激光诱导光学击穿后原子氢及双原子分子AlO、C2、CN和TiO光谱的测量与分析

摘要

使用激光诱导击穿光谱（LIBS）测量时间分辨的原子和双原子分子种类。在Nd:YAG激光辐射引发光学击穿等离子体后，于不同时间延迟下采集光谱。 并被用于推断电子密度和温度。

摘要

本研究展示了激光诱导光学击穿后原子和双原子光谱的时间分辨测量。采用典型的激光诱导击穿光谱（LIBS）装置，使用Nd:YAG激光器，工作频率为10 Hz，基波长为1,064 nm。脉冲宽度为14纳秒，能量为190 mJ/脉冲，聚焦至50 µm的光斑尺寸，以在空气中产生光学击穿或激光烧蚀等离子体。微等离子体成像至0.6 m光谱仪的入射狭缝，光谱通过1,800 grooves/mm光栅、增强型线性二极管阵列及光学多通道分析仪（OMA）或ICCD进行记录。重点关注氢原子巴尔末系的斯塔克展宽谱线，以推断电子密度。此外，我们还详细阐述了利用一氧化铝（AlO）、碳分子（C₂）、氰基（CN）和一氧化钛（TiO）的双原子发射光谱进行温度测量的方法。

实验步骤包括波长和灵敏度校准。通过将记录的分子光谱数据与列表中的谱线强度进行拟合来完成分析。此外，还进行蒙特卡罗型模拟以估算误差范围。对于激光诱导击穿光谱（LIBS）中常见的瞬态等离子体，时间分辨测量至关重要。

引言

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术^1-5 可应用于激光辐射产生的等离子体的原子^6-12和分子研究^13-20。时间分辨光谱对于确定等离子体的瞬态特性至关重要。只要具备合理的等离子体击穿理论模型，便可测量温度和电子密度等关键等离子体参数。将自由电子辐射与原子和分子发射分离开来 ，有助于我们精确研究瞬态现象。通过聚焦于特定的时间窗口，可以“冻结”等离子体的衰减过程，从而获得精确的光谱特征。LIBS 具有多种应用 ，近年来，该领域发表论文的研究人员数量显著增加，表明人们对 LIBS 诊断技术的兴趣大幅提升。皮秒和飞秒激光产生的微等离子体是当前研究的热点，然而从历史来看，实验中的 LIBS 装置多采用纳秒激光辐射。

图1展示了一种典型的激光诱导击穿光谱实验装置。在本方案中，初始激光束的功能击穿能量约为75 mJ/脉冲，对应红外波长为1,064 nm。该脉冲能量可根据需要进行调整。等离子体经光谱仪色散后，使用增强型线性二极管阵列和OMA进行检测，或 alternatively 投影至增强型二维电荷 耦合 器件（ICCD）成像。图2展示了时间分辨实验的时序图：脉冲激光辐射与读出信号、激光脉冲触发、激光发射以及门控开启延迟之间的同步关系。

成功实现时间分辨光....

方案

1. 光学系统设置

1. 在激光器出口处放置一个分束器，使1,064 nm波长的光透过，同时将其他瞬态激光辐射反射至光束吸收器。
2. 放置一个高速PIN光电二极管探测器，用于记录从分束器反射出的部分激光辐射。使用同轴电缆将该探测器连接至示波器，以监测光学脉冲相对于函数发生器触发信号以及Nd:YAG激光器中Q开关现象发生的时间关系。
3. 调节三个红外反射镜，使光束与光谱仪的狭缝保持平行。
4. 在平移台上上方放置一个透镜，用于聚焦光束，从而在光谱仪狭缝附近产生与之平行的光学击穿等离子体。调节两个石英透镜，将等离子体成像至狭缝上。这两个聚焦透镜应与光谱仪的设计最佳匹配，即最后一个透镜的孔径需使其f数（f#）与光谱仪内部光学系统的f数相同。
5. 对于波长大于380 nm的测量，在两个透镜之间放置一个长波通滤光片，用于阻断波长低于380 nm的辐射。该长波通滤光片可抑制可能的紫外贡献（源于光栅的二级衍射）对测量光谱的影响。

2. 数据采集设置

1. 将一个波形函数发生器输出50 Hz的三角波连接至自制的五分频电路，以获得10 Hz信号。光学多通道分析仪（OMA）以50 Hz运行，Nd:YAG激光器的闪光灯以10 Hz同步运行。可用ICCD替代OMA进行操作 以脉冲激光辐射的频率同步进行 同样。
2. 将定制的五分频电路的一个输出端连接至数字....

结果

激光诱导击穿光谱（LIBS）利用脉冲激光辐射使样品充分电离，从而形成等离子体。气体物质的激光诱导击穿会在激发光束的聚焦区域周围产生等离子体，而固体表面的激光烧蚀则会在样品表面之上产生等离子体。等离子体的生成是通过将光辐射聚焦至约100 GW/cm²的量级以实现纳秒级击穿脉冲；而要产生激光烧蚀等离子体，通常1 GW/cm²的强度已足够。所激发的等离子体辐射由光谱仪进行色散。只有在光击穿后的特定延迟时间下，原子和双原子光谱才能充分发展。图3-7展示了典型的实验结果。

在等离子体衰变初期，随着自由电子背景辐射的减弱，原子谱线逐渐演化。随后，主要由于复合过程的发生，可以记录到分子光谱。在实验中，必须精确触发线性二极管阵列的增强器；同样，也必须精确触发ICCD。这种触发（或定时）必须保持一致性，以确保所获取的数据均来自击穿事件后准确延迟时间的信号贡献。随后，OMA对增强型线性二极管阵列输出的信号进行数字化并存储数据。对于ICCD而言，定时同样重要，数据也以类似方式存储。在使用增强型线性二极管阵列的实验中，OMA仅记.......

讨论

此处进一步讨论时间分辨测量方案及代表性结果。必须将激光脉冲（以10 Hz频率产生）与增强型线性二极管阵列及光学多通道分析仪（OMA）或ICCD的50 Hz工作频率同步。此外，激光脉冲的精确时序以及增强型线性二极管阵列（或ICCD）门控的开启至关重要。实验示意图中所示的波形发生器 用于同步激光脉冲与通过光学多通道分析仪实现的增强型线性二极管阵列读出。脉冲发生器则用于调节测量的时间延迟。

激光脉冲中心与增强门开启时间窗口的重叠对应于初始零时间延迟，即t_delay = 0。为了确定发射光谱的时间演化过程，需改变从光学击穿开始的时间延迟。例如，在空气击穿事件中，氢阿尔法谱线直到等离子体生成后0.4 µsec才能被观测到。发射光谱的测量还需要进行波长和强度校准。这些校准对于分析是必要的。

在进行LIBS测量时，通过烧蚀钛（Ti）等金属样品来观察等离子体演化，感兴趣的双原子跃迁波长范围内常存在大量原子谱线。这些谱线即使在较晚的延迟时间下，仍可能持续出现在采集的光谱中。然而，其中部分谱线可能.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
自定义箱体	UTSI	无	信号分路器与调理器。可用示波器替代此设备。
四通道数字延迟/脉冲发生器	Stanford Research Systems, Inc.	型号 DG535	供应商：Tequipment、diyAudio
四通道彩色数字荧光示波器	Tektronix	TDS 3054	500 MHz - 5 GS/s，供应商：Amazon、Tektronix、Fluke、Agilent Technologies、Pico Technology
Wavetek FG3C 函数发生器	Wavetek	FG3C	供应商：Tequipment、Stanford Research Systems、BK Precision
Nd:YAG 激光器	Quanta-Ray	DCR-2A(10) PS	激光辐射，IV 类。  供应商：Lambda Photometrics、Continuum、Ellipse、Newport
硅偏置探测器	Thorlabs	DET10A/M	200–1,100 nm，配备 ND10A 反射滤光片。供应商：Canberra、Edmund Optics
Nd:YAG 激光线反射镜，1,064 nm	Thorlabs	NB1-K13	供应商：Edmund Optics、Newport
1 英寸熔融石英双凸透镜，未镀膜	Newport	SBX031	供应商：Edmund Optics、Thorlabs
2 英寸熔融石英平凸透镜，未镀膜	Newport	SPX049	平凸透镜，f/4。  供应商：Edmund Optics、Thorlabs
光谱仪	Instruments S.A. division Jobin-Yvon	HR 640	供应商：Andor、Newport、Horiba
光谱仪的手动与电子控制器	Instruments S.A. division Jobin-Yvon	型号 980028	光谱仪的手动与电子控制器
Mega 4000	Mega	型号 129709	光谱仪的计算机接口
Gateway 2000 Crystal Scan 1024 显示器	Gateway	PMV14AC	用于计算机接口的显示器
20 MHz 示波器	BK Precision	型号 2125	供应商：Amazon、Tektronix、Fluke、Agilent Technologies、Pico Technology
6040 通用脉冲发生器	Berkeley Nucleonics Corporation	型号 6040	供应商：Agilent Technologies、Tektronix、Quantum Composers
6040 通用脉冲发生器的独立组件	Berkeley Nucleonics Corporation	型号 202 H	6040 通用脉冲发生器的独立组件
ICCD 相机	EG&G Parc	型号 46113	供应商：Andor、Stanford Computer Optics、LaVision、Hamamatsu
OMA III	EG&G Parc	型号 1460	光谱数据采集与分析系统。该设备已停产，现由安装在计算机上的软件替代。