双重约束激光诱导击穿光谱增强技术研究

张丽丽

(吕梁学院 物理系，山西 离石 033001)

0 引言

在1960年发明激光之后，通过表面的红宝石激光器证明了第一个有用的激光诱导等离子体(LIBS).激光诱导击穿光谱技术作为成分分析技术得到了迅速的发展，如今在各领域都有应用.LIBS可以使用LIP发出的独特特征谱线来确定样品中的元素，可以用于分析任何物质[1]，无论其物理状态如何，岩石，玻璃，金属，沙子，牙齿，骨头，武器等都可以，而且粉末LIBS可以在大气、真空、海洋深处或太空探索中进行.在这些应用中，LIBS技术至关重要，可以有效增加等离子体发射强度和信噪比.为此提出了许多不同的技术，例如火花放电辅助的LIBS[2]，空间约束的LIBS[3]，磁场增强的LIBS[4]，带有预热样品的LIBS[5]等.但是双重约束能否更有效地增强等离子体，需要我们进一步研究.

本文利用磁场、腔体分别与纳米金结合，探究其增强效果及信号信噪比.分析双重约束的优势及增强机理.

1 实验装置

实验装置的示意图如图1所示，主要设备有产生激光的激光器，用于光谱分析的光谱仪，汇聚激光的聚焦透镜，数据处理的电脑，放置样品的样品台等.激光器发射激光打到样品表面上使得样品产生等离子体并发出对应元素的光谱.光纤通过石英透镜收集激光诱导的等离子体对应的光谱至光谱仪.通过1024*1024像素增强电荷耦合器件(ICCD)检测光谱分辨的谱线.使用数字延迟发生器使设备同步.用个人计算机进行数据采集和分析.在这项研究中，控制在同一实验条件下，激光烧蚀10次所得光谱强度的平均值作为该条件下的光谱值.

在做实验时，分别将磁铁、腔体安装在样品表面，纳米金通过滴管滴到样品的表面(腔体与磁场的中心)，通过设置参数，分析等离子体随激光能量的变化.

2 磁场、腔体，纳米金约束原理

2.1 磁场增强原理

在样品周围施加磁场时，等离子体光谱出现了增强，这是因为激光烧蚀样品产生等离子体，磁场约束使得等离子体内离子和电子受到洛伦兹力影响，膨胀速度变慢.

图1实验装置示意图

等离子体在磁场中的膨胀和扩散满足欧姆定律：

(1)

直至磁压力与等离子体压力达到平衡.在此过程中，磁场约束促使电子碰撞电离的概率增加，

进而离子数目增多，引起离子光谱强度增强.磁场使得电子获得部分焦耳热，以碰撞的形式传递给了离子，电子和离子重新组合可以产生新的原子，因为这个过程从而出现了原子光谱增强现象.

2.2 腔体约束增强原理

通常情况下，高功率密度的激光脉冲诱导产生的等离子体会以激光束中心线为轴向外快速地膨胀，同时伴随着冲击波的产生，而冲击波的运动速度大于等离子体的膨胀速度，这时当外加腔体约束后，冲击波碰到空腔内壁后会被反射回来，通过腔体壁将冲击波沿相反方向反射回来压缩产生的等离子体，通过这一反射使得等离子体的进一步扩散得到抑制.这样等离子体的体积也随之变小，这样一来增加了激光等离子体中高速运动粒子之间相互碰撞的几率，使得处于激发态的原子或离子数密度进一步增加，等离子体的温度也因此而升高.因此，在使用柱形空腔约束后，可以有效增强激光诱导击穿光谱.

2.3 纳米颗粒增强原理

LIBS技术中，在待测样品表面沉积一层纳米金属颗粒可以有效地降低等离子体的激发阈值，提升激光的烧蚀效率，使得样品在较小能量下可以激发出光谱，或在相同能量下烧蚀程度更深，谱线强度得到有效增强.

使用Keldysh参数可以估计在激光烧蚀期间等离子体的电离状态：

(2)

其中ω为激光频率，me为电子质量，e为电荷量，VB为势垒势能，F为电场强度.当γ>1时，样品的电离过程主要为多光子电离，而当γ<1时为场辐射过程.当在金属样品表面沉积一层纳米金颗粒时，激光场将大幅增强，从而使得γ<1，这样自由电子就主要由场辐射产生，增强了自由电子产生的效率，从而使得等离子体发射光谱的强度得到极大的增强.

3 结果与讨论

3.1 磁场与纳米金联合约束下光谱特性研究

图2显示了磁场、纳米金结合约束后增强因子示意图，本文中的增强因子为约束条件下峰值与无约束条件下峰值之比，从图中我们可以看到，双重约束增强效果最好，随着激光能量的增加，增强因子减小.磁场的增强效果优于纳米金粒子，联合约束等离子后，增强因子可达18左右.图3显示了随激光能量变化的信噪比变化情况，信噪比为信号峰值与信号附近相同波长距离背景最小值之比.联合约束信噪比更好.60 mJ时联合约束信噪比达到最大，磁场纳米金单独都能改善光谱提高信噪比.

3.2 腔体与纳米金联合约束下光谱特性研究

图4显示了腔体、纳米金结合约束后增强因子示意图，从图中我们可以看到，双重约束增强效果最好，随着激光能量的增加，增强因子减小.腔体的增强效果优于纳米金粒子，联合约束等离子后，增强因子可达22左右.图5显示了随激光能量变化的信噪比变化情况.联合约束信噪比更好.60 mJ时联合约束信噪比达到最大，腔体纳米金单独都能改善光谱提高信噪比.

图2 磁场纳米金结合增强因子图3 磁场纳米金结合信噪比

图4 腔体纳米金结合增强因子图5 腔体纳米金结合信噪比

4 结论

本文为了提高激光诱导等离子体的发射光谱强度，将腔体与纳米金结合，磁场与纳米金结合来约束黄铜等离子体激光诱导击穿光谱.实验结果表明，腔体、磁场、纳米金都能对铜光谱起到增强作用，双重约束下谱线增强效果最好，增强因子磁场与纳米金结合可达18左右，腔体与纳米金结合增强因子可达20左右，在双重约束下，信噪比改善最好.