激光拉曼光谱测量技术在动态加载中的应用

陈源福，陈荣泉，骆明辉

(闽南理工学院 土木工程学院,福建 泉州 362700)

轻气炮动态加载过程中具有的加载快、冲击压力和温度显著变化等特征，是研究物质微观动力学的主要高压实验测量设备。在线测量对实验同步性和测量精度有比较高的要求，目前主要应用于冲击加载的在线检测方法有：光散射方法[1-5]、激光速度干涉仪(VISAR)[6]和光谱方法[7-10]等，而其中的光谱测量方法可以在分子微观结构的变化上获得信息，特别是激光拉曼光谱可以实时在线观测样品的冲击诱导化学变化，因而得到了广泛应用。我国动态加载下的拉曼光谱测量技术发展较晚，由于该测量方法要求实验的同步性和精密的测量精度以及信噪比的限制，使得要完成整个实验测量的周期较长、成本高。本研究基于气炮加载下的实时在线激光拉曼光谱测量技术，并用于观察透明液体苯的C-H(3061 cm-1)拉曼特征峰，通过测量系统优化，能够在一次实验中获得两个实验数据，提高了实验效率。

1 实验原理与方法

动态加载下的激光拉曼光谱测量系统包含一级轻气炮、高功率激光器、光谱仪及其控制系统、同步延迟系统和靶装置，其实验装置示意图如图1所示。弹丸经一级轻气炮加载后与基板发生正碰，其碰撞的速度可由出口处的磁测速装置获取[11]。飞片和基板材料均为SUS304，飞片的碰撞面和基板的两面均经过精细的光学抛光。观察窗口材料为石英玻璃或蓝宝石，样品为纯度99.6%可用于光谱测量的液体苯，厚度为1-3 mm。由于液体苯的冲击阻抗低于两侧的基板和观察窗口的冲击阻抗，冲击波在它们之间来回反射实现对苯多次冲击加载，用阻抗匹配法计算苯的实验压力[12]。苯的Hugoniot的关系为：Us=1.50+1.67Up[13]，其中Us为冲击波速度，Up为波后粒子速度。

图1 动态加载下激光拉曼光谱测量系统示意图

瞬态激光拉曼光谱测试系统要求轻气炮加载系统与测量系统的同步性要匹配得很好，时间的同步性主要由延迟系统完成，包含电路延迟和光路延迟。当飞片触碰基板的同时，安装在靶面上水平和竖直方向的对称触发探针被接通，探针连接同步延迟系统控制高功率激光器和光谱仪测试系统。从触发电探针到光谱仪开始工作的固定延迟时间为t1，即为电路延迟：包含电缆线路，延迟系统、像增强器和光学多通道分析仪的反应时间。而光路延迟中，当飞片经过磁测速装置时，通过延迟系统控制打开激光闪光灯，而激光器的Q开关控制需要通过预设飞片的速度，再通过样品和基板Hugoniot参数结合阻抗匹配法计算冲击波到达样品的时间，设置此光路延迟总时间t2，此为触发光路延迟；而样品的散射光在光纤传输到达光谱仪像增强器的时间为t3，此为待测光路延迟，整个同步原理如图2所示。

在实验测量中,光谱仪的光栅条纹参数设置为1200条/mm，其测量结果的光谱峰位不确定度约为±5 cm-1，光谱采集时间设置为200 ns左右。激光器和光谱仪及其控制系统、同步延迟系统集成在一个可自由移动的实验平台，实验时激光经光学反射镜反射垂直入射到样品中心观察区域，由于基板经过精细的光学抛光，激光被原路反射回来，在斜45度方向用光纤束对准样品观察区域进行拉曼散射光收集，散射光由光纤束经过聚焦、滤光、再聚焦，耦合进入光谱仪，光信号由像增强器放大后，再由CCD探测器记录。

图2 同步原理图

2 实验结果分析

样品苯在动态加载过程中，存在波前与波后两个不同压力区域。当冲击波到达窗口时，样品完成一次压缩，此时样品处在一个压力下，如果把光谱的采集时间设置在此时刻，那么得到的散射光为第一次压缩的拉曼光谱，如图3所示，为典型的实验信号。从实验结果观察到苯的C-H拉曼特征峰向高频移动，峰宽变宽，这是由于苯受到冲击波的作用，随压力增加分子的键长缩短，分子的相互作用增强所致。

图3 1.60 GPa的拉曼信号图

如果观察时间点设置为第一次冲击的中间时刻，则样品存在压缩部分和未压缩部分，则对应的拉曼光谱应由两部分组成，图4为实验的测量结果。

图4 1.01 GPa的拉曼信号图

由实验信号可以看出，实验后的拉曼光谱光谱图有两个峰的存在，其中第一个峰的峰位与常温常压下的峰位一致，说明该拉曼峰是源自于未被压缩部分，而第二个峰为受到第一次冲击部分的贡献。 为了验证实验的准确性和重复性，在控制实验精度和实验同步性问题前提下，对样品进行在第三次冲击的中间设置光谱采集时刻，图5为实验信号，其中(b)为样品第二次冲击压力下的拉曼峰，(c)为样品第三次冲击压力下的拉曼峰。实验后的两个峰的强度相当，说明波前与波后两部分不同压力下的拉曼峰贡献相当，也说明测量的同步性达到了实验要求。图6表明三组实验获得的冲击拉曼频移与压力呈线性变化趋势，结果与文献[5]与文献[13]较高压力的观察结果相符合，实验表明该测量技术的改进能在一次实验获得两个实验数据，提高了实验效率，为轻气炮冲击加载下的物质微观结构变化在线检测提供了一种有效手段。

图5 第三次冲击下的拉曼信号图

图6 动态加载下拉曼频移与压力的关系

3 结论

利用轻气炮加载技术的特点发展了激光拉曼光谱测量技术，该测量技术有以下优点：(1)可以在一次实验中获得两个实验数据，缩小实验周期，降低实验成本。(2)测量系统的准确性和重复率高，可以用于其他透明物质在高压下的特性研究。(3)测量的实验数据信噪比高，图形清晰，便于实验数据分析。(4)测量同步系统的光路延迟和电路延迟可根据实际测量仪器进行精确测量，测量系统的同步可控制。本研究利用该测量技术测量了苯在动态加载下的拉曼光谱变化，一次实验可获得两个压力下的拉曼光谱信号，同时也验证了此实验测量技术的准确性和可靠性。它可以为轻气炮加载下实时在线观测物质微观结构变化信息提供一种有效的实验手段，并可以减少实验周期和实验成本。