境的還快，這說(shuō)明空氣中的混合氣體的作用使等離子態(tài)很快衰減到熱力學(xué)平衡態(tài).

在Al等離子體形成初期，存在著大量相互之間作劇烈碰撞的電子和激發(fā)態(tài)離子Al，離子速度受到約束或離子與電子的復(fù)合產(chǎn)生連續(xù)的軔致輻射.這個(gè)輻射階段大概持續(xù)幾百納秒時(shí)間.之后，復(fù)合的Al原子從激發(fā)態(tài)躍遷到低能級(jí)態(tài)產(chǎn)生原子光譜.因?yàn)楦邷囟鹊入x子環(huán)境中存在強(qiáng)電場(chǎng)，開(kāi)始階段這些譜線都會(huì)有明顯的Stark移位和展寬.隨著時(shí)間的推移，等離子態(tài)在周圍環(huán)境氣體的作用下逐漸消失，與周圍環(huán)境達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，Stark移位和展寬也逐漸消失.由發(fā)射光譜線的Stark線移和增寬分別計(jì)算了等離子體電子溫度和電子密度.在測(cè)定譜線增寬和線移時(shí),先對(duì)測(cè)定的譜線進(jìn)行Lorentz擬合,由擬合參數(shù)直接得到譜線的半高寬度和譜線峰值位置.然后帶入相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式可以獲得等離子體溫度和電子密度[4].同壓不同氣體環(huán)境下，等離子體初始時(shí)刻溫度如表2所示.

表2 Al等離子體初始溫度和電子密度

3 結(jié)論

Al薄片的LIBS光譜中選擇396.12nm和394.3nm兩條光譜，測(cè)量其時(shí)間演化曲線并對(duì)其特性進(jìn)行分析.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看在等離子體產(chǎn)生的初期，強(qiáng)烈的連續(xù)背景輻射占主導(dǎo)地位，其延續(xù)時(shí)間很短，其連續(xù)譜是由電子的軔致輻射和離子輻射而產(chǎn)生.隨后隨時(shí)間增加背景信號(hào)逐漸變?nèi)?，而Al的共振雙線譜得信噪比在激光脈沖過(guò)后的1.2-2μs時(shí)間段到達(dá)最大值，然后譜線強(qiáng)度隨時(shí)間衰減，其衰減原因是處于激發(fā)態(tài)的原子布居數(shù)減少.在其它條件一樣的情況下，比較三種氣體與空氣中394.3和396.12nm線的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)兩種惰性氣體環(huán)境下發(fā)射光譜強(qiáng)度比空氣中的大，相比而言，氮分子氣體中的譜線強(qiáng)度比空氣中的差別不大.Ar和He兩種惰性氣體中的譜線強(qiáng)度中，Ar氣中的光比較強(qiáng).結(jié)果說(shuō)明在包含Al元素的樣品進(jìn)行LIBS光譜分析時(shí)用Ar作為環(huán)境氣體，可以獲得比較強(qiáng)的Al特征光譜.