Medición y Análisis de hidrógeno atómico y molecular diatómico AlO, C<sub> 2</sub>, CN, y el TiO Spectra siguiente desglose óptica inducida por láser
Summary
Especies moleculares atómicas y diatómicas Tiempo de resolver se miden usando LIBS. Los espectros se recogieron en varios retardos de tiempo después de la generación de plasma de rotura óptica con Nd: la radiación láser YAG y se analizan para inferir la densidad electrónica y la temperatura.
Abstract
En este trabajo, presentamos las mediciones con resolución temporal de los espectros atómicos y diatómico siguientes rotura óptica inducida por láser. Se utiliza un arreglo típico LIBS. Aquí operamos un láser de Nd: YAG a una frecuencia de 10 Hz a la longitud de onda fundamental de 1064 nm. Los 14 ns pulsos con anenergy de 190 mJ / pulso están enfocados a un tamaño de 50 micras lugar para generar un plasma de rotura óptica o ablación con láser en el aire. El microplasma se forma la imagen sobre la rendija de entrada de un espectrómetro de 0.6 m, y los espectros se registran usando un 1,800 surcos / mm rejilla de una matriz de diodos lineal intensificado y analizador óptico multicanal (OMA) o un ICCD. De interés son las líneas atómicas ampliado-Stark de la serie de Balmer de hidrógeno para inferir la densidad de electrones. También en detalles sobre las mediciones de temperatura de los espectros de emisión diatómica de monóxido de aluminio (ALO), carbono (C 2), de cianógeno (CN), y monóxido de titanio (TiO $).
Los procedimientos experimentales incluyen wavelength y calibraciones de sensibilidad. Análisis de los espectros molecular grabado se lleva a cabo por el ajuste de los datos con resistencias a la línea tabulados. Por otra parte, las simulaciones de tipo Monte-Carlo se realizan para estimar los márgenes de error. Mediciones Tiempo de resolver son esenciales para el plasma transitoria comúnmente encontrado en LIBS.
Introduction
Espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) Técnicas de 1-5 tienen aplicaciones en 6-12 atómica y estudios moleculares de plasma 13-20 generada con radiación láser. Espectroscopia resuelta en el tiempo es esencial para la determinación de las características transitorias del plasma. La temperatura y la densidad de electrones, por nombrar sólo dos parámetros del plasma, se pueden medir proporcionado un modelo teórico razonable de la descomposición de plasma está disponible. La separación de la radiación de electrones libres de emisiones atómicas y moleculares nos permite explorar con precisión los fenómenos transitorios. Al centrarse en una ventana temporal específica, se puede "congelar" la decadencia de plasma y así obtener huellas espectroscópicas precisos. LIBS tiene una variedad de aplicaciones y, recientemente, el interés en LIBS-diagnóstico muestra un aumento considerable cuando se mide por el número de investigadores que publican en el campo. Pico-y femtosegundos generada microplasma es de cursointerés de la investigación, sin embargo, los arreglos experimentales históricamente LIBS utiliza radiación láser de nanosegundos.
La figura 1 muestra un dispositivo experimental típico para la espectroscopia descomposición inducida por láser. Para este protocolo, la energía desglose funcional para el haz inicial es del orden de 75 mJ pulso, en la longitud de onda infrarroja de 1064 nm. Esta energía de pulso se puede ajustar según sea necesario. . El plasma se dispersa por el espectrómetro y se mide con un array lineal de diodo intensificado y OMA o, alternativamente, reflejado en un 2-dimensional dispositivo de carga acoplada intensificada (ICCD) La Figura 2 ilustra el diagrama de temporización para los experimentos de tiempo-resuelto: la sincronización de pulsos radiación láser con lectura, disparador de pulsos láser, fuego láser, y el retardo de puerta abierta.
Espectroscopía con resolución temporal exitosa requiere varios procedimientos de calibración. Estos procedimientos incluyen la calibración de longitud de onda, de vueltacorrección de suelo, y lo más importante, la corrección de la sensibilidad del detector. Sensibilidad datos corregidos son importantes para la comparación de espectros medidos y modelados. Para un aumento de la relación señal a ruido, se registran múltiples eventos de degradación inducida por láser.
Protocol
Representative Results
Discussion
La resolución temporal protocolo de medición y resultados representativos se discuten más aquí. Es importante sincronizar los pulsos de láser, generados a una tasa de 10 Hz, con la frecuencia de funcionamiento de 50 Hz de la matriz intensificado lineal de diodo y OMA (o ICCD). Además, la sincronización exacta de pulsos de láser y la apertura de la puerta de la matriz intensificado lineal de diodo (o alternativamente ICCD) es esencial. El generador de ondas, se indica en el esquema experimental, se utiliza para s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen al Sr. JO Hornkohl para el interés y el debate sobre el cálculo de los puntos fuertes de la línea molecular diatómicas. Este trabajo está apoyado en parte por el Centro de Aplicaciones Láser de la Universidad 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
- 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).
