Meting en analyse van atomair waterstof en Diatomic Moleculaire AlO, C<sub> 2</sub>, CN, en TiO Spectra Following Laser-induced Optische Breakdown
Summary
Tijdopgeloste atomaire en moleculaire diatomische soorten worden gemeten met behulp van LIBS. De spectra worden verzameld op verschillende tijdvertragingen na generatie optische analyse plasma met Nd: YAG laser straling en geanalyseerd om elektronendichtheid en de temperatuur afleiden.
Abstract
In dit werk, presenteren we tijdsopgeloste metingen van atomaire en diatomische spectra volgende laser-induced optische afbraak. Een typische LIBS opstelling wordt gebruikt. YAG laser met een frequentie van 10 Hz bij de fundamentele golflengte van 1064 nm: een Nd Hier exploiteren wij. De 14 ns impulsen met anenergy van 190 mJ / puls zijn gericht aan een 50 urn vlekgrootte een plasma van optische afbraak of laser ablatie in de lucht te genereren. De microplasma wordt afgebeeld op de ingangsspleet van een 0,6 m spectrometer, en spectra worden opgenomen met behulp van een 1800 groeven / mm raspen een geïntensiveerde lineaire diodearray en optische Multichannel Analyzer (OMA) of een ICCD. Van belang zijn Stark-verbrede atomaire lijnen van de waterstof Balmer serie elektronendichtheid afleiden. We hebben ook ingaan op temperatuurmetingen van met twee atomen emissie spectra van aluminium koolmonoxide (AIO), koolstof (C 2), cyaan (CN), en titanium koolmonoxide (TiO).
De experimentele procedures omvatten wavelength en gevoeligheid kalibraties. Analyse van de moleculaire spectra wordt bereikt door het aanbrengen van gegevens met tabelvorm lijn sterktes. Bovendien zijn Monte-Carlo simulaties soort uitgevoerd om een schatting van de foutenmarges. Tijdsopgeloste metingen zijn essentieel voor de voorbijgaande plasma voorkomende in LIBS.
Introduction
Laser geïnduceerde afbraak spectroscopie (LIBS) technieken 1-5 hebben toepassingen in atomaire 6-12 en moleculaire studies van plasma 13-20 gegenereerd met laserstraling. Tijdsopgeloste spectroscopie is essentieel voor het bepalen van de tijdelijke eigenschappen van het plasma. Temperatuur en elektronendichtheid, om maar twee plasma parameters kunnen worden gemeten behoorlijk is theoretisch model van de verdeling plasma beschikbaar. Scheiding van vrije-elektronen straling van atomaire en moleculaire emissie stelt ons in staat om nauwkeurig voorbijgaande fenomenen te onderzoeken. Door te focussen op een bepaalde temporele venster kan men "bevriezen" plasma verval en te verkrijgen nauwkeurige spectroscopische vingerafdruk. LIBS heeft een verscheidenheid aan toepassingen en recentelijk interesse LIBS-diagnose een aanzienlijke toename gemeten door het aantal onderzoekers publiceert in het veld. Pico-en femtoseconde gegenereerde microplasma is van de lopendeonderzoek rente echter historisch experimentele LIBS regelingen benutten nanoseconde laserstraling.
Figuur 1 toont een typische experimentele opstelling voor laser-geïnduceerde afbraak spectroscopie. Voor dit protocol, de functionele verdeling van energie voor de eerste bundel is in de orde van 75 mJ puls, bij de infrarode golflengte van 1064 nm. Deze puls energie kan worden aangepast zoals nodig. . Het plasma wordt gedispergeerd met de spectrometer en gemeten met een versterkte lineaire diode array en OMA of alternatief afgebeeld op een Geïntensiveerde 2-dimensionale Charge Coupled Device (ICCD) Figuur 2 toont het tijddiagram van tijdsopgeloste experimenten: synchronisatie van gepulste laserstraling met afleesbaarheid, laserpuls trigger, laser brand, en de poort open vertraging.
Succesvolle tijdsopgeloste spectroscopie vereist verschillende kalibratie procedures. Deze procedures omvatten golflengtekalibratie, ruggrond correctie, en het belangrijkst, gevoeligheid correctie van de detector. Gevoeligheid gecorrigeerde gegevens zijn belangrijk voor het vergelijken van gemeten en gemodelleerde spectra. Bij een toename van signaal-ruisverhouding, worden meerdere laser geïnduceerde afbraak gebeurtenissen opgenomen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De tijd opgelost meetprotocol en representatieve resultaten worden hier verder besproken. Het is belangrijk om de laser pulsen, gegenereerd synchroniseren met een snelheid van 10 Hz, 50 Hz met de werkfrequentie van de versterkte lineaire diode array en OMA (of ICCD). Bovendien, nauwkeurige timing van laserpulsen en opening van de poort van de geïntensiveerde lineaire diode array (of als alternatief ICCD) is essentieel. De golf generator, die in de experimentele schema wordt gebruikt voor de laserpulsen synchroniseren e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken de heer JO Hornkohl voor rente en discussie over de berekening van twee atomen moleculaire lijn sterktes. Dit werk is gedeeltelijk ondersteund door het Centrum voor Laser Applications aan de Universiteit van Tennessee Space Instituut.
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).
