激光波长对水中金属元素激光诱导击穿光谱探测的影响

针对激光诱导击穿光谱(LIBS)在海洋应用中的问题,对1 064和532nm两个激发波长下水中LIBS光谱特性进行探测分析,以比较其烧蚀效果。通过激光诱导等离子体的时间分辨光谱,分析水下等离子体电子密度随时间的演化规律,1 064nm激光诱导等离子体寿命约为1 200ns,而532nm激光激发情况下等离子体寿命仅约为600ns。基于光在水中的传输特性和LIBS的实验结果,建立了获得最佳LIBS探测效果所

第3卷， 3 2第期 20 12年 3月

光

谱

学

与

光

谱

分

析

V 1 2 N .,p 8—8 o 3, o 3 p 5 25 5 . M ac rh,2 1 02

S eto c p n p cr lAn lss p crso y a d S eta ay i

激光波长对水中金属元素激光诱导击穿光谱探测的影响 李颖，王振南，吴江来，卢渊，郑荣儿 中国海洋大学光学光电子实验室，山东青岛 2 60 6 10

摘

要

针对激光诱导击穿光谱 ( s在海洋应用中的问题， 10 4和 5 2nn两个激发波长下水中 L B IB ) I对 6 3 r IS

光谱特性进行探测分析，以比较其烧蚀效果。过激光诱导等离子体的时间分辨光谱，通分析水下等离子体电子密度随时间的演化规律，104n激光诱导等离子体寿命约为 12 0n, 5 2n 6 m 0 s而 3 m激光激发情况下等离 子体寿命仅约为 60n。于光在水中的传输特性和 LB 0 s基 I S的实验结果，建立了获得最佳 L B IS探测效果所

需的入水前激光脉冲能量 E () r与探测距离 r的关系，并应用到水下原位探测的模拟分析。结果表明，当探测距离不大于 5c m时，所需的入水前 10 4n 6 m激光单脉冲能量小于 10m, 0 J该激发波长可用于 L B IS的水下探测；当探测距离增至 1时， 0c m所需的入水前 5 2nn激光单脉冲能量只需 3左右。因此，当原位 3 r 0n 探测距离增加时，则需考虑选择 5 2nn激光作为烧蚀光源。 3 r 关键词激光诱导击穿光谱；激光波长；中探测；水原位探测距离 中图分类号： 3 . 043 4文献标识码： A D:1. 9 4ji n 10—5 3 2 1 )308—4 OI 0 3 6/. s. 0 00 9 (0 2 0—5 20 s

下 LB I S仍然不如 10 4n 6 r n激光诱导的 I B A S探测效果 _1。 g0 'j

引言 对海洋进行原位、时、连续探测已经逐步成为开展海实洋研究，尤其是在海洋资源开发和异常海洋环境监测的重要

为了对这两种波长激发下的水下 uB S光谱探测有个较详尽

的比较，本文选择水中 c元素为探测对象， 10 4和 5 2 a对 6 3 nl l两个激发波长下水中 L B T IS光谱特性进行探测分析，以比较其烧蚀效果；考虑光在水中的传输特性，

立激光能量与建 探测距离的关系，以模拟分析这两个波长激光用于水下 UB S探测的适应距离范围。

发展趋势，是在海洋领域竞争中取得优势的关键。激光诱导 击穿光谱 ( sri ue rad wnset so y IS技术 1 e d cdbek o p cr cp,L B ) a n o

作为一种元素分析方法，相对于其他光谱技术及电化学传感器技术的突出优势在于无须对样品进行预处理，原位无接触 测试，快速、连续且可对多种成分同时进行分析等，具有对海洋进行原位、实时、连续探测的巨大应用潜力[s。然而， i] - 实验装置如图 1所示。激发光源为 Nd YA: G调 Q激光

1实验部分

相对于空气中的 L R IS探测，液体中激光诱导等离子体的寿命大大缩短[, IS光谱信号较弱且稳定性差，不利于光 4 LB]谱测量和探测灵敏度的提高，研究液体环境中激光诱导等离子体的特性等方面的工作也成为近年来研究的热点_ 6’。由于水下 MR探测的难度和水对激光的衰减作用，相 S比于气体环境中长达 2的探测距离L,LB 5m 8 I S水中探测距]离锐减，击穿阈值也相应提高。10 4nn光作为 N: 6 r激 d YAG 激光器的基频，是 LB I S光谱探测中最常用的激光波长，但在水中的传输衰减很严重；激光器的倍频输出 5 2Dn激该 3 x 光正处于水的透射窗口，由于传输衰减小，用于水下探测具

器 ( a tl rl n ) Qune,Bii t,重复频率 1,脉冲宽度 1 s la B 0Hz 0n, 选择激光器的基频 104n倍频 5 2n输出， 6 m/ 3 m通过焦距为 3 5c的 K . m 9透镜会聚到样品池内，透镜与样品池之间的距

离 r为 2 5c激光入水传输距离为 n一1c击穿点位于 o . m, m,溶液表面下方约 2c处。等离子体辐射通过焦距为 6c的 m m收集透镜、光纤耦合到光谱仪中( tn pcrpo2 0 i, Aco,S etar-50)光谱仪狭缝宽度 5 m,采用刻痕密度为 120g 0F 0 mm的光栅分光。使用两套相对独立的探测系统针对不同需要分别 用于光谱信号的探测： C P ictnIsrmet, pc1: C D( r eo tu ns S e-0 n n

有独特的优势，在传输距离很短的条

件下， 3 n激光的水 5 2D A 收稿日期：2 1-72。 0 10—5修订日期：2 1—01 0 11—5

40 ) 0 B进行积分信号探测， C C D单窗口可探测光谱宽度约 4 O m,光谱分辨率为 0 17n 5个像素点，单像素大小 2 . 6 m( O

基金项目：国家( 6计划 )目(0 6 83项 2 0 AA0 Z 4 ) 9 23和国家自然科学基金项目(0 0 0 9资助 4 96 1 )作者简介：李颖，17 9 1年生，中国海洋大学副教授 emal l ig u.d . n - i: i n@o ceu c y *讯联系人通 e i: z eg OI eu cl - l rh n@ L. d .r ma C