雙重約束激光誘導擊穿光譜增強技術研究

張麗麗

(呂梁學院 物理系，山西 離石 033001)

0 引言

在1960年發(fā)明激光之后，通過表面的紅寶石激光器證明了第一個有用的激光誘導等離子體(LIBS).激光誘導擊穿光譜技術作為成分分析技術得到了迅速的發(fā)展，如今在各領域都有應用.LIBS可以使用LIP發(fā)出的獨特特征譜線來確定樣品中的元素，可以用于分析任何物質[1]，無論其物理狀態(tài)如何，巖石，玻璃，金屬，沙子，牙齒，骨頭，武器等都可以，而且粉末LIBS可以在大氣、真空、海洋深處或太空探索中進行.在這些應用中，LIBS技術至關重要，可以有效增加等離子體發(fā)射強度和信噪比.為此提出了許多不同的技術，例如火花放電輔助的LIBS[2]，空間約束的LIBS[3]，磁場增強的LIBS[4]，帶有預熱樣品的LIBS[5]等.但是雙重約束能否更有效地增強等離子體，需要我們進一步研究.

本文利用磁場、腔體分別與納米金結合，探究其增強效果及信號信噪比.分析雙重約束的優(yōu)勢及增強機理.

1 實驗裝置

實驗裝置的示意圖如圖1所示，主要設備有產生激光的激光器，用于光譜分析的光譜儀，匯聚激光的聚焦透鏡，數據處理的電腦，放置樣品的樣品臺等.激光器發(fā)射激光打到樣品表面上使得樣品產生等離子體并發(fā)出對應元素的光譜.光纖通過石英透鏡收集激光誘導的等離子體對應的光譜至光譜儀.通過1024*1024像素增強電荷耦合器件(ICCD)檢測光譜分辨的譜線.使用數字延遲發(fā)生器使設備同步.用個人計算機進行數據采集和分析.在這項研究中，控制在同一實驗條件下，激光燒蝕10次所得光譜強度的平均值作為該條件下的光譜值.

在做實驗時，分別將磁鐵、腔體安裝在樣品表面，納米金通過滴管滴到樣品的表面(腔體與磁場的中心)，通過設置參數，分析等離子體隨激光能量的變化.

2 磁場、腔體，納米金約束原理

2.1 磁場增強原理

在樣品周圍施加磁場時，等離子體光譜出現了增強，這是因為激光燒蝕樣品產生等離子體，磁場約束使得等離子體內離子和電子受到洛倫茲力影響，膨脹速度變慢.

圖1實驗裝置示意圖

等離子體在磁場中的膨脹和擴散滿足歐姆定律：

(1)

直至磁壓力與等離子體壓力達到平衡.在此過程中，磁場約束促使電子碰撞電離的概率增加，

進而離子數目增多，引起離子光譜強度增強.磁場使得電子獲得部分焦耳熱，以碰撞的形式傳遞給了離子，電子和離子重新組合可以產生新的原子，因為這個過程從而出現了原子光譜增強現象.

2.2 腔體約束增強原理

通常情況下，高功率密度的激光脈沖誘導產生的等離子體會以激光束中心線為軸向外快速地膨脹，同時伴隨著沖擊波的產生，而沖擊波的運動速度大于等離子體的膨脹速度，這時當外加腔體約束后，沖擊波碰到空腔內壁后會被反射回來，通過腔體壁將沖擊波沿相反方向反射回來壓縮產生的等離子體，通過這一反射使得等離子體的進一步擴散得到抑制.這樣等離子體的體積也隨之變小，這樣一來增加了激光等離子體中高速運動粒子之間相互碰撞的幾率，使得處于激發(fā)態(tài)的原子或離子數密度進一步增加，等離子體的溫度也因此而升高.因此，在使用柱形空腔約束后，可以有效增強激光誘導擊穿光譜.

2.3 納米顆粒增強原理

LIBS技術中，在待測樣品表面沉積一層納米金屬顆粒可以有效地降低等離子體的激發(fā)閾值，提升激光的燒蝕效率，使得樣品在較小能量下可以激發(fā)出光譜，或在相同能量下燒蝕程度更深，譜線強度得到有效增強.

使用Keldysh參數可以估計在激光燒蝕期間等離子體的電離狀態(tài)：

(2)

其中ω為激光頻率，me為電子質量，e為電荷量，VB為勢壘勢能，F為電場強度.當γ>1時，樣品的電離過程主要為多光子電離，而當γ<1時為場輻射過程.當在金屬樣品表面沉積一層納米金顆粒時，激光場將大幅增強，從而使得γ<1，這樣自由電子就主要由場輻射產生，增強了自由電子產生的效率，從而使得等離子體發(fā)射光譜的強度得到極大的增強.

3 結果與討論

3.1 磁場與納米金聯合約束下光譜特性研究

圖2顯示了磁場、納米金結合約束后增強因子示意圖，本文中的增強因子為約束條件下峰值與無約束條件下峰值之比，從圖中我們可以看到，雙重約束增強效果最好，隨著激光能量的增加，增強因子減小.磁場的增強效果優(yōu)于納米金粒子，聯合約束等離子后，增強因子可達18左右.圖3顯示了隨激光能量變化的信噪比變化情況，信噪比為信號峰值與信號附近相同波長距離背景最小值之比.聯合約束信噪比更好.60 mJ時聯合約束信噪比達到最大，磁場納米金單獨都能改善光譜提高信噪比.

3.2 腔體與納米金聯合約束下光譜特性研究

圖4顯示了腔體、納米金結合約束后增強因子示意圖，從圖中我們可以看到，雙重約束增強效果最好，隨著激光能量的增加，增強因子減小.腔體的增強效果優(yōu)于納米金粒子，聯合約束等離子后，增強因子可達22左右.圖5顯示了隨激光能量變化的信噪比變化情況.聯合約束信噪比更好.60 mJ時聯合約束信噪比達到最大，腔體納米金單獨都能改善光譜提高信噪比.

圖2 磁場納米金結合增強因子圖3 磁場納米金結合信噪比

圖4 腔體納米金結合增強因子圖5 腔體納米金結合信噪比

4 結論

本文為了提高激光誘導等離子體的發(fā)射光譜強度，將腔體與納米金結合，磁場與納米金結合來約束黃銅等離子體激光誘導擊穿光譜.實驗結果表明，腔體、磁場、納米金都能對銅光譜起到增強作用，雙重約束下譜線增強效果最好，增強因子磁場與納米金結合可達18左右，腔體與納米金結合增強因子可達20左右，在雙重約束下，信噪比改善最好.