Måling og analyse af Atomic Brint og diatomiske Molekylær AlO, C<sub> 2.</sub>, CN, og TiO Spectra flg. Laser-induceret Optisk Fordeling
Summary
Tidsopløste atomare og diatomiske molekylarter måles ved hjælp af LIBS. Spektrene opsamles på forskellige tidsforsinkelser efter frembringelsen af optisk opdeling plasma med Nd: YAG laser stråling og analyseres for at udlede elektron tæthed og temperatur.
Abstract
I dette arbejde, vi præsenterer tidsopløste målinger af atomare og diatomiske spektre efter laser-induceret optisk opdeling. En typisk LIBS arrangement anvendes. Her arbejder vi en Nd: YAG-laser med en frekvens på 10 Hz ved fundamentale bølgelængde af 1.064 nm. De 14 nsec pulser med anenergy på 190 mJ / puls er fokuseret på et 50 um spot størrelse til at generere en plasma fra optisk sammenbrud eller laser ablation i luften. Den mikroplasmabue er afbildet på indgangsslidsen af en 0,6 m spektrometer, og spektre er optaget ved hjælp af en 1.800 riller / mm rist en intensiveret lineær diode array og optisk multikanalanalysator (OMA) eller en ICCD. Af interesse er Stark-udvidet atomare linjer af brint Balmer-serien til at udlede elektron tæthed. Vi har også uddybe temperaturmålinger fra diatomiske emission spektre af aluminium-oxid (AlO), kulstof (C 2), cyanogen (CN), og titanium kulilte (TiO).
De eksperimentelle procedurer omfatter wavelength og følsomhed kalibreringer. Analyse af den optagede molekylære spektre opnås ved montering af data med tabellerede styrker linjer. Desuden er Monte Carlo typen simuleringer udført for at estimere fejlmargener. Tidsopløste målinger er afgørende for forbigående plasma almindeligt stødt på LIBS.
Introduction
Laser-induceret opdeling spektroskopi (LIBS) teknikker 1-5 få ansøgninger i atomar 6-12 og molekylære studier af plasma 13-20 genereret med laserstråler. Tidsopløst spektroskopi er afgørende for bestemmelse af transiente egenskaber plasma. Temperatur-og elektron densitet, for blot at nævne to plasma parametre kan måles, over en rimelig teoretisk model af plasma opdeling er tilgængelig. Adskillelse af fri-elektron stråling fra atomare og molekylære emissioner giver os mulighed for præcist at udforske forbigående fænomener. Ved at fokusere på en bestemt tidsmæssig vindue, kan man "fryse" plasma forfald og derved opnå nøjagtige spektroskopiske fingeraftryk. LIBS har en bred vifte af applikationer, og for nylig interesse i LIBS-diagnostik viser en betydelig stigning målt ved antallet af forskere der offentliggør i marken. Pico-og femtosekund genereret mikroplasmabue er løbendeforskningsmæssig interesse, men historisk eksperimentelle LIBS arrangementer udnytter nanosekund laserstråler.
Figur 1 viser en typisk eksperimenterende arrangement til laser-induceret opdeling spektroskopi. Til denne protokol, den funktionelle opdeling energi til den oprindelige stråle er på rækkefølgen af 75 mJ puls, ved den infrarøde bølgelængde af 1.064 nm. Denne puls energi kan justeres efter behov. . Plasmaet spredt af spektrometer og måles med en intensiveret lineær diode array og OMA eller alternativt afbildet på en intensiveret 2-dimensional Charge Coupled Device (ICCD) Figur 2 illustrerer timing diagram for tidsopløste eksperimenter: synkronisering af pulserende laserstråling med udlæsning laserpuls udløser, laser brand, og gate-open forsinkelse.
Vellykket tidsopløst spektroskopi kræver forskellige kalibreringsprocedurer. Disse procedurer omfatter bølgelængdekalibrering tilbagejorden korrektion, og vigtigst, følsomhed korrektion af detektoren. Følsomhed er korrigerede data er vigtige til sammenligning af den målte og modellerede spektre. For en stigning på signal-til-støj-forhold, der er optaget flere laserinducerede opdeling begivenheder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tiden løst måling protokol og repræsentative resultater er diskuteret yderligere her. Det er vigtigt at synkronisere laserpulser, der genereres med en hastighed på 10 Hz, med 50 Hz frekvens på den intensiverede lineære diode array og OMA (eller ICCD). Endvidere er afgørende præcis timing af laserpulser og åbning af porten af den intensiverede lineære diode array (eller alternativt ICCD). Bølgegeneratoren, er anført i den eksperimentelle skematiske, anvendes til at synkronisere laserpulser og intensiver…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takke Mr. JO Hornkohl for renter og debat om beregning af diatomiske molekylær line styrker. Dette arbejde er delvist støttet af Center for Laser Applications på University of Tennessee Space Institute.
Materials
| Custom Box | UTSI | None | Signal divider and conditioner. An oscilloscope can be used in place of this |
| Four Channel Digital Delay/Pulse Generator | Stanford Research Systems, Inc. | Model DG535 | Companies: Tequipment, diyAudio |
| Four Channel Color Digital Phosphor Oscilloscope | Tektronix | TDS 3054 | 500 MHz – 5 GS/sec, Companies: Amazon, Tektronix, Fluke, Agilent Technologies, Pico Technology |
| Wavetek FG3C Function Generator | Wavetek | FG3C | Companies: Tequipment, Stanford Research Systems, BK Precision |
| Nd:YAG Laser | Quanta-Ray | DCR-2A(10) PS | Laser radiation, Class IV. Companies: Lambda Photometrics, Continuum, Ellipse, Newport |
| Si Biased Detector | Thorlabs | DET10A/M | 200-1,100 nm, with ND10A reflective filter. Companies: Canberra, Edmund Optics |
| Nd:YAG Laser Line Mirror, 1,064 nm | Thorlabs | NB1-K13 | Companies: Edmund Optics, Newport |
| 1 in Fused Silica Bi-Convex Lens, uncoated | Newport | SBX031 | Companies: Edmund Optics, Thorlabs |
| 2 in Fused Silica Plano-Convex lens, uncoated | Newport | SPX049 | Convex lens, f/4. Companies: Edmund Optics, Thorlabs |
| Spectrograph | Instruments S.A. division Jobin-Yvon | HR 640 | Companies: Andor, Newport, Horiba |
| Manual and electronic controller for Spectrograph | Instruments S.A. division Jobin-Yvon | Model 980028 | Manual and electronic controller for Spectrograph |
| Mega 4000 | Mega | Model 129709 | Computer interface for Spectrograph |
| Gateway 2000 Crystal Scan 1024 monitor | Gateway | PMV14AC | Monitor for computer interface |
| 20 MHz Oscilloscope | BK Precision | Model 2125 | Companies: Amazon, Tektronix, Fluke, Agilent Technologies, Pico Technology |
| 6040 Universal Pulse Generator | Berkeley Nucleonics Corporation | Model 6040 | Companies: Agilent Technologies, Tektronix, Quantum Composers |
| Separate component to 6040 Universal Pulse Generator | Berkeley Nucleonics Corporation | Model 202 H | Separate component to 6040 Universal Pulse Generator |
| ICCD Camera | EG&G Parc | Model 46113 | Companies: Andor, Standford Computer Optics, LaVision, Hamamatsu |
| OMA III | EG&G Parc | Model 1460 | Spectral data acquisition and analysis. Unit discontinued, replaced by software installed on computers. |
References
- Miziolek, A. W., Palleschi, V., Schechter, I. . Laser Induced Breakdown Spectroscopy. , (2006).
- Cremers, D. E., Radziemski, L. J. . Handbook of laser-induced Breakdown Spectroscopy. , (2006).
- Singh, J. P., Thakur, S. N. . Laser Induced Breakdown Spectroscopy. , (2007).
- Hahn, D. W., Omenetto, N. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), Part I: review of basic diagnostics and plasma-particle iterations: still-challenging issues within the analytical plasma community. Appl. Spectrosc. 64, (2010).
- Hahn, D. W., Omenetto, N. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), Part II: review of instrumental and methodological approaches to material analysis and applications to different fields. Appl. Spectrosc. 66, 347 (2012).
- Parigger, C. G. Atomic and molecular emissions in laser-induced breakdown spectroscopy. Spectrochim. Acta Part B. 79, 4-16 (2013).
- Konjević, N., Lesage, A., Fuhr, J. R., Wiese, W. L. Experimental Stark widths and shifts for spectral lines of neutral and ionized atoms. J. Phys. Chem. Ref. Data. 31, 819-927 (2002).
- Oks, E. Stark broadening of hydrogen and hydrogen-like spectral lines in plasmas: the physical insight. Alpha Science Int. , (2006).
- Parigger, C. G., Dackman, M., Hornkohl, J. O. Time-resolved spectroscopy measurements of hydrogen-alpha, -beta, and -gamma emissions. Appl. Opt. 47, (2008).
- Parigger, C. G., Oks, E. Hydrogen Balmer series spectroscopy in laser-induced breakdown plasmas. Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 1, 13-23 (2010).
- Lucena, A. D., Tobaria, L. M., Laserna, J. J. New challenges and insights in the detection and spectral identification of organic explosives by laser induced breakdown spectroscopy. Spectrochim. Acta Part B. 66 (1), 12-20 (2011).
- Swafford, L. D., Parigger, C. G. Measurement of hydrogen Balmer Series lines following laser-induced optical breakdown in laboratory air. Accepted, Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 4 (1), (2013).
- Hornkohl, J. O., Nemes, L., Parigger, C. G., Nemes, L., Irle, S. Spectroscopy of Carbon Containing Diatomic Molecules. Spectroscopy, Dynamics and Molecular Theory of Carbon Plasmas and Vapor. , 113-165 (2011).
- Parigger, C., Hornkohl, J. O. Diatomic molecular spectroscopy with standard and anomalous commutators. Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 1, 25-43 (2010).
- Parigger, C. G., Hornkohl, J. O. Computation of AlO emission spectra. Spectrochim. Acta Part A. 81, 404-411 (2011).
- Hermann, J., Peronne, A., Dutouquet, C. Analysis of the TiO-γ System for temperature measurements in laser-induced plasma. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 34, 153-164 (2001).
- Woods, A. C., Parigger, C. G., Hornkohl, J. O. Measurements and analysis of titanium monoxide spectra in laser-induced plasma. Opt. Lett. 37, 5139-5141 (2012).
- Witte, M. J., Parigger, C. G. Measurement and analysis of carbon Swan spectra following laser-induced optical breakdown in air. Accepted, Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 4 (1), (2013).
- Surmick, D. M., Parigger, C. G., Woods, A. C., Donaldson, A. B., Height, J. L., Gill, W. Analysis of emission Spectra of Aluminum Monoxide in a Solid Propellant Flame. Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 3 (2), 2-137 (2012).
- Woods, A. C., Parigger, C. G. Time-resolved Temperature Inferences Utilizing the TiO A3φ→X3Δ Band in Laser-induced Plasma. Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 3 (2), 103-111 (2012).
