激光偏振与样品温度对飞秒激光诱导击穿光谱的影响

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激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是一种以激光和物质相互作用为基础的元素检测和分析技术。LIBS基本原理为脉冲激光经聚焦透镜会聚于样品表面,使得样品表面迅速升温并蒸发出微克量的样品,这些微克量级的样品在瞬间的融化和气化过程中产生高温高压的等离子体,这些等离子体迅速膨胀,辐射出光学信号。最后用光纤收集这些光学信号,并加以分析便可以获得样品的元素信息。LIBS技术具有许多优点,如:操作方便、成本低廉、检测范围广等,这些优点使得LIBS技术在物质元素分析中占有重要地位。但LIBS尚不是一项十分完美的物质元素检测和分析的技术,还有一些不足之处,例如:检测灵敏度低、探测精确度低等,这些不足使得LIBS技术在一些领域的应用中有一定的局限性。目前,已经有许多关于提升LIBS技术探测灵敏度的研究成果,例如:预加热LIBS、纳米粒子LIBS、空间约束LIBS、双脉冲LIBS、偏振增强LIBS等。其中,预加热LIBS是目前普遍应用的光谱强度增强方法,其基本原理是预热靶材料能够降低样品烧蚀阈值并降低样品表面反射率,加强激光与靶材的耦合,增大等离子体喷射密度,导致等离子体谱线强度增强。此外,改变脉冲激光的偏振也可以增强等离子的光谱强度,因为圆偏振和线偏振的脉冲激光对自由电子的加速机制不同,线偏振飞秒激光可以呈周期性的交替加减速自由电子,而圆偏振飞秒激光可以持续加速自由电子,导致相同的自由电子在圆偏振的飞秒激光场中可以获得更高的速度和动能。因此,圆偏振激光激发的等离子体光谱强度更强。综上,改变激光偏振和预热靶材料都能使LIBS光谱增强。但研究两个方法结合起来对LIBS光谱影响的实验很少。因此,本论文研究了激光偏振和预热靶材料对LIBS光谱的影响。本论文由四章组成。第一章阐述了LIBS技术的简介、研究现状、优点与应用以及增强LIBS的方法。第二章叙述了LIBS的基本理论,包括:等离子体形成原理和机制,以及描述等离子体的两个基本参数。第三章介绍了不同激光偏振和样品温度下的飞秒激光诱导铜等离子体光谱。结果表明升高样品温度和改变激光偏振的组合增强效果比单独升高样品温度或仅改变激光偏振要强很多。第四章对本文实验结果进行了总结,并对该研究后续的工作提出建议和期待。
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