激光聚焦位置對半球腔約束等離子體光譜增強特性的影響

陳旭東，王靜鴿，2*，馮 笛，魏嘉威，汪利萍，王 紅

1.河南科技大學物理工程學院，河南 洛陽 471023 2.洛陽師范學院，河南省電磁變換與探測重點實驗室，河南 洛陽 471934

引 言

激光誘導擊穿光譜技術(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)由于具有無需樣品預處理、遠距離檢測、多元素同時診斷等優點，已經被廣泛用于工業控制[1]、環境監測[2]、食品檢測[3]、空間勘探[4]等領域。為了改善LIBS技術中光譜信號穩定性和重復性差的缺點，雙脈沖激光激發[5-6]、等離子體束縛[7-8]以及與其他技術聯合應用[9-10]等方法已經被廣泛研究，其中對等離子體進行空間約束是較簡單且有效的方法。Guo等[11]提出了半球空腔約束等離子體的方法，由于半球空腔可以對等離子體進行三維約束，因此具有較好的光譜增強效果。等離子體的特性與實驗系統中聚焦透鏡到樣品的距離(lens to sample distance, LTSD)有密切關系[12]，不同聚焦情況下等離子體的形態、輻射光譜信號強度、等離子體溫度及電子密度等參數都有較大差別。對等離子體進行空間約束實際上是在等離子體周圍設置屏障，當沖擊波在膨脹過程中遇到障礙物時，反射的沖擊波與等離子體相互作用引起光譜信號增強。由此可見，空間約束的效果與等離子體的特性也有很大關系。Guo等[13]研究了不同聚焦情況下圓柱空腔約束對激光誘導硅等離子體的光譜增強特性，而該論文主要研究了聚焦透鏡焦點在樣品表面以下時，光譜增強特性隨著LTSD的變化。

本文采用半球形空腔對等離子體進行三維空間約束，采用焦距為100 mm的聚焦透鏡，通過調節聚焦透鏡的位置，使透鏡到樣品之間的距離LTSD變化范圍為84～104 mm，包含了激光聚焦位置在樣品表面以下、樣品表面和樣品表面以上三種聚焦情況，分別采集了無約束和半球腔約束下的等離子體的時間演變光譜，研究激光的聚焦情況對光譜增強效果的影響。

1 實驗部分

實驗裝置示意圖如圖1所示，采用波長為1 064 nm的Nd∶YAG調Q脈沖固體激光器作為激發光源，其脈沖寬度為8 ns，重復頻率設置為3 Hz，單脈沖能量設置為150 mJ，激光束經過焦距為100 mm的平凸透鏡L1聚焦后穿過半球形空腔(內腔直徑為10 mm)頂部預留的小孔(直徑為3 mm)垂直入射到合金鋼樣品表面，半球形空腔由K樹脂材料制成，貼合于合金鋼樣品表面固定。合金鋼樣品被燒蝕后產生等離子體，等離子體輻射光經過半球形空腔側面的直槽口(高為2.5 mm、半徑為1.5 mm)經焦距為10 mm聚焦透鏡L2聚焦后至光纖端面，所用傳輸光纖纖芯直徑為100 μm，其中光纖端面垂直于樣品表面，傳輸光纖的另一端與中階梯光柵光譜儀連接，等離子體輻射光經過光譜儀分光后通過增強型CCD(ICCD)進行光電轉換，所采用的中階梯光譜儀為Andor ME5000, 其光譜響應范圍為230～920 nm，分辨能力為5 000。

圖1 實驗裝置圖

實驗中將聚焦透鏡L1固定在高精密電動平移臺上，其位置調節定位精度可達5 μm，通過調節透鏡的位置改變激光的聚焦情況，本文中用LTSD來描述激光的聚焦情況，實驗中控制LTSD的變化范圍為85～104 mm，變化步距為1 mm。激光在不同的聚焦情況下，分別采集無約束和半球空腔約束下激光燒蝕合金鋼等離子體的時間演變光譜，光譜采集門寬設置為1 μs，采集延時變化范圍為4～16 μs，每幅光譜圖由20個激光脈沖累加得到。

2 結果與討論

2.1 譜線強度對比

選取合金鋼等離子體中的Fe Ⅰ 374.55 nm和Mn Ⅰ 403.08 nm兩條原子譜線作為分析譜線。由不同LTSD位置處的時間演變實驗光譜數據可以得到無約束和半球腔約束下譜線強度隨LTSD和采集延時的二維空間分布圖，如圖2所示，圖中的強度是用相應譜線無約束和約束兩種情況下的最大譜線強度進行歸一化的結果。

由圖2可以看出，無約束情況下，譜線強度隨著LTSD的增加都呈現出先增大后減小再增大再減小的變化規律，不同的采集延時下，譜線強度分別在LTSD為94和102 mm時出現峰值，在采集延時小于8 μs時，譜線強度的最大值在LTSD為94 mm的位置。這一研究結果與我們課題組前期的研究結果一致，產生這種現象的主要原因與燒蝕位置處的能量密度有關[14]。而采集延時大于8 μs后，譜線強度的最大值出現在LTSD為102 mm時，產生這種現象的主要原因可能是此時激光的焦點位置在樣品表面以上，激光在到達樣品表面前擊穿空氣，從而改變了樣品表面的燒蝕環境，當采集延時較大時，這種燒蝕環境的變化使得激光能夠更好地耦合至樣品表面。

當用半球空腔約束等離子體，采集延時在4～10 μs時，可以看出譜線強度高于無約束情況下的譜線強度，且譜線強度隨著LTSD的變化與無約束情況下類似，區別在于譜線強度的最大值都在LTSD為94 mm的聚焦位置。產生光譜信號增強的原因是：當等離子體產生向外膨脹擴張的趨勢時，由于空氣壓力的急劇增加，會產生沖擊波，沖擊波也迅速向前傳播，當遇到半球腔內壁時被反射，反射回來的沖擊波使等離子體被壓縮在一個很小的區域，被壓縮的等離子體的溫度和粒子數密度提高，導致粒子間碰撞速率增加，從而增加了高能激發態原子的數量，進而引起光譜強度增強。另外，從圖2還可以看出，隨著采集延遲繼續增加，半球空腔約束下譜線強度出現了第二次增強，對應的延遲時間為12～16 μs。這種現象與Wang等的研究類似[15]，可以將產生這種現象的原因解釋為：當被反射的沖擊波與等離子體相互作用后會繼續向前傳播，直至遇到另一側的半球腔內壁，此時再次被反射，二次反射的沖擊波對等離子體的壓縮效應引起了光譜強度的第二次增強。

2.2 增強倍數隨LTSD的變化

增強倍數指的是用半球腔約束下的譜線強度值除以無約束情況下對應的譜線強度值。用增強倍數來評價半球腔對光譜信號的增強效果，圖3是譜線強度增強倍數隨LTSD和采集延時的二維變化關系。由圖中可以更加清晰看出，隨著采集延時的變化，兩條譜線的強度分別在采集延時為4～10和12～16 μs兩個時間段內出現信號增強，即在整個實驗采集的延遲時間內，譜線強度經歷了兩次連續增強，為方便描述，我們分別稱這兩次譜線增強為“第一次信號增強”和“第二次信號增強”。通過圖3也可以看出，不同LTSD時譜線強度的增強倍數也存在明顯差異，且第二次增強時的增強倍數相對較高，兩條譜線的最大增強倍數約為6倍。除此之外，不同LTSD時出現最大增強倍數對應的采集延時也存在差別。

由于采用半球空腔約束等離子體時光譜強度出現了兩次增強，為進一步研究兩次增強效果分別與LTSD的變化關系，定義最大增強倍數為該LTSD時在對應區域的最大增強倍數，相對應的采集延時為最優采集延時。圖4是在最優采集延時下，分析譜線最大增強倍數隨LTSD的演化關系，其中圖4(a)為采集延時在4～10 μs期間譜線第一次增強的最大增強倍數隨LTSD的變化圖，圖4(b)為采集延時在12～16 μs期間譜線第二次增強的最大增強倍數隨LTSD的變化圖。可以看出，第一次增強的最大增強倍數隨LTSD的變化沒有明顯規律，增強倍數在2～6之間波動；第二次增強的最大增強倍數首先隨著LTSD的增大而增大，在LTSD=96 mm時達到最大值，兩條譜線在該延時區域的最大增強倍數約為6倍，隨著LTSD繼續增大，第二次最大增強倍數逐漸降低，LTSD超過101 mm后，又出現小幅的先上升后下降的趨勢。這一變化規律與圖2中無約束情況下譜線強度的變化規律類似。

圖2 譜線強度隨LTSD和采集延時的變化關系

圖3 增強倍數隨LTSD和采集延時的變化關系

圖4 最大增強倍數隨LTSD的變化關系

為統計兩次連續增強出現的延遲時間，找出上述每一個最大增強倍數對應的延遲時間，如圖5所示。由圖可知，第一次增強出現的延遲時間集中在6～9 μs，且在LTSD為85～93 mm時保持不變，當LTSD在94～105 mm時，最大增強倍數出現的延遲時間呈現先降低再增大的變化規律，這主要是由于聚焦光斑的尺寸經過了由大變小再從小變大的過程，相對應的能量密度也具有相同的變化規律，引起激光沖擊波的能量先逐漸增大后逐漸減小，大能量的沖擊波具有較快的傳播速率，能夠在更短的時間被腔內壁反射并與等離子體發生相互作用，進而在較早的時間引起光譜強度增強。第二次增強出現的延遲時間集中在14～15 μs，此時沖擊波和等離子體經過衰減能量都較低，隨著時間演變，等離子體擴散至更大的尺寸，因此隨著LTSD的變化最大增強出現的時間沒有明顯的變化規律。由圖5也可以看出，伴隨著等離子體產生的沖擊波經半球腔壁反射后第一次到達等離子體需要6～9 μs，再經另一側半球腔壁反射到達等離子體需要14～15 μs。也就說明在一定的實驗參數下，空間約束不僅使光譜強度增強(第一次增強)，而且在延遲時間足夠長時會引使其再次增強(第二次增強)。

圖5 最優采集延時隨LTSD的變化關系

3 結 論

為了研究激光聚焦情況對半球形空腔約束等離子體光譜增強效果的影響，通過改變聚焦透鏡到樣品之間的距離，本文分別在無約束和半球空腔約束情況下采集LTSD在85～104 mm范圍內變化時的激光誘導合金鋼等離子體時間演變光譜，選取Fe Ⅰ 374.55 nm和Mn Ⅰ 403.08 nm為分析譜線，對比研究了無約束和半球空腔約束下譜線強度隨LTSD和采集延時的二維變化關系，并得到了增強倍數隨LTSD和采集延時的變化。實驗結果表明：兩種實驗條件下，隨著LTSD的變化，譜線強度都呈現出先增大后減小再增大最后減小的變化規律；半球空腔約束下譜線強度在整個采集的延時時間內先后出現第一次增強和第二次增強，兩次光譜增強出現的延時時間分別為6～9和14～15 μs，且第二次增強更加明顯，最大增強倍數達到6倍，對應的LTSD為96 mm。由此說明，在特定的實驗參數下，采用半球空腔約束激光誘導等離子體，不僅使光譜強度增強，而且在延遲時間足夠長時會出現光譜信號再次增強現象，這主要是由于被反射的沖擊波遇到半球腔另一側的內壁再次被反射進而再次壓縮等離子體引起的。本文的研究結果有助于進一步解釋等離子體約束引起信號增強的物理機理，也對優化LIBS實驗系統的關鍵參數具有重要意義。