激光诱导氩气等离子体时间分辨特性研究

摘要

激光诱导击穿光谱(LIBS)以激光诱导微等离子体的原子发射为技术特征,在科研与工业领域正得到重视与蓬勃发展。作为环境气体的氩气对等离子体演化过程中粒子的碰撞过程有重要影响,决定着LIBS技术分析性能的发挥。利用光谱诊断技术深入研究LIBS技术条件下氩气的光谱特征,对于提升LIBS技术及其应用水平具有重要的意义。利用中阶梯光栅光谱仪记录时间序列光谱信息研究了瞬态Ar等离子体碰撞和衰减过程,包括等离子体演化过程中的辐射机制和等离子体电子数密度及温度的时间演化特征。结果表明,在激光与氩气相互作用的初始阶段,光谱主要由连续辐射组成,在0.6μs后,光谱开始主要由氩原子、离子的离散跃迁辐射谱线组成。氩原子线和离子线的演化周期不同,在0~1.0μs延迟时间内离子线占主导,在1.0~30μs原子线占主导。利用Stark展宽,Saha-Boltzmann曲线方程对60,80和100 mJ脉冲激光能量激发下的等离子体的电子数密度和温度进行了计算,等离子体电子数密度在0.2~2.0μs延迟时间内快速衰减,之后在较长的延迟时间内缓慢下降,大约在4.0μs达到同一个数量级;等离子体温度(80 mJ)从初始0.2μs时的18000 K迅速下降到13000 K(2.0μs),在5.0μs后缓慢下降到12000 K。为进一步检验和优化激光脉冲用于氩气的分析性能,对氩的不同特征谱线信噪比随时间演化的特征进行了研究,结果表明,氩原子线在2.0~6.0μs的延迟窗口具有较高的信噪比,氩离子线则在0.1~1.0μs延迟窗口具有较高的信噪比。