Måling og analyse av Atomic Hydrogen og diatomic Molecular AlO, C<sub> 2</sub>, CN, og TiO Spectra Following Laser-indusert Optisk Breakdown
Summary
Tids løst atom-og diatome molekylære arter måles LIBS. Spektrene blir samlet ved forskjellige tidsforsinkelser som følge av generering av optiske sammenbrudd plasma med Nd: YAG-laserstråling, og analyseres for å utlede elektrontettheten og temperaturen.
Abstract
I dette arbeidet, presenterer vi tid-løst målinger av atom-og diatomic spektra følgende laser-indusert optisk sammenbrudd. En typisk LIBS arrangement brukes. Her driver vi en Nd: YAG-laser ved en frekvens på 10 Hz ved den fundamentale bølgelengde på 1064 nm. De 14 nsec pulser med anenergy av 190 mJ / puls er fokusert til en 50 mikrometer spot størrelse for å generere en plasma fra optisk sammenbrudd eller laser ablasjon i luften. Den Mikro er avbildet på inngangen slit av en 0,6 m spektrometer, og spektra blir registrert ved hjelp av en 1800 grooves / mm rist en intensivert lineær diode array og optisk flerkanals analysator (OMA) eller en ICCD. Av interesse er Stark-utvidet atom linjer av hydrogen Balmer serien å antyde elektrontettheten. Vi utdype også på temperaturmålinger fra diatomic utslipp spektra av aluminium karbonmonoksid (AlO), karbon (C 2), cyanogen (CN), og titanium oksid (TiO).
De eksperimentelle prosedyrer inkluderer wavelength og følsomhets kalibreringer. Analyse av de registrerte molekyl spektra oppnås ved montering av data med tabulerte linjestyrker. Videre, Monte-Carlo-typen simuleringer utført for å estimere feilmarginer. Tid-løst målinger er avgjørende for den forbigående plasma vanlig forekommende i LIBS.
Introduction
Laser-indusert sammenbrudd spektroskopi (LIBS) teknikker 1-5 har anvendelser i atom 6-12 og molekylære studier av plasma 13-20 generert med laserstråling. Tid-løst spektroskopi er avgjørende for bestemmelse av de forbigående egenskapene til plasmaet. Temperatur-og elektrontettheten, for å nevne to plasmaparametere kan måles gitt en rimelig teoretisk modell av plasma sammenbrudd er tilgjengelig. Separasjon av fri-elektron stråling fra atom-og molekyl utslipp tillater oss å nøyaktig utforske forbigående fenomen. Ved å fokusere på et bestemt tidsmessig vindu, kan man "fryse" plasma råte og dermed oppnå nøyaktige spektroskopiske fingeravtrykk. LIBS har en rekke anvendelser og nylig interesse i LIBS-diagnostikk viser en betydelig økning når målt ved antall forskere publisering i felten. Pico-og femtosekund generert Mikro er av pågåendeforskningsinteresse, men historisk eksperimentelle libs ordninger utnytte nanosekund laserstråling.
Figur 1 viser en typisk eksperimentelle ordning for laser-indusert sammenbrudd spektroskopi. For denne protokollen, er den funksjonelle sammenbrudd energien for den første strålen av størrelsesorden 75 mJ puls i det infrarøde bølgelengde på 1064 nm. Denne pulsenergi kan reguleres etter behov. . Plasmaet fjernes med spektrometeret, og målt med en intensivert lineær diode array og OMA eller, alternativt, avbildes på en intensivert to-dimensjonal (Charge Coupled Device ICCD) Figur 2 viser tidsdiagrammet for tid-løst eksperimenter: synkronisering av puls laserstråling med avlesning, laserpuls trigger, laser brann, og gate-åpen forsinkelse.
Vellykket tid-løst spektroskopi krever ulike kalibreringsprosedyrer. Disse prosedyrene inkluderer kalibrering av bølgelengde, tilbakeførste korreksjon, og viktigst, følsomhet korreksjon av detektoren. Følsomhet korrigerte data er viktige for sammenligning av målte og modellerte spektra. For en økning av signal-til-støy-forhold, er flere laser-indusert nedbrytning hendelser registrert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Klokken løst måleprotokoll og representative resultatene er nærmere omtalt her. Det er viktig å synkronisere laserpulser, som genereres med en hastighet på 10 Hz, med 50 Hz driftsfrekvens for intensiverte lineære diode array og OMA (eller ICCD). Videre er avgjørende nøyaktig timing av laser pulser og åpning av porten av den intensiverte lineære diode array (eller alternativt ICCD). Den bølgegenerator, som er angitt i den eksperimentelle skjematisk, blir brukt til å synkronisere de laser-pulser og forsterket …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker Mr. JO Hornkohl for interesse og diskusjon om beregning av diatome molekylær linje styrker. Dette arbeidet er delvis støttet av Senter for Laser Applications ved 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. |
Referências
- 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).
