Mätning och analys av atomärt väte och diatomära Molekylär AlO, C<sub> 2</sub>, CN, och TiO Spectra Följa laserinducerad Optisk uppdelning
Summary
Tids löst atom och diatomic molekylslag mäts med LIBS. Spektra uppsamlades vid olika tidsfördröjningar efter alstringen av optisk uppdelning plasma med Nd: YAG-laserstrålning och analyseras för att sluta sig till elektrontäthet och temperatur.
Abstract
I detta arbete presenterar vi tidsupplösta mätningar av atom-och diatomic spektra efter laserinducerad optisk uppdelning. Ett typiskt LIBS arrangemang används. Här verkar vi en Nd: YAG-laser vid en frekvens av 10 Hz vid den fundamentala våglängd av 1064 nm. De 14 ns pulser med anenergy av 190 mJ / puls är fokuserade på en um punktstorlek 50 för att generera en plasma från optisk nedbrytning eller laser ablation i luften. Den microplasma avbildas på ingångsspalten på en 0,6 m spektrometer, och spektra registreras med användning av ett 1800 spår / mm gitter en intensifierad linjär dioduppsättning och den optiska flerkanalsanalysatom (OMA) eller en ICCD. Av intresse är Stark-breddade atom linjer i väte Balmer-serien att sluta elektrondensitet. Vi utarbetar också på temperaturmätningar från tvåatomigt emissionsspektra för aluminium monoxide (AIO), kol (C 2), cyan (CN), och titan-monoxid (TiO).
De experimentella förfaranden inkluderar wavelength och känslighet kalibreringar. Analys av den inspelade molekylära spektra åstadkoms genom montering av data med tabelllinje styrkor. Dessutom är Monte-Carlo Typ av simuleringar utförs för att uppskatta felmarginaler. Tidsupplösta mätningar är viktiga för den övergående plasma vanligt förekommande i LIBS.
Introduction
Laser-inducerad nedbrytning spektroskopi (LIBS) tekniker 1-5 har tillämpningar inom atom 6-12 och molekylära studier av plasma 13-20 genereras med laserstrålning. Time-resolved spektroskopi är viktigt för bestämning av de transienta egenskaper hos plasman. Temperatur och elektrontäthet, för att nämna två plasmaparametrar kan mätas förutsatt en rimlig teoretisk modell av plasma fördelningen är tillgänglig. Separation av fri-elektronstrålning från atomära och molekylära utsläpp ger oss möjlighet att exakt undersöka övergående fenomen. Genom att fokusera på ett visst tidsfönster, kan man "frysa" plasma förfall och därmed få korrekta spektroskopiska fingeravtryck. LIBS har en mängd olika applikationer och nyligen intresse för LIBS-diagnostik visar en betydande ökning mätt med antalet forskare publicerar i fält. Pico-och femtosecond genererade microplasma är pågåendeforskningsintresse är dock historiskt experimentella LIBS arrangemang utnyttjar nanosekund laserstrålning.
Figur 1 visar en typisk experiment arrangemang för laser-inducerad nedbrytning spektroskopi. För detta protokoll är den funktionella fördelningen energi för den första strålen i storleksordningen 75 mJ puls, mot den infraröda våglängden 1064 nm. Denna pulsenergi kan justeras efter behov. . Plasmat dispergeras spektrometern och mättes med en intensifierad linjär dioduppsättning och OMA eller, alternativt, avbildas på en intensifierad två-dimensionell Charge Coupled Device (ICCD) Figur 2 illustrerar tidsdiagram för tidsupplösta experiment: synkronisering av pulsad laserstrålning med avläsning, laserpuls trigger, laser eld, och gate-öppen fördröjning.
Framgångsrik tidsupplöst spektroskopi kräver olika kalibreringsförfaranden. Dessa rutiner omfattar våglängdskalibrering, backbotten korrigering, och viktigast, känslighet korrigering av detektorn. Känslighet korrigerade uppgifter är viktiga för jämförelse av uppmätta och modellerade spektra. För en ökning av signal-till-brus-förhållande, finns flera laser-inducerad nedbrytnings händelser registreras.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tiden löst mätprotokoll och representativa resultat diskuteras vidare här. Det är viktigt att synkronisera laserpulserna, som alstras med en hastighet av 10 Hz, med 50 Hz driftsfrekvensen för den intensifierade linjär dioduppsättning och OMA (eller ICCD). Vidare är viktigt exakt timing av laserpulser och öppning av porten till intensifierade linjära diodgruppen (eller alternativt ICCD). Den våggenerator, som anges i det experimentella schema, används för att synkronisera laserpulserna och intensifieras linj…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar Mr JO Hornkohl för intresse och diskussion om beräkning av diatomic molekylär linje styrkor. Arbetet är delvis stöds av Centrum för Laser Applications vid 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. |
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).
