时间分辨动态LIBS测量方法

张振荣, 方波浪, 李国华, 叶景峰, 王 晟

西北核技术研究所, 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024

引 言

激光诱导击穿光谱(laser induced breakdown spectroscopy, LIBS)是一种十分有效的物质成分检测手段[1-3], 在岩土、 合金等材料的成分定量分析[4], 生物医学[5-6], 以及战场危险物探测[7]等诸多领域均发挥着越来越重要的作用。 LIBS是利用高功率激光电离微量的待测样品产生等离子体辐射, 并通过等离子体辐射的光谱特征反演待测物质的成分和浓度。 击穿光谱的基本特征为首先出现连续谱, 随后连续谱迅速衰减, 其他特征谱线随时间演化[8]。 整个过程中包含了复杂的流体力学和热化学过程, 持续时间短, 演化频率高, 各种谱的寿命不一[9], 提高测量的时间分辨能力是实现LIBS精确测量的关键。 进一步考虑到击穿光谱中特征谱的时间演化规律各不相同, 所以, 更有效的方式是测量动态演化的LIBS光谱。

基于对LIBS信号特征的认识和测量条件的限制, 常用的时间分辨的LIBS测量方法是采用具有门控功能的光谱仪测量特定时刻的光谱信号, 并通过调整探测时刻与信号产生时刻之间的延时, 获得整个辐射过程中的光谱信号[10]。 此外, 采用非增强型光谱仪结合光谱差分方法也可实现时间分辨为微秒级时间分辨光谱的测量[11]。 但是这些方法均存在测量时间长、 效率低等不足。 特别是, 对于部分实验费用高、 运行频率低以及重复性较差的LIBS实验, 采用上述测量方法往往难以获得理想的实验数据。 采用条纹相机作为信号探测单元, 可很好地实现瞬态辐射过程中光谱信号的时间分辨测量[12-14]。 但条纹相机价格昂贵, 系统相对庞大, 不利于广泛应用。

为更好的研究LIBS信号演化规律, 实现动态LIBS高时间分辨(～ns)和全过程测量(～μs), 本文发展了一种瞬态辐射过程的动态光谱测量方法。 该方法采用不同长度的光纤组成光纤束, 形成多通道延时信号传输装置, 实现对瞬态LIBS信号的差异延迟, 从而使一系列不同时刻的辐射信号同时到达信号探测器, 再将面阵ICCD相机设置为多个不同的探测通道, 每个探测通道对应不同延时光纤传输的瞬态光谱信号, 从而实现LIBS信号的时间分辨动态测量。

1 实验部分

时间分辨动态光谱测量方法的核心在于采用了长度不同的光纤对信号进行延迟。 不同时刻的信号从输入端依次进入光纤, 由于光纤长度不同, 因此信号在不同光纤中的传输时间不同, 通过合理设置光纤的长度、 探测时刻等参数, 可使所需测量的不同时刻的辐射信号同时到达探测器。

动态LIBS测试系统, 如图1所示。 采用调Q固体YAG激光器的二倍频激光输出作为激励光源, 波长为532 nm, 脉宽8 ns, 最大单脉冲能量～500 mJ。 激励光通过透镜(f=500 mm)聚焦到高纯硅样品上, 产生的等离子体辐射信号通过透镜汇聚到光纤束并传输到光谱仪。 所用的光纤束由19根不同长度的光纤组成, 光纤的最短长度为4 m, 最长长度为184 m, 相邻长度光纤的长度差为10 m。 光纤束的材料为石英, 芯径200 μm, 数值孔径0.22。 光纤束的输入端面呈正六角形紧密排布, 输出端面呈一字线形排布, 排布方向与光谱仪的狭缝一致。 不同通道的信号通过光谱仪分光后, 投射到面阵ICCD上。 光谱仪的光谱测量范围设置为360～480 nm, 不同通道光纤成像在面阵ICCD竖直方向的不同位置处, 从而在面阵ICCD竖直方向上形成不同的光谱带。 不同光谱带对应不同延时的辐射信号, 代表等离子体在不同时刻发出的辐射光谱。 ICCD相机的快门宽度可根据测量的具体需求进行设置, 本次实验中, 快门宽度设置为20 ns。 测量系统的时序通过数字信号发生器控制。

图1 时间分辨LIBS动态光谱测量系统

2 结果与讨论

2.1 测量系统分析与标校

采用高速光电管代替图1中的光谱仪, 并降低激光输出能量, 保证不发生击穿现象, 由示波器测量记录了单脉冲YAG激光的散射光信号经过延时光纤束后的时序脉冲, 如图2所示。 可以看出, 窄脉宽(8 ns)的激光脉冲信号经过测量系统后获得了19个时间上等间隔排布的脉冲串, 通过测量, 相邻激光脉冲的间隔约为50 ns, 与设计值相符。 第一个脉冲与最后一个脉冲之间的时间间隔为898 ns。 由此可知, 所设计的多通道光谱测量系统, 能够测量瞬态辐射在898 ns时间范围内的19个时刻的光谱信息。

图2 经延时光纤传输后形成的激光脉冲序列

实验所测量的等离子辐射光谱经光纤束传输, 而后经单色仪分光, 最后由ICCD探测, 获得光谱数据。 整个过程中所涉及的光学器件都有其各自的光谱响应函数, 并最终会与所测初始光谱数据进行叠加, 造成所测光谱数据的失真, 因此必须对测量系统的光谱响应特性进行分析和标校, 从而反演获得真实的光谱数据。 由于信号光通常较弱, 可以认为这些过程均为线性过程, 则测量得到的光谱强度可表示为

Im(λ)=RICCD(λ)Rspec(λ)Rfiber(λ)I0(λ)

(1)

式(1)中,RICCD、Rspec和Rfiber分别表示ICCD、 光谱仪和光纤的光谱响应函数,I0表示真实的光谱强度,Im为实验测量到的光谱强度。 实际使用时,RICCD和Rspec可由ICCD和光谱仪的出厂检测报告给出。

光纤束的光谱响应函数Rfiber一般通过实验标校获得。 光纤对传输的光信号具有一定的衰减, 且衰减特性与光纤的材料、 长度以及光信号的波长等参数密切相关, 经过光纤传输一定距离后的光强与入射光强之间的关系可以表示为

Rfiber=P(λ)/P0(λ)

(2)

式(2)中,P0表示输入光信号的功率,P表示光信号在光纤内传输一定长度后的输出功率。 通过实验实际测量出光纤输入、 输出功率参数, 根据式(2)计算获得光纤的光纤束的光谱响应函数Rfiber。

通过实验方法对测量系统进行标校, 既可以分别标校获得每个光学器件的光谱响应函数, 也可对实验系统进行整体标校。 本文采用整体标校方法, 将RICCD、Rspec和Rfiber三者的乘积作为系统总的光谱响应函数进行标校。 采用经过检定校准的标准光源(型号: EQ99)作为基准, 将标准光源放置在探测点, 测量标准光源的光谱数据, 并与标准光源的实际光谱数据进行比对, 计算获得测量系统的整体光谱响应曲线。 图3所示为测量获得的多通道光谱响应曲线。 图中不同颜色的曲线表示不同通道的光谱强度, 即, 经过不同长度光纤传输后的光谱强度。 所有曲线的形貌近似一致, 表明采用不同长度的光纤传输光谱信号的保真度较高。 随着光纤长度的增加, 光谱强度整体衰减, 与理论预期相符。

图3 测量系统光谱响应曲线

2.2 激光诱导等离子体辐射光谱测量

在完成测量系统分析标校的基础上, 开展了激光诱导Si等离子体辐射时间分辨动态光谱测量。 结果如图4所示, 图中的零时刻对应诱导击穿激光的出光时刻, 相机门控为20 ns。 测量获得了从激光诱导击穿开始后898 ns时间范围内的19帧光谱数据, 光谱测量范围为360～480 nm。 从图中可以看出, 在此光谱范围内, 观察到了等离子体的演化过程, 在等离子体初始时刻, 光谱为连续谱。 随后, 在延时为100 ns时, 等离子体辐射中的连续谱基本消失, 开始出现硅的等离子谱线, 通过对比分析, 所测谱线分别为Si Ⅱ 385.5 nm和Si Ⅱ 413.1 nm; 延时为200 ns时, 开始出现Si Ⅰ 390.5 nm辐射谱。

图4 激光诱导Si等离子在不同延时时刻的辐射光谱

硅的等离子体谱线和一次电离的等离子体谱线随时间逐渐衰减, 其光谱强度随时间演化曲线如图5所示。 可以看出, Si Ⅱ 385.5 nm和Si Ⅱ 413.1 nm两条谱线在延时约为150 ns时强度最大, 随后以接近指数的规律衰减, 而Si Ⅰ 390.5 nm谱线早期强度非常弱并随时间演化而逐渐增大, 在300～900 ns时间范围内基本保持不变。

图5 Si Ⅱ 385.5 nm、 Si Ⅱ 413.1 nm和Si Ⅰ 390.5 nm谱线强度随时间演化过程

3 结 论

深入研究LIBS机理, 需要在线测量等离子体演化全过程高时间分辨光谱。 本文发展了一种新的动态LIBS在线测量方法, 该方法采用不同长度的光纤形成不同的信号传输通道, 对瞬态信号进行时间延迟, 与通用光谱仪结合对每一个通道的光进行光谱分光, 最后利用ICCD相机不同位置记录不同时间段的光谱信号。

通过设置不同通道光纤的长度差、 光纤通道数以及ICCD相机的门控宽度、 探测时刻等参数, 可以方便地调整测量的时间分辨率、 总测量时长以及不同探测时刻的时间间隔等, 从而适应各种实验条件下的测量需求。 本文建立了一套包含19个测量通道、 时间分辨为20 ns, 总测量时长近1 μs的动态LIBS测量装置, 应用于激光诱导Si等离子体动态光谱测量, 获得了等离子演化过程中的高时间分辨动态光谱和Si的等离子体演化规律, 验证了该测量方法的可行性, 显示了该方法能够应用于研究等离子体演化规律、 LIBS定量测量、 提高LIBS测量精度等, 同时还可用于其他瞬态辐射场光谱测量。