激光感生击穿光谱技术LIBS的原理及影响因素解析Word文档下载推荐.docx
《激光感生击穿光谱技术LIBS的原理及影响因素解析Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光感生击穿光谱技术LIBS的原理及影响因素解析Word文档下载推荐.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
但是当激发能量超3lOmJ时将产生明显的变化。
分析了激光特性、延迟时间、实验装置、环境气体的种类及压力、单/双脉冲、以及采用的理论分析方法对LIBS探测结果的影响。
关键词激光诱导击穿光谱（LIBS;
等离子体;
飞秒;
纳秒;
影响因素
中图分类号953文献标识码AIXI:
10.3964/j.issn.1000—0593［200809—2019—05
引言
激光波谱技术在元素分析中成为一个重要的工具，因为它具有可选性、破坏性小、分辨率高以及可对固态、液态，气态以及浮质材料进行实时分析，而激光诱导等离子体光谱（LIBS就是这样的一种技术。
Brechtl］最先在第十届国际光谱学论文集中，提出用红宝石微波激射器诱导产生等离子体的光谱化学法。
RimgeLz］以及
Rasbeny［3］建立定量分析元素含量的参考曲线。
Kemietli［4］使用红宝石激光器在矿石上激发等离子体通过对照参考曲线探测矿石中微量元素的含量，并且探测极限达到1000ppm（pg•niL.lo经过40多年的发展LIBS经历了以下几个过程:
20世纪60年代重点是研发一种商品化的能用光电火花源产生等离体的仪器上。
20世纪70年代主要研究光谱学和直接消融激发，同时研究大气击穿的物理机制。
20世纪80年代起人们把LIBS技术应用到光谱化学中、研究提高探测精度及可靠性。
20世纪90年代中期至今这种技术才得到广泛应用及研究,并应用于实际，如环境污染的监测,材料加工的控制等。
现在LIES技术的研究热度不断升高,重点转向提高探测的可靠性，经济性和高精度,主要方向为用超短激光脉冲（fs来激发等离子体•此时产生的背景信号弱，从而提高了探测精度和探测极限，并且fs-LIBS具有更高的重复性使其成为比较有应用前景的技术［5.6］。
1LIES技术的测量原理及装置
1.1测量原理
激光诱导等离子体（LIBS工作示意图如图1所示。
输出激光聚焦到被测物体上,脉冲激光的持续时间一般为10ns,到达材料表面的功率密度达lG\v•cm—,在如此高激光功率密度作用下，被测材料表面很快就会有少量（大约几gg的物质被喷射出来，这个过程称为激光剥离,同时一个寿命很短、具有高瞬态温度（10000°
C的发光等离子体在材料表面形成。
这束等离子体里，剥落材料被分解为离子和原子。
在激光脉冲的最后，因为等离子体以超音速向周围扩散快速冷却。
这段时间内、处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态,并发射出具有特定波长的光辐射。
通过灵敏的光
迟时网
Fig.1Schematicdiagianioflasei-mducedbreakdownspectioscopy（LIBStechnique
收稿日期:
2007—10—28.修订日期【2008—01—28
基金项目:
国家“863”高技术极端制造专题项目（2006AA042307,全国百篇优秀博士论文基金项目（2006039,国家自然科学基金项目（50775140,国家科研项目（1621220013和江苏省高校自然科学基础研究重大项目（OTKJA46003资助
作者简介:
袁冬青,1981年生，江苏大学光子制造科学技术中心博士研究生*通讯联系人e-mail:
zmlasei@126,t20m
2020光潜学与光谱分析第28卷
谱仪探测并分析辐射光谱就能得到材料中元素的种类（通过辐射谱的波长确定和它的浓度（通过辐射波谱峰值的强度确定。
1.2实验装置
测量时要使用带门控的探测器来记录激光脉冲延迟一段时间后所产生的激光等离子体的光辐射,这是由于在脉冲与材料作用产生等离子体的初期存在很强的连续背景辐射，它的形成主要有以下两个方面的原因「一是等离子体内存在自由电子在自由态到自由态的跃迁、自由态到束缚态的跃迁所辐射的光谱，产生光子频率连续的光子，在光谱中反应的就是连续背景辐射;
二是样品表面大气被击穿产生等离子体从而掩盖了特征等离子体信号。
由于背景辐射的衰减比特征谱线的衰减速度快,所以在探测时需要一个延迟装置来控制脉冲的激发和开始探测之间的延迟时间，从而在背景信号最弱而特征信号最强时进行信号采集。
由于飞秒脉冲激发的连续辐射相对于纳秒脉冲引起的连续辐射强度小，并且衰减得快，所以在选取延迟时间时，飞秒相对短一些。
Santagata[7]使用fs/ns对铜基铝合金进行分析.对于飞秒脉冲选0.2肚s,而纳秒脉冲选1.2肛s得到理想的结果。
450470490510
Wavelongtlviun
Fig.2SpectiogiamofCiwithdifferentexciationenergy
340350360
Wavelengtli/nm
Hg.3SpectiogiamofCowithdifferentnumbeiofpulses
2LIBS技术的影响因素
2.1激光特性的影响
LIBS技术上使用了很多种激光器，典型的从Uv准分子激光器到红外固态激光器。
不同的激光光源产生的激光材料耦合特性很大的影响了等离子体的行为，我们可以根据具体的情况选择合适的激光器。
2.1.1能量和功率密度
若形成等离子体,那么激光能量必须超过特定的阈值，对于纳秒激光脉冲为每平方厘米几个焦耳，而飞秒激光脉冲的能量阈值只要零点几焦耳每平方厘米。
Cabalm等。
8—研究了金属中等离子体形成的能量阈值，研究了线性辐射强度和注入能量的关系，发现材料消融的增加最初有一个线性比例;
随后当使用更高能量值时，辐射信号达到一个饱和状态。
这是由于样品表面形成的等离子体对激光脉冲的吸收。
根据Wisbnid卯的报道，在激光脉冲能量为0〜320mJ范围里测量了沙子和土壤样品的信噪比,信噪比随着脉冲能量的提高而增加，但是当脉冲能量超过］00mJ,信噪比几乎保持常数值。
图2为我们对Ci膜通过纳秒脉冲激发在2〜50mJ而测缱得到当能量小于10mJ时信号强度变化不大，但超过时信号强度会随着能量的提高而增大。
图3所示通过不同个数的脉冲对Co测量，得随着脉冲增多.信号强度增大。
2丄2波长和脉宽
Ainomso［10］评估了使用可见光和紫外光对铝样品消融时等离子体对能量吸收的效率，发现这和辐射波长有直接的关系。
在5321UH时,离子化可以主要归功于电子—原子的逆韧致辐射（IB过程。
在355am时，最有效的过程是蒸发物中激发态的直接光致电离（PI。
现在对于fs-Io113S的研究成为焦点［1“,但是飞秒激光与材料的作用机理还有待研究•多数学者认为飞秒脉冲的优点是因为它具有超短脉宽所致，产生较低的等离子体温度，同时连续辐射的强度较小且衰减得快L12|。
但Gunaiatne[13J把30fs的脉冲扩展为10ps且保持频宽不变时对探测结果影响不大。
研究得到随着频宽增大激发阂值减小，认为fs-IoIBS的低阈值、高稳定和高重复性是因为有大的频宽。
2.1.3重复频率
重复频率作为激光脉冲本身的一个特性，对1ABS结果有一定的影响。
一般使用的范围在1〜1000Hz之间,频率对结果的影响可以简单的叠加，因为等离子体的寿命很短（“s级而激光脉冲之间的间隔相对来说很长（ms级。
所以结合单脉冲消融的深度（这是由激光的能量决定的和频率就可以得到激光的消融深度，但是频率对于线性辐射的强度是有影响的,Wisbinn[14j在研究土壤样品时得到在重复频率为1Hz时信号最强，在研究沙子样品时最佳的重复频率为6Hz。
2.2延迟时间的影响
在等离子体形成初期，存在着大量相互之间作剧烈碰撞的电子和激发态离子、原子。
电子和离子之间的强烈的复合运动，产生很强的连续辐射、掩盖了特征光谱影响信号的探测。
连续辐射只能通过改变激光与材料的作用机制减小或者通过时间延迟控制器来控制脉冲激发等离子体和开始获取信号的时间间隔来减小背景辐射[1•••O
2.3实验部件的影响
跚枷咖咖瑚。
扫一occ
□0鲫0C柏喜弓加in当I二三5
第9期光谱学与光谱分析2021
等离子体的几何形状和空间辐射强度曲线与激光功率密度和其他~些因素有很大的关系,因此实验时需要在槌体上优化实验装置。
Eppler[”l比较了通过球形透镜和圆柱形透镜聚焦激光脉冲到样品表面对结果的影响,发现使用圆柱形透镜能得到更精确的结果，这是因为圆柱形透镜的取样面积较大可以通过取平均的方法来得到比较合理的结果。
众所周知，等离体的辐射方式是各向异性，所以等离子体羽的扩散是垂直于样品表面L15|oTon9173比较了不同的探测角度对测量结果的影响，表明影响不大。
同时对于是否在探测器前加聚焦镜也敞了比较，结果仅仅强度上有细小的变化。
2.4缓冲气体的影响
环境气体对等离子体的屏蔽效应影响很大。
GiantLlS]沿着轴的方向测量了在不同的环境气体和压力下激光诱导等离子体辐射强度的空问分辨。
信噪比随着接近样品表面的距离而减小。
Sx:
lona[19]研究了在铜样品上通过纳秒激光器在不同的氛围气下等离子体的产生。
氮气产生较高的等离子体温度，高的电子密度,但是较低的消融速率，被探测元素的辐射强度较高。
Novotny[2叫观察到在氮气下等离子体寿命较短而氮气下寿命较长（由于氮气相对于其他气体具有较小的传导性和热容率。
这样的特性不仅产生较高的等离子体温度引起较强的辐射，同时减慢了等离子体的冷却从而产生一个较长的辐射周期。
Wisbnin——发现氯气引起的相对误差较小。
在低的环境压力下，消融蒸汽可以自由的扩散、等离子体外部比内部的温度低，因为它损失的能量较大。
当提高压力达到lmbai•时，由于环境气体限制蒸汽从而导致蒸汽能量损失减小，使能量扩散更均一。
HemKuin[al「研究了改变激光功率密度和环境气压时电子密度和温度的时间和空间的变化，观察到等离子体的寿命随着功率密度的升高而变长。
2.5单/双脉冲的影响
LIBS技术的探测极限差，重复性不高，以及较高的背景噪声这是该技术最大的缺点。
因此研究如何提高探测极限，提高线性辐射的强度以及提高结果的重复性成为最近的研究热点,其中最有前景的方法是利用双脉冲（Dp-LIBS来消融材料从而产生等离子体（Dp-doublepulse的简写。
一些双脉冲是通过一个激光器产生［221,也可以使用了两个激光器口“。
两个激光器对于光路的搭建较容易，而用一个激光器可以保证系统更紧凑，并且不存在两个脉冲间的排列问题，保证了实验的可重复性。
PichahcliyJ_223运用双脉冲分析了水下金属，单脉冲得到的信号较弱，通过相隔为几十ps的两束脉冲得到温度更高的等离子体，对于所分析的元素得到更高的探测极限。
提出的解释是第二束脉冲在固体表面形成了泡沬从而产生较强的激发，存在固气界面时允许第二束脉冲和等离子体产生类似于在气体环境下产生的相互作用。
Ongec2提出了关于在空气中Dp-LIBS在金属表面作用的影响因素。
认为：
升级会员 