不同样品温度下激光诱导等离子体的空间分辨光谱_李长明.pdf

第 卷，第期 光谱学与光谱分析 ，年月 ，不同样品温度下激光诱导等离子体的空间分辨光谱李长明，陈安民，高勋，金明星长春光华学院工程技术研发中心，吉林 长春 吉林大学原子与分子物理研究所，吉林 长春 长春理工大学物理学院，吉林 长春 摘要激光诱导击穿光谱（）已成为一种很好的材料含量鉴定技术，当前 研究的一个热点方向是提高其检测灵敏度。在改善 分析灵敏度时，最主要的是增加激光烧蚀等离子体（）的光辐射，如火花放电辅助 、磁场增强 、空间约束 、火焰增强的 、共振增强 和双脉冲 。此外，升高烧蚀靶的温度也是提高 光辐射和灵敏度的有效方法，因为烧蚀靶温度升高，其表面反射率降低，这能增强激光与靶之间的耦合。温度升高的靶将耦合更多的脉冲能量，从而增强 光辐射。另外，在靶温度升高后，靶也能加热其表面附近的气体，导致气体密度降低，气体密度的降低可以减少 与气体之间的碰撞，膨胀过程中压力降低，从而间接地增加了 的光谱强度。加热的靶可以显著改善光谱发射强度，但这些研究仅给出了空间积分的光谱，没有进行空间分辨的光谱分析，而 光谱的空间分布将会随靶材温度的变化而变化。因此，有必要研究升高靶温度对 空间分辨光发射的影响。将铜靶加热到更高的温度，用 激光器激发铜产生激光烧蚀的 。通过测量 发射，发现预热铜产生的 发射强度高于室温下的发射强度。对于空间分辨 光谱，发射强度随着离铜靶距离的增加先升高而后降低；靶温度也影响等离子体光谱的空间分布，与未加热的铜相比，预加热靶的空间分辨光谱发射区域移动到距离靶表面更远的位置。另外，根据空间分辨的光谱计算了电子温度和密度随距离铜靶的变化，空间分辨电子温度和密度的分布与发射强度相似，随着靶温度的升高高温高密度的等离子体进一步膨胀了。关键词激光诱导击穿光谱；预加热靶；光谱加强；电子温度；电子密度中图分类号：文献标识码：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（），吉林省教育厅项目（）资助作者简介：李长明，年生，长春光华学院工程技术研发中心讲师 ：通讯作者 ：；引言近年来，激光诱导击穿光谱（）技术已成为一种很好的材料含量鉴定技术。该技术使用脉冲激光烧蚀材料，材料的烧蚀形成激光烧蚀等离子体（），通过确定 的特征谱来分析材料含量。该技术已广泛应用于许多领域，如元素化学分析、放射性物质检测、生物组织分析和同位素分析等。目前，研究的一个热点方向是提高其检测灵敏度。在提高 分析灵敏度时，最主要的是如何增加 的光谱辐射。研究人员采用了一些巧妙的技术来提高 的发射强度，例如：火花放电辅助 、磁场增强 和空间约 束 。此 外，升 高 烧 蚀 靶 的 温 度 也 是 提 高 光辐射和分析灵敏度的有效且直接的技术。主要是因为烧蚀靶温度升高会增强激光与靶之间的耦合，温度升高的靶将耦合更多的脉冲能量，从而增强 光辐射。另外，靶温度升 高 能 加 热 其 表 面 附 近 的 气 体，导 致 气 体 密 度 降低，可以减少 与气体之间的碰撞，从而间接地增加 的光谱强度。等研究了预热靶对 时间分辨光谱的影响，升高靶温度可以提高光谱强度、电子温度和密度。等研究了预热靶对 探测能力的影响，高温有利于原子离子谱线的探测。这些已发表的研究表明，预先加热的靶可以显著改善光谱发射强度，但这些研究仅给出了空间积分的光谱，没有进行空间分辨的光谱分析，而 光谱的空间分布将会随靶材温度的变化而变化。因此，有必要研究升高靶温度对 空间分辨光发射的影响。本文首先讨论了靶温升高时 辐射强度的变化，观察了空间分辨光谱与靶温度之间的关系，通过空间分辨光谱得到了空间分辨电子温度和密度。实验部分空间分辨铜的 光谱的实验示意图如图所示，整个测试在空气的环境中。激发源为一台 激光器，脉宽为 、波长为 。聚焦透镜（焦距为 ）将脉冲束聚焦到样品上并产生 ，激光能量为 。靶被放置在计算机控制的 电动位移台上，位移台在每次激光辐射前将靶移动到新的位置，以便激光照射到新靶表面。烧蚀靶是金属铜，这个铜靶通过导热胶附在加热台上。脉冲激光在靶表面的半径约为 。通过透镜将 成像到光纤头上，光纤头也放置在计算机控制的 位移台上，光纤连接到光谱仪（，）。另外，沿着 的传播轴方向，在距离铜表面不同的位置处检测到 的发射光谱，通过 的位移台改变光纤在 的传播轴上相对于靶表面的位置，可以获得 的空间分辨光谱。最后，光电二极管触发光谱仪以获得激光输出的时间，来同步激光脉冲与光谱仪之间的延迟。每个数据是 次脉冲辐照的平均值。图空间分辨铜的 光谱的实验装置示意图：透镜；：反射镜；：光阑；：光电二极管 ：；：；：；：结果与讨论图显示了六个不同靶温度下空间积分光谱的变化。与室温（）下的光谱相比，加热靶到更高的温度时，范围内的三条 （）线的光谱发射强度更高。这是因为当铜被加热时，激光和铜靶之间的耦合增强，更多的脉冲能量被用于激发铜靶形成 ，从而产生更强的 发射光谱。另一方面，当铜靶被加热时，铜靶表面的空气也被加热了，这导致铜靶表面附近的空气密度降低；周围气体与铜等离子体的碰撞几率降低，降低了 的能量损失。为了了解升高靶温度对铜的 空间分辨光谱的影响，图显示了在两个温度靶下的等离子体光谱随距离靶表面的分布。从图中可以看出，波长范围为 的光谱随距离而变化，时的光谱强度整体上高于 时的光谱强度。从图中还可以看出，时整体光谱发射离靶表面较接近，当温度升高到 时，空间分布的光谱似乎远离了靶表面。这是因为升高靶材温度促使了等离子体羽的进一步膨胀，也就是说高温下 有更高的动能，使得等离子体膨胀得更远。为了更好地理解光谱强度与靶表面距离的变化，需要绘制光谱强度随空间位置的变化曲线。图不同温度下空间积分的光谱 图（）和 （）靶温度下等离子体光谱的空间分布 （）（）图给出了不同靶温度下 和 处谱线峰强度随空间位置的变化。随着距离的增加，光谱强度呈现出先上升后 下 降 的 趋 势，这 个 结 果 类 似 于 已 公 布 的 实 验 结果。随着距离的增加，等离子体光信号增加，到达一定距离后，光信号再次开始减弱，这表明空间位置对光谱强度有着非常重要的影响。此外，随着铜温度的升高，等离子体光第期 李长明等：不同样品温度下激光诱导等离子体的空间分辨光谱谱强度增加，并且，随着铜温度从 升高 ，等离子体发射最大值的靶表面距离从 增加到 。与 膨胀的距离相比，谱线峰值线强度最大值的变化并不显著，谱线最大值也就增加了大约，而 膨胀距离增加了大约 。图不同靶温度下 （）和 （）处谱线峰强度随空间位置的变化 （）（）当靶温度升高时，靶表面附近的空气密度降低，在 膨胀过程中，环境其他密度降低将直接增加 膨胀的距离。等 调查了环境气体压力对 的空间分辨光谱的影响，随着压力的增加，大部分光谱发射发生在离靶表面非常近的距离，在较低的压力下，光谱的空间分布扩展到了较大的距离范围。另一方面，铜靶的温度越高时会吸收更多的激光能量，将具有更高的内能，能得到进一步的膨胀。等 研究了空气中激光能量对钼的 空间分辨光谱的影响，当激光能量为 时，原子辐射在距靶 处达到了最大强度，当能量提高到 时，该距离延长到了 。当前实验结果表明，随着铜温度的升高，膨胀的趋势与增加激光能量时 膨胀的趋势相似。图显示了 羽前随铜靶温度的变化。这里，当光谱强度等于或时，定义了 的羽前。从图中可以看出，当发射强度固定时，对应的距离随着靶温度的升高而增加，表明靶温度的升高将使得等离子体羽膨胀。羽膨胀的距离越远，羽前则离靶表面的距离越大。如前所述，主要是因为，当靶被加热时，靶周围气体分子的温度将升高，从而降低周围空气分子的密度。在繁衍的过程中与周围空气分子碰撞的几率降低。因此，在靶温度升高时，膨胀的距离更长。等离子体温度和密度是两个重要物理量，这两个物理量有助于理解预加热靶条件下 的变化。这里，用 图法和 展宽法计算了电子温度和密度。图法计算 温度如式（）（）（）（）图 羽前随着靶温度的变化（）：光谱强度随着距离和温度的分布；（）：羽前位置随温度的变化 （）：；（）：式（）中，和表示跃迁的上下能级，是跃迁波长，是线强度，是爱因斯坦系数，是上能级统计权重，是能量，是 常数，是等离子体电子温度，是截距。根据已知的光谱参数就可以计算出 的温度。电子密度和谱线宽度之间的关系如式（）（）（）式（）中，是线宽，是电子密度，是电子碰撞系数。测量得到的谱线宽度（）还包括仪器展宽（），与光谱学与光谱分析第 卷 之间 的 关 系 为 （）。本研究使用 来拟合谱线宽度从而得到电子密度。图给出了不同靶温度下 温度和电子密度随铜表面距离的分布。温度和密度随铜表面距离的分布与光谱强度图不同样品温度下等离子体电子温度（）和密度（）随着靶表面距离的变化 （）（）有相似的变化趋势。对于预先加热的铜，电子温度和密度高于室温（）下的电子温度和密度。这是因为铜在高温下的损伤阈值远低于低温下的损伤阈值，同时，随着铜温度的升高，铜反射率降低，铜表面反射率的降低增强了激光与铜之间的耦合，因此预加靶在激光照射产生 的温度和密度要高得多。另外，在增加靶表面距离的过程中，温度和电子密度先增加后降低。温度最高和密度最大的区域是等离子体核心区域，等离子体核心随着温度的升高也进一步远离靶表面。此外，在靶表面附近，不同靶温度下 温度和电子密度的差异很小；当距离从 到 时，差异非常大。也就是说，随着距离的增加，温度和密度缓慢上升，但迅速下降。特别是，这种现象在高温度下更为突出。当 羽膨胀时，热的 与环境空气之间的层位置处具有非常大的温度梯度，由于该层在 膨胀期间被压缩并被空气碰撞，羽前部的密度增加，使得温度快速变化。对于高温靶（典型 ），等离子体羽前附近的电子温度和密度梯度变化比较低靶温度（典型）下的电子温度和密度梯度变化更为明显。这是因为预加热的靶使 羽膨胀得更快，和周围空气之间的层被挤压，碰撞更加剧烈，因此，与室温下的情况相比，在该挤压层处高温靶情况下的电子温度和密度梯度更大。结论探讨了不同温度下铜的 空间分辨光谱。结果发现，预先加热铜后可以激发产生更强的等离子体光谱，随着铜温度的升高，羽前延伸到更长的距离，表明铜靶温度的升高导致 羽的进一步膨胀。此外，计算了 温度和电子密度，这两个参数能更好地理解高温靶下的 空间分辨光谱。空间分辨的电子温度和密度与空间分辨光谱的变化趋势相似，高温高密度的等离子体核也进一步膨胀，同时在 羽前与空气之间的碰撞层位置电子温度和密度梯度更大。，（朱志峰，李博，高强，等）（光谱学与光谱分析），（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，：，（）：，（）：第期 李长明等：不同样品温度下激光诱导等离子体的空间分辨光谱 ，（）：，（）：，（）（），（），；（，；，）光谱学与光谱分析第 卷