低气压下80ns长脉宽激光诱导击穿铜合金光谱特性研究

摘要

激光诱导击穿光谱(LIBS)因具有实时快速、多元素分析、样品损伤性小等优势,已成为检测未知物质元素组分以及相应元素含量的重要手段.近期的一些研究表明,百纳秒级别激光脉冲由于在确保有效击穿阈值的条件下延长了激光与样品作用时间,使得其LIBS光谱质量相对于传统10 ns级激光脉冲得到了提高;适度降低环境气压(至104 Pa量级),LIBS光谱强度和信背比均得到明显提高.为探究低气压对长脉宽(百纳秒级)激光诱导铜合金等离子体光谱特性的影响,采用自主研发80 ns脉宽Nd:YAG激光器(波长1064 nm,单脉冲能量20～200 mJ)作为激发光源,样品为BYG19431的锡青铜(基体元素Cu质量百分数为92.9％,低含量元素Fe质量百分数为0.0078％),通过样品气氛控制系统改变环境气压,分别研究了低环境压力(1.01×105,9.6×104,9.2×104,8.8×104和8.4×104 Pa)下铜合金基体元素Cu与低含量元素Fe光谱特性.实验中,激光脉冲重复频率为1 Hz,每次打击均为新鲜表面(通过真空腔内的可控旋转平台更换样品位置),每个能量和气压下分别选取5个脉冲能量较稳定的光谱,取平均值作为当前实验条件的最终实验结果,激光脉冲能量的实时监测由透反比1:1分束镜及能量计完成.研究发现,基体元素谱线(CuⅠ324.75 nm),常压下低能量(20 mJ,40 mJ)时均存在较严重的自吸收现象.在60 mJ时,虽自吸收效应得到改善,但谱线背景强度升高,且激光对样品的损伤加大.为在低光谱背景,微样品损伤的条件下实现光谱质量的进一步提升,实验激光能量为20 mJ.结果表明,随着环境气压降低,基体元素Cu自吸收程度大幅度降低,样品中低含量Fe元素谱线信背比增加,等离子温度升高,谱线展宽变窄.气压为8.4×104 Pa时,与常压相比基体元素铜(CuⅠ324.75 nm)与微量元素铁(FeⅠ330.82 nm)谱线信背比分别增强5.31和2.43倍;等离子体温度提升了21.6％;FeⅠ330.82 nm谱线展宽由0.29 nm降到0.21 nm,在一定程度提高了LIBS元素谱线的分辨率.