一种时间分辨激光诱导击穿光谱的测量方法.pdf

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1、第34卷，第4期光谱学与光谱分析Vo1．34，No．4，pp865-8682014年4月SpectroscopyandSpectralAnalysisApril，2014一种时间分辨激光诱导击穿光谱的测量方法潘从元，韩振宇，李朝阳，于云偶，王声波。，王秋平¨1．中国科学技术大学国家同步辐射实验室，安徽合肥2300292．中国科学技术大学光学与光学工程系，安徽合肥230026摘要激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种动态光谱。时间分辨LIBS光谱测量是研究激光诱导等离子体演化和谱线自吸收的重要技术。结合激光诱导击穿光谱测量的时序特性，提出一种利用常规性能

2、光谱探测设备获得微秒级时间分辨LIBS光谱的测量方法。通过控制毫秒级光谱探测设备的积分延迟时间，获得不同延时下的LIPS光谱信号，对所得光谱进行处理得到相应特征谱线拟合强度，将所测的特征谱线强度按照一定的时间间隔进行差分，得到差值即为差分间隔时问内特征谱线的积分强度。采用差分时间间隔应大于系统最差时序精度，同时优选无重叠干扰和背底连续的谱线信号进行分析。以等离子体产生后持续时间为横坐标，计算所得谱线差值强度为纵坐标，即可获得特征谱线的强度演化曲线。通过实验验证，使用积分时间为毫秒量级光谱仪和时序精度为0．021微秒控制系统，该方法可以实现微秒量级时

3、间分辨LIBS光谱测量，可用于表征LIBS光谱特征谱线演化过程，降低了LIBS光谱时间分辨测量系统成本。关键词激光诱导击穿光谱；时间分辨；方法；演化中图分类号：0433．4文献标识码：ADOI：10．3964／j．issn．1000—0593(2014)04—0865—04级，其测量得到的积分强度为激光诱导等离子体存在过程中引言的光谱信号强度之和，因此无法直接用于测量样品特征谱线的动态演化过程。本工作提出一种利用普通光谱测量仪器结激光诱导击穿光谱技术(1aserinducedbreakdownspec—合光谱差分方法实现微秒级时间分辨LIBS光谱的

4、测量方troscopy，uBs)是利用高功率密度脉冲激光入射到物体表面法，该方法降低了时间分辨LIBS光谱测量系统成本。时烧蚀物体产生大量等离子体，通过对等离子体发射光谱进行探测和分析即可得到被测物质的成分和浓度信息_1]。激1基本原理光聚焦烧蚀样品时产生的等离子体持续时间一般为几百纳秒到十几微秒_1]。LIBS是一种动态光谱，时间分辨测量是研1．1数学模型究激光诱导等离子体演化和谱线自吸收效应的重要技术。通LIBS光谱由连续背底和独立线光谱组成，其中连续背过时间分辨光谱测量可以得到样品特征谱线的动态演化过底可以通过多种方法去除_9。去除背底后光谱

5、即可看作仅程，这对研究激光诱导等离子体温度和电子密度演化、等离由线光谱叠加而成，在延迟时间T时光谱可表示为I(，子体热力学状态、特征谱线自吸收情况及成分定量分析等具z，⋯，，丁)，等离子体演化时问—T一丁，T为从发出有重要意义l3J。脉冲触发激光器到产生等离子体的时间间隔，属于系统固定实现时间分辨测量对光谱探测器和时序控制器要求较延时，仅与LIBS系统有关。后续计算中以等离子体演化时高，其中时序控制器很容易实现纳秒量级的时间同步精度，间t为标准进行，起始时间为等离子体产生时间。LIBS光谱因此时间分辨测量精度主要取决于光谱探测器的最短积分时测量时重

6、要时间参数含义如图1所示。间。现有时间分辨光谱测量系统多采用增强型电荷耦合器件记波长为谱线在时间t时的强度为L一，其强度随时(ICCD)[，其最短积分时间可以达10ns左右，但是此类系间的变化为A一(f)，则在时间段内积分强度为统成本昂贵。普通光谱测量仪器积分时间为毫秒到数分钟量收稿日期：2013—07—09．修订日期：2013—10—21基金项目：中国科学院科研装备研制项目(YZ201264)资助作者简介：潘从元，1988年生，中国科学技术大学博士研究生e-mail：slypan@mail．ustc．edu．cn*通讯联系人e-mail：qiup

7、ing@ustc．edu．cn866光谱学与光谱分析第34卷(1)4)对去除背景谱线或谱线段进行拟合分析，得到相应—谱线在不同延时下强度厶，；5)对特征谱线强度L，进行差分，得到相应时间点的谱线强度d厶，dL厶一L，ti+l，即可得到时间分辨精度为的谱线强度演化曲线(，dh．f，)。相应流程图如图2所示。暑’lStartl8●量Isetintegrationdelaytimetntl●IGetLIBSspectrumatdifferentdelaytimeI0ti+ll—Time／psfT=Td0+i×At，i=0，1,2⋯lFig．1LIBSsp

8、ectrumlineintensityRemovethebaselineofallthespectrum~mentsche