不同样品温度下飞秒和纳秒激光诱导击穿光谱的对比

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激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是用来对样品进行元素鉴别的一种原子发射光谱技术。它的基本原理是:激光脉冲聚焦到样品表面,烧蚀材料产生高温等离子体,通过收集和分析发射的特征谱线就可以确定样品的元素组成。激光诱导击穿光谱技术具有自己独特的优势,例如:对任何状态的物体都可以检测、对样品损伤较小、还可以实现远程在线测量等。因此LIBS技术被应用到各个领域,例如环境研究、文化遗产、生物医学、国防安全等。在这些应用中,最常使用的有纳秒(ns)激光器和飞秒(fs)激光器,由于纳秒和飞秒激光具有不同的脉冲宽度,它们和物质作用时的基本原理也有所区别。对于纳秒脉冲,激光脉冲先烧蚀样品表面产生等离子体,产生等离子体之后,激光脉冲继续与等离子体作用。等离子体吸收了能量,同时被加热,这也阻碍了激光脉冲与样品之间的相互作用,产生等离子体屏蔽效应。这种现象降低了样品的烧蚀效率,会出现待测样品激发程度不高,灵敏度降低等现象。飞秒激光的出现,很好地克服了上述问题。飞秒激光脉冲的宽度极窄,瞬时功率极高,可使样品直接电离成等离子体。飞秒激光聚焦到样品表面时,能量完全沉积到样品表面较小区域中,因此飞秒的热影响区很小。飞秒脉冲极短,因此在脉冲与物质作用时可忽略热传导。这也使fs-LIBS的灵敏度较高,正因如此飞秒激光的应用更广泛。正是由于纳秒和飞秒激光与物质作用的原理不同,ns-LIBS和fs-LIBS也会有所区别。本论文采用升高样品温度来增强LIBS发射信号,研究了样品温度对fs-LIBS和ns-LIBS光谱的影响。本文主要分为四个章节。第一章介绍了激光诱导击穿光谱技术,并对它的发展历程、技术优势、应用领域以及谱线的增强方法都做了简单的介绍。第二章介绍了激光诱导击穿光谱的理论基础,又对ns-LIBS和fs-LIBS进行了简单的分析,还对等离子体的温度、等离子体电子密度求解方式进行了简单的介绍。第三章研究了样品温度变化下的fs-LIBS和ns-LIBS,并对二者进行了对比和分析。实验结果表明,随着样品温度升高,飞秒和纳秒激光诱导等离子体的谱线强度都呈现增强的趋势,而飞秒激光等离子体的谱线强度变化的更明显。对于等离子体温度,两种情况下都是样品温度越高,等离子体温度也越高。二者相比较时发现,纳秒等离子体温度变化的更明显。对于电子密度,随着样品温度的升高,纳秒的等离子体电子密度几乎没有变化,而飞秒激光的电子密度出现了急剧降低的情况。实验还表明样品温度相同时,飞秒、纳秒脉冲的能量越高,谱线强度越强,等离子体的温度越高;而飞秒和纳秒两种情况下的电子密度表现出了不同的现象。纳秒激光脉冲能量越高,电子密度越高;而飞秒激光脉冲能量越高,电子密度越低。第四章总结了本文的研究重点,并对未来的研究工作提出了建议和展望。
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