克服大气环境干扰的激光诱导等离子体光谱技术研究

矿产样品的激光诱导击穿光谱(LIBS)快速分析-J200

矿产样品的激光诱导击穿光谱（LIBS）快速分析 前言 过去十年中，因为在许多新兴经济体，如中国、俄 罗斯、印度和巴西，得到了快速发展，矿产业对世界经 济的增长提供了稳定的贡献。包括石油、煤炭、铁、金 银、镍、铜等多种矿产被持续开采。大多数矿产活动都 包含了矿石原料采集及材料的浓缩提纯等过程。 为了评估这些过程对最终获得的矿产产品的功效， 很多分析方法被用于量化或监测这些过程中的重要元 素。传统的方法包括XRF（X射线荧光）、GFAA（石墨 炉原子吸收）、ICP-AES（电感耦合等离子体发射光谱）、 ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）、SEM（扫描电镜）、 及SIMS（二次离子质谱）等。 激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced breakdown spectroscopy 简称LIBS）是一种快速兴起的分析技术。LIBS技术在过去的几年里得到了多种工业行业的越来越多的关注。在矿产业，相较与上文提到的传统分析方法，LIBS具有很多有吸引力的分析优势。 LIBS可以检测从H到Pu的多种元素，包括如H、N、F和O等其它分析方法很难或不可能检测的非金属元素。此外，与XRF相比，LIBS对于轻元素（如B、Li、C、K、Ca、Mg、Al、Si等）有更高的灵敏度，而这些轻元素的检测对于许多矿产应用都很关键 本案例中，非洲矿产标准（AMIS）标准参考物质 （CRMs）被用于分析，以证明LIBS技术对于矿产业是 一种有效的分析方法。试验采用美国应用光谱公司的 LIBS设备——J200激光光谱元素分析仪（美国应用光 谱公司即ASI公司，由美国劳伦斯伯克利国家实验室首 席科学家 Rick Russo建立）。J200配备266nm Nd：YAG 纳秒激光器以及宽频检测器。 美国ASI公司的J200激光光谱元素分析仪

激光诱导等离子体光谱分析

激光诱导等离子体光谱分析

激光光谱分析与联用技术 读书报告 日期：2011年5月25日 激光诱导等离子体光谱法

摘要：本文概述了激光诱导等离子光谱法的发展概况、基本原理、基本特性、仪器装置、应用方向和研究进展，并对该光谱法进行了展望。关键词：激光诱导等离子体光谱研究进展 前言： 激光诱导等离子体（LIP）近年来尤为受到关注，已经成为研究激光与物质相互作用的重要工具，在光谱分析，激光薄膜沉积和惯性约束核聚变等方面也有着广泛的应用。随着激光和阵列探测器的发展，激光诱导等离子体光谱技术（laser-induced plasma spectroscopy或者 laser-induced breakdown spectroscopy）在近30年内取得长足发展，成为原子光谱分析阵营中的一颗明星，犹如早些年的火焰原子吸收光谱法、光电直读光谱法和电感耦合等离子体发射光谱法，在很多领域得到广泛的应用。 1.发展概况 LIPS自1962年被报道以来，已被广泛地应用到多个领域，如钢铁成分在线分析、宇宙探索、

环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析，以及美国NASA 的火星探测计划CHEMCAM等，并且开发出了许多基于LIPS技术的小型化在线检测系统。 LIPS发展可以分为三个阶段：第一个阶段是至自1962年提出到70年代中期，主要是在于研发利用光电火花源产生等离子体的仪器。第二个阶段是从1980年开始，这种技术重新被人们重视，但实际应用仍然受到笨重的仪器阻碍。第三个阶段是1983年迄今，激光诱导等离子体光谱开始以缩写形式LIPS，开始被商业公司开发应用。这种趋势导致分析工作更加集中于发展坚固的、移动的仪器。此时光纤也被应用于LIPS系统中，主要用于将等离子体发射信息和激光脉冲耦合进光谱仪。 近20多年来，LIPS测量技术在各个行业都有不同程度的应用。通过改进实验LIPS装置来提高测量精度。到上个世纪90年代中期开始，一些商业公司便开发出便携式半定量的成品仪器，

激光诱导击穿光谱技术要点

激光诱导击穿光谱的原理、装置 及在地质分析中的应用 摘要 激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种目前正在发展中的对样品中元素成分进行快速、现场定量检测的分析技术。为了了解激光诱导击穿光谱技术(LIBS)技术和发展现况以及这项技术的应用情况，在课堂学习和相关基础实验的基础上，通过查阅相关文献和书籍进行了分析、整理、归纳。文章从LIBS的由来、基本原理和实验装置进行了综述，讨论了激光诱导击穿光谱技术在地质分析方面的应用。LIBS技术应用方便快捷，且应用前景广泛。 关键字：激光诱导击穿光谱；元素分析；地质分析

The Principle and Device of Laser Induced Breakdown Spectroscopy and its Application in Geological Analysis ABSTRACT Laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS)is a kind of analysis technique currently in development ,which is applied for rapid and on-site quantitative detection of the elements of the sample.To comprehend the laser induced breakdown spectroscopy(LIBS)technology, the current development status of LIBS technology and the application of the technology, LIBS technology was analyzed, arranged, and summarized on the basis of classroom learning , the related basic experiments and consulting relevant literatures and books. The origin, basic principle and experimental apparatus of LIBS are reviewed in this paper and the applications of laser induced breakdown spectroscopy in geological analysis are discussed.The application of LIBS technology are fast and convenient and LIBS technology will have broad application prospects. Key words:Laser Induced Breakdown Spectroscopy;elemental analysis;geological analysis

激光等离子体中一些基本过程及其应用

激光等离子体中一些基本过程及 其应用 郑春阳 北京应用物理与计算数学研究所 2008年10月16日北大

I.基本概念 II.黑腔激光等离子体相互作用过程（LPI）III.强场与“快点火”中LPI IV.激光天体物理

I.基本概念（1） 激光与非磁化等离子体相互作用主要涉及三种波：激光（电磁波）、电子等离子体波（Langmuir波）及离子声波 （1）电磁波：ω2＝ωp 2+k 2c 2(光子似乎得到“质量”m*c 2=h ωp ) ωL = ωp 对应n c =1.1×1021/λL 2cm -3(稀薄或稠密)(2)Langmuir 波: ω2＝ωp 2+3k 2λD 2（λD =v th,e / ωp ） 存在条件：v ph =ω/k ﹥﹥v th,e (Landau 阻尼） （3）离子声波：ω＝c ia k, c ia =(Zk B T e /m i )1/2 (ZT e /T i )1/2>1 在实际应用中，对等离子体中存在的大量集体模式（波、不稳定性）的激发、非线性耦合、时空演化的理解是至关重要的。

I.基本概念（2） 不同强度、波长的激光等离子体相互作用性质差异可以很大。我们关心的是电子在激光电场中的振荡能量与它们的热能量可比较 ≈1021cm-3,T e≈1keV 考虑：n e I L～c|E L|2/8π～cn e K B T～1015W/cm2 v osc>v e 激光惯性约束聚变（ICF)激光装置产生的强度范围 激光强度I ～1018W/cm2,v osc～c属于相对论强场物理范围。 L 激光等离子体过程为高度非线性，必须动力学手段描述。

激光诱导击穿光谱仪器(LIBS)在火星土壤分析中的应用

激光诱导击穿光谱仪器（LIBS）在火星土壤分析中的应用 2012年8月6日，火星科学实验室太空探测器如期将“好奇”号探测车成功发送至火星表面，万事俱备，该探测车即将开始它的使命。“好奇”号的主要任务是使用光电技术分析火星土壤和岩石的成分，这一切都要通过车载的仪器来完成。车载光学仪器能够检测探测车周围方圆7米区域内样本的物理特性。 进行光电检测操作的重要仪器是ChemCam，这是一个激光识别系统，是装载于“好奇”号上的第一批仪器之一，主要用于供电和进行远程传感。海洋光学为ChemCam提供了三套定制的HR2000光谱仪，这些光谱仪经过配置用于为ChemCam分析火星岩石和土壤成分。专家预测ChemCam将于2012年8月10日左右开始进行校准，并于8月17日和18日进行火星表面的首批分析。 "ChemCam的主要任务是寻找轻质的化学元素，例如碳、氮和氧，这些元素都是维持生命所必需的”。ChemCam团队的首席研究员Roger Wiens说，“该系统可以对火星表面冰冻水以及其他资源进行快捷、精准的探测，例如对碳元素的检测”。所以ChemCam就成为“好奇”号完成使命的一个重要组件。” ChemCam的应用以激光诱导击穿光谱仪器（LIBS）为基础。该仪器的性能已经在极端地球环境中被证实，例如其在核反应堆内部和海底的应用，此次是其第一次用于行星科研。 “好奇”号上搭载的LIBS系统配有14mJ的纳秒脉冲激光器（单次脉冲时间为5ns），聚焦在0.3-0.6mm的检测区域，脉冲速度为3次/秒，所以它的功率可达10 MW/mm2，这些能量足以融化火星土壤和岩石中的元素，使它们的原子变为激发态，此时记录下激发态原子产生的等离子体光谱，通过对这些光谱数据的分析就可以得出火星岩石化学成分的信息。 由于为了达到检测范围内的探测准确，同一个区域预计要进行50-75次独立的脉冲，从而在设计LIBS系统时，对于同一地点激光的重复性要求非常高，这样可以有效除去采样地点表层覆盖的灰尘和风化层。ChemCam的设计适用于在整个任务执行过程捕捉到1400次观测结果。 ChemCam将应用于“好奇”号到达的每一个地点，但是将在探测车着陆的盖尔陨坑展开工作。“这是一个值得令人惊讶的消息，因为盖尔陨坑的山脉出现在完全是沉积材料构成的轨道上，这是一个比美国大峡谷的深度几乎还要高三倍的沉积层组合地貌。”美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的博士后研究员Nina Lanza说。 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提供ChemCam光谱仪和数据处理器，并指导整个探索过程。法国空间研究中心（CNES）和法国图卢兹天体物理学实验室（CESR）一起提供ChemCam激光和望远镜，其中激光由法国泰雷兹集团（Thales）制造。.

前沿物理讲座--浅析激光等离子体相互作用原理

浅析激光等离子体相互作用原理 一、摘要 超强激光脉冲与等离子体相互作用是近几年新兴的前沿学科,它在激光蒸发沉积、激光推进、新型的粒子加速器、超快高能X射线光源和“快点火”惯性约束聚变等方面，都有着广泛的应用前景。因此，激光等离子体相互作用的研究是十分必要的。 论文中我们阐述了激光等离子体的性质相互作用。通过建立简化的物理模型，即将部分电离的等离子体简化为类氢离子讨论了激光等离子体相互作用物理和超短超强激光等离子体相互作用。最后，我们根据得到的一些相关结论简单的描述了激光等离子体的一些应用。 关键词：激光等离子体 二、介绍 人类对等离子体的研究从气体放电开始。1879年,英国的Crookes首先发现气体放电管中的电离气体区别于固、液、气三态，将之称为“物质第四态”。1928年,美国的Tonks和Langmuir采用等离子体(Plasma)来描述这种新的物质形态。随后，Vlasov和Landau等人建立了等离子体的动力学描述,这也标志了等离子体物理学的正式建立。到了二十世纪五十年代，在受控热核聚变和空间技术发展的推动下，等离子体物理逐渐发展成熟，成为一个新的、独立的物理学分支。等离子体是一种由大量电子、离子等带电粒子和中性粒子(原子，分子，微粒等)组成的,并具有一定集体行为的、准中性的、非束缚态的宏观体系。与通常的固、液、气三态相比，等离子体的基本特征主要是“准电中性”和“集体行为”。 自1960年Maiman研制成功第一台红宝石激光器以来，激光技术的每一次发展都极大的拓展了物理学的研究领域。图1给出了激光强度随年代的增长及相关的物理学进展。 图1

激光等离子体物理,是随着超短超强激光脉冲技术发展而形成的一个新的分支学科。激光技术的每一次革命,都为激光与等离子体作用的研究开辟新的领域。随着激光强度的不断增强,激光等离子体物理经历了从线性响应到非线性光学,再到相对论的非线性作用的研究历程。在现有激光技术的推动下(强度S 1023VI//cm2,脉宽/S 量级),超短超强激光脉冲同等离子体的作用更是成为了当今物理学研究前沿的一个重要分支。 现代激光技术的发展,引发了人们研究超短超强激光脉冲同等离子体作用的浓厚兴趣。这一方面是出于探索自然物理规律特别是非线性问题的需要,另一方面则是源于激光等离子体作用可以用来充当各种光子、电子和离子源气由于激光的高能量密度,这些产生的粒子源具有更好的紧凑性和其它一些非常优秀的束流性质,如高亮度、低散射度、短脉冲等。而这样的粒子源存在很多新颖的实际应用,比如在离子束治疗癌症、生物照相、超快探测、快点火聚变等方面将会产生巨大的作用。目前,国际上激光等离子体物理的主要研究领域在如下几个方面：激光驱动的可控惯性约束核聚变,粒子桌面加速器,基于激光等离子体作用的电磁波辐射源研究,如X 射线源P 气阿秒脉冲,高次谐波和太赫兹辐射等。另外,利用超短脉冲激光在大气中传播形成的超长等离子通道来实现激光雷达和激光引雷等研究也得到了人们越来越多的关注。 三、激光等离子体相互作用原理 高功率激光束照射靶物质时,部分激光能量被吸收,导致靶物质被加热、电离而产生热等离子体,从而激光直接与等离子体相互作用。激光等离子体相互作用与激光参数、等离子体的材料特性和状态参数等密切相关,其中最具决定性因素的是激光强度人和等离子体密度,。激光强度(激光的聚焦功率密度)为： L L E I S τ= （1） 其中L E 是打到靶面的激光能量,S 是激光束辐照在靶上的面积(焦斑),r 是激光脉冲的时间宽度。激光强度也可以用电场来表示: 20012 L I c E ε= （2） 其中0ε是真空中的介电常数,c 为“光速。另一个常用来表示激光强度的物理量是激光场的无量纲化振幅002e eA a m c =,其中0A 为激光矢势A 的幅值, e m 为电子质量, e 为电子电量,对于线极化激光有： 0A =（3） 圆极化激光有： 0A = （4） 其中0λ为激光波长。强度不同的激光发生相互作用的机理可能完全不同,强度超过1016瓦特的激光称为相对论激光,这是由于电子在激光电场中的高速振荡速

激光诱导击穿光谱技术..

激光诱导击穿光谱技术（LIBS） 姓名：李记肖 学号：3114313040 班级：电子硕4128班 邮箱：465471316@https://www.wendangku.net/doc/7b554589.html,

1激光诱导击穿光谱技术（LIBS）简介 激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy )简称为LIBS，是由美国Los Alamos 国家实验室的David Cremers 研究小组于1962年提出和实现的。自从1962年该小组成员Brech最先提出了用红宝石微波激射器来诱导产生等离子体的光谱化学方法之后，激光诱导击穿光谱技术开始被广泛应用于多个领域，如钢铁成分在线分析、宇宙探索、环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析，以及美国NASA的火星探测计划CHEMCAM等，并且开发出了许多基于LIPS技术的小型化在线检测系统。 2 LIBS发展概况 自1960年世界上第一台红宝石激光器问世，两年后Brech和Cross就实现了固体样品表面的激光诱导等离子体，开启了LIBS技术的历程。1963年，调Q激光器的发明大大促进了LIBS技术的发展，这种激光器的单个短脉冲具有极高的功率密度，足以产生光谱分析所需的激光等离子体。因此调Q激光器的发明被称为LIBS技术诞生的标志。1965年Zel’dovich and Raizer把LIBS技术的应用延伸到气体样品。70年代初，Jarrell-Ash和Carl Zeiss制造了世界上第一台工业应用LIBS设备，需要说明的是，这套LIBS设备中，短脉冲激光用于烧蚀样品，然后用电弧激发样品。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)曾致力于LIBS分析技术的机理研究和应用，在1987年将其应用于乏燃料后处理工艺中铀浓度分析。在八十年代，LIBS被应用于液体样品以及分析土壤中的金属及污染物。德国卡尔斯鲁厄核中心从上世纪90年代初开始，致力于将LIBS应用于高放废液玻璃固化工艺控制分析，获得巨大成功，随后模拟高放废液玻璃固化体中27种元素的实时定量分析。意大利国家原子分子物理研究所A.CIUCCI和M.CORSI等提出了一种无需“校准曲线”的LIPS定量化分析技术—CF-LIBS，进一步发展了LIBS技术在定量分析中的应用。S.Palanco和https://www.wendangku.net/doc/7b554589.html,serna利用多元线性回归法来定量分析物质成分含量，以消除基体效应的影响，获得很好的效果。 3 LIBS基本原理 脉冲激光束经透镜会聚后辐照在固体靶的表面，激光传递给靶材的能量大于热扩散和热辐射带来的能量损失，能量在靶表面聚集，当能量密度超过靶材的电离阈值时，即可在靶材表面形成等离子体，具体表现为强烈的火花，并伴随有响声。激光诱导的等离子体温度很高，通常在10000K以上，等离子体中含有大量

激光诱导土壤等离子体光谱辐射实验参数优化

1206011-1第47卷第12期 红外与激光工程2018年12月Vol.47No.12Infrared and Laser Engineering Dec.2018 收稿日期：2018-07-10；修订日期：2018-08-28 基金项目：重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目重点项目(cstc2015jcyjBX0016)；重庆市教委科学研究项目(KJ1500436)；教育部 留学回国人员科研启动基金(教外司留[2015]1098号）；重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目一般项目 (cstc2016jcyjA0389)；重庆邮电大学博士基金(A2016-113) 作者简介：王金梅(1981-)，女，副教授，博士，主要从事光电检测技术方面的研究。Email:wangjm@https://www.wendangku.net/doc/7b554589.html, 通讯作者：郑培超(1980-)，男，教授，博士，主要从事光谱测量技术方面的研究。Email:zhengpc@https://www.wendangku.net/doc/7b554589.html, Optimization of experimental parameters of laser induced soil plasma spectral radiation Wang Jinmei,Yan Haiying,Zheng Peichao *,Xue Shuwen (Chongqing Municipal Level Key Laboratory of Photoelectronic Information Sensing and Transmitting Technology,College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China) Abstract:Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS)was employed to investigate the soil.LIBS analyses were performed with Nd:YAG laser operating at 1064nm,5.82ns pulse duration.The spectral lines of Ca II 393.37nm and Ca II 396.85nm were selected as the analytical lines for optimizing the experimental parameters (ICCD delay,laser energy,ICCD gate width,repetition rate and cumulative number of spectrum)which had influence on spectral line.The experimental conditions were determined as follows.The ICCD delay was 1μs,the laser energy was 50mJ,the ICCD gate width was 3.5μs,the repetition rate was 1Hz and the cumulative number of spectrum was 100times.Under the optimal experimental conditions,the results of the electron temperatures T e and electron densities N e were 11604K and 5.155×1016cm -3,respectively.The local thermal equilibrium condition of the plasma was satisfied.The results are useful for the analysis and detection of elements in soil. Key words:laser induced breakdown spectroscopy; sequential test;soil;electron temperatures; electron densities CLC number:O433.4；TN249Document code:A DOI ：10.3788/IRLA201847.1206011激光诱导土壤等离子体光谱辐射实验参数优化 王金梅，颜海英，郑培超*，薛淑文 (重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室，重庆400065) 摘要：采用激光诱导击穿光谱法(LIBS)对土壤进行了研究。激光器采用的是Nd:YAG 脉冲激光器，激光器的输出波长是1064nm ，脉宽是5.82ns ，激光聚焦在土壤表面产生激光诱导等离子体，通过优化实验参数(ICCD 延时、脉冲能量、ICCD 门宽、脉冲频率、谱图积累次数)对Ca II 393.37nm 和Ca II 396.37nm 两条特征谱线强度及信背比的影响，确定实验最佳条件是ICCD 延时1μs ，激光能量50mJ ，ICCD 门宽3.5μs ，脉冲频率1Hz ，谱图积累次数100次。在最优实验条件下计算等离子体参数，得出土壤中的等离子体电子温度是11604K ，土壤的等离子体电子密度是5.155×1016cm -3，经过万方数据

激光诱导等离子体光谱法(LIPS)及其影响因素

基于LIPS检测铬铁碳含量时影响因素的分析 摘要利用聚焦的强激光束入射物体表面产生激光等离子体，对等离子体中原子和离子发射谱进行元素分析叫做激光诱导等离子体光谱法(Laser-induced plasma spectroscopy)，简称LIPS。由于LIPS测量方法具有许多优点，如不需对样品进行预处理，快速、无损检测，高灵敏度，可以对固体、液体、气体中的悬浮颗粒等进行实时的现场检测，所以这种方法逐渐成为化学分析的一种重要方法。影响分析检测的主要因素有激光的能量密度，激光的波长，激光脉冲宽度，样品的物理化学性质，以及周围环境气体的性质和压力等的影响。 关键字激光诱导等离子体光谱法(LIPS) 碳元素含量光谱仪影响因素 1引言 激光诱导等离子体光谱法（LIPS）是基于高强度的脉冲激光与材料相互作用，产生等离子体，对等离子体辐射的光谱分析，获得被测物质的成分和含量，适用于固体、液体和气体样品。脉冲激光束（脉宽纳秒量级，单脉冲能量几十毫焦）经透镜聚焦后作用于样品表面，能量密度达到GW/2cm以上，辐照处物质蒸发、气化后形成稠密的等离子体，等离子体一般能持续几十微秒后衰减消失。激光诱导等离子体光谱法装置简便，样品无需预处理，发射一次脉冲能同时测量多种元素，可以实现快速的在线分析，大大提高生产效率，以及实现有毒、强辐射等恶劣环境下远距离、非接触性探测分析。LIPS 的应用领域非常广泛，在环境保护，地质矿藏勘探，核燃料分析处理钢铁冶金，考古,海洋等领域都有广泛的应用。 2 LIPS的装置与实验结果 2.1 LIPS的典型装置 典型的LIP S光谱探测系统主要由激光光源、光束传输系统、分光系统、信号接收系统、时序控制系统和计算机等组成。系统架构示意图如图1所示。该系统的工作原理为:脉冲激光器输出的脉冲光束经聚焦透镜聚焦到样品表面，样品被烧蚀、蒸发、激发和离化后在样品表面形成高温、高压、高电子密度的等离子体的火花，辐射出包含原子和离子特征谱线的光谱;将等离子体光谱通过光纤导入到分光系统，分光系统后面的信号接收系统采集信号，将光信号转化成电信号输出;经数据处理电路进行滤波、放大、A/D转换、存储等处理过程，然后送入计算机进一步处理。经过上述步骤，即可完成整个光谱的采集过程。通常实验平台中引入时序控制系统，时序控制器控制激光脉冲发出和光信号检测之间的延迟时间，用于时间分辨光谱的研究和谱线信噪比的研究。

激光等离子体的受激Brillouin散射

第12卷　第1期 强激光与粒子束V o l .12,N o .1 2000年2月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Feb .,2000　文章编号:　1001—4322(2000)01—048—03 激光等离子体的受激Br illou i n 散射 Ξ 蒋小华,　郑志坚,　李文洪,　刘永刚(中国工程物理研究院核物理与化学研究所,高温高密度等离子体物理实验室,绵阳919-218信箱,621900) 郑　坚,　王以超 (中国科学技术大学近代物理系,合肥,230027) 摘　要:　研究了激光等离子体背向和侧向受激B rillou in 散射光谱结构。激光等离子体相互作用时,受激B rillou in 散射光谱受激光等离子体状态的影响而产生Dopp ler 效应。当激光以45°入射不同材料的平面靶时,等离子体运动产生不同的二维效应,高Z 材料产生的等离子体冕区主要沿靶法向运动,受激B rillou in 散射光谱在侧向产生较大蓝移,而低Z 材料则主要在激光入射方向产生较大蓝移。 关键词:　激光等离子体;　受激B rillou in 散射;　Dopp ler 效应 中图分类号:　O 437.2 文献标识码:　A 受激B rillou in 散射(SB S )是激光等离子体中一个入射激光光波衰变为一个散射光波和一个离子声波的参量不稳定过程,它可发生在激光等离子体的整个次临界区[1,2]。在惯性约束聚变物理研究中,SB S 会带来不利的影响,另外它的发生和激光等离子体的状态密切相关,由SB S 产生的散射光将为诊断激光等离子体状态提供依据[1,3]。选择合适的激光2靶耦合方式控制激光等离子体状态的演变,将能有效降低聚变对激光器件的要求。因此,通过对不同角度的SB S 光谱结构的观测,来研究0.351Λm 激光与不同靶材作用对SB S 光谱结构的影响。 1　实验条件和结果 F ig .1　Experi m ent setup s 图1　实验装置布置图 星光 钕玻璃激光装置以三倍频输出,激光输 出波长为0.351Λm ,激光输出能量为70J ,激光脉冲 宽度为800p s ,激光入射靶面功率密度约为1×1014 W c m 2,激光以45°入射<600Λm 的平面盘靶,靶材 料分别为CH ,CH +A u 的多层靶(10层8nmA u + 3nm CH )及A u ,实验利用两台OM A 4光谱仪分别 在激光背向和侧向30°探测了SB S 的光谱结构。实 验布置如图1所示。 图2给出0.351Λm 激光作用平面CH 材料靶 时,在激光入射背向和侧向得到的红移SB S 光谱,在两方向上散射光谱结构完全一致,只是相对有一个平移,其中背向散射光谱相对侧向有0.4nm 的蓝移。 图3和图4是0.351激光与A u 盘靶和多层靶作用时,在背向和侧向得到的散射光谱,与CH 靶作用一样,各方向散射光谱结构相似,只是散射光谱变窄,但是侧向光谱相对背向出现了约0.1nm 的蓝移。 Ξ国家自然科学基金资助课题(19735002) 1999年7月28日收到原稿,2000年2月12日收到修改稿。 蒋小华,男,1968年8月出生,硕士,助研

固态和液态钢的激光诱导等离子体比较_KONDOHiroyuki

冶金分析，２０１３，３３（５）：１－５Ｍｅｔａｌｌｕｒｇ ｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，２０１３，３３（５）：１－５文章编号：１０００－７５７１（２０１３）０５－０００１－０５ 固态和液态钢的激光诱导等离子体比较 ＫＯＮＤＯ　Ｈｉｒｏｙ ｕｋｉ（新日本制铁株式会社高级技术实验室，富津２９３－ ８５１１，日本）摘　要：比较了产生于室温固态钢以及高温液态钢上激光诱导等离子体的特征、原子铁的激发温度以及电子密度。通过在３８６～４００ｎｍ波长范围的中性铁原子发射谱线， 由波尔兹曼作图法确定了铁原子的激发温度。通过测量Ａｌ　Ｉ３９４．４ｎｍ的谱线宽度，估算了电子密度。对固体钢来说，铁元素的激发温度从延迟时间为１０μｓ时的１０　 ８００Ｋ下降到延迟时间为８０μｓ时的７　 ３００Ｋ。当延迟时间分别为１０μｓ和７０μｓ时，产生于固态钢和液态钢上等离子体间的激发温度并没有显著差别。在铁元素和铝元素大部分的中性原子线中，可以观察到液态钢的谱线宽度比固态钢的谱线宽度更窄。当激光脉冲的观察延迟时间均为１０μｓ时，产生于液态钢上等离子体的电子密度大约为（０．９９±０．１５）×１０１７／ｃｍ３，这相当于产生在固态钢上等离子体电子密度的４６％。 关键词：激光诱导击穿光谱（ＬＩＢＳ ）；等离子体温度；电子密度中图分类号：Ｏ６５７．３８ 文献标识码：Ａ 收稿日期：２０１２－１２－１５ 作者简介：ＫＯＮＤＯ　Ｈｉｒｏｙｕｋｉ（１９５９－），男，高级研究员；Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｏｎｄｏｈ．ｈｉｒｏｙｕｋｉ＠ｎｓｃ．ｃｏ．ｊｐ ． Ｌ ＩＢＳ（激光诱导击穿光谱）的光谱线强度会受到许多因素的影响， 诸如激光能量密度、辐射、波长、持续时间、环境气体以及压力等。以激光诱 导等离子体的温度和电子密度与大气压［１］ 环境下 的环境气体、空气、氩气和氦气的对比为例，等离子体特性还取决于样品的物理性能。在将不锈钢样品加热到１　０００Ｋ时，等离子体温度并没有很大程度的改变，而烧蚀质量却随着样品温度的上 升而增加［２－ ３］。实验表明，随着样品温度的上升， 样品表面的反射率下降，从而导致有效激光能量馏分的增加。 激光诱导击穿光谱在钢铁工业中应用优点之一在于激光诱导击穿光谱不仅适用于固态钢分 析［４－６］，同时还可用于液态钢的直接分析［ ７－ ９］。然而， 产生于液态钢和固态钢上的等离子体特性不一致。研究分析了产生于液态钢的激光诱导等离子体的温度和电子密度，并于同产生于固态钢中等离子体的温度和电子密度进行了比较，以便为激光诱导击穿光谱分析液态钢提供一些指导。 １　实验部分 实验采用一个平凸透镜将Ｑ－开关Ｎ ｄ：ＹＡＧ激光（脉冲持续时间７ｎｓ，脉冲重复率１０Ｈｚ，波长１０６４ｎｍ）的辐射聚焦到样品表面，产生一个直径约１ｍｍ的斑点，从而对样品表面产生２００ｍＪ的脉冲能量。 在样品正常表面的入射激光的光轴中放置了一面涂覆有铝的穿孔镜子，等离子体中的发射光通过这面镜子进行反射，随后通过２０ｍ长的光学纤维束输送到配备有ＩＣＣＤ的３８０ｍｍ的Ｃｚ－ｅｒｎｙ －Ｔｕｒｎｅｒ光谱仪的入口狭缝中（宽度为６０μ ｍ）。然后通过ＰＩＮ光电二极管检测的散射消融激光起动时间分辨观察。通过数字脉冲发生器设置了观察的延长时间和栅极宽度。 在室温下，对固态钢样（日本钢铁有证的参考物质ＪＳＳ１７５－６）进行了分析。在液态钢的分析中，实验采用感应炉熔化了低碳钢，熔融钢的温度达到了１　８７３Ｋ到１　９２３Ｋ。在分析固态钢和液态钢两种试样时，都采用氩气吹样品分析表面。 — １—

团体标准-《有色金属材料分析方法 激光诱导击穿光谱应用通则》(编制说明)-预审稿

有色金属材料分析方法 激光诱导击穿光谱应用通则 编制说明 （预审稿） 主编单位：国合通用测试评价认证股份公司 山东东仪光电仪器有限公司 2020年6月

有色金属材料分析方法激光诱导击穿光谱应用通则 编制说明（预审稿） 一、工作简况 1、立项目的 新材料实时在线成分检测一直是冶金行业的重要研究方向之一，它能有效缩短检测时间，不仅可降低成本，节约能源，改善品质，还可以提高生产效率，同时为冶炼工艺改进提供有效手段。因此，激光诱导击穿光谱法（LIBS）的在线分析系统在冶金行业生产中不仅具有经济效益，还同样具有重要的战略意义。到目前为止国内外公开的信息中可查询到块状固体原子光谱分析标准有：中国人民共和国国家标准GB/T 14203-2016《火花放电原子发射光谱分析法通则》；GB/T 7999-2015《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》；GB/T 14203-1993《钢铁及合金光电发射光谱分析法通则》；GB/T 4336-2002 《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法）》；GB/T 11170-2008《不锈钢多元素测定火花-发射光谱法》；GB 222-84 《钢的化学成分分析用试样取样法及成品化学允许偏差》；GB/T 7999-2000《铝及铝合金光电（测光法）发射光谱分析方法》；YS/T 482-2005《铜及铜合金光谱分析》等。 激光诱导击穿光谱在有色金属材料分析应用方法通则的制定目地在于针对有色金属材料分析领域，根据有色金属材料的特点，规范LIBS的术语和定义、方法原理、仪器设备、测试环境、样品、分析步骤、数据处理、试验报告和安全防护等内容，便于有色金属分析工作者之间的交流。其意义在于为后续LIBS具体分析方法（如铝合金、铜合金、钛合金及镁合金的分析）的制定奠定坚实的基础。 目前国内外没有相应的LIBS标准，科学术语及仪器的操作具有很大的随意性，导致不同实验室之间的分析结果没有可比性，对不同实验室之间的数据比对带来一定的障碍，通过激光诱导击穿光谱在有色金属材料分析应用方法通则制定，不仅统一术语名称，而且统一仪器的操制流程，使不同实验室之间的数据具有可比性，因此该标准的制定是必要的，其意义在于推动LIBS分析技术的发展与成熟。 2、任务来源 根据有色协会《关于下达2018年第二批协会标准制修订计划的通知》（中色协科字[2018]75号）的文件精神，《有色金属材料分析方法激光诱导击穿光谱应用通则》团体标准由全国有色金属标准化技术委员会负责归口，国合通用测试评价认证股份公司、山东东仪光电仪器有限公司、国标（北京）检验认证有限公司等单位负责起草，项目计划编号为

激光诱导等离子体引燃MAG电弧的引弧特性研究

目录 摘要 ABSTRACT 目录 第一章绪论 (1) 1.1课题研究背景 (1) 1.2等离子基本特征和产生机制 (1) 1.2.1等离子体的定义 (1) 1.2.2电弧等离子体产生的机制 (2) 1.2.3激光等离子产生机制 (3) 1.2.4激光诱导等离子体的应用 (4) 1.3焊接电弧引弧现状的研究 (5) 1.3.1 TIG引弧的现状 (5) 1.3.2MAG/MIG引弧的现状 (6) 1.3.3激光等离子体引弧的现状 (8) 1.4选题意义及主要研究内容 (9) 第二章试验材料、设备及方法 (11) 2.1实验材料 (11) 2.2实验设备 (11) 2.3实验方法 (12) 2.3.1试验参数的设计 (12) 2.3.2焊接等离子光谱采集 (14) 2.3.3 熔滴过渡和等离子体形貌的采集方法 (14) 第三章复合焊接等离子体的诊断方法及物理特征的表征 (16) 3.1等离子体的诊断方法 (16) 3.2复合焊接等离子体光谱特征分析 (18) 3.3等离子体发射光谱的时间演化特性研究 (22) 3.4激光-电弧复合焊接等离子体参量的表征 (25) 3.4.1等离子体局部热力平衡判据 (25) 3.4.2等离子体的电子温度计算 (26) 3.4.3等离子体的电子密度计算 (28) 3.5复合焊接工艺参数对电弧等离子电子温度和电子密度影响规律 (30) 3.5.1电弧脉冲频率对电弧等离子体电子温度和电子密度的影响 (30) 3.5.2激光作用时间对电弧等离子体的电子温度和电子密度的影响 (32) 3.5.3热源间距对电弧等离子体的电子温度和电子密度的影响 (35)

等离子体中激光场的吸收机制

等离子体对激光的吸收机制： 超强激光在等离子体中传播时，在临界密度以下区域，激光能够直接进入，在 临界密度附近，激光被等离子体反射。激光在和等离子体的作用过程中，一部分电子被加速而引起电荷分离并产生静电场形成静电势阱，高速电子可以逃逸出此势阱进而增强电荷分离，电子可在此静电势阱中振荡并被加速，最后静电势阱被破坏把能量交给等离子体。 正常吸收： 逆韧致吸收：等离子体中的电子受激光场加速时，在等离子体的离子库仑场附近散射引起 的经典吸收过程。它对电子密度很敏感，它是短波长激光的主要吸收机制， 而且主要发生在临界面附近的地方。 非线性逆韧致吸收：当激光足够强时，电子的振荡速度会超过电子热速度，此时电子速度分 布就会和电场有关，变成非线性逆韧致吸收。此时，激光电场可以和原 子核的电场相比，还会发生多光子过程。非线性吸收系数大大偏离线性 吸收系数。但在激光核聚变的范围内不会有重要偏离。该系数与53 E 有关。 反常吸收：通过波-波相互作用和波-粒子相互作用使电子获得能量的过程 通过静电波加速和加热电子 通过朗道阻尼和波的破裂把波的能量交给电子 这主要发生在小于和等于临界密度区-----晕区物理 共振吸收；受激散射；成丝现象；参量不稳定性吸收 共振吸收(RA)：随着激光强度的增加，共振吸收变得重要。当平面极化激光斜入射时发生共 振吸收，由于在临界面处共振激发电子等离子体振荡，故称共振吸收。斜入 射的P 极化（电场平行于入射面）激光束激发等离子体波，在临界面附近可 以发生共振吸收。沿着电子密度梯度方向的激光电场将导致等离子体电荷分 离，引起等离子体振荡。在临界点处的等离子体频率等于激光频率，因而发 生共振，使电场强度（这应该是等离子体中的电场强度）的振幅变得很大， 导致激光共振吸收。它是波的模式的一种转换，横向的电磁波变成了纵向的 静电波。此静电波沿电子密度梯度方向向低密度等离子体中传播（共振处的电场强度最大，逆着激光传播方向，电场强度依次降低，使得静电波逆着激光传播方向进行传播），群速度逐渐增加，电场强度的振幅逐渐减少。某些电 子在这个静电波的电场中得到加速，达到很高的速度。这些很高速度的电子 的加速导致“波破裂”，释放出超热电子。共振吸收是产生超热电子的重要机 制之一。入射激光与临界密度面的反射光叠加,在临界密度以下区域形成局域 驻波, 产生的强有质动力在低密区驱动电子形成周期性密度结构Bragg 光 栅 反常表面吸收：激光垂直入射于过密等离子体时，电子离开等离子体表面薄层（该薄层内电 磁场不为零）的过程中，可以从电磁波中获得能量而得到加热。反常表面吸收是激光与过密等离子体作用时发生的。

20131224 - 激光诱导击穿光谱及其应用研究进展

激光诱导击穿光谱及其应用研究进展 钢铁研究总院测试所 贾云海 激光诱导击穿光谱原理 激光诱导击穿光谱法（Laser Induced Breakdown Spectroscopy 或Laser Induced Plasma Spectroscopy）简称为LIBS 或LIPS，由美国 Los Alamos 国家实验室的 David Cremers 研究小组1962 年提出和实现。该技术是目前国际非常流行，极具价值，非常有前景的分析工具激光经透镜聚焦在样品表面，当激光脉冲的能量密度大于击穿门槛能量时，就会在局部产生等离子体，称作激光诱导等离子体。用光谱仪直接收集样品表等离子体产生的发射谱线信号，根据发射光谱的强度进行定量分析。 激光诱导等离子体发射谱线的形成过程 （a）多光子电离形成等离子体 (b) 轫致辐射及电子自由跃迁形成的宽带发射，主要为等离子体中各元素的电离线形成的连续背景谱线，该过程需几百纳秒。 (c)能级跃迁形成的谱线发射，谱线强度与元素浓度成正比。该过程通常持续几微秒，是 进行元素定量分析的重要环节 激光诱导击穿光谱技术的优势 ■分析简便、快速，无须烦琐的样品前处理过程； ■对样品尺寸、形状及物理性质要求不严格，可分析不规则样品；可分析导体、非导体材料，以及难熔材料；可测定固态样品，还可以测定液态、气态样品； ■LIBS 具有高灵敏度与高空间分辨率，可进行原位微区分析； ■可进行样品痕量分析，现场分析以及高温、恶劣环境下的远程分析

激光诱导击穿光谱在环境领域中的应用激光感生击穿光谱的应用研究进行得最早、最深入的是环境领域，libs 主要用于探测水、土、空气中重金属，监控水、土、空气的污染状况。以土壤分析为例： □传统的化学检测方法需要在实验室里进行并耗费大量的时间用来进行制备、溶解、离子交换等工序 □Libs 可实现实时快速分析土壤中的Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb 和Zn 等7 种重金属元素，与用ICP-AES 的测量方法比较,误差都不超过6% 激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应用 激光诱导击穿光谱可应用于炼钢工艺流程中各个环节： 1 高炉炉气分析 2 炉渣分析 3 液钢分析 4 钢材缺陷分析 5 成品钢材料筛选激光诱导击穿光谱在冶金领域中的应 用 - 炉气分析不影响冶金工艺流程的情况下，通过对炉气的探测监控冶炼过程中 的传热传质过程高炉炉顶条件: ■平均温度；180℃ ■气体流速；10～20m/s ■平均气压：2.3 bar.

激光诱导击穿光谱仪校准规范(送审稿)-编制说明

JJF（有色金属）000X—202X 激光诱导击穿光谱仪校准规范 编制说明 （送审稿） 激光诱导击穿光谱仪校准规范编制组 主编单位：国标（北京）检验认证有限公司 2020年11月16日

一、工作简况 1.1 立项目的 激光诱导击穿光谱仪（LIBS）是光谱分析领域一种前景广阔的分析手段，其基本原理是利用高能量激光光源，在分析材料表面形成高强度激光光斑（等离子体），使样品被激发而产生特征谱线，从而实现对化学元素的定性和定量分析。LIBS具有灵敏度高、分析速度快、可同时分析多种元素等优点。它弥补了传统元素分析方法的不足，可以检测几乎所有的无机元素，且几乎不需要样品制备，在有色金属材料的微区分析和缺陷检测，以及复杂恶劣环境下的分析检测和工业在线检测等应用领域优势明显。 LIBS主要由激光光源系统、激光聚焦系统、等离子体辐射手机系统、光谱仪、控制电路及软件数据处理系统等部件组成。激光光源系统通常包括激光电源和激光器。激光电源驱动激光器，激光器利用受激辐射原理输出激光，激光束通过激光聚焦系统会聚于样品表面，在极短时间内将样品表面微量元素剥离并激发出等离子体。因此激光能量的稳定性对于LIBS仪器光谱信号的状态具有十分重要的影响。光谱仪主要包括分光系统和探测器两个部分，是将受激发样品发出的光进行色散，并进一步将色散后的入射光信号转换为电信号的重要部件。因此，光谱仪性能的好坏（波长示值误差、波长示值重复性、检出限、测量重复性、测量稳定性）直接决定了检测结果的准确度和精密度。因此十分有必要在有色金属行业建立针对LIBS主要计量性能的校准技术规范。科学的校准规范能够有效确保校准操作的规范性和校准结果的可靠性，能够有效确保该仪器运行的可靠性，从而有利于该仪器的推广应用，对于提升产品质量水平、推动有色金属检测技术发展具有十分重要的积极作用。 1.2 任务来源 为保证和提升我国有色金属行业LIBS分析试验数据的准确性和可比性，工业和信息化部办公厅于2019年6月20日下达了《工业和信息化部办公厅关于印发2019年行业计量技术规范制修订计划的通知》（工信厅科函[2019]142号），其中包括《激光诱导击穿光谱仪校准规范》制订计划项目。该项目计划号为JJFZ（有色金属）002-2019，国标（北京）检验认证有限公司为主要起草单位，计划完成年限为2021年。 1.3 项目编制组单位简况 1.3.1 编制组成员单位 本标准的编制组单位为：国标（北京）检验认证有限公司、山东东仪光电仪器有限公司、广州计量检测技术研究院、国合通用测试评价认证股份公司、北矿检测技术有限公司。编制组成员单位均是我国从事LIBS研发、生产和应用，或者在有色金属行业内主要从事计量、分析检测及科研的权威单位。1.3.2 主编单位简介 国标（北京）检验认证有限公司（以下简称“国标检验”）是中央企业有研科技集团有限公司（原北京有色金属研究总院）下属国合通用测试评价认证股份公司的全资子公司，注册资本4680.00万元。