楊雪 李蘇宇 姜遠飛 陳安民? 金明星?

1) (吉林化工學(xué)院理學(xué)院,吉林 132022)

2) (吉林大學(xué)原子與分子物理研究所,長春 130012)

3) (吉林省應(yīng)用原子分子光譜重點實驗室,長春 130012)

(2018 年12 月14 日收到; 2019 年1 月6 日收到修改稿)

研究了不同溫度下聚焦透鏡到樣品表面距離對激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)強度的影響,使用Nd:YAG 脈沖激光激發(fā)樣品并產(chǎn)生等離子體,探測的等離子體發(fā)射的光譜線為Cu (I)510.55 nm,Cu (I) 515.32 nm 和Cu (I) 521.82 nm. 使用透鏡的焦距為200 mm,測量的聚焦透鏡到樣品表面距離的范圍為170—200 mm,樣品溫度從25 ℃升高到270 ℃,激光能量為26 mJ. 總體上,升高樣品溫度能有效地提高LIBS 光譜的輻射強度. 在25 ℃和100 ℃時,光譜強度隨著聚焦透鏡到樣品表面距離的增加而單調(diào)增加; 在樣品溫度更高(150,200,250 和270 ℃)時,光譜強度隨著距離的增加出現(xiàn)先升高而后又降低的變化.同時,在樣品接近焦點附近,隨著樣品溫度的升高,LIBS 光譜強度的變化不明顯,還可能出現(xiàn)光譜強度隨著樣品溫度升高而降低的情況,這在通過升高樣品溫度來提高LIBS 光譜強度中特別值得我們注意. 為了更進一步了解這兩個條件對LIBS 的影響,計算了等離子體溫度和電子密度,發(fā)現(xiàn)等離子體溫度和電子密度的變化與光譜強度的變化幾乎一致,更高樣品溫度下產(chǎn)生的等離子體溫度和電子密度更高.

1 引 言

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是一種元素分析技術(shù),LIBS利用聚焦透鏡將一束高能量的激光脈沖照射到樣品表面,在相應(yīng)的位置激發(fā)樣品并產(chǎn)生等離子體,激光誘導(dǎo)的等離子體在衰減的過程中輻射出一些特征譜線,然后通過探測器探測這些譜線并鑒別相應(yīng)的元素組分[1?3]. 原理上,LIBS 能分析任何物質(zhì),而不用考慮它的狀態(tài)(固體、液體或者氣體)[4?7].因為任何處于高溫狀態(tài)的元素能輻射出特定頻率的光,這些光都能通過特定的設(shè)備進行探測,限制因素僅僅為激光的功率、光譜儀和探測器的靈敏度和波長范圍. LIBS 可以在大氣壓、真空、海洋深處或空間探索中進行,能夠用來分析金屬、液體、粉末、生物材料、沙子、巖石、玻璃、牙齒、骨頭、武器、危險品、植物、聚合物等,使用過程中的關(guān)鍵問題就是增加等離子體的輻射強度[8].

隨著各種激光及其技術(shù)的發(fā)展,許多方法已經(jīng)被用來加強LIBS 的光譜強度,例如: 采用短波長的激光[9,10]、雙脈沖激光進行激發(fā)[11]、磁場約束[12,13]、空間約束[14,15]、火花放電再加熱[16]、火焰加強的LIBS[17]、納米粒子加強的LIBS[18]、共振增強的LIBS[19]. 另外,升高樣品溫度是另一個影響LIBS 光譜輻射強度的物理條件,以前的一些研究發(fā)現(xiàn)升高樣品溫度能有效地加強激光與物質(zhì)的相互作用[20?29]. Tavassoli 和Gragossian[20]研究了靶材初始溫度對激光誘導(dǎo)鋁合金等離子體光譜強度的影響,樣品溫度的升高導(dǎo)致光譜線強度的增強,升高樣品溫度能夠改善探測極限. Sanginés 等[21]研究了加熱靶材對激光誘導(dǎo)等離子體的影響,結(jié)果表明通過升高靶材溫度能夠增加LIBS 的輻射強度,且相應(yīng)的信噪比提高了一個數(shù)量級. 另外,他們也研究了在垂直結(jié)構(gòu)雙脈沖LIBS 中,升高靶材溫度增加輻射強度的加強機制[22]. Darbani 等[23]調(diào)查了加熱樣品對激光誘導(dǎo)合金光譜的影響,當(dāng)樣品被加熱到200 ℃時,LIBS 信號強度和光譜的寬度增加了. Hanson 等[24]觀察了鹽溫和相態(tài)對LIBS光譜的影響,發(fā)現(xiàn)Ce 和Mn 的譜線強度隨鹽樣溫度的變化而變化,其中相態(tài)轉(zhuǎn)變溫度下的信號強度最高,其次是固體樣品. Wang 等[25]研究了不同樣品溫度下飛秒激光誘導(dǎo)玻璃等離子體的影響,結(jié)果顯示隨著溫度的上升,等離子體光譜強度得到了明顯提高. Eschlb?ck-Fuchs 等[26]測量了不同樣品溫度下激光誘導(dǎo)鋁合金、硅片和冶金渣等離子體的羽流膨脹動力學(xué)和光發(fā)射光譜,高溫樣品能導(dǎo)致等離子體羽尺寸的增大和更強的光譜輻射. Liu 等[27]測量了不同溫度下激光誘導(dǎo)半導(dǎo)體的等離子體光譜,發(fā)現(xiàn)升高靶溫度能提高光譜線的強度. 他們也測量了靶溫度對等離子體羽的影響[28],結(jié)果顯示隨著溫度的上升,等離子體羽的尺寸明顯變大. 這些研究結(jié)果表明,升高樣品溫度能加強激光與靶材的耦合,改變激光誘導(dǎo)等離子體羽的膨脹動力學(xué)過程.

眾所周知,許多實驗參數(shù)能影響激光誘導(dǎo)等離子體的光譜特點. 一些已經(jīng)公布的結(jié)果表明LIBS的光譜輻射與激光參數(shù)有關(guān)(激光波長、脈沖寬度和強度),同時,LIBS 也依賴于激光聚焦的光斑大小和樣品表面與聚焦透鏡的距離. 不同距離下的等離子羽和激光空間能量分布之間的相互作用不同,這個距離對等離子體羽的膨脹動力學(xué)和光輻射有重要的影響[30?37]. 因此,許多學(xué)者研究了透鏡與樣品之間距離對LIBS 的影響. 早在1996 年,Multari等[30]利用球面和柱面透鏡研究了大氣環(huán)境中透鏡到樣品表面距離對激光誘導(dǎo)等離子體的影響,他們發(fā)現(xiàn)原子輻射光譜、電子溫度和燒蝕質(zhì)量高度依賴于透鏡到樣品表面的距離. Aguilera 和Aragón[31]用一個紅外納秒激光在不同的聚焦距離下燒蝕Fe-Ni 樣品,不同距離下產(chǎn)生的等離子體溫度和電子密度是不同的. Chen 等[32]實驗研究了納秒激光對Zn 靶的損傷以及透鏡到樣品的距離的影響,隨著到焦點距離(從103—111 mm)的減小,損傷面積明顯減小而燒蝕深度逐漸增大. Kasperczuk等[33]探索了等離子體噴射的形成機制,結(jié)果顯示聚焦位置對等離子體噴射的形成條件有重要的影響. Guo 等[34]通過光發(fā)射光譜研究了空間約束下靶表面到焦點距離對激光誘導(dǎo)等離子體的影響.Zhang 等[35]報道了聚焦透鏡到樣品表面距離對等離子體膨脹動力學(xué)過程的影響. 劉月華等[36]采用高功率抽運調(diào)Q激光器分別在真空和空氣中燒蝕Ti-Al 合金靶材激發(fā)等離子體,研究了在不同氣體壓強下透鏡到靶材的距離對等離子體參數(shù)的影響機理. Li 等[37]利用快速攝影技術(shù)研究了空氣中不同光斑尺寸對激光誘導(dǎo)等離子體羽的影響,在樣品表面距離焦點較近時觀察到了等離子體羽的流狀結(jié)構(gòu),在距離較遠時觀察到了半球形結(jié)構(gòu).

根據(jù)以上討論,改變樣品到聚焦透鏡的距離和升高樣品溫度都能改變激光與樣品之間的能量耦合,然而,直接研究升高樣品溫度下不同樣品到聚焦透鏡的距離對LIBS 光譜強度影響的工作很少.本文研究了不同樣品溫度下聚焦透鏡到樣品表面距離對LIBS 的影響,選擇黃銅靶作為測試樣品.探測的光譜線為Cu (I) 510.55 nm [3d104p1(2P3/2)-3d94s2(2D5/2)],Cu (I) 515.32 nm [3d104p1(2D3/2)-3d104p1(2P1/2)],Cu (I) 521.82 nm [3d104p1(2D3/2)-3d104p1(2P3/2)]. 同時,在局域熱平衡近似下,計算了不同樣品溫度下的等離子體溫度和電子密度隨著聚焦透鏡到樣品表面之間距離的變化.

2 實驗裝置

不同樣品溫度下聚焦透鏡到樣品表面距離對LIBS 影響的實驗裝置如圖1(a)所示. 用于激發(fā)等離子體的激光光源是一個Nd:YAG 激光器(Continuum,Surelite III),激光波長為1064 nm,重復(fù)頻率為10 Hz,脈沖寬度為10 ns. 通過一個焦距200 mm 的平凸透鏡聚焦激光脈沖到樣品表面,樣品為黃銅,激光脈沖垂直于樣品表面. 聚焦透鏡被安裝在一個電動位移臺(Zolix)來改變聚焦透鏡到樣品表面的距離,如圖1(b)所示. 我們對入射靶面的激光進行了準(zhǔn)直,反復(fù)地移動安裝聚焦透鏡電動位移臺,調(diào)節(jié)聚焦透鏡前面的兩個反射鏡,確保入射脈沖在靶面的位置不變. 當(dāng)這個距離為200 mm時,表面激光焦點離樣品表面的距離為0 mm. 另外,樣品通過導(dǎo)熱硅脂被緊緊地粘貼在一個加熱臺上,這個加熱臺主要由熱電偶和加熱電阻組成. 為了避免過度燒蝕樣品,樣品和加熱臺被安裝在一個由計算機控制的三維電動位移臺(Thorlabs,PT3/Z8M)上,用來提供未燒蝕的靶. 激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體輻射通過一個直徑50 mm、焦距75 mm的平凸透鏡進行收集,并聚焦到一根光纖束里. 這條光纖被耦合到一臺光譜儀(Spectra Pro 500,PI Acton)上,實驗過程中使用的光柵為1200 line/mm.光譜儀離散的光通過一個增強型電荷耦合相機(ICCD,PI-MAX4,Princeton Instruments,1024 ×1024 像素)進行探測. ICCD 通過一個光電二極管進行觸發(fā),為了降低連續(xù)譜并提高信號強度,ICCD的門延遲設(shè)置為 1μs、門寬設(shè)置為 2 0 μs ,ICCD 獲得的數(shù)據(jù)被記錄到一臺計算機. 每個光譜數(shù)據(jù)是50個激光脈沖的平均值,整個實驗在大氣環(huán)境中進行.

圖1 不同樣品溫度下聚焦透鏡到樣品表面距離對LIBS 影響的實驗裝置示意圖Fig. 1. Experimental setup for the influence of the distance between focusing lens and sample surface on LIBS under different sample temperatures.

3 結(jié)果與討論

首先了解升高樣品溫度對LIBS 光譜強度的影響. 如圖2 所示,激光的能量為26 mJ,聚焦透鏡到樣品表面的距離為190 mm,樣品溫度范圍為25 ℃到270 ℃. 從圖2 可以觀察到三條Cu (I)線,波長分別為510.55,515.23 和521.82 nm. 隨著樣品溫度的升高,光譜強度逐漸增強,這表明升高樣品溫度能有效地改善LIBS 光譜的輻射強度. 在200 ℃時,光譜強度達到了最大值. 繼續(xù)升高樣品溫度,光譜強度減弱. 光譜隨溫度的變化類似于增加激光能量,隨著激光能量的增加,光譜出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,該現(xiàn)象歸因于等離子體屏蔽效應(yīng)[38?41]. 當(dāng)一束激光脈沖照射靶材表面,激光脈沖前沿將激發(fā)靶材產(chǎn)生高溫、高密度的等離子體,隨后等離子體迅速膨脹. 在膨脹的過程中,等離子體將繼續(xù)吸收激光脈沖的能量. 最終,快速膨脹的等離子體將阻止脈沖后沿的激光到達樣品表面,形成等離子體屏蔽效應(yīng). 例如,Haq 等[42]研究了激光誘導(dǎo)鎂等離子體光譜強度隨著激光能量的變化,結(jié)果表明,隨著激光能量的增加,信號強度出現(xiàn)飽和,并歸因于等離子體屏蔽效應(yīng). 另外,升高樣品溫度能增強激光與樣品之間的能量耦合[20,22,26,43,44],相對于較低溫度,高溫下的樣品將吸收更多的激光能量. 因為隨著樣品溫度的升高,相當(dāng)于增加激光能量. 所以,當(dāng)樣品溫度升高到200 ℃時,出現(xiàn)強的等離子體屏蔽,同時光譜強度達到了最大值.

圖2 不同溫度下LIBS 輻射強度的比較,其中圖(b)來自于圖(a),聚焦透鏡到樣品表面的距離為190 mm、激光能量為26 mJFig. 2. Comparison of spectral lines of LIBS under different sample temperatures. Panel (b) is from panel (a). The distance between focusing lens and sample surface is 190 mm.Laser energy is 26 mJ.

顯然,等離子體輻射的光譜對初始的樣品溫度是非常敏感的. 同時,聚焦透鏡到樣品表面的距離也能有效地影響光譜強度的變化. 通過移動聚焦透鏡探測了不同樣品溫度下光譜強度的變化. 圖3 給出了100 和200 ℃時等離子體光譜隨著波長和聚焦透鏡到樣品表面距離的分布,激光能量為26 mJ.可以看出在510—525 nm 波長范圍內(nèi)有較強的發(fā)射光譜,能夠明顯觀察到光譜的距離范圍大約為30 mm. 高溫樣品的光譜強度明顯高于低溫樣品的光譜強度,同時,對于不同的樣品溫度,光譜強度隨著距離的變化也是不同的. 在100 ℃時,光譜強度隨著距離的增加而增加; 而對于200 ℃的樣品溫度,隨著距離的增加,光譜強度先增加而后降低.實際上,實驗過程中的激光能量是不變的,聚焦透鏡與焦點之間距離的改變等價于激光能量密度的改變. 換句話說,當(dāng)移動聚焦透鏡時,相當(dāng)于改變激光照射到樣品表面光斑的尺寸. 在本實驗中,當(dāng)透鏡到樣品表面距離增加時,光斑直徑變小; 當(dāng)距離減小時,光斑直徑增大. 另外,在焦點附近(大約200 mm 的距離) 200 ℃的樣品溫度時,光譜輻射并不是最強的. 因此,不同樣品溫度下的激光誘導(dǎo)等離子體強烈地依賴于聚焦透鏡到樣品表面的距離.

圖3 不同溫度下等離子體光譜隨著波長和聚焦透鏡到樣品表面距離的分布(激光能量為26 mJ) (a)樣品溫度為100 ℃; (b) 樣品溫度為200 ℃Fig. 3. Distribution of optical emission with the wavelength and the distance between focusing lens and sample surface under 100 ℃ (a) and 200 ℃ (b) sample temperatures. Laser energy is 26 mJ.

為了詳細(xì)了解不同樣品溫度下聚焦透鏡到樣品表面距離對光譜強度的影響,圖4 給出了Cu (I)510.55 nm 和Cu (I) 521.82 nm 光譜峰強度的變化. 總體上來看,升高樣品溫度能明顯地提高LIBS的光譜強度. 這是由于樣品溫度增加,樣品的反射率降低[26],樣品吸收更多的激光能量,將產(chǎn)生更強輻射的等離子體. 對于較低溫度的樣品(25 和100 ℃),隨著聚焦距離的增加,樣品表面逐漸接近焦點位置,等離子體光譜的輻射強度逐漸增加. 這是由于在該過程中,光斑尺寸逐漸變小,激光的能量密度增加,產(chǎn)生更強的等離子體. 當(dāng)樣品溫度增加到150 ℃時,隨著聚焦透鏡到樣品表面距離的增加,光譜強度出現(xiàn)先增加而后降低的變化. 如前所述,在距離增加的過程中,光斑尺寸變得越來越小,激光能量密度逐漸變大,這個過程伴隨等離子體屏蔽效應(yīng)的加強. 在等離子體最初形成的過程中,靶吸收激光能量而不會被等離子體羽的膨脹限制. 當(dāng)光譜強度達到最大值時,意味著出現(xiàn)更強的等離子體屏蔽效應(yīng),隨著距離的繼續(xù)增加,等離子體屏蔽效應(yīng)變得更加明顯,并導(dǎo)致燒蝕質(zhì)量的降低. 最終,激光能量與靶材之間的能量耦合也變?nèi)?產(chǎn)生等離子體的輻射強度也降低了. 因此,隨著距離增加而光譜強度減弱歸因于等離子體屏蔽效應(yīng)的加強. 在樣品為200,250 和270 ℃時,也觀察到了類似的變化趨勢. 另一個值得注意的現(xiàn)象是當(dāng)溫度增加200 ℃時,改變透鏡到樣品表面的距離獲得的光譜輻射的最優(yōu)化值達到了最大,繼續(xù)升高樣品溫度(250 和270 ℃),改變透鏡到樣品表面的距離獲得的光譜輻射的最優(yōu)化值與樣品溫度為200 ℃時的光譜輻射的最優(yōu)化值幾乎相等,同時,三個樣品溫度下的光譜隨著距離的變化,相當(dāng)于升高樣品溫度后整體向左移動. 對于200,250和270 ℃,光譜強度最大值的位置分別為181,183 和187 mm. 因為樣品溫度的升高將吸收更多激光能量,所以隨著距離的增加,較高溫度(270 ℃)下在181 mm 處的激光能量密度幾乎等于較低的樣品溫度(200 ℃)在187 mm 處樣品吸收激光能量的密度. 這種情況下,在樣品溫度較高時,隨著聚焦透鏡到樣品表面距離的增加,更早地出現(xiàn)等離子體屏蔽的情況. 當(dāng)出現(xiàn)等離子體屏蔽效應(yīng)后,光譜的輻射強度開始下降. 從上述分析可以看出,在接近焦點位置附近(圖4 中195 mm 到200 mm 的距離),隨著樣品溫度的升高,由于等離子體的屏蔽效應(yīng),可能使得LIBS 光譜的強度增加不明顯,還可能出現(xiàn)如圖2中所示的溫度升高光譜強度降低的情況發(fā)生,這個現(xiàn)象非常值得注意.

圖4 不 同 樣 品 溫 度 下Cu (I) 510.55 nm (a)和Cu (I)521.82 nm (b)光譜峰強度隨著聚焦透鏡到樣品表面距離的變化(激光能量為26 mJ)Fig. 4. Evolution of spectral peak intensities at Cu (I)510.55 nm (a) and Cu (I) 521.82 nm (b) with the distance between focusing lens and sample surface under different sample temperatures. Laser energy is 26 mJ.

等離子體溫度和電子密度是等離子體中兩個重要的參數(shù),知道這兩個參數(shù)更有助于理解等離子體的變化過程. 接下來計算等離子體溫度和電子密度在不同樣品溫度下隨著聚焦透鏡到樣品表面距離的變化. 在局域熱平衡近似下[45],等離子體溫度能通過Boltzmann 圖獲得,方程如下[46?48]:

這里,Iki為光譜的積分強度,λ為譜線的中心波長,gk為譜線上能級的簡并,Aki為躍遷概率,Ek為譜線上能級能量,kB為玻爾茲曼常數(shù),T為等離子體溫度,C是常數(shù). 利用方程(1)左邊ln(λIki/gkAki)和譜線上能級能量Ek進行線性擬合,獲得直線的斜率–1/kBT,從而求得等離子體溫度T. 本文實驗中選取用于計算等離子體溫度的譜線分別為Cu (I)510.55 nm,Cu (I) 515.32 nm 和Cu (I) 521.82 nm,對應(yīng)的這些譜線的物理參數(shù)如表1 所列,參數(shù)信息來源于NIST[49].

表1 用于計算等離子體溫度的光譜線參數(shù)表Table 1. Spectral parameters of Cu (I) for calculating plasma temperature.

圖5 為典型的Boltzmann 圖,樣品的溫度為200 ℃,聚焦透鏡到樣品表面的距離分別為175,180,185 和195 mm. 可以看出,不同實驗條件下Boltzmann 圖的斜率和截距都不同,斜率對應(yīng)–1/kBT,截距對應(yīng)C. 因此,僅僅根據(jù)斜率就可以計算出等離子體溫度.

圖6 顯示了不同樣品溫度下等離子體溫度隨著聚焦透鏡到樣品表面距離的變化,樣品溫度分別為25,100,150,200,250 和270 ℃,激光能量為26 mJ. 整體上,對于不同的聚焦透鏡到樣品表面的距離,隨著樣品溫度的升高,等離子體溫度將變得更高. 對比不同溫度的樣品,在25 和100 ℃時,隨著距離的增加,激光能量密度變大,等離子體的溫度逐漸升高,這與光譜強度的變化一致. 溫度升高到150 ℃,等離子體溫度均出現(xiàn)先升高而后降低的變化,更高的溫度200,250 和270 ℃也出現(xiàn)了同樣的變化趨勢. 在該變化趨勢過程中,只改變聚焦透鏡到樣品表面的距離,其他的實驗條件不變.當(dāng)距離較短時,通過透鏡會聚到樣品表面的入射激光束的光斑尺寸較大,以至于作用于樣品表面的激光能量密度較低. 當(dāng)樣品越來越接近焦點時,聚焦透鏡對激光的會聚作用逐漸加強,光斑尺寸縮減,激光能量密度增加,對靶的燒蝕效率和電離效率也逐漸加強. 另外,等離子體屏蔽效應(yīng)也在緩慢地加強,這使得在靶上方形成的等離子體吸收激光能量的增加. 因此,等離子體溫度增加. 對于等離子體溫度降低的過程,例如200 ℃時,當(dāng)樣品表面從187 mm 移動到197 mm 時,等離子體溫度從1.07 ×104K 下降到0.95 × 104K. 溫度明顯降低可歸因于先前提到的等離子體屏蔽效應(yīng). 隨著距離的增加,等離子體羽從半球形結(jié)構(gòu)變成流狀結(jié)構(gòu)[35,37],這使得等離子體屏蔽效應(yīng)變得越來越強,并將消耗更多的入射激光的能量,以至于到達樣品表面的激光能量急劇減小,同時靶的燒蝕效率也大大降低.因此,等離子體溫度迅速降低[50].

圖5 典型的Boltzmann 圖,其中聚焦透鏡到樣品表面的距離分 別為(a) 175,(b) 180,(c) 185 和(d) 195 mm; 樣 品溫度為200 ℃Fig. 5. Typical Boltzmann plots. The distances between focusing lens and sample surface are (a) 175,(b) 180,(c) 185 and (d) 195 mm. Sample temperature is 200 ℃.

圖6 不同樣品溫度下等離子體溫度隨著聚焦透鏡到樣品表面距離的變化(激光能量為26 mJ)Fig. 6. Evolution of plasma temperature with the distance between focusing lens and sample surface under different sample temperatures. Laser energy is 26 mJ.

等離子體的電子密度通過譜線的半高寬Δλ1/2來計算,公式如下[46?48]:

這里,ω為電子碰撞參數(shù)[51],Ne為電子密度. 另外,測量的譜線的半高全寬 Δλmeasured還包括自然展寬ΔλN、多普勒展寬 ΔλD和儀器展寬 Δλinstrument,即Δλ1/2=Δλmeasured?ΔλN?ΔλD?Δλinstrument. 選 用三條譜線中最強的Cu (I) 521.82 nm 來計算電子密度,對應(yīng)的ω值為0.22 nm[51].

圖7 典型的譜線半高寬( Δ λmeasured )擬合圖,其中聚焦透鏡到樣品表面的距離分別為(a) 175,(b) 180,(c) 185 和(d)195 mm; 樣品溫度為200 ℃Fig. 7. Typical Gauss fitting ( Δ λmeasured ) for selected distances between focusing lens and sample surface under 200 ℃ sample temperature. The distances are (a) 175,(b) 180,(c) 185 and 195 mm (d).

圖7 給出了典型的光譜半高全寬( Δλmeasured)擬合圖,樣品的溫度為200 ℃,聚焦透鏡到樣品表面的距離分別為175,180,185 和195 mm. 可以看出實驗數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)符合得比較好. 為了更清楚地知道不同樣品溫度下電子密度隨聚焦透鏡到樣品表面距離的變化關(guān)系,繪制了相應(yīng)的電子密度變化圖,如圖8 所示. 樣品溫度升高,激光與靶材之間的能量耦合加強,產(chǎn)生更高電子密度的等離子體.對于較高樣品溫度的情況(150,200,250 和270 ℃),電子密度的變化趨勢與等離子體溫度的變化趨勢幾乎一致. 然而,在25 和100 ℃時,隨著聚焦透鏡到樣品表面距離的增加,電子密度的變化不同于等離子體溫度的變化,出現(xiàn)了先增加而后又降低的變化. 如前所述,隨著距離的增加,伴隨等離子體屏蔽效應(yīng)的加強. 在電子密度達到最大值時,脈沖前沿產(chǎn)生的等離子體將吸收后沿脈沖的激光能量,等離子體在激光反方向上迅速膨脹,等離子體羽形成流狀結(jié)構(gòu)[35,37],等離子體羽的迅速膨脹使得電子密度迅速降低,因此,在接近焦點附近時,電子密度開始降低. 等離子體溫度和電子密度的討論,使得我們更清楚地了解到不同樣品溫度下聚焦透鏡到樣品表面的距離對LIBS 光譜強度的影響以及強度變化的物理機制.

圖8 不同樣品溫度下電子密度隨著聚焦透鏡到樣品表面距離的變化(激光能量為26 mJ)Fig. 8. Evolution of electron density with the distance between focusing lens and sample surface under different sample temperatures. Laser energy is 26 mJ.

4 結(jié) 論

研究了不同溫度下聚焦透鏡到樣品表面的距離對LIBS 光譜強度的影響. 總體上,升高樣品溫度能提高LIBS 光譜的輻射強度. 隨著聚焦透鏡到樣品表面距離的增加,在25 和100 ℃時,光譜強度逐漸增加; 而在更高溫度(150,200,250 和270 ℃)時,光譜強度出現(xiàn)先升高而后又降低的變化,這種變化歸因于等離子體屏蔽效應(yīng). 在等離子體屏蔽效應(yīng)的作用下,在樣品接近焦點附近時,隨著樣品溫度的升高,使得LIBS 光譜強度的增加不明顯,還可能出現(xiàn)樣品溫度升高而光譜強度降低的情況,這些現(xiàn)象在升高樣品溫度來提高LIBS 光譜強度中是非常值得注意的問題. 另外,還計算了等離子體溫度和電子密度,發(fā)現(xiàn)等離子體溫度和電子密度的變化與光譜強度的變化幾乎一致,更高樣品溫度下產(chǎn)生的等離子體溫度和電子密度更高.