激光探针自吸收效应抑制方法研究

论文摘要

激光探针,又称激光诱导击穿光谱（LIBS）,是一种元素快速分析技术,其基本原理是利用高能量脉冲激光聚焦到待测样品表面激发产生等离子体,然后根据等离子体发射光谱的特征波长和强度来推导出待测样品的元素种类及含量。激光探针因具有快速、原位、微损、无需样品制备、全元素同步分析以及远程探测等诸多固有优点,逐渐成为国内外的研究热点,并已经初步应用于冶金工业、农业生产、环境监测、食品安全、生物医药和太空探测等领域。然而,LIBS自吸收效应的存在,严重干扰了激光等离子体的发射光谱,破坏了光谱强度与元素浓度之间的线性映射关系,导致该技术与传统的元素分析技术相比存在定量分析精准度相对较差的问题,阻碍了LIBS的进一步发展和应用。本论文在研究激光探针自吸收效应规律的基础上,研究了两种互补的自吸收抑制方法,即单个元素的自吸收抑制和多元素的自吸收抑制。单个元素的自吸收抑制,采用波长可调谐激光对等离子体中低能级粒子的能态跃迁进行选择性激发,大幅减少等离子体外层的低能级粒子数量,从而有效减弱或消除等离子体中心发射光谱的自吸收现象;多元素的自吸收抑制是利用微波辐射对等离子体中低能级粒子进行碰撞激发,实现同时减小多元素自吸收效应的目的。本文取得的主要研究成果和创新点如下:（1）根据自吸收效应的物理机理和定标曲线指数拟合法对自吸收效应的时间演化规律的研究结果表明:在等离子体演化早期,由于等离子体温度高,电离度强,使得低能级粒子数密度较低,此时自吸收效应较弱。因此,提出了等离子体演化早期采集光谱减小自吸收效应的方法。采用该方法对Cu和Mn元素进行定量分析的结果表明,平均相对误差分别降低了75%和91%。（2）从等离子体的本征物理特性出发,提出了一种能态选择性共振激发抑制自吸收效应的方法:利用波长可调谐OPO激光辐照整个等离子体,可选择性地将低能级的粒子激发到与OPO激光波长所匹配的高能级上去,低能级粒子数大幅减少,从而减小其对等离子体中心发射光的吸收,抑制激光探针自吸收效应。本方法能够在减小基体光谱干扰的同时,还能有效抑制自吸收效应。采用此方法对微合金钢中的Mn元素和合金结构钢中的Cr元素的定量分析结果表明,平均相对误差分别降低了93%和83%。（3）在能态选择性共振激发的基础上,提出了一种空间选择性共振激发抑制自吸收的方法。研究了等离子体中各元素的空间分布,发现微合金钢样品中的Cu和Cr元素谱线在等离子体中的分布位置有很大差异,采用空间选择激发等离子体中谱线的吸收区,能够有效降低自吸收效应。本方法与能态选择性共振激发法相比,该方法能够使微合金钢样品中Cu I 324.75 nm和Cr I 425.43 nm谱线的自吸收因子α分别改善了54%和11%。（4）提出了一种在宽光谱范围（200900 nm）内利用微波辅助激发LIBS（MAELIBS）同时抑制多元素自吸收效应的新方法。该方法主要是根据MAE-LIBS抑制自吸收效应的机理,等离子体外层的电子吸收微波能量后加速运动,通过碰撞激发低能级粒子,使其跃迁至激发态,大幅减小低能级粒子数密度,从而有效地降低了自吸收效应。进一步的研究表明,该方法没有波长选择性,因此可以同时减小多元素的自吸收效应。实验结果表明,对于多元素谱线的自吸收效应具有明显的抑制效果,例如钾长石中的Na I 589.0 nm,Na I 589.6 nm,K I 766.5 nm和K I 769.9的半高全宽分别降低了43%、43%、53%和47%。本论文从等离子体的本征物理特性出发,力求从源头消除自吸收效应,提出了等离子体演化早期采集光谱、能态选择性共振激发、空间选择性共振激发以及微波辅助激发等方法,对激光探针自吸收效应效果显著有效,可大幅提高激光探针检测的精准度,具有广阔的应用前景。

论文目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 引言

1.2 激光探针技术简介

1.3 激光探针技术的发展历程与现状

1.4 激光探针自吸收效应抑制方法的研究现状

1.5 本文的课题来源、研究内容及意义

1.6 论文结构安排

2 实验装置和自吸收效应评价方法

2.1 时间分辨激光探针实验装置

2.2 能态选择性共振激发激光探针实验装置

2.3 空间选择性共振激发激光探针实验装置

2.4 微波辅助激发激光探针实验装置

2.5 激光探针分析方法

2.6 自吸收效应的评价方法

2.7 本章小结

3 激光探针自吸收效应规律研究

3.1 引言

3.2 实验装置与样品

3.3 自吸收效应的影响机理分析

3.4 激光脉冲能量对自吸收效应的影响

3.5 自吸收效应的时间分辨研究

3.6 时间分辨采集对定量分析的影响

3.7 存在的局限性

3.8 本章小结

4 能态选择性共振激发抑制自吸收效应研究

4.1 引言

4.2 实验装置及样品介绍

4.3 能态选择性共振激发抑制自吸收的机制

4.4 微合金钢中锰元素谱线自吸收抑制的研究

4.5 合金结构钢中镍元素谱线的光谱干扰消除及自吸收抑制研究

4.6 本章小结

5 空间选择性共振激发减小自吸收效应研究

5.1 引言

5.2 实验装置及样品介绍

5.3 空间选择性共振激发抑制自吸收的原理

5.4 OPO激光脉冲能量对自吸收抑制的影响

5.5 不同OPO激光激发位置对自吸收效应的影响

5.6 空间选择性共振激发定量分析性能研究

5.7 本章小结

6 微波辅助激发降低多元素的自吸收效应研究

6.1 引言

6.2 实验装置及样品

6.3 微波辐射器参数对自吸收效应的影响

6.4 微波辅助激发降低多元素的自吸收效应

6.5 微波辅助激发抑制多元素自吸收效应的机理

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文

附录2 攻读博士学位期间申请的专利及软件著作权

附录3 攻读博士学位期间获得的奖励

文章来源

类型: 博士论文

作者: 唐云

导师: 段军,郭连波

关键词: 激光探针,激光诱导击穿光谱,自吸收效应,共振激发,微波辅助激发

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

基金: 国家自然科学基金面上项目(项目编号:6157031235)“能态选择性激发抑制激光诱导击穿光谱的自吸收效应研究”,国家重大科学仪器设备开发专项(项目编号:2011YQ160017)“基于共振激发与空间约束的高精度激光诱导击穿光谱成分分析仪开发”

分类号: O433.54

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000478

总页数: 130

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