热效应对共线双脉冲激光诱导击穿光谱信号的影响

摘要

激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS）技术是一种对物质成分与含量进行分析的技术，拥有良好的应用前景。它是利用高能量密度的激光剥蚀样品形成等离子体，通过光谱仪采集等离子体冷却过程中发射的元素特征谱线的波长和光谱强度，从而实现检测样品中成分组成及含量的目的。
　　鉴于了解和掌握光谱信号的增强机理对于提高LIBS技术的检测能力具有十分重要的意义，目前有关LIBS光谱信号增强方法和机理探究仍然是一个热门的研究课题。共线双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)技术中，光谱信号增强主要来源于两种途径:(1)更有效的样品烧蚀，(2)等离子体的二次加热和激励。为更深入理解它们是如何影响LIBS信号增强，本文以镁金属片样品为研究对象，设计并搭建了离焦共线双脉冲LIBS系统，其中一束激光聚焦于样品表面，用于剥蚀样品产生等离子体，而另一束激光照射样品但焦点远离样品表面，不直接产生等离子体，主要用于加热样品表面以改变样品表面特性或二次加热第一束激光等离子体。再通过适当的双脉冲激光时间延迟和能量配比，可以很好的分离共线双脉冲LIBS技术中样品烧蚀、等离子体的二次加热和激励过程，并进而系统开展了共线双脉冲LIBS技术中样品烧蚀、等离子体二次加热过程对光谱信号增强机理的研究。主要研究内容包括:
　　1、预烧蚀离焦共线双脉冲激光诱导击穿光谱研究。本研究中第一束激光能量较低，且焦点远离样品表面，位于样品表面上约4mm，不产生样品等离子体，主要用于加热样品表面;而第二束激光能量高，聚焦于样品表面，产生激光等离子体。通过适当地优化激光能量、脉冲延时、积分延时等重要参数，得到最佳激光能量为10+50mJ，最佳脉冲间隔和积分延时分别为2.5μs和3μs;结合对样品烧蚀斑的分析，研究发现与单脉冲激光诱导击穿光谱(SP-LIBS)相比，离焦共线DP-LIBS技术中，由于第一束激光对样品的预烧蚀作用，改变了样品表面特性，第二束激光能更加有效地剥蚀样品，从而增强光谱信号。因此第一束激光对样品的加热和改性，从而增强第二束激光对样品的剥蚀是离焦共线DP-LIBS技术信号增强的重要原因。
　　2、再加热离焦共线双脉冲激光诱导击穿光谱研究。与上面相反，本研究中第一束激光能量高，聚焦于样品表面，产生激光等离子体;而第二束激光能量较低，且焦点位于样品表面下约12mm，不直接产生激光等离子体，主要用于对前面的激光等离子体再加热和二次激励。同样通过适当地优化LIBS实验参数并得到最佳脉冲时间延迟2.5μs，以及结合对样品烧蚀斑的分析，可以得到，再加热离焦共线双脉冲LIBS光谱信号的增强主要是由于第二束激光对等离子体的再次加热和激发造成的，对样品的烧蚀影响不大。而且通过第二束激光对前面激光等离子体的再加热，再加热离焦共线DP-LIBS技术对光谱信号的增强效果比前面预烧蚀离焦共线DP-LIBS中通过增强样品剥蚀的增强效果更好，特别是对离子谱线的增强作用更为显著，在预烧蚀离焦共线DP-LIBS中很弱或者没有出现的离子谱线，再加热离焦共线DP-LIBS中谱线很强。

目录

摘要

1绪论

1．1研究背景和意义

1．2激光诱导击穿光谱技术的研究进展以及应用

1．2．1激光诱导击穿光谱技术的研究进展

1．2．2激光诱导击穿光谱技术的应用

1．3论文研究目的和创新点

1．4论文的章节安排

2激光诱导击穿光谱技术的基本原理

2．1激光诱导击穿光谱技术原理简介

2．2激光诱导击穿光谱技术方法

2．3本章小结

3 LIBS实验系统

3．1．1实验硬件设备

3．1．2实验软件设备

3．2实验设计介绍

3．3本章小结

4预烧蚀离焦共线DP-LIBS实验探究

4．1单脉冲和双脉冲LIBS谱图比较

4．2采样延时及其对光谱信号的影响

4．3激光能量对光谱信号的影响

4．4脉冲时间间隔对光谱信号的影响

4．5光谱信号的时间演变特性

4．6本章小结

5再加热离焦共线DP-LIBS实验探究

5．1单脉冲和双脉冲LIBS谱图比较

5．2脉冲间隔对光谱信号的影响

5．3本章小结

6总结与展望

6．1本文总结

6．2下一步的工作展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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