克服大气环境干扰的激光诱导等离子体光谱技术研究

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激光诱导等离子体光谱法

图1
2.实验
• 将无水NaCl化学纯、无水KCl化学纯、
无水MgSO4化学纯和无水FeCl3化学纯与蒸馏水相混和，混合液中FeCl3的浓度保持1%,改变NaCl、KCl、MgSO4的浓度,分别倒入滴定管中进行测量。滴定管固定在夹具上,水流表面位于透镜焦点前,以防止空气被击穿,影响测量的谱线强度.
图2
随时间变化,含有MgSO4, NaCl, KCl和FeCl3水溶液样品的LIPS光谱
为了在同一窗口下获得高信噪比及空间上可分辨的测量元素与参考元素的谱线,所取的用于测量Mg、K和Na的谱线窗口分别如图3、4、5所示。
• 图3为当混合液中含有2%的Mg、
0.5%Na、0.5%K和1%Fe时得到的 377.7~386.7nm范围的谱线,这里以Fe 的382.043nm谱线作为内标线,将Mg的 383.826nm谱线强度与之比较。
图6、7、8
• 分别为测得的Mg的浓度(CMg,浓度范围
0.05%~2%)与Fe的浓度(CFe)之比与它们的谱线强度之比(I383.826/I382.043),K的浓度(CK,浓度范围0.5%~2%)与Fe的浓度 (CFe)之比与它们的谱线强度之比 (I404.414/I406.399),Na的浓度(CNa,浓度范围0.1%~1.5%)与Fe的浓度(CFe)之比与它们的谱线强度之比 (I330.232+330.299/I329.813),每个数据是 10发平均结果。
FeCl3,并以Fe元素谱线作为定标线, 且水溶液中Mg、K、Na的浓度范围分别为0.05%~2%、0.5%~2%、 0.1%~1.5%时,测得的Mg、K、Na 浓度与Fe的浓度之比与它们的谱线强度之比呈很好的线性关系,线性相关系数分别为0.99783、 0.99402、0.99267。

激光诱导击穿光谱技术的研究与应用新进展

分的过程只需要到样品的光学过程，不像化学方法所需要的
价较低，操作较为便捷，维护简单等优点，使得利用纳秒激光作为等离子体激发源的ＬＩＢＳ技术具有较好的应用前景。
随着近几年对ｎｓ－ＬＩＢＳ技术研究的深入，利用ｎｓ — ＬＩＢＳ技术
限以及提高元素定量分析的精确性等方面。随着激光技术和
引言
激光诱导击穿光谱技术（１ａｓｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄｂｒｅａｋｄｏｗｎｓｐｅｃ —
光出现了纳秒激光诱导击穿光谱（ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ－ＬＩＢＳ，ｎｓ —
ＬＩＢＳ），飞秒激光诱导击穿光谱（ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ－ＬＩＢＳ，ｆｓ — ＬＩＢＳ），飞秒激光成丝诱导击穿光谱（ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｆｉｌａｍｅｎｔ－ＬＩＢＳ，ｆｉｌａｍｅｎｔ－ＬＩＢＳ），偏振分辨激光诱导击穿光谱（ｐｏｌａｒｉ —
激光诱导击穿光谱技术的研究与应用新进展
邵妍，张艳波，高勋ｈ，杜闯，林景全
１．长春理工大学理学院，吉林长春１３００２２１３０１０３
２．长春新产业光电技术有限公司，吉林长春
摘
要激光诱导击穿光谱技术（ＬＩＢＳ）是一种近年来随着激光技术和光谱检测技术的发展而兴起的对元素

激光诱导等离子体光谱技术

激光诱导等离子体光谱技术
激光诱导等离子体光谱技术（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）是一种分析技术，它利用激光将样品转
化为等离子体，并通过测量等离子体辐射的光谱来识别和定量样品中的元素。

激光诱导等离子体光谱技术的工作原理是，通过将高能、短脉冲的激光照射到样品表面，激光与样品相互作用产生高温、高压的等离子体区域。

在等离子体形成的瞬间，电子会被激发到高能级，随后退回基态时会释放出特定波长的光。

这些光谱信号可以被通过光谱仪器进行检测和分析。

激光诱导等离子体光谱技术具有许多优点，包括快速分析速度、非接触性、无需样品前处理、不受样品形状和状态限制等。

它可以广泛应用于材料分析、环境监测、金属矿产勘探、农产品质量检测等领域。

然而，激光诱导等离子体光谱技术也存在一些限制，比如需要高功率激光及相关设备，对样品表面的清洁程度要求较高，以及在测量过程中可能产生的光谱重叠等问题。

总的来说，激光诱导等离子体光谱技术是一种快速、高灵敏度的分析技术，具有广泛的应用前景，在不同领域的科学研究和应用中发挥着重要作用。

纳秒激光诱导空气等离子体射频辐射特性研究

纳秒激光诱导空气等离子体射频辐射特性研究戴宇佳;宋晓伟;高勋;王兴生;林景全【摘要】开展了波长为532 nm、脉宽为8 ns的纳秒激光诱导空气等离子体射频电磁辐射特性实验研究,基于锥形天线探测空气等离子体在30-800 MHz频谱范围有较强的射频电磁辐射,是等离子体内电偶极子振荡变速运动造成的.实验结果表明:随激光能量增加,30-200 MHz范围内射频辐射强度逐渐变强,但360-600 MHz频率范围射频辐射强度逐渐变弱.等离子体射频辐射的空间分布依赖于入射激光的偏振方向,当激光偏振方向与天线放置方向一致时,该方向上空气等离子体的射频辐射强度高,谱线较丰富.射频辐射总功率随激光能量先增加后降低,采用等离子体电子密度变化对等离子体频率及等离子体衰减系数影响(制约)关系,对射频辐射总功率随激光能量的变化规律进行了解释.%The radio-frequency (RF) emissions in a range from 30 MHz to 800 MHz from the plasma,which is produced by the nanosecond laser (532 nm,8 ns) induced breakdown of atmospheric air,are presented.A spectrum analyzer which can scan over a spectral range of 9 kHz-26.5 GHz is used to record the RF-range radiation intensities of the emission from the plasma.RF electromagnetic radiations from the laser induced breakdown of atmospheric air are obtained for different input laser energies.A half-wave plate and a Glan prism are used to vary the input laser energy.Experimental results show that the intensities of RF radiation in a range of 30-200 MHz increase with the increase of laser energy,but the intensities of RF radiation in a 360-600 MHz frequency range decrease.To study the effect of input laser polarization on the RF radiation,we adopt the input lasers with vertical and horizontal polarizationrespectively.When the polarizations of the input laser and the antenna are the same,the RF radiation intensity is relatively high,and the frequency lines are relatively abundant.The changing relationship between the total power of RF radiation and the energy of the input laser is calculated and analyzed.It is observed that the total power of RF radiation first increases and then decreases with the increase of input laser energy.The influences of the plasma electron density on the plasma frequency and the plasma attenuation coefficient are investigated to explain the relationship between the total power of the RF radiation and the laser energy.The RF radiation is caused by the following processes.The generated electrons and ions are accelerated away from the core by their thermal pressures.This leads to charge separation and forming the electric dipole moments.These oscillating electric dipoles radiate electromagnetic waves in the RF range.Furthermore,the interactions of electrons with atomic and molecular clusters within the plasma play a major role in RF radiation,and the low frequency electromagnetic radiation takes place from the plasma that is far from fully ionized state.Further study of the characteristics of RF electromagnetic radiation is of great significance for understanding the physical mechanism of the interaction between laser and matter.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)018【总页数】5页(P143-147)【关键词】纳秒激光;空气等离子体;射频电磁辐射【作者】戴宇佳;宋晓伟;高勋;王兴生;林景全【作者单位】长春理工大学理学院,长春 130022;长春理工大学理学院,长春130022;长春理工大学理学院,长春 130022;长春理工大学理学院,长春 130022;长春理工大学理学院,长春 130022【正文语种】中文强激光与物质(固体、气体等)相互作用时诱导产生等离子体是一种重要的电磁波辐射源,其电磁辐射包含极紫外、紫外、可见、红外、太赫兹直至射频等有着重要应用的较宽波段[1,2].激光诱导击穿光谱、太赫兹远程遥感[3]、X射线天文仿真[4]及激光探地雷达[5]等都是利用激光诱导靶材产生等离子体电磁辐射的相关应用.二十世纪六十年代,苏联Basov等[6]提出利用强激光实现“惯性约束聚变”,研究过程中发现在核聚变试验中产生巨大的电磁脉冲(射频、微波等)会对电子设备产生干扰和破坏.Brown等[7]在真空腔内利用国家点火计划高能激光作用于金属靶过程中产生了较强的电磁脉冲,电磁脉冲通过探测器耦合到整个系统的电子回流中,对信号探测产生了极大的干扰甚至数据丢失.为了屏蔽等离子体电磁辐射对电子设备的干扰,研究等离子体的电磁辐射特性具有重要的意义.Pearlman和Dahlbacka[8]在实验中首次观察到激光诱导等离子体的射频辐射(频率范围1—330 MHz),认为等离子体射频辐射与等离子体内的宏观电荷分离振荡、靶材特性和真空腔谐振模式有关.Cheng等[9]认为飞秒激光诱导产生等离子体通道的电磁辐射来源于等离子体通道内的偶极子振荡,并且以等离子体振荡频率向外辐射电磁波.Hosseini等[10]基于等离子体丝内振荡辐射电磁波的辐射强度,用来测量飞秒激光脉冲诱导等离子体丝长度.Nakajima等[5]提出激光探地雷达技术,利用激光诱导等离子体的微波辐射实现物质的远程探测.Vinoth Kumar等[11]研究了纳秒和皮秒脉冲激光诱导空气、铝、铜等靶材诱导等离子体射频电磁辐射(30 MHz—1 GHz)特性,实验结果表明纳秒激光击穿空气时所辐射出的电磁辐射频谱成分较皮秒击穿空气时的情形丰富.Consoli等[12]发现激光等离子体的射频辐射特性与激光功率密度和靶材特性有关.研究结果表明激光诱导等离子体的低频电磁辐射(射频、微波)频谱特性与激光波长、脉宽、偏振以及能量密度有关,但是射频电磁辐射的产生机制尚不清晰,需要进一步深入研究.本文开展纳秒激光诱导空气等离子体的射频电磁辐射特性研究,分析激光偏振方向对射频电磁辐射频谱特性的影响,给出激光能量影响射频辐射功率的规律.纳秒激光诱导空气等离子体射频辐射的实验装置如图1所示.实验采用输出波长532 nm、重复频率10 Hz、脉宽8 ns的Nd:YAG激光器(Continuum,Suerlite II)作为诱导击穿空气等离子体的激发光源,激光光束直径为10 mm,偏振方向为垂直偏振,最大输出能量为250 mJ.实验中采用半波片和格兰棱镜组成能量衰减系统改变激光脉冲能量,激光光束经焦距为200 mm的平凸石英透镜聚焦击穿空气产生等离子体.在石英透镜前放置半波片,用来改变入射激光的偏振方向.实验中采用一双锥形天线(Lindgren,3180B,探测范围:3 MHz—1 GHz)收集空气等离子体向外辐射的射频电磁波,天线口径尺寸为400 m×300 mm,天线收集的射频电磁辐射信号利用频谱分析仪(Agilent,E4407B,频率范围:9 kHz—26.5 GHz)记录,得到空气等离子体射频电磁辐射的频谱范围及辐射强度.数字延时触发器(Stanford,DG645)同步触发激光器和频谱分析仪.为了减少实验误差,保证数据的稳定性,频谱分析仪采集50发脉冲产生的等离子射频辐射做平均.双锥形天线垂直放置,平行于X轴;天线水平放置时,平行于Y轴.激光光束垂直偏振时,偏振方向平行于X轴;激光光束水平偏振时,偏振方向平行于Y轴(见图1).本实验在标准大气压、室温25◦C、相对湿度为25%环境中进行.本文研究频率小于1 GHz的等离子体的射频电磁辐射.天线距离激光焦点约为0.27 m,对于频率为小于或者等于1 GHz左右的射频,该探测距离满足射频电磁波的远场接收条件,即R>2D2/λ,其中D是天线口径(200 mm),R是辐射源距天线的距离,λ是辐射波长.在远场区,等离子体的射频辐射空间角分布与接收天线和辐射源的距离无关[13].图2是在激光水平偏振(H)、天线垂直放置(V)条件下获得的脉冲能量从5—100 mJ诱导击穿空气等离子的射频电磁辐射.由图2可知,在30—700 MHz频率范围内,空气等离子体存在多条线谱的射频辐射,主要分布在30—200 MHz,360—600 MHz范围内,而在200—360 MHz和600—700 MHz频率范围内,射频辐射谱线非常少且强度较低.射频辐射频率与诱导击穿空气的激光脉冲能量密切相关.在30—200 MHz低频范围内,随着脉冲能量增加,空气等离子体的射频辐射谱线增多,并且射频辐射强度增加,当脉冲能量大于60 mJ后,射频辐射谱线强度变小;在360—600 MHz频率范围内,脉冲能量低于20 mJ时,射频辐射的谱线强度均大于30—200 MHz低频射频辐射,随着能量增大,射频辐射谱线强度变弱,并且射频辐射谱线数目减小.纳秒激光脉冲诱导击穿空气产生等离子体,在等离子体膨胀过程中,等离子体内的电子和离子在等离子体压强作用下加速远离激光聚焦位置,并且出现分离,形成电子-离子构成的电偶极子,在不同方向上都可能形成偶极子,这些电偶极子在库仑力作用下做变速振荡,从而向外辐射电磁波[14],辐射的电磁波频率与电偶极子的振荡频率相等[9],且这些电偶极子的振荡属于集体效应.空气等离子体中的电偶极子振荡频率(k 为恢复系数,m为电偶极子质量),纳秒激光诱导击穿空气产生的空气等离子体中存在O+,O2+,O3+,N+,N2+,NO+,H+等离子基团[15],这些离子基团与电子形成电偶极子的质量m不同,对应的偶极矩不相同,因此电偶极子振荡过程中的恢复系数k 不相同,从而电偶极子的振荡频率是一些分立值,因此空气等离子体内的电偶极子辐射的电磁波频率呈现为一些分立值.由于空气等离子体扩张体积大[16],造成空气等离子体中偶极子的偶极矩具有较大跨度,因此空气等离子体的射频辐射谱线较为丰富.脉冲激光能量为100 mJ,天线垂直放置(V)时,不同激光偏振方向(水平H和垂直V)条件下的空气等离子体射频辐射如图3所示.由图3可知,在垂直和水平两种偏振方向激光作用下,在30—700 MHz范围内,空气等离子体射频电磁辐射谱线频谱基本一致,且在200—350 MHz频率范围内,射频辐射谱线都较少.当激光偏振方向由水平变为垂直方向时,在100—200 MHz频率范围内,空气等离子体射频辐射强度变小,而在350—600 MHz频率范围内,射频辐射强度增加显著.整体来看,当天线放置方向与激光偏振方向一致时,在天线的接收方向上空气等离子体的射频辐射强度大且谱线丰富,这一规律与Vinoth Kumar研究小组[11]研究结果一致.这说明等离子体射频辐射的空间分布依赖于入射激光的偏振方向,在平行于激光偏振方向上等离子体射频辐射强度大,而在垂直于激光偏振方向上射频辐射强度较弱.导致这一现象出现的原因可能是:电子在线偏振光作用下主要沿偏振光方向振荡[17],而离子质量较大,线偏振光对其作用可以忽略,考虑等离子体中这些电偶极子的振荡主要沿激光偏振方向,因此在垂直激光偏振方向上其辐射强度较弱.激光垂直偏振(V)、天线垂直放置(V)条件下,空气等离子体在30—700 MHz范围内射频电磁辐射功率随激光能量变化如图4所示.由图4可知,随着激光能量的增加,等离子体射频辐射功率存在先增加后降低的变化趋势.等离子体射频电磁辐射的本质主要取决于两个因素[18]:1)激光诱导等离子体的特性,例如等离子体的电离度,它决定了等离子体的组成(电子、离子、中性原子和分子簇);2)等离子体中电荷分离的不稳定性和电荷振荡的衰减.这两个因素对等离子体的射频辐射总功率有较大影响.因此,低频电磁辐射发生在远没有完全电离的等离子体中.空气等离子体在射频和微波频率范围内的总功率为[19]其中,ωp是等离子体频率,p是净偶极矩,ε0为自由空间介电常数,c为光速.空气等离子体产生的射频电磁辐射向外辐射的过程中,存在辐射衰减,衰减系数γ[20]与等离子体频率紧密相关,其中me为电子质量.因此,等离子体频率ωp越大,则空气等离子体射频电磁辐射向外辐射过程中衰减系数变大,到达锥形天线处接收一定空间立体角内的射频辐射强度变弱.电子密度(ne)和等离子体频率(ωp)满足关系:其中,e,me和ε0分别是电荷量、电子质量和自由空间介电常数.激光诱导等离子体内的电离度与激光能量有关[21].当激光能量较低时,空气等离子体的电离度较低[22],电子与中性原子簇和分子相互作用概率大,造成空气等离子体的射频辐射功率比较高.随着激光能量增加,空气等离子体的电离度增大,等离子体电子密度随之增大,电子与中性原子、分子相互作用概率减少,等离子体中形成偶极子的概率减少;另一方面,等离子体频率ωp随电子密度ne的增加而增大,等离子体射频电磁辐射的衰减系数γ随之变大,从等离子体中向外辐射的射频辐射强度变弱.总之,诱导空气击穿的脉冲能量增大,出现空气等离子体的射频辐射强度降低变化.本文开展了波长532 nm纳秒激光诱导空气等离子体射频电磁辐射特性的研究,实验结果表明,空气等离子体在30—800 MHz频率范围内有较强的射频电磁辐射产生.射频辐射的产生原因主要为等离子体内电偶极子振荡做变速运动造成的,辐射特性与等离子体内的电子与原子和分子簇等中性粒子的相互作用有关.实验发现,随着诱导击穿空气的脉冲能量增加,30—200 MHz低频范围内的射频辐射强度逐渐变强,但360—600 MHz频率范围射频辐射强度逐渐变弱.天线测量的等离子体射频辐射的空间分布依赖于入射激光的偏振方向,在平行于激光偏振方向上等离子体射频辐射强度大,而在垂直于激光偏振方向上射频辐射强度较弱.随着诱导击穿空气的激光能量增加,等离子体射频电磁辐射的衰减系数快速增加,从而使等离子体射频辐射功率逐渐降低.对射频电磁辐射特性的进一步研究,对于人们深刻理解和掌握激光与物质相互作用的物理规律及机制具有重要意义.PACS:52.25.Os,52.70.Gw DOI:10.7498/aps.66.185201*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61575030).†Corresponding author.E-mail:********************.cn‡Corresponding author.E-mail:*****************【相关文献】[1]Chen Z Y,Li J F,Li J,Peng Q X 2011 Phys.Scr.83 055503[2]Li N,Bai Y,Liu P 2016 Acta Phys.Sin.65 110701(in Chinese)[李娜,白亚,刘鹏2016物理学报65 110701][3]Dai J M,Lu X F,Liu J,Ho I C,Karpowicz N,Zhang X 2009 THz Sci.Tech.2 131[4]Sizyuk T,Hassanein A 2014 Phys.Plasmas 21 083106[5]Nakajima H,Shimada Y,Somekawa T,Fujita M,Tanaka K A 2009 IEEEGeosci.Remote.Sens.Lett.6 718[6]Basov N G,Kriukov P,Zakharov S,Senatsky Y,Tchekalin S 1968 IEEE J.Quant.Elect.4 4864[7]Brown C G,Bond E,Clancy T,Dangi S,Eder D C,Ferguson W,Kimbrough J,Throop A 2010 J.Phys.:Conf.Ser.244 032001[8]Pearlman J S,Dahlbacka G H 1978 J.Appl.Phys.49 457[9]Cheng C C,Wright E M,Moloney J V 2001 Phys.Rev.Lett.87 213001[10]Hosseini S A,Ferland B,Chin S L 2003 Appl.Phys.B 76 583[11]Vinoth Kumar L,Manikanta E,Leela Ch,Prem Kiran P 2014 Appl.Phys.Lett.105 064102[12]Consoli F,Angelis R D,Andreoli P,Cristofari G,Giorgio G D 2015 Phys.Procedia 62 11[13]Balanis C A 1982 Antenna Theory:Analysis and Design(New York:Johnwiley&Sons)pp989–990[14]Kumar V,Elle M,Paturi P K 2017 J.Phys.:Conf.Ser.823 012008[15]Smith D,Adams N G,Miller T M 1978 J.Chem.Phys.69 308[16]Leela C,Bagchi S,Kumar V R,Tewari S P,Kiran P P 2013 Laser.Part.Beams.31 263[17]Tian Y,Yu W,He F,Xu H,Kumar V,Deng D,Wang Y,Li R,Xu Z Z 2006 Phys.Plasmas 13 123106[18]Akcasu A Z,Wald L H 1967 Phys.Fluids 10 1327[19]Jackson J D 1975 Classical Electrodynamics(New York:John wiley&Sons)pp13–34[20]Gosnell T R 2002 Fundamentals of Spectroscopy and LaserPhysics(Cambridge:Cambridge University Press)p12[21]Zhang H,Cheng X L,Yang X D,Xie F J,Zhang J Y,Yang G H 2003 Acta Phys.Sin.52 3098(in Chinese)[张红,程新路,杨向东,谢方军,张继彦,杨国洪 2003物理学报52 3098][22]Vinoth Kumar L,Manikanta E,Leela Ch,Prem Kiran P 2016 J.Appl.Phys.119 214904。

激光诱导击穿光谱技术及应用研究进展

激光诱导击穿光谱技术及应用研究进展侯冠宇;王平;佟存柱【摘要】激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种基于原子发射光谱学的元素定性、定量检测手段.本文介绍了LIBS技术的原理、应用方式、检测元素种类及检测极限；综述了该项技术在固体、液体、气体组分检测方面的技术发展,以及在环境检测、食品安全、生物医药、材料、军事、太空领域的应用进展.最后,提出了高功率、高稳定的激光光源和准确的定量分析方法是LIBS技术目前所面临的问题和挑战.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2013(006)004【总页数】11页(P490-500)【关键词】激光诱导击穿光谱;激光产生等离子体;元素分析;检测限【作者】侯冠宇;王平;佟存柱【作者单位】南京林业大学化学工程学院,江苏南京210037;南京林业大学化学工程学院,江苏南京210037;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】O433.54;O657.319激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS）技术是利用激光照射被测物体表面产生等离子体［1-2］，通过检测等离子体光谱而获取物质成分和浓度的分析技术。

相比于传统的光谱分析方法，如原子吸收光谱分析、电感耦合等离子体-原子发射光谱、电感耦合等离子体-质谱分析，LIBS技术具有快速（数秒钟就可以得出结果）、灵敏（检测限达到10-6～10-12）、多元素、远距离在线同时检测等优点而被广泛关注，是一种极具应用潜力的分析检测技术。

这项技术伴随着激光的发展而产生，上个世纪60年代初，F. Brech等人［3］在会议文摘中首次提出将激光作为原子发射光谱激发源的想法。

1963年，Debras-Guedon等人［4］将LIBS技术应用于光谱表面分析，随后Maker等人［5］于1964年将LIBS应用于气体分析，同一年，Runge等人［6］将LIBS技术应用于金属探测，随后LIBS技术开始被各国科学家广泛研究。

空气中激光清洗过程的等离子体光谱分析

律一致，相对标准差基本相同，以采用单次测量的光谱图变化表示清洗过程中状态。面污染的铜币光且可表
谱图中包含多元素原子谱线和连续谱线，清洗干净铜币的光谱图连续谱线消失且只有铜元素谱线，观察谱线变化就可以表明样品是否被清洗干净。
子体光谱的分析用于激光清洗过程的在线检测具有无可比拟的优点［，别是在大气环境下，可快速分析样品表面污染２特］的多种元素成分、分辨率高、在线监测系统设备简单、易维护和便于携带等优点。而这些优点都是在线分析所要求具备
的，适合外场及移动式检测。更希腊电子结构与激光研究所的研究人员，采用ＬＢＩＳ控制污染的砂岩和中世纪的彩色玻璃的清洗过程，同时确定材
速产生高温、高密度的等离子体，等离子体的辐射光谱信号通过一个专用探测头接收。了更好地采集信号，必须将样为品的冲击点光线汇聚到探测头，用光路可逆原理，采用利
基金项目：国家自然科学基金重点项目（０３０１，５７５０）国家自然科学基金项目（０００７和江苏省博士研究生创新基金项目（Ｘ９－９Ｚ资１８４３）Ｃ０Ｂ１０）
空气中激光清洗过程的等离子体光谱分析
佟艳群，张永康，姚红兵，孟春梅，管海兵
江苏大学机械工程学院，江苏镇江２２１１０３
摘
要在空气环境下，激光诱导等离子体光谱用于激光清洗状态的在线分析快速而准确。该文利用中阶

激光诱导击穿光谱技术在气体分析中的应用

激光诱导击穿光谱技术在气体分析中的应用随着现代工业和科学技术的不断发展，对气体进行分析和检测的需求日益增加。

数十年来，许多技术和方法已经被开发出来，为研究人员和工业界提供了有关气体组成和结构的信息。

其中，激光诱导击穿光谱技术在气体分析中发挥了重要作用，成为各领域研究者和技术工作者的重要工具。

一、激光诱导击穿光谱技术的基本原理激光诱导击穿是一种利用高强度激光脉冲对气体进行非线性光谱测量的技术，其基本原理是对被测气体输入恒定脉冲宽度、小至纳秒级的激光脉冲，通过激光诱导击穿的方式在气体中产生等离子体。

在等离子体产生过程中，气体分子会在一瞬间获得足够的激发能量而分裂和电离，产生气体发射光谱。

同时，被激励的分子会快速地从其激发态跃迁回基态，从而产生特定频率的吸收光谱。

通过对产生的光谱进行分析，可以确定气体的成分及其浓度。

二、激光诱导击穿光谱技术在气体分析中的应用激光诱导击穿光谱技术主要应用于气体检测和分析等领域，具有高精度、非破坏性、实时性等优点。

1.大气成分分析激光诱导击穿光谱技术对于大气成分的检测有一定的应用，其可以用于空气中主要气体成分的探测，如氮氧等。

在环境调查、天气预报和大气污染监测等方面有广泛的应用。

2.工业生产中的气体分析激光诱导击穿光谱技术还可以用于工业生产中针对许多气体的分析以及火山和地质矿物等自然气体的监测。

例如，利用激光诱导击穿光谱技术可以确定煤气的组分和浓度，为工业煤气化过程中的安全生产提供有力支持。

3.医疗检测激光诱导击穿光谱技术应用于医学检测中，能够检测血液中的含氧量，分析出身体健康状况并得以及时了解疾病的发展趋势。

三、激光诱导击穿光谱技术的发展前景作为一种灵敏度高、分辨率好、快速精准的气体分析技术，激光诱导击穿光谱技术在近年来得到了广泛的关注和应用。

未来，随着激光器、仪器和计算机技术的不断进步和发展，激光诱导击穿光谱技术可以更加普及，将成为气体分析领域中的主要分析方法之一。

总之，激光诱导击穿光谱技术在气体分析领域中有着广泛的应用，其优势在于高分辨率、高精度、实时性和非破坏性等。

《不同气氛环境下有机物的激光诱导击穿光谱特性研究》

《不同气氛环境下有机物的激光诱导击穿光谱特性研究》摘要本研究针对不同气氛环境下有机物的激光诱导击穿光谱（LIBS）特性进行了系统研究。

通过对多种有机物在不同气氛中的LIBS光谱进行分析，探讨了气氛对有机物LIBS特性的影响。

本文首先介绍了研究背景与意义，随后阐述了实验方法与材料，接着详细分析了实验结果，最后对研究结果进行了总结与展望。

一、研究背景与意义激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种无损、快速、多元素分析的技术，广泛应用于物质成分的定性、定量分析。

然而，对于有机物的LIBS特性研究尚处于起步阶段，特别是在不同气氛环境下的研究更显不足。

因此，本研究旨在探讨不同气氛环境下有机物的LIBS特性，为有机物的分析、检测和鉴别提供新的方法和思路。

二、实验方法与材料1. 实验材料实验中所选用的有机物包括苯、甲苯、乙醇等常见有机物。

为模拟不同气氛环境，实验中分别在空气、氮气、氧气等气氛下进行LIBS实验。

2. 实验方法采用激光诱导击穿光谱技术，对不同气氛环境下的有机物进行光谱采集。

实验中，激光器发出高能激光脉冲，作用于样品表面，引发等离子体产生，通过光谱仪收集等离子体发射的光谱信息。

三、实验结果与分析1. 光谱特性分析在空气、氮气、氧气等不同气氛环境下，有机物的LIBS光谱表现出不同的特性。

在空气中，光谱中出现了较多的谱线，而在氮气和氧气中，谱线数量相对较少。

这表明气氛对有机物的LIBS光谱具有显著影响。

2. 元素成分分析通过对光谱进行分析，可以得出不同气氛环境下有机物的元素成分。

在空气中，除了有机物本身的元素外，还检测到了氧气、氮气等气氛中的元素。

而在氮气和氧气中，主要检测到有机物本身的元素。

这表明气氛对有机物元素成分的检测具有重要影响。

3. 激光参数对光谱特性的影响激光参数（如激光脉冲能量、波长、重复频率等）对有机物的LIBS光谱特性也具有重要影响。

实验中，通过调整激光参数，发现不同参数下光谱特性存在差异。

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关键词：光诱导等离子体光谱技术；激大气分子干扰；气压；低雪崩电离；多光子吸收电离
中图分类号：Ｎ４；Ｈ４．１Ｔ２７Ｔ７４１文献标识码：Ａ
Ｓｕｙｏｈａｅｎｕｅｒａｄｗｎｓｅｔｏｃｐｖｒｏｉｇｔｅｔｄｎｔｅｌｓｒｉｄｃｄｂｅｋｏｐｃｒｓｏｙｏｅｃｍｎｈ
的物理机制解释了大气分子干扰固态样本测量结果的原因，建立了既能够提供低气压工作环境又方便实用的激光诱导等离子体光谱探测装置，开展了低气压环境下的试验研究，证明了大气分子元素干扰固态样本测量结果的客观存在，同时证明了低气压环境能够有效避免或者缓
解大气分子干扰问题的可行性。
ｔｎａｓｒｔｏｏｉａｉｎｏｂｏｉｎｉｎｚｔｏｐ
１引言
制备过程；激光单脉冲微创探测能力使得元素探测过程近似于无损探测；多通道光谱探测技术使得一次探测就可以得到被测物质中所有元素的组成信息；激光脉冲的高频率发射能力和光谱仪器的高帧
第４Ｏ卷第４期
２１００年４月
激光与红外
ＬＡＳＥＲ＆ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖ０｜ｏ．ｌ４Ｎｏ．４Ａｎｌ２０１ｉｒ，０
文章编号：０－７（０００－５－１・激光应用技术・
克服大气环境干扰的激光诱导等离子体光谱技术研究
吕刚，亓洪兴，明忠，志平，潘何闫志欣，舒嵘
（中国科学院上海技术物理研究所，上海２０８）００３
摘
要：绍了激光诱导等离子体光谱技术的工作原理，过阐述激光诱导等离子体光谱产生介通
ｐｅｅｉｔｒｒｓｉｅＬＢｅｕｔｆｈｏｉａｌｓｉｉｔｒｒｔｄｂｘａｉｔｇｔｅｐｙｉａｒｎｉｌｆｅｅａｉｇｈｒｎｅｅｅｎｔＩＳｒｓｌｏｅｓｌｓｍｐｅｓｎｅｐｅｅｙｅｐｔｉｈｓｌｐｃｐｅｏｎｒｔｆｈｔｄａｎｈｃｉｇｎｔｅｐａｍａｓｅｔｍ．ＩＳｅｐｒｍｅｔｌｓｓｅｆｒｅｌｗｐｅｓｒｏｄｔｎｗａｅｕｎｈｏｖｎｅｔｘｅｉｈｌｓｐｃｒｕＡＬＢｘｅｉｎａｙｔｍｏｒｓｕｅｃｎｉｏｓｓｔｐａｄｔｅｃｎｅｉｎｐｒ— ｈｔｏｉｅｍｅｔｔｈｗｐｅｓｒｓｗｅｅｃｒｉｄｏｔＴｅｐｓｉｉｔｏｅｉｔｒｒｒｒｍｅａｍｏｐｅｅｉｔｓｉｅ．ｈａｉｎｓａｅｌｒｓｕｅｒａｒｕ．ｈｏｓｂｌｙｆｔｅｆｅｏｔｔｓｈｒｓｅｔｉｄＴｅｆｓ— ｔｏｅｉｈｎｅｆｈｆｅｂｌｙｏｅｉｅａｒｉｇｏＩＳｅｐｒｍｅｔａｏｒｓｕｅｔｖｒｏｔｓｈｒｎｅｅｅｉｖｉａｅ．ｉｔｆｈｄａｃｒｎｎＬＢｘｅｉｔｙｉｎｔｌｗｐｅｓｒｏｏｅｃｍｅａｍｏｐｅｅｉｔｒｒｓａｄｔｄｆｌＫｅｒｓｌｅ — ｄｃｄｂｅｋｏｐｃｒｓｏｙａｍｏｐｅｅｉｔｒｅｅｌｗｐｅｓｒ；ｖｌｎｈｏｉａｉｎ；ｌｐｏｙｗｏｄ：ａｒｉｕｅｒａｄｗｎｓｅｔｏｃｐ；ｔｓｈｒｎｅｒ；ｏｒｓｕｅａａａｃｅｉｎｚｔｓｎｆｏｍｕｔｈ — ｉ
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（ｈｎｈｉｎｔｕｅｏＴｃｎｃｌｈｓｓＣｉｅｅＡａｅｙｏＳｉｎｅＳａｇａ２０８，ｈｎ）ＳａｇａＩｓｔｔｆｅｈｉａＰｙｉ，ｈｎｓｃｄｍｆｃｅｃ，ｈｎｈｉ００３Ｃｉａｉｃ
Ａｓｒｃ：ｈｏｋｎｒｃｌｏｅｌｓｒｎｕｅｒｋｏｎｓｅｔｓｏｙ（ＩＳｓｎｏｕｅ．ｏｅａｏ－ｂｔｔＴｅｗｒｉｐｎｉｅｆｈｅｉｄｃｄｂｅｄｗｐｃｏｃｐＬＢ）ｉｉｔｄｃｄＨｗｔｔｓａｇｉｐｔａａｒｒｈｍ
频探测能力可以最大程度地减小探测时间，等等；正
激光诱导等离子体光谱技术是近年来逐渐兴起的一种新的物质元素探测技术，虽然其工作原理早在３０年前就被人们所知晓，真正意义上的实际应但用却是在２纪９０世０年代随着激光器技术和光谱探测技术的逐渐成熟才慢慢发展起来的¨ 。实际上Ｊ