張麗麗

(呂梁學院 物理系，山西 離石 033001)

0 引言

在1960年發(fā)明激光之后，通過表面的紅寶石激光器證明了第一個有用的激光誘導(dǎo)等離子體(LIBS).激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)作為成分分析技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，如今在各領(lǐng)域都有應(yīng)用.LIBS可以使用LIP發(fā)出的獨特特征譜線來確定樣品中的元素，可以用于分析任何物質(zhì)[1]，無論其物理狀態(tài)如何，巖石，玻璃，金屬，沙子，牙齒，骨頭，武器等都可以，而且粉末LIBS可以在大氣、真空、海洋深處或太空探索中進行.在這些應(yīng)用中，LIBS技術(shù)至關(guān)重要，可以有效增加等離子體發(fā)射強度和信噪比.為此提出了許多不同的技術(shù)，例如火花放電輔助的LIBS[2]，空間約束的LIBS[3]，磁場增強的LIBS[4]，帶有預(yù)熱樣品的LIBS[5]等.但是雙重約束能否更有效地增強等離子體，需要我們進一步研究.

本文利用磁場、腔體分別與納米金結(jié)合，探究其增強效果及信號信噪比.分析雙重約束的優(yōu)勢及增強機理.

1 實驗裝置

實驗裝置的示意圖如圖1所示，主要設(shè)備有產(chǎn)生激光的激光器，用于光譜分析的光譜儀，匯聚激光的聚焦透鏡，數(shù)據(jù)處理的電腦，放置樣品的樣品臺等.激光器發(fā)射激光打到樣品表面上使得樣品產(chǎn)生等離子體并發(fā)出對應(yīng)元素的光譜.光纖通過石英透鏡收集激光誘導(dǎo)的等離子體對應(yīng)的光譜至光譜儀.通過1024*1024像素增強電荷耦合器件(ICCD)檢測光譜分辨的譜線.使用數(shù)字延遲發(fā)生器使設(shè)備同步.用個人計算機進行數(shù)據(jù)采集和分析.在這項研究中，控制在同一實驗條件下，激光燒蝕10次所得光譜強度的平均值作為該條件下的光譜值.

在做實驗時，分別將磁鐵、腔體安裝在樣品表面，納米金通過滴管滴到樣品的表面(腔體與磁場的中心)，通過設(shè)置參數(shù)，分析等離子體隨激光能量的變化.

2 磁場、腔體，納米金約束原理

2.1 磁場增強原理

在樣品周圍施加磁場時，等離子體光譜出現(xiàn)了增強，這是因為激光燒蝕樣品產(chǎn)生等離子體，磁場約束使得等離子體內(nèi)離子和電子受到洛倫茲力影響，膨脹速度變慢.

圖1實驗裝置示意圖

等離子體在磁場中的膨脹和擴散滿足歐姆定律：

(1)

直至磁壓力與等離子體壓力達到平衡.在此過程中，磁場約束促使電子碰撞電離的概率增加，

進而離子數(shù)目增多，引起離子光譜強度增強.磁場使得電子獲得部分焦耳熱，以碰撞的形式傳遞給了離子，電子和離子重新組合可以產(chǎn)生新的原子，因為這個過程從而出現(xiàn)了原子光譜增強現(xiàn)象.

2.2 腔體約束增強原理

通常情況下，高功率密度的激光脈沖誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體會以激光束中心線為軸向外快速地膨脹，同時伴隨著沖擊波的產(chǎn)生，而沖擊波的運動速度大于等離子體的膨脹速度，這時當外加腔體約束后，沖擊波碰到空腔內(nèi)壁后會被反射回來，通過腔體壁將沖擊波沿相反方向反射回來壓縮產(chǎn)生的等離子體，通過這一反射使得等離子體的進一步擴散得到抑制.這樣等離子體的體積也隨之變小，這樣一來增加了激光等離子體中高速運動粒子之間相互碰撞的幾率，使得處于激發(fā)態(tài)的原子或離子數(shù)密度進一步增加，等離子體的溫度也因此而升高.因此，在使用柱形空腔約束后，可以有效增強激光誘導(dǎo)擊穿光譜.

2.3 納米顆粒增強原理

LIBS技術(shù)中，在待測樣品表面沉積一層納米金屬顆?？梢杂行У亟档偷入x子體的激發(fā)閾值，提升激光的燒蝕效率，使得樣品在較小能量下可以激發(fā)出光譜，或在相同能量下燒蝕程度更深，譜線強度得到有效增強.

使用Keldysh參數(shù)可以估計在激光燒蝕期間等離子體的電離狀態(tài)：

(2)

其中ω為激光頻率，me為電子質(zhì)量，e為電荷量，VB為勢壘勢能，F(xiàn)為電場強度.當γ>1時，樣品的電離過程主要為多光子電離，而當γ<1時為場輻射過程.當在金屬樣品表面沉積一層納米金顆粒時，激光場將大幅增強，從而使得γ<1，這樣自由電子就主要由場輻射產(chǎn)生，增強了自由電子產(chǎn)生的效率，從而使得等離子體發(fā)射光譜的強度得到極大的增強.

3 結(jié)果與討論

3.1 磁場與納米金聯(lián)合約束下光譜特性研究

圖2顯示了磁場、納米金結(jié)合約束后增強因子示意圖，本文中的增強因子為約束條件下峰值與無約束條件下峰值之比，從圖中我們可以看到，雙重約束增強效果最好，隨著激光能量的增加，增強因子減小.磁場的增強效果優(yōu)于納米金粒子，聯(lián)合約束等離子后，增強因子可達18左右.圖3顯示了隨激光能量變化的信噪比變化情況，信噪比為信號峰值與信號附近相同波長距離背景最小值之比.聯(lián)合約束信噪比更好.60 mJ時聯(lián)合約束信噪比達到最大，磁場納米金單獨都能改善光譜提高信噪比.

3.2 腔體與納米金聯(lián)合約束下光譜特性研究

圖4顯示了腔體、納米金結(jié)合約束后增強因子示意圖，從圖中我們可以看到，雙重約束增強效果最好，隨著激光能量的增加，增強因子減小.腔體的增強效果優(yōu)于納米金粒子，聯(lián)合約束等離子后，增強因子可達22左右.圖5顯示了隨激光能量變化的信噪比變化情況.聯(lián)合約束信噪比更好.60 mJ時聯(lián)合約束信噪比達到最大，腔體納米金單獨都能改善光譜提高信噪比.

圖2 磁場納米金結(jié)合增強因子圖3 磁場納米金結(jié)合信噪比

圖4 腔體納米金結(jié)合增強因子圖5 腔體納米金結(jié)合信噪比

4 結(jié)論

本文為了提高激光誘導(dǎo)等離子體的發(fā)射光譜強度，將腔體與納米金結(jié)合，磁場與納米金結(jié)合來約束黃銅等離子體激光誘導(dǎo)擊穿光譜.實驗結(jié)果表明，腔體、磁場、納米金都能對銅光譜起到增強作用，雙重約束下譜線增強效果最好，增強因子磁場與納米金結(jié)合可達18左右，腔體與納米金結(jié)合增強因子可達20左右，在雙重約束下，信噪比改善最好.