空间约束飞秒激光诱导铜等离子体特性研究

空间约束飞秒激光诱导铜等离子体特性研究

论文摘要

目前激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有实验重复性差和检测灵敏度低等缺点,限制了LIBS的快速应用。相对于纳秒激光烧蚀而言,飞秒激光由于其烧蚀效率较高,热影响区较小,击穿阈值稳定,飞秒激光诱导等离子体光谱信号具有高的稳定性和准确性。空间约束等离子体能够增强发射光谱强度,提高等离子体稳定性。本文结合飞秒激光诱导等离子体和空间约束优点,开展空间约束飞秒激光诱导击穿铜等离子体特性研究,实现等离子体光谱增强,提高等离子体光谱稳定性,从而提高LIBS实验重复性和检测灵敏度。飞秒激光诱导铜等离子体在内径为6 mm的圆筒空间约束作用下,铜等离子体发射光谱出现增强,并且谱线增强因子与跃迁上能级有关,上能级越高,增强因子越大。在空间约束作用下,铜等离子体寿命有所延长,且等离子体电子温度与电子密度均有提高。实验结果表明激光功率密度、空间约束尺寸和空间约束形态等参数对空间约束飞秒激光等离子体特性有显著影响,光谱增强因子随着激光功率密度的增大而增大,且空间约束作用时间提前。对内径尺寸为4、6和8 mm的圆筒空间约束作用,光谱增强因子随着空间约束尺寸的增大而减小,且空间约束作用时间在大延时出现。圆筒空间约束下的光谱增强因子、电子温度和电子密度均大于平板约束条件。基于荧光成像法开展了平板空间约束对飞秒激光诱导铜等离子体羽的膨胀形态研究,等离子体羽体轴向膨胀距离和速度与板间距成反比,而径向的膨胀距离和速度与板间距成正比。在空间约束飞秒激光等离子体特性研究基础上,开展了空间约束fs-LIBS用于铝合金中铜元素的定量分析,在内径为4 mm圆筒空间约束作用下,检测限(LOD)、平均相对检测误差值(ARE)、相对标准差值(RSD)和交叉验证均方差值(RMSECV)分别为9.9μg/g、2.35%、16%和0.125%,相比无约束条件下分别降低了82.72%、76.85%、78.38%和41.32%。实验表征空间约束fs-LIBS技术有效地提高了LIBS检测精度和实验重复性,为LIBS用于微量元素的快速定量分析奠定了理论基础和技术支持。通过以上实验获得的等离子体光谱数据和羽体图像,揭示了空间约束增强飞秒激光诱导诱导等离子体光谱的物理机制,证实了空间约束方法有效地提高了fs-LIBS的检测精度。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 引言
  •   1.2 LIBS的应用
  •   1.3 LIBS的不足与改进方法
  •   1.4 论文研究目的及内容
  •   1.5 本章小结
  • 第二章 空间约束飞秒激光诱导击穿光谱特性研究
  •   2.1 实验装置
  •   2.2 CuI谱线的选择
  •   2.3 透镜与铜样品表面的距离对光谱强度的影响
  •   2.4 空间约束飞秒激光诱导铜等离子体特性研究
  •     2.4.1 空间约束飞秒激光诱导铜等离子体辐射光谱时间演化
  •     2.4.2 空间约束飞秒激光诱导铜等离子体时间积分光谱
  •     2.4.3 等离子体电子温度与电子密度
  •     2.4.4 局部热力学平衡
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 空间约束飞秒激光诱导铜等离子体特性影响参数的研究
  •   3.1 激光功率密度对空间约束效应的影响
  •     3.1.1 激光功率密度对铜原子谱线强度时间演化的影响
  •     3.1.2 激光功率密度对等离子体电子温度与电子密度的影响
  •   3.2 圆筒内径对空间约束效应的影响
  •     3.2.1 圆筒内径对铜原子谱线强度时间演化的影响
  •     3.2.2 圆筒内径对等离子体原子谱线演化的影响
  •     3.2.3 圆筒内径对等离子体电子温度与电子密度的影响
  •   3.3 约束装置形状对空间约束效应的影响
  •     3.3.1 实验装置
  •     3.3.2 约束装置形状对等离子体积分光谱的影响
  •     3.3.3 约束装置形状对铜原子谱线强度时间演化的影响
  •     3.3.4 约束装置形状对等离子体电子温度与电子密度的影响
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 空间约束飞秒激光诱导铜等离子体羽膨胀特性
  •   4.1 实验装置
  •   4.2 板间距对等离子体羽演化的影响
  •   4.3 本章小结
  • 第五章 空间约束fs-LIBS应用于合金中铜元素检测
  •   5.1 不同元素谱线增强因子对比
  •   5.2 圆筒内径对铜元素检测限的影响
  •   5.3 圆筒内径对LIBS检测准确度的影响
  •   5.4 圆筒内径对LIBS检测精密度的影响
  •   5.5 圆筒内径对LIBS检测精确度的影响
  •   5.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读学位期间取得的成果
  • 致谢
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 许东华

    导师: 高勋

    关键词: 飞秒激光诱导击穿光谱,空间约束,光谱增强,电子温度,电子密度

    来源: 长春理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,物理学,无线电电子学

    单位: 长春理工大学

    分类号: O53;TN249

    总页数: 63

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