激光诱导等离子体

摘要： 激光诱导等离子体作为一种宽光谱辐射源,能够产生X射线、紫外、可见、红外、太赫兹以及微波波段的辐射,可应用于天体物理、惯性约束核聚变、生物医学、材料科学、光谱分析、环境工程、信息技术、超快技术、光刻技术、成像技术、雷达技术、半导体技术等众多领域,具有较高的实用价值。迄今为止,有关激光诱导等离子体辐射特性的文献报道大多集中于描述激光与物质在单一波段的相互作用,对辐射的产生机理还未完全掌握,对完整光谱的研究综述依然比较缺乏。从电磁辐射光谱及其辐射机制的角度,对激光诱导等离子体的辐射特性做出了系统的梳理分类,对国内外相关团队的研究成果进行了总结和分析,特别从不同视角探究了等离子体与光谱辐射之间的物理关系。介绍了激光诱导等离子体各个波段的辐射特点,并讨论了影响辐射的相关因素。最后,对红外波段和太赫兹波段的研究前景进行了展望。

摘要： 含铝推进剂燃烧过程中间组分AlO的测试手段以低分辨率的发射光谱为主,无法满足固体火箭发动机燃烧流场高分辨率测试需求.报道了一种时间分辨的高空间分辨率(～10μm)AlO-PLIF成像技术,采用激光诱导铝等离子体产生小尺度AlO基团,时间和空间易于实现高精度控制,且受其他组分干扰小,为优化AlO-PLIF测量技术提供了高稳定性、高重复性的实验平台.在常压和低压条件下优化了激发和探测机制,并对激光诱导铝等离子体中的高温AlO基团时空演化规律进行了研究.在常压及70 Pa低压条件下,获得时间分辨的AlO图像序列.结果表明,基态AlO出现时刻要早于激发态的AlO,但存在时间较短;低压条件下,AlO基团存在区域广,结构变化快,整体信号强度强.研究表明,PLIF技术在含铝固体推进剂燃烧特性研究领域的巨大应用潜力.

摘要： 在有无磁约束的激光诱导击穿光谱技术下,对煤粉次量元素等离子体光谱强度以及定量分析精度进行对比研究.在采用激光诱导击穿光谱技术的基础上加入磁约束的方式,比较煤粉次量元素中Fe368.2 nm、Ca393.4 nm元素光谱谱线在加入磁场前后光谱强度的变化,在有无磁约束下利用偏最小二乘法对煤粉中Fe含量进行定量分析.实验结果表明:磁约束下的激光诱导击穿光谱技术可以有效提高等离子体的光谱强度,并且磁约束下采用偏最小二乘法得到的定标曲线拟合系数更高,效果更佳.

摘要： 光谱信号增强是提高激光诱导击穿光谱技术分析性能的重要手段之一,对等离子体进行空间约束由于装置简单且约束效果好而常被采用,等离子体的特性会直接影响空间约束的效果,而等离子体的特性与实验系统中激光的聚焦情况密切相关,为研究激发光源的聚焦情况对半球形空腔约束等离子体光谱增强特性的影响,通过控制透镜到样品之间的距离(LTSD)来改变激光的聚焦位置,分别在无约束和有半球形空腔约束两种实验条件下,烧蚀合金钢产生等离子体,采集15个不同L T SD位置时等离子体的时间演变光谱,得到谱线强度和增强倍数随着L T SD和采集延时的二维空间分布图.研究结果发现:无约束情况下,谱线强度分别在LTSD为94和102 mm时出现峰值,在采集延时小于8μs时,谱线强度的最大值在LTSD为94 mm的位置,采集延时大于8μs后,谱线强度的最大值出现在LTSD为102 mm的位置;当用半球空腔约束等离子体,谱线强度先后在采集延时范围为4～10和12～15μs出现第一次增强和第二次增强.谱线强度出现第二次增强的主要原因是被半球腔内壁反射的冲击波与等离子体相互作用后会继续向前传播,遇到另一侧的腔壁再次被反射,进而对等离子体产生二次压缩.分析增强倍数随L T SD和采集延时的二维变化关系发现,第一次增强的最大增强倍数随L T SD的变化没有明显规律,增强倍数在2～6之间波动;谱线第二次增强时的增强倍数相对较高,最大增强倍数随着L T SD变化呈现出先增大再减小,然后再小幅增加后降低的变化规律,在LTSD为96 mm时达到最大值,两条谱线的最大增强倍数约为6倍.分析出现最大增强倍数对应的延迟时间发现,第一次增强出现的最优延迟时间在6～9μs之间变化,当L T SD在85～93 mm范围时,最优延迟时间保持不变,当LTSD在94～105 mm时,出现先降低再增大的变化规律;第二次增强出现的延迟时间主要在14～15μs,随着L T SD的变化没有明显的变化规律.

摘要： 采用短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术加工金刚石微结构,研究短脉冲红外激光的光强、脉宽、重复频率、靶材与金刚石基片之间的距离等加工参数对金刚石的加工线宽、槽深以及加工效果的影响。当用脉冲宽度大于4 ns的激光作用在方向良好的单晶金刚石上时,光热作用明显,诱导产生金属等离子团的能量密度达到一定阈值且复合短脉冲激光能量作用下,单晶金刚石表层温度迅速上升至600°C以上,此时金刚石表层产生了刻蚀微结构;当用脉冲宽度小于4 ns的激光轰击靶材表面时,短脉冲激光轰击靶材诱导金属等离子团,可实现背面溅射相关金属靶材,当等离子体密度达到微刻蚀阈值时也可实现金刚石背部刻蚀以及石墨化。短脉冲红外激光的脉宽、重复频率决定了沉积/刻蚀加工效果。本文研究表明短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术是一种新型可靠的金刚石微结构加工工艺。

摘要： 激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新型的物质成分测量方法已经在越来越多的领域得到广泛应用,但是与传统的分析方法相比,LIBS技术的分析性能还需进一步提高.LIBS技术的理论基础是激光诱导等离子体,从物理机理上研究等离子体特性,对LIBS系统实验参数的优化具有指导作用,也为提高LIBS技术的检测能力奠定理论基础.激光诱导等离子体是一个与空间相关的非稳态辐射源,空间分辨光谱测量是探究等离子体物理特性的重要手段之一.为研究激光诱导等离子体的辐射特性,采用1064 nm的Nd:YAG调Q固体激光器烧蚀合金钢样品产生等离子体,利用空间分辨装置测量二维空间的等离子体辐射光谱信号,通过分析可知实验采集的光谱信号是信号探测器测量路径上的积分光谱强度,由此计算得到的等离子体参数也是观测路径上的平均值.为了深入研究等离子体由内层到外层的辐射规律,首先测量得到等离子体路径积分光谱强度的横向空间分布,然后以等离子体为光学薄和圆柱对称的前提条件,采用三次样条函数算法对路径积分光谱强度进行A bel逆变换,反演得到等离子体由内层到外层谱线辐射率的径向空间分布.选取等离子体辐射光谱中的原子谱线FeⅠ:374.55 nm和M nⅠ:403.08 nm为研究对象,分析等离子体辐射光谱的空间分布特征,研究结果表明,等离子体辐射路径积分光谱强度的横向分布呈现出中心位置强度大边缘位置强度小的特征,这是由于等离子体膨胀扩张的结果引起的;通过A bel逆变换得到等离子体光谱辐射率的径向分布,结果表明等离子体从内层到外层谱线的辐射率经过了先增加后减小的变化规律,等离子体中心处出现辐射率的极小值,造成这种现象的主要原因是由于等离子体辐射源中心区域具有较低的电子密度;选取等离子体辐射光谱中Fe元素的11条原子谱线,采用Boltzman法分别由谱线相应的积分光谱强度和辐射率计算等离子体温度,得到等离子体温度的横向空间和径向空间的二维分布,两者具有类似的变化规律;由等离子体温度的横向空间分布可以看出,随着离样品表面距离的增加,等离子体温度呈现单调减小的趋势,等离子体中心到边缘区域等离子体温度逐渐降低,这是由等离子体膨胀扩张以及与环境气体相互作用共同的结果;由等离子体温度的径向空间分布可以看出等离子体由内层到外层等离子体温度逐渐降低,这是由于等离子体膨胀扩张冷却引起的.由此可见,采用A bel逆变换能够实现等离子体由内层到外层的辐射特性分析,为深入理解等离子体产生和演变的物理机理提供实验依据,从而为提高激光诱导击穿光谱技术的分析性能奠定理论基础.

摘要： Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) has been widely used in more and more fields as a method for qualitative or quantitative analysisas a result of its unique advantages ,such as no sample preparation ,fast analysis speed ,multi-element detection simultaneously ,remote analysis ,etc ..The theoretical basis of this technique is laser-induced plasma .Accurate measurement of spectral parameters of the plasma (such as spectral line intensity and plasma temperature) is a prerequisite for qualitative or quantitative analysis by LIBS .However ,due to the inherent performance of the instrument in practical experiments ,the distortion of the acquired spectral signal can be caused ,which limits the precise measurement or calculation of the plasma spectral parameters .In order to overcome the impact of instrument performance ,the influences of the inherent shortcomings of the Echelle spectrograph and the transmission fiber used in the experiment on the background noise and the absolute intensity of the spectral line were analyzed .Then ,the spectral background noise was deducted by the peak clipping algorithms ,and the absolute intensity of the spectral line was corrected by using the standard spectral data of the radiometric calibration sources .The spectral line intensity and plasma temperature were compared .It has been shown that the intensity correction has a great influence on the spectral signal with the wavelength less than 380nm forthe alloy steel sample .After the background subtraction and intensity correction ,the plasma temperature was reduced from 13401.75 to 8980.72 K ,and the fitting coefficient of Boltzmann plot for the plasma temperature was increased from 0.60 to 0.91 .Therefore ,it is necessary to take the spectral pretreatment before spectral data processing .It provides the basis to obtain the reliable spectral data for the qualitative or quantitative analysis of the material composition .%激光诱导击穿光谱技术以其无需样品预处理、分析速度快、能实现多元素同时检测和远程分析等优点已经被广泛应用于诸多领域的物质成分定性或定量分析.该技术的理论基础是激光诱导等离子体.对等离子体光谱参数(如光谱谱线强度、等离子体温度等)的准确测量是利用该技术进行定性或定量分析的前提条件.实际的实验系统中,由于仪器本身固有的性能限制,会造成采集光谱信号的失真,从而限制等离子体光谱参数的精确测量或计算.为了克服仪器固有性能的影响,分析了实验系统所用中阶梯光栅光谱仪和传输光纤的固有性能缺点对光谱信号背景噪声和元素谱线绝对强度的影响,然后采用剥峰法对光谱信号中存在的锯齿状背景噪声进行扣除,利用辐射定标光源的标准光谱数据对谱线绝对强度进行校正,并对比了背景扣除和强度校正对等离子体谱线强度和等离子体温度的影响,实验表明谱线强度校正对合金钢等离子体380 nm以下的光谱信号具有较大影响,通过背景扣除和强度校正后,等离子体温度由13401.75 K降低至8980.72 K,玻尔兹曼平面法求解等离子体温度的拟合决定系数由0.60提高至0.91.因此在光谱数据处理之前对测量光谱进行背景扣除和强度校正是十分必要的,为提供可靠地光谱数据进行物质成分定性或定量分析奠定了基础.

摘要： 用Nd:YAG激光诱导激发土壤等离子体,研究了环境压力(在1.01×105与1×102 Pa之间)对土壤等离子体辐射特性及元素检出限的影响.结果表明,随着气压的降低,土壤等离子体的谱线强度、信背比先增大后减小,最高均可达常压下的1.69倍;电子密度同样呈现先增大后减小的趋势,在气压8×104 Pa下达到最大值3.56×1016 cm-3,比常压下高出1.5×1015 cm-3;在气压8×104 Pa下诱导激发等离子体发射光谱与常压下相比有较好的稳定性和较高的精密度.20次重复实验得到土壤等离子体分析线信号强度的相对标准偏差为1.1％,明显低于常压下的3.5％,低气压下稳定性显著提高.应用内标法对自制土壤中Pb元素建立定标曲线,计算得到气压8×104 Pa下土壤中Pb元素的检出限为57.27 mg·kg-1,较常压下降低了39.23 mg·kg-1.表明适当的低压环境可以有效提高LIBS的光谱检测灵敏度,改善元素分析的检出限以及增加光谱定量分析的准确度和精密度.

摘要： 为了增强激光诱导玻璃等离子体的辐射光谱信号,采用直径为10mm的玻璃纤维材质半球空腔对等离子体进行束缚,对比研究了无约束和约束两种实验条件下的辐射光谱信号.由于激光的聚焦情况对玻璃等离子体特性有较大影响,实验首先对激光在样品中的聚焦位置进行了优化,结果表明当样品表面位于透镜焦平面以上3mm处时激光诱导玻璃等离子体辐射光谱最强.然后采用时间分辨光谱对比研究了无约束和半球空腔约束下光谱强度的时间演变规律,并分析了谱线强度增大倍数的时间演变,结果表明在等离子体产生后6~15μs的时间内,半球空腔约束下谱线强度呈现出增强的现象,且具有不同能级的谱线增强程度不同,当采集延时为10μs时具有最优增强效果.最后研究了激光能量对半球空腔约束下等离子体辐射增强效果的影响,研究结果表明,随着激光能量增大,谱线增强倍数逐渐增加,当激光能量超过170mJ以后,谱线增强效果开始下降.

摘要： 本文利用高速摄影机对激光加工过程中伴随产生的等离子体在室温大气压下的动态过程进行监测研究.对等离子体持续过程及其随时间的变化进行实验分析,提出等离子体在通道内突然消失的可能机制,并为进一步控制等离子体的形成提供了实验基础.

摘要： 采用单脉冲YAG激光器、CCD光学多道分析仪,在减压氩气环境下,以低碳钢光谱分析样品中为Fe分析对象,测量了激光微等离子体的电子温度.结果表明在氩气气压33.2KPa,辅助电极电压1200V条件下,二次激发形成的等离子体激发温度随辅助激发高度的升高而降低.

摘要： 采用单脉冲YAG激光器、CCD光学多道分析仪,在减压氩气环境下,以低碳钢光谱分析样品中为Fe分析对象,测量了激光微等离子体的电子温度.结果表明在氩气气压33.2KPa,辅助电极电压1200V条件下,二次激发形成的等离子体激发温度随辅助激发高度的升高而降低.

摘要： 采用单脉冲YAG激光器、CCD光学多道分析仪,在减压氩气环境下,以低碳钢光谱分析样品中为Fe分析对象,测量了激光微等离子体的电子温度.结果表明在氩气气压33.2KPa,辅助电极电压1200V条件下,二次激发形成的等离子体激发温度随辅助激发高度的升高而降低.

摘要： 采用单脉冲YAG激光器、CCD光学多道分析仪,在减压氩气环境下,以低碳钢光谱分析样品中为Fe分析对象,测量了激光微等离子体的电子温度.结果表明在氩气气压33.2KPa,辅助电极电压1200V条件下,二次激发形成的等离子体激发温度随辅助激发高度的升高而降低.

摘要： 采用单脉冲YAG激光器、CCD光学多道分析仪,在减压氩气环境下,以低碳钢光谱分析样品中为Fe分析对象,测量了激光微等离子体的电子温度.结果表明在氩气气压33.2KPa,辅助电极电压1200V条件下,二次激发形成的等离子体激发温度随辅助激发高度的升高而降低.

摘要： 采用单脉冲YAG激光器、CCD光学多道分析仪,在减压氩气环境下,以低碳钢光谱分析样品中为Fe分析对象,测量了激光微等离子体的电子温度.结果表明在氩气气压33.2KPa,辅助电极电压1200V条件下,二次激发形成的等离子体激发温度随辅助激发高度的升高而降低.

摘要： 采用单脉冲YAG激光器、CCD光学多道分析仪,在减压氩气环境下,以低碳钢光谱分析样品中为Fe分析对象,测量了激光微等离子体的电子温度.结果表明在氩气气压33.2KPa,辅助电极电压1200V条件下,二次激发形成的等离子体激发温度随辅助激发高度的升高而降低.

摘要： 利用光纤和光学多道分析仪(OMA)检测激光诱导产生的A1等离子体发射光谱,可使实现系统的光路调试较为简便,同时可方便地检测距靶面不同位置处的谱讯号.本文分别研究了在空气压下谱线宽度随靶距离变化的情况,对激光等离子体的诊断具有重要意义.

摘要： 利用光纤和光学多道分析仪(OMA)检测激光诱导产生的A1等离子体发射光谱,可使实现系统的光路调试较为简便,同时可方便地检测距靶面不同位置处的谱讯号.本文分别研究了在空气压下谱线宽度随靶距离变化的情况,对激光等离子体的诊断具有重要意义.

摘要： 本发明提供了一种基于激光诱导高温等离子体技术的深冷激光冲击强化方法及装置，其工作原理为利用高功率激光束照射掺杂吸收体粉末的液氮产生局部高温等离子体，液氮在高温等离子体作用下迅速气化膨胀形成高速高压气流，并在低温环境下冲击金属表面实现表面强化。本发明有效避免了传统激光冲击强化技术在液氮环境中液氮蒸汽对激光的阻碍作用，同时将激光诱导的等离子体膨胀压力与液氮汽化压力相结合，显著提高了冲击波压力。另外，本发明可以通过多个激光脉冲实现汽化腔连续蓄压，进一步增加金属表面的冲击波压力进而提高其表面强化效果。

摘要： 本发明涉及一种一体化激光诱导增强等离子体光谱采集系统，属于激光等离子体光谱检测领域。一体化激光诱导增强等离子体谱采集系统，包括脉冲激光器、光束提升器、光谱仪、限域环、高压放电电极、ICCD相机、聚焦透镜、样品室、反射镜、可调节的光纤光学接收系统、待测样品、三维电控平移台、成像CCD、气体流量表、气体压力表；本发明的一体化激光诱导增强等离子体谱采集系统，利用较小独立密封空间内环境的控制以及同步控制完成不同LIBS信号的收集，实现了一体化，集成了光谱采集，动态图像分析等功能的高压放电增强、环限域同步增强的LIBS系统，利用样品周围环境压力和保护气的控制实现更准确的测量；快捷方便。有利于工业化生产和应用。

摘要： 本发明提供了一种基于激光诱导高温等离子体技术的深冷激光冲击强化方法及装置，其工作原理为利用高功率激光束照射掺杂吸收体粉末的液氮产生局部高温等离子体，液氮在高温等离子体作用下迅速气化膨胀形成高速高压气流，并在低温环境下冲击金属表面实现表面强化。本发明有效避免了传统激光冲击强化技术在液氮环境中液氮蒸汽对激光的阻碍作用，同时将激光诱导的等离子体膨胀压力与液氮汽化压力相结合，显著提高了冲击波压力。另外，本发明可以通过多个激光脉冲实现汽化腔连续蓄压，进一步增加金属表面的冲击波压力进而提高其表面强化效果。

摘要： 本实用新型公开的属于光谱检测技术领域，具体为一体化激光诱导增强等离子体光谱采集系统，其包括：箱体、箱盖、电动推杆和壳体，所述箱体外部的一侧固定安装有控制面板和显示屏，所述箱体内部的底端固定安装有控制器，所述控制面板电性连接所述控制器，所述控制器电性连接所述显示屏，所述箱体的顶端活动连接所述箱盖，所述箱盖的一侧固定连接有旋转电机，所述旋转电机电性连接所述控制器，所述旋转电机的一侧固定连接所述箱体。该一体化激光诱导增强等离子体光谱采集系统，不仅能够在不使用时将装置保护在密闭箱体内，延长装置的使用寿命，而且能够清除装置上的灰尘，减少清理次数。

摘要： 本发明公开了一种基于激光诱导等离子体光谱的激光焊接优化方法及其装置，该方法包括初步设定N个焊接参数且任选其中一个焊接参数为变量焊接参数、调节该变量焊接参数的值并采集每个变量焊接参数下激光焊接过程中焊接工件的等离子体光谱信号、根据该等离子体光谱信号计算等离子体相对激发温度且由此得到不同变量焊接参数所对应的等离子体相对激发温度、选择最佳焊接质量所对应的变量焊接参数为优化后的结果，该方法具有操作简便、可快速确定合适的激光焊接参数并提高激光焊接质量的优点，本发明的激光焊接装置包括激光器、光谱收集聚焦探头、光谱仪、信号处理器等，具有灵活调节、可获得信号质量好的激光诱导等离子体光谱信号的优点。

摘要： 本发明公开了一种用于激光诱导等离子体光谱的脉冲激光自动对焦装置及方法，装置中，聚焦透镜间隔第二二向色镜设置以接收来自第二二向色镜的脉冲激光和连续可见激光，聚焦透镜支承且经由驱动装置调节处于不同透镜位置，靶材间隔聚焦透镜以接收来自聚焦透镜的脉冲激光和连续可见激光，连续可见激光在靶材上形成聚焦光斑，成像设备朝向第二二向色镜以采集聚焦透镜在不同透镜位置处的聚焦光斑图像，靶材、聚焦透镜、第二二向色镜和成像设备构成聚焦光斑的图像采集光路，控制器连接驱动装置和成像设备，其基于聚焦光斑面积与透镜位置关系生成聚焦光斑面积最小值对应的透镜位置。

摘要： 本发明公开了纳秒激光诱导等离子体复合飞秒激光加工装置及加工方法，加工装置包括飞秒激光器、纳秒激光器、聚焦透镜、透明工件、抛光靶材、工作台和夹具；该抛光靶材装设在工作台上，该透明工件装设在夹具且透明工件和抛光靶材上下布置；该纳秒激光器发出纳秒激光，该纳秒激光经聚焦透镜、透明工件聚焦轰击抛光靶材以产生金属等离子体团，金属等离子体团转移至透明工件背面并反射刻蚀透明工件正面以出现石墨化刻蚀；该飞秒激光器发出飞秒激光，该飞秒激光经聚焦透镜聚焦于透明工件并去除出现的石墨化刻蚀。它具有如下优点：在微纳制造领域应用前景巨大，实现工业上的高精密加工质量需求，解决透明硬脆材料工件的加工难题。

摘要： 一种激光诱导等离子体光谱分析设备，其包括激光器、激光导入系统、光谱导出及收集系统、分光系统和光谱接收系统，其中激光器和光谱接收系统由同一脉冲发生器发送指令控制，激光器发射激光通过导入系统聚焦至样品处，使样品表面形成等离子体、生成激光诱导光谱并通过导出系统将产生荧光导出至光谱收集系统，通过对收集光谱的计算、处理和分析对样品中所含元素进行定性和定量检验。通过在再生放大技术与调Q方式之间的切换，分别使用再生放大技术来实现皮秒脉宽的激光诱导光源输出或通过使用调Q方式来实现纳秒脉宽的激光诱导光源输出。

摘要： 一种可实现激光脉宽从飞秒到皮秒连续变化的激光诱导等离子体光谱分析设备，包括激光器、激光导入系统、光谱导出及收集系统、分光系统和光谱接收系统，其中激光器和光谱接收系统由同一脉冲发生器发送指令控制，激光器发射激光通过导入系统聚焦至样品处，使样品表面形成等离子体、生成激光诱导光谱并通过导出系统将产生荧光导出至光谱收集系统，通过对收集光谱的计算、处理和分析对样品中所含元素进行定性和定量检验，其中利用全固态啁啾脉冲放大飞秒激光器作为激光诱导等离子体光谱分析设备的光源，通过调节啁啾数值来实现激光脉宽从飞秒到皮秒连续变化。

摘要： 本发明公开了一种基于激光诱导等离子体光谱的激光焊接优化方法及其装置，该方法包括初步设定N个焊接参数且任选其中一个焊接参数为变量焊接参数、调节该变量焊接参数的值并采集每个变量焊接参数下激光焊接过程中焊接工件的等离子体光谱信号、根据该等离子体光谱信号计算等离子体相对激发温度且由此得到不同变量焊接参数所对应的等离子体相对激发温度、选择最佳焊接质量所对应的变量焊接参数为优化后的结果，该方法具有操作简便、可快速确定合适的激光焊接参数并提高激光焊接质量的优点，本发明的激光焊接装置包括激光器、光谱收集聚焦探头、光谱仪、信号处理器等，具有灵活调节、可获得信号质量好的激光诱导等离子体光谱信号的优点。