激光诱导等离子体发射光谱在激光冲击与清洗过程中的基础研究

摘要

激光冲击技术(LSP:Laser Shock Processing)与激光清洗技术(Lasercleaning)作为新型的表面处理技术,得到越来越广泛的研究,其共同的物理机制,就是激光与物质相互作用的规律。激光诱导击穿等离子体光谱(LIBS)技术长期以来都是研究激光与物质相互作用的重要课题。
　　 本文依托江苏大学强激光技术研究所的钕玻璃激光器,基于激光冲击与激光清洗的理论背景,从激光与金属材料相互作用诱导产生的等离子体发射光谱出发,采用试验对比方法研究了不同激光能量与多脉冲诱导次数对等离子体相关参数的影响,简要的分析了Cu等离子体的发射光谱结构；并利用激光脉冲都能对样品进行更深一层地作用,进行了空气中激光清洗金属等离子体的光谱分析。论文的主要研究内容如下:
　　 (1)开展了基于多脉冲高能量激光冲击下诱导产生金属等离子体发射光谱的研究,取得了诱导次数以及激光能量与光谱参数之间较好的演化规律:
　　 在空气环境下,分别用6J至10J的由钕玻璃激光器产生的1.064μm高能量脉冲激光作用AL靶、Cu靶诱导产生等离子体发射光谱,光信号收集器将所收集的信息经DG645延迟器由光纤传给ME5000改进型中阶梯光栅光谱仪(波长范围200～875nm),进而传送到计算机进行显示处理。研究了同一能量下发射光谱信号强度与诱导次数(pulse／1.5min)的关系,以及电子密度随激光能量、冲击次数的演化规律。结果为:Al等离子体发射光谱信号强度与电子密度在同一能量下随激光作用次数的增加成负指数衰减,但是随着激光能量的增加,特征谱和连续谱强度都有所增强,尤其是Al原子线变化明显。简要分析了Cu等离子体发射光谱的结构,在满足局部热力学平衡条件下,计算了10J时等离子体的电子温度。
　　 (2)进行了激光诱导等离子体发射光谱在激光清洗金属中的基础研究,通过单次获得的光谱图谱线结构及强度变化能够较好的看到清洗效果:
　　 基于激光诱导等离子体光谱用于激光清洗状态的在线分析快速而准确的特点,本文利用中阶梯光栅光谱仪探测脉冲激光器作用于干净的及表面污染的铜币样品产生了等离子体光谱谱线,这些谱线中不但包含了清晰的铜原子发射谱线,还包含空气中氧气和氮气与激光作用产生分解效应的原子谱线。我们根据单次测量的光谱图变化表示清洗状态,表面污染的铜币光谱图中包含多元素原子谱线和连续谱线,清洗干净铜币的光谱图中连续谱线消失且只有铜元素谱线,观察谱线变化就可以表明样品是否被清洗干净。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 基于LIBS的测试技术的研究进展

1.2.1 激光器与低真空装置

1.2.2 触发延迟装置

1.2.3 传输装置应用概况

1.2.4 接收装置

1.3 系统参数对LIBS影响的研究情况

1.3.1 激光脉冲对LIBS信号的影响

1.3.2 环境气体对LIBS信号的影响

1.3.3 其他影响因素

1.4 本课题的意义和主要研究内容

1.4.1 本课题研究意义

1.4.2 本课题的主要研究内容

第二章 LIBS技术基本原理和方法

2.1 激光诱导等离子体的基本性质

2.2 激光诱导等离子体的基础理论

2.2.1 气体中的等离子体击穿

2.2.2 激光等离子体的局部热平衡

2.2.3 激光烧蚀与等离子体形成过程

2.3 激光诱导等离子体的参数测量

2.3.1 激光诱导等离子体的谱线展宽

2.3.2 激光诱导等离子体电子温度的测量

2.3.3 激光诱导等离子体电子密度的测量

2.4 本章小结

第三章 基于激光冲击的光谱研究

3.1 试验装置及试验方法

3.1.1 试验装置

3.1.2 试验方法

3.2 A1等离子体的光谱分析

3.2.1 A1等离子体的发射光谱

3.2.2 特征谱线Lorentz线型拟合

3.2.3 等离子体参数电子密度计算

3.3 Cu等离子体的光谱分析

3.3.1 Cu等离子体的发射光谱结构

3.3.2 等离子体参数电子温度的测量

3.4 本章小结

第四章 激光清洗中的等离子体光谱分析

4.1. 国内外激光清洗行业发展概况

4.2 激光清洗原理与特点

4.2.1 激光清洗的原理

4.2.2 激光清洗的特点

4.3 空气中激光清洗过程的等离子体光谱分析

4.3.1 实验装置

4.3.2 无污染铜币的等离子体光谱分析

4.3.3 清洗过程中的等离子体光谱分析

4.4 本章小结

第五章 总结展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文