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《吉林大学》 2017年
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样品温度对激光诱导等离子体膨胀动力学的影响

刘杨  
【摘要】:激光诱导击穿光谱(LIBS)技术,也称激光诱导等离子体光谱(LIPS)技术,是以脉冲激光与材料物质相互作用为基础的物质成分检测技术。它通过一束被聚焦的高能脉冲激光照射到样品表面产生等离子体,使用光谱仪采集等离子体辐射光谱,从而检测到样品的元素组成及元素含量。较比传统的光谱检测手段,LIBS技术具有以下众多优点:对样品物理形态要求低;待测样品无需预处理;可同时对样品中多种元素及示踪元素进行检测;对样品的损害小甚至可以达到无损伤;操作简单方便快捷;同时可实现远程探测。因此LIBS技术在科学实验和工业生产中受到广泛的关注。该技术已经在各种领域中被普遍应用,如:工业实时在线检测,矿产物成分分析,空气质量检测,生物医学分析,深海探测,地质探查和珠宝及艺术品检测等。对LIBS技术应用研究的核心问题就是如何获得更好的光谱强度,最大程度地提高信噪比(SNR)。高能脉冲激光与物质的相互作用是一个非线性的过程,其结果是产生高温度、高密度的由电子、离子和原子组成的等离子体。这些被激发的离子或电子在从高能态跃迁回到低能态的过程中,会发射出电子能级能量差所对应的发射光谱。这一过程主要分为三个阶段:在高能脉冲激光下物质结合键的断裂和等离子体的初步形成阶段;等离子体膨胀和冷却阶段;离子的抛射凝结阶段。其作用的结果就是最终在样品表面形成因烧蚀所产生的陨坑。论文选取纯度99.99%以上的纯锗单晶片和纯硅单晶片为实验样品,使用Nd:YAG纳秒激光器触发波长的1064 nm的脉冲激光,对样品进行烧蚀。使用光谱收集系统对激光诱导等离子体光谱进行采集,并使用ICCD照相机对等离子体羽流形貌进行拍摄。通过对实验数据的分析,定性的和半定量地讨论样品温度对激光诱导击穿光谱强度产生的影响,从而推测烧蚀效率。为增强LIBS光谱强度、增大信噪比、提高光谱检测灵敏度提供了有效的实验方法。论文主要由六个章节组成。第一章对激光诱导击穿光谱技术的原理进行了介绍,并对国内外该领域内的发展状况做了简要概述。第二章讨论了脉冲激光与材料的相互作用及等离子体形成的过程,并详细介绍了计算等离子体物理参数的数学方法。第三章根据测量得到的LIBS光谱系统地讨论了样品温度对激光诱导击穿光谱的影响。第四章使用ICCD照相系统对时间分辨的等离子体羽流形貌进行了拍摄,探究了不同样品温度下等离子体羽在膨胀和衰减过程中的变化。本文在第五章中首次提出使用RBF径向基函数神经网络拟合方法,对LIBS谱线进行了线形恢复,并且对光谱的信噪比进行了讨论。第六章对本论文的实验结果和研究意义进行了总结,并对该研究领域内的后期研究方向提出几点意见和建议。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O53

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