Summary

Medição e Análise de hidrogênio atômico e Diatomic AlO Molecular, C<sub> 2</sub>, CN, e TiO Spectra Following induzida por laser Breakdown Optical

Published: February 14, 2014
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Summary

Espécies moleculares e atômicas diatómicas resolvida no tempo são medidos utilizando LIBS. Os espectros são coletados em vários atrasos após a geração de plasma quebra óptico com Nd: YAG laser de radiação e são analisados ​​para inferir densidade de elétrons e temperatura.

Abstract

Neste trabalho, apresentamos medidas resolvidas em tempo de espectros atômicos e diatômico seguinte composição óptica induzida por laser. Um arranjo típico de LIBS é usado. Aqui vamos operar um laser Nd: YAG com uma frequência de 10 Hz no comprimento de onda fundamental de 1.064 nm. Os 14 nsec pulsos com anenergy de 190 mJ / pulso estão focados para um tamanho 50 mM local para gerar um plasma de quebra óptico ou ablação a laser no ar. O microplasma é fotografada na fenda de entrada de um 0,6 m espectrômetro, e espectros são gravadas utilizando um 1800 ranhuras / mm ralar um arranjo de diodos linear intensificada e analisador multicanal óptico (OMA) ou um ICCD. De interesse são linhas atômicas Stark-ampliaram da série Balmer de hidrogênio para inferir a densidade de elétrons. Também elaborar medições de temperatura a partir de espectros de emissão de monóxido de alumínio diatômico (AlO), carbono (C 2), cianogênio (CN), e monóxido de titânio (TiO).

Os procedimentos experimentais incluem wavelength e calibrações de sensibilidade. A análise dos espectros molecular gravado é conseguido pelo ajuste dos dados com resistências de linha tabelados. Além disso, simulações de Monte-Carlo tipo são realizadas para estimar as margens de erro. Medições resolvida no tempo são essenciais para o plasma transitória comumente encontrado em LIBS.

Introduction

Espectroscopia de decomposição induzida por laser (LIBS) técnicas 1-5 têm aplicações em atômica 6-12 e estudos moleculares de plasma 13-20 gerado com a radiação laser. Espectroscopia resolvida no tempo é essencial para a determinação das características transientes do plasma. A temperatura ea densidade de elétrons, para citar apenas dois parâmetros do plasma, pode ser medido, desde um modelo teórico razoável da repartição plasma está disponível. Separação de radiação de elétrons livres de emissões atômicas e moleculares nos permite explorar de forma precisa fenômenos transitórios. Ao se concentrar em uma janela temporal, específico, pode-se "congelar" decadência plasma e assim obter as impressões digitais espectroscópicas precisos. LIBS tem uma variedade de aplicações e, recentemente, o interesse em LIBS-diagnóstico mostra um aumento considerável quando medido pelo número de investigadores publicação no campo. Pico e femtosegundo gerado microplasma é de contínuointeresse de pesquisa, no entanto, os arranjos LIBS historicamente experimentais utilizam radiação laser nanossegundo.

A Figura 1 mostra um arranjo experimental típico para espectroscopia de decomposição induzida por laser. Para este protocolo, a energia de quebra funcional para o feixe inicial é da ordem de 75 mJ de pulso, no comprimento de onda infravermelho de 1.064 nm. Esta energia de pulso pode ser ajustada conforme necessário. . Plasma é disperso pelo espectrómetro e medido com uma matriz linear intensificada diodo e OMA ou, alternativamente, trabalhada sobre um dispositivo 2-dimensional Charge Coupled Intensificado (ICCD) A Figura 2 ilustra o diagrama de temporização para experiências resolvida no tempo: a sincronização de impulsos radiação laser com leitura, gatilho pulso de laser, fogo laser, e demora portão aberto.

Espectroscopia resolvida no tempo bem sucedida requer vários procedimentos de calibração. Estes procedimentos incluem calibração de comprimento de onda, de voltacorrecção do solo e, mais importante, a correcção de sensibilidade do detector. Sensibilidade corrigir dados são importantes para a comparação dos espectros medidos e modelado. Para um aumento da razão sinal-para-ruído, múltiplos acontecimentos de degradação induzida por laser são gravadas.

Protocol

1. Configuração do sistema óptico Coloque um divisor de feixe na saída do laser, permitindo que a luz de comprimento de onda 1064 nm a passar através e para reflectir todos os outros tipos de radiação laser de transiente num depósito de feixe. Coloque um detector de fotodiodo PIN de alta velocidade para gravar uma parte da radiação laser refletido fora do divisor de feixe. Ligue o detector para o osciloscópio com cabo coaxial para controlar o impulso óptico em relação ao disparo do ger…

Representative Results

LIBS utiliza radiação laser pulsado para ionizar suficientemente para formar uma amostra de plasma. Repartição induzida por laser de substâncias gasosas vai criar plasma que está centrada sobre a região focal do feixe de excitação, enquanto a ablação a laser em superfícies sólidas produzirá plasma acima da superfície da amostra. O plasma é gerado por focagem da radiação óptica na ordem de 100 GW / cm 2, por pulsos de degradação nanossegundo. Para produzir plasma de ablação a laser, tipi…

Discussion

O tempo resolveu protocolo de medição e resultados representativos são discutidos aqui. É importante sincronizar os pulsos de laser, gerada a uma velocidade de 10 Hz, com a frequência de funcionamento de 50 Hz de matriz linear intensificada diodo e OMA (ou ICCD). Além disso, o tempo exato de pulsos de laser e de abertura do portão da matriz intensificou linear diodo (ou, alternativamente, ICCD) é essencial. O gerador de onda, indicada no esquema experimental, é utilizado para sincronizar os pulsos de laser de d…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores agradecem o Sr. JO Hornkohl para o interesse e discussão sobre computação de diatômicas pontos fortes da linha molecular. Este trabalho é em parte apoiada pelo Centro de Aplicações de Laser da Universidade de 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

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Parigger, C. G., Woods, A. C., Witte, M. J., Swafford, L. D., Surmick, D. M. Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown. J. Vis. Exp. (84), e51250, doi:10.3791/51250 (2014).

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