激光聚焦位置對(duì)半球腔約束等離子體光譜增強(qiáng)特性的影響

陳旭東，王靜鴿，2*，馮 笛，魏嘉威，汪利萍，王 紅

1.河南科技大學(xué)物理工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023 2.洛陽(yáng)師范學(xué)院，河南省電磁變換與探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471934

引 言

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)由于具有無(wú)需樣品預(yù)處理、遠(yuǎn)距離檢測(cè)、多元素同時(shí)診斷等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛用于工業(yè)控制[1]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[2]、食品檢測(cè)[3]、空間勘探[4]等領(lǐng)域。為了改善LIBS技術(shù)中光譜信號(hào)穩(wěn)定性和重復(fù)性差的缺點(diǎn)，雙脈沖激光激發(fā)[5-6]、等離子體束縛[7-8]以及與其他技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用[9-10]等方法已經(jīng)被廣泛研究，其中對(duì)等離子體進(jìn)行空間約束是較簡(jiǎn)單且有效的方法。Guo等[11]提出了半球空腔約束等離子體的方法，由于半球空腔可以對(duì)等離子體進(jìn)行三維約束，因此具有較好的光譜增強(qiáng)效果。等離子體的特性與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中聚焦透鏡到樣品的距離(lens to sample distance, LTSD)有密切關(guān)系[12]，不同聚焦情況下等離子體的形態(tài)、輻射光譜信號(hào)強(qiáng)度、等離子體溫度及電子密度等參數(shù)都有較大差別。對(duì)等離子體進(jìn)行空間約束實(shí)際上是在等離子體周?chē)O(shè)置屏障，當(dāng)沖擊波在膨脹過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，反射的沖擊波與等離子體相互作用引起光譜信號(hào)增強(qiáng)。由此可見(jiàn)，空間約束的效果與等離子體的特性也有很大關(guān)系。Guo等[13]研究了不同聚焦情況下圓柱空腔約束對(duì)激光誘導(dǎo)硅等離子體的光譜增強(qiáng)特性，而該論文主要研究了聚焦透鏡焦點(diǎn)在樣品表面以下時(shí)，光譜增強(qiáng)特性隨著LTSD的變化。

本文采用半球形空腔對(duì)等離子體進(jìn)行三維空間約束，采用焦距為100 mm的聚焦透鏡，通過(guò)調(diào)節(jié)聚焦透鏡的位置，使透鏡到樣品之間的距離LTSD變化范圍為84～104 mm，包含了激光聚焦位置在樣品表面以下、樣品表面和樣品表面以上三種聚焦情況，分別采集了無(wú)約束和半球腔約束下的等離子體的時(shí)間演變光譜，研究激光的聚焦情況對(duì)光譜增強(qiáng)效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，采用波長(zhǎng)為1 064 nm的Nd∶YAG調(diào)Q脈沖固體激光器作為激發(fā)光源，其脈沖寬度為8 ns，重復(fù)頻率設(shè)置為3 Hz，單脈沖能量設(shè)置為150 mJ，激光束經(jīng)過(guò)焦距為100 mm的平凸透鏡L1聚焦后穿過(guò)半球形空腔(內(nèi)腔直徑為10 mm)頂部預(yù)留的小孔(直徑為3 mm)垂直入射到合金鋼樣品表面，半球形空腔由K樹(shù)脂材料制成，貼合于合金鋼樣品表面固定。合金鋼樣品被燒蝕后產(chǎn)生等離子體，等離子體輻射光經(jīng)過(guò)半球形空腔側(cè)面的直槽口(高為2.5 mm、半徑為1.5 mm)經(jīng)焦距為10 mm聚焦透鏡L2聚焦后至光纖端面，所用傳輸光纖纖芯直徑為100 μm，其中光纖端面垂直于樣品表面，傳輸光纖的另一端與中階梯光柵光譜儀連接，等離子體輻射光經(jīng)過(guò)光譜儀分光后通過(guò)增強(qiáng)型CCD(ICCD)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所采用的中階梯光譜儀為Andor ME5000, 其光譜響應(yīng)范圍為230～920 nm，分辨能力為5 000。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)中將聚焦透鏡L1固定在高精密電動(dòng)平移臺(tái)上，其位置調(diào)節(jié)定位精度可達(dá)5 μm，通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡的位置改變激光的聚焦情況，本文中用LTSD來(lái)描述激光的聚焦情況，實(shí)驗(yàn)中控制LTSD的變化范圍為85～104 mm，變化步距為1 mm。激光在不同的聚焦情況下，分別采集無(wú)約束和半球空腔約束下激光燒蝕合金鋼等離子體的時(shí)間演變光譜，光譜采集門(mén)寬設(shè)置為1 μs，采集延時(shí)變化范圍為4～16 μs，每幅光譜圖由20個(gè)激光脈沖累加得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 譜線(xiàn)強(qiáng)度對(duì)比

選取合金鋼等離子體中的Fe Ⅰ 374.55 nm和Mn Ⅰ 403.08 nm兩條原子譜線(xiàn)作為分析譜線(xiàn)。由不同LTSD位置處的時(shí)間演變實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)可以得到無(wú)約束和半球腔約束下譜線(xiàn)強(qiáng)度隨LTSD和采集延時(shí)的二維空間分布圖，如圖2所示，圖中的強(qiáng)度是用相應(yīng)譜線(xiàn)無(wú)約束和約束兩種情況下的最大譜線(xiàn)強(qiáng)度進(jìn)行歸一化的結(jié)果。

由圖2可以看出，無(wú)約束情況下，譜線(xiàn)強(qiáng)度隨著LTSD的增加都呈現(xiàn)出先增大后減小再增大再減小的變化規(guī)律，不同的采集延時(shí)下，譜線(xiàn)強(qiáng)度分別在LTSD為94和102 mm時(shí)出現(xiàn)峰值，在采集延時(shí)小于8 μs時(shí)，譜線(xiàn)強(qiáng)度的最大值在LTSD為94 mm的位置。這一研究結(jié)果與我們課題組前期的研究結(jié)果一致，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因與燒蝕位置處的能量密度有關(guān)[14]。而采集延時(shí)大于8 μs后，譜線(xiàn)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在LTSD為102 mm時(shí)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可能是此時(shí)激光的焦點(diǎn)位置在樣品表面以上，激光在到達(dá)樣品表面前擊穿空氣，從而改變了樣品表面的燒蝕環(huán)境，當(dāng)采集延時(shí)較大時(shí)，這種燒蝕環(huán)境的變化使得激光能夠更好地耦合至樣品表面。

當(dāng)用半球空腔約束等離子體，采集延時(shí)在4～10 μs時(shí)，可以看出譜線(xiàn)強(qiáng)度高于無(wú)約束情況下的譜線(xiàn)強(qiáng)度，且譜線(xiàn)強(qiáng)度隨著LTSD的變化與無(wú)約束情況下類(lèi)似，區(qū)別在于譜線(xiàn)強(qiáng)度的最大值都在LTSD為94 mm的聚焦位置。產(chǎn)生光譜信號(hào)增強(qiáng)的原因是：當(dāng)?shù)入x子體產(chǎn)生向外膨脹擴(kuò)張的趨勢(shì)時(shí)，由于空氣壓力的急劇增加，會(huì)產(chǎn)生沖擊波，沖擊波也迅速向前傳播，當(dāng)遇到半球腔內(nèi)壁時(shí)被反射，反射回來(lái)的沖擊波使等離子體被壓縮在一個(gè)很小的區(qū)域，被壓縮的等離子體的溫度和粒子數(shù)密度提高，導(dǎo)致粒子間碰撞速率增加，從而增加了高能激發(fā)態(tài)原子的數(shù)量，進(jìn)而引起光譜強(qiáng)度增強(qiáng)。另外，從圖2還可以看出，隨著采集延遲繼續(xù)增加，半球空腔約束下譜線(xiàn)強(qiáng)度出現(xiàn)了第二次增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間為12～16 μs。這種現(xiàn)象與Wang等的研究類(lèi)似[15]，可以將產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因解釋為：當(dāng)被反射的沖擊波與等離子體相互作用后會(huì)繼續(xù)向前傳播，直至遇到另一側(cè)的半球腔內(nèi)壁，此時(shí)再次被反射，二次反射的沖擊波對(duì)等離子體的壓縮效應(yīng)引起了光譜強(qiáng)度的第二次增強(qiáng)。

2.2 增強(qiáng)倍數(shù)隨LTSD的變化

增強(qiáng)倍數(shù)指的是用半球腔約束下的譜線(xiàn)強(qiáng)度值除以無(wú)約束情況下對(duì)應(yīng)的譜線(xiàn)強(qiáng)度值。用增強(qiáng)倍數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)半球腔對(duì)光譜信號(hào)的增強(qiáng)效果，圖3是譜線(xiàn)強(qiáng)度增強(qiáng)倍數(shù)隨LTSD和采集延時(shí)的二維變化關(guān)系。由圖中可以更加清晰看出，隨著采集延時(shí)的變化，兩條譜線(xiàn)的強(qiáng)度分別在采集延時(shí)為4～10和12～16 μs兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)，即在整個(gè)實(shí)驗(yàn)采集的延遲時(shí)間內(nèi)，譜線(xiàn)強(qiáng)度經(jīng)歷了兩次連續(xù)增強(qiáng)，為方便描述，我們分別稱(chēng)這兩次譜線(xiàn)增強(qiáng)為“第一次信號(hào)增強(qiáng)”和“第二次信號(hào)增強(qiáng)”。通過(guò)圖3也可以看出，不同LTSD時(shí)譜線(xiàn)強(qiáng)度的增強(qiáng)倍數(shù)也存在明顯差異，且第二次增強(qiáng)時(shí)的增強(qiáng)倍數(shù)相對(duì)較高，兩條譜線(xiàn)的最大增強(qiáng)倍數(shù)約為6倍。除此之外，不同LTSD時(shí)出現(xiàn)最大增強(qiáng)倍數(shù)對(duì)應(yīng)的采集延時(shí)也存在差別。

由于采用半球空腔約束等離子體時(shí)光譜強(qiáng)度出現(xiàn)了兩次增強(qiáng)，為進(jìn)一步研究?jī)纱卧鰪?qiáng)效果分別與LTSD的變化關(guān)系，定義最大增強(qiáng)倍數(shù)為該LTSD時(shí)在對(duì)應(yīng)區(qū)域的最大增強(qiáng)倍數(shù)，相對(duì)應(yīng)的采集延時(shí)為最優(yōu)采集延時(shí)。圖4是在最優(yōu)采集延時(shí)下，分析譜線(xiàn)最大增強(qiáng)倍數(shù)隨LTSD的演化關(guān)系，其中圖4(a)為采集延時(shí)在4～10 μs期間譜線(xiàn)第一次增強(qiáng)的最大增強(qiáng)倍數(shù)隨LTSD的變化圖，圖4(b)為采集延時(shí)在12～16 μs期間譜線(xiàn)第二次增強(qiáng)的最大增強(qiáng)倍數(shù)隨LTSD的變化圖?？梢钥闯?，第一次增強(qiáng)的最大增強(qiáng)倍數(shù)隨LTSD的變化沒(méi)有明顯規(guī)律，增強(qiáng)倍數(shù)在2～6之間波動(dòng)；第二次增強(qiáng)的最大增強(qiáng)倍數(shù)首先隨著LTSD的增大而增大，在LTSD=96 mm時(shí)達(dá)到最大值，兩條譜線(xiàn)在該延時(shí)區(qū)域的最大增強(qiáng)倍數(shù)約為6倍，隨著LTSD繼續(xù)增大，第二次最大增強(qiáng)倍數(shù)逐漸降低，LTSD超過(guò)101 mm后，又出現(xiàn)小幅的先上升后下降的趨勢(shì)。這一變化規(guī)律與圖2中無(wú)約束情況下譜線(xiàn)強(qiáng)度的變化規(guī)律類(lèi)似。

圖2 譜線(xiàn)強(qiáng)度隨LTSD和采集延時(shí)的變化關(guān)系

圖3 增強(qiáng)倍數(shù)隨LTSD和采集延時(shí)的變化關(guān)系

圖4 最大增強(qiáng)倍數(shù)隨LTSD的變化關(guān)系

為統(tǒng)計(jì)兩次連續(xù)增強(qiáng)出現(xiàn)的延遲時(shí)間，找出上述每一個(gè)最大增強(qiáng)倍數(shù)對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間，如圖5所示。由圖可知，第一次增強(qiáng)出現(xiàn)的延遲時(shí)間集中在6～9 μs，且在LTSD為85～93 mm時(shí)保持不變，當(dāng)LTSD在94～105 mm時(shí)，最大增強(qiáng)倍數(shù)出現(xiàn)的延遲時(shí)間呈現(xiàn)先降低再增大的變化規(guī)律，這主要是由于聚焦光斑的尺寸經(jīng)過(guò)了由大變小再?gòu)男∽兇蟮倪^(guò)程，相對(duì)應(yīng)的能量密度也具有相同的變化規(guī)律，引起激光沖擊波的能量先逐漸增大后逐漸減小，大能量的沖擊波具有較快的傳播速率，能夠在更短的時(shí)間被腔內(nèi)壁反射并與等離子體發(fā)生相互作用，進(jìn)而在較早的時(shí)間引起光譜強(qiáng)度增強(qiáng)。第二次增強(qiáng)出現(xiàn)的延遲時(shí)間集中在14～15 μs，此時(shí)沖擊波和等離子體經(jīng)過(guò)衰減能量都較低，隨著時(shí)間演變，等離子體擴(kuò)散至更大的尺寸，因此隨著LTSD的變化最大增強(qiáng)出現(xiàn)的時(shí)間沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。由圖5也可以看出，伴隨著等離子體產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)半球腔壁反射后第一次到達(dá)等離子體需要6～9 μs，再經(jīng)另一側(cè)半球腔壁反射到達(dá)等離子體需要14～15 μs。也就說(shuō)明在一定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，空間約束不僅使光譜強(qiáng)度增強(qiáng)(第一次增強(qiáng))，而且在延遲時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)會(huì)引使其再次增強(qiáng)(第二次增強(qiáng))。

圖5 最優(yōu)采集延時(shí)隨LTSD的變化關(guān)系

3 結(jié) 論

為了研究激光聚焦情況對(duì)半球形空腔約束等離子體光譜增強(qiáng)效果的影響，通過(guò)改變聚焦透鏡到樣品之間的距離，本文分別在無(wú)約束和半球空腔約束情況下采集LTSD在85～104 mm范圍內(nèi)變化時(shí)的激光誘導(dǎo)合金鋼等離子體時(shí)間演變光譜，選取Fe Ⅰ 374.55 nm和Mn Ⅰ 403.08 nm為分析譜線(xiàn)，對(duì)比研究了無(wú)約束和半球空腔約束下譜線(xiàn)強(qiáng)度隨LTSD和采集延時(shí)的二維變化關(guān)系，并得到了增強(qiáng)倍數(shù)隨LTSD和采集延時(shí)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：兩種實(shí)驗(yàn)條件下，隨著LTSD的變化，譜線(xiàn)強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增大后減小再增大最后減小的變化規(guī)律；半球空腔約束下譜線(xiàn)強(qiáng)度在整個(gè)采集的延時(shí)時(shí)間內(nèi)先后出現(xiàn)第一次增強(qiáng)和第二次增強(qiáng)，兩次光譜增強(qiáng)出現(xiàn)的延時(shí)時(shí)間分別為6～9和14～15 μs，且第二次增強(qiáng)更加明顯，最大增強(qiáng)倍數(shù)達(dá)到6倍，對(duì)應(yīng)的LTSD為96 mm。由此說(shuō)明，在特定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，采用半球空腔約束激光誘導(dǎo)等離子體，不僅使光譜強(qiáng)度增強(qiáng)，而且在延遲時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)光譜信號(hào)再次增強(qiáng)現(xiàn)象，這主要是由于被反射的沖擊波遇到半球腔另一側(cè)的內(nèi)壁再次被反射進(jìn)而再次壓縮等離子體引起的。本文的研究結(jié)果有助于進(jìn)一步解釋等離子體約束引起信號(hào)增強(qiáng)的物理機(jī)理，也對(duì)優(yōu)化LIBS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)具有重要意義。