引用本文
柴树, 彭海蒙, 武文栋. 高温环境中基于声学信号的激光诱导击穿光谱校正方法[J]. 光谱学与光谱分析, 2023,43(5): 1401-1407.
CHAI Shu, PENG Hai-meng, WU Wen-dong. Acoustic-Based Spectral Correction Method for Laser-Induced Breakdown Spectroscopy in High Temperature Environment[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023,43(5): 1401-1407.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)05-1401-07  
Permissions
Copyright©2023, 《光谱学与光谱分析》期刊社
《光谱学与光谱分析》期刊社 所有
高温环境中基于声学信号的激光诱导击穿光谱校正方法
柴树1, 彭海蒙1, 武文栋1,2,*
1.上海交通大学机械与动力工程学院热能工程研究所, 上海 200240
2.上海交通大学机械与动力工程学院前瞻交叉研究中心, 上海 200240
*通讯作者 e-mail: w.wu@sjtu.edu.cn

作者简介: 柴 树, 1995年生, 上海交通大学机械与动力工程学院热能工程研究所博士研究生 e-mail: chaishusjtu@sjtu.edu.cn

收稿日期: 2022-03-14 修回日期: 2022-06-05
基金: 国家自然科学基金项目(51906149), 上海市自然科学基金项目(20ZR1428500), 上海市科技创新行动计划社会发展科技攻关项目(21DZ1205300), 上海交通大学“深蓝计划”基金项目(SL2020ZD202)资助
摘要

激光诱导击穿光谱(LIBS)信号的不确定性限制了其定量测量的能力。 基于等离子体声学信号的光谱校正方法能够有效降低LIBS信号的不确定性, 但仍缺乏在高温环境中的研究。 在甲烷/空气预混火焰产生的高温气中, 测量了不同激光入射能量下等离子体的吸收能量, 并同步采集了等离子体的光谱信号和声学信号, 对声学波形的正峰进行了修正, 利用修正后正峰的脉冲积分强度(PII)对光谱进行了校正, 有效降低了LIBS信号强度的不确定性。 研究发现, 在激光入射能量为80~280 mJ时, 等离子体的吸收能量和激光入射能量间具有显著的线性关系, 1 150和1 350 K下, 线性决定系数(R2)分别为0.997 9和0.998 9, 随着激光能量从80 mJ升高至280 mJ, 1 150和1 350 K下等离子体吸收能量的RSD(relative standard deviation)分别从33.17%和34.20%降至6.68%和6.79%。 同时, 在同一激光入射能量下, 由于温度的升高导致了气体密度的下降, 1 350 K下等离子体的吸收能量低于1 150 K的吸收能量。 等离子体的光谱信号和声学信号源于等离子体内能的再分配过程, 因此两者的强度与等离子体的吸收能量更为相关。 高温环境中等离子体的吸收能量-光谱强度-声波正峰PII两两间具有较强的线性关系。 1 150 K下, 等离子体吸收能量与H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm强度的 R2分别为0.996 1、 0.988 9和0.994 8, 与修正后正峰PII的 R2为0.991 6; 1 350 K下, 等离子体吸收能量与H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm强度的 R2分别为0.997 5、 0.977 5、 0.988 7, 与修正后正峰PII的 R2为0.988 0。 利用修正后正峰PII对光谱进行校正, 当等离子体吸收能量小于100 mJ 时, 谱线强度波动显著较低。 当入射能量为160 mJ时, 1 150 K下, 等离子体吸收能量为69.24 mJ, H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm的RSD分别从校正前的16.14%、 21.26%、 17.24%降至校正后的8.75%、 9.15%、 8.50%; 1 350 K下, 等离子体吸收能量为66.92 mJ, H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm的RSD分别从校正前的18.22%、 24.85%、 19.13%降至校正后的8.46%、 9.52%、 8.84%。 结果表明, 基于等离子体声学信号的光谱校正方法能够有效降低LIBS技术在高温环境中的测量不确定性。

关键词: 激光诱导击穿光谱; 高温环境; 声学; 光谱校正
中图分类号:O433.4 文献标志码:A
Acoustic-Based Spectral Correction Method for Laser-Induced Breakdown Spectroscopy in High Temperature Environment
CHAI Shu1, PENG Hai-meng1, WU Wen-dong1,2,*
1. Institute of Thermal Energy Engineering, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2. Interdisciplinary Research Center for Engineering Science, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
*Corresponding author
Abstract

The fluctuations of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) signals to compromise its quantitative measurement. Acoustic-based spectral correction method has been successfully used in reducing the fluctuations, but up to now, not been studied in high-temperature environments. In this work, the plasmas were generated in a high-temperature environment produced by a methane/air premixed flame. The absorbed energies were measured, and the spectral and acoustic signals were collected simultaneously under different laser incident energies. The compression half of acoustic waveforms was corrected by N shape shockwave theory, then the pulse integral intensity (PII) was used to correct the spectra. The uncertainty of LIBS signals was reduced significantly. Strong linear correlations were found between the absorbed energy and laser energy with the laser energy range of 80~280 mJ, under 1 150 and 1 350 K. The coefficient of determination (R2) was 0.997 9 and 0.998 9, respectively. As the laser energy increased from 80 to 280 mJ, the relative standard deviation (RSD) of absorbed energy decreased from 33.17% to 6.68% under 1 150 K and 34.20% to 6.79% under 1 350 K. Under fixed laser energy, the absorbed energy of plasma under 1 350 K was lower than that under 1 150 K due to the sparser gas density. Because the spectral and acoustic signals were transferred from the internal energy of plasma, they are more related to the absorbed energy than laser energy. The linear correlations between absorbed energy and spectral signals and between absorbed energy and acoustic signals were established. Under 1 150 K, the plasma absorbed energy was 69.24 mJ, and the R2 between absorbed energy and H 656 nm, N 746 nm, and O 777 nm was 0.996 1, 0.988 9, and 0.994 8, respectively. Moreover, the R2 between absorbed energy and PII was 0.991 6. Under 1 350 K, the R2 between absorbed energy and H 656 nm, N 746 nm, and O777 nm was 0.997 5, 0.977 5, and 0.988 7, respectively. Furthermore, The R2 between absorbed energy and PII was 0.988 0. Subsequently, the spectral signals were corrected by PII, showing that the fluctuations of LIBS signals can be reduced significantly with the absorbed energy less than 100 mJ. When the laser incident energy was 160 mJ, under 1 150 K, the absorbed energy was 69.24 mJ, RSD of H 656 nm, N 746 nm, and O 777 nm were reduced from uncorrected 16.14%, 21.26%, and 17.24% into corrected 8.75%, 9.15%, and 8.50%, respectively. Under 1 350 K,the absorbed energy was 66.92 mJ, RSD of H 656 nm, N 746 nm, and O 777 nm were reduced from uncorrected 18.22%,24.85%, and 19.13% into corrected 8.46%, 9.52%, and 8.84%, respectively. There sults show that the proposed acoustic-based spectral correction method can effectively reduce the measurement uncertainty of LIBS under high-temperature environment.

Keyword: LIBS; High temperature; Acoustic; Spectral correction
引言

激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)技术无需复杂的样品制备过程, 具有光路系统简单可靠、 可同步实现多元素组分的原位在线分析等优势, 在金属冶炼[1]、 深海勘探[2]、 地质勘查[3]等领域具有重要的应用价值。 在高温环境中, LIBS技术可用于火焰当量比[4]与温度测量[5], 以及研究燃烧过程中碱金属元素的释放特性[6]和颗粒物的形成机理[4]等。 Do等[7]利用光谱直接匹配法在超音速燃烧氛围中同时测量了燃料浓度和气体密度。 Liu等[8]利用LIBS技术研究了生物质燃料在不同燃烧过程、 不同表面温度与粒径下钾元素的释放特性。 Ren等[9]通过相选择LIBS技术分析了高温环境中二氧化钛微颗粒物的形成和传输过程。 LIBS技术基于焦点处能量密度极高的激光加热、 解离及电离受测介质, 最终产生等离子体, 通过光谱仪采集等离子体冷却过程中的原子发射光谱进行特征光谱解析, 从而能够快速获得受测介质的元素组分信息。

由于复杂的激光-物质、 激光-等离子体、 等离子体-物质相互作用, 光谱信号的强度往往受多种因素的影响, 如激光能量波动、 光路漂移、 物理及化学基体效应等, 导致其不确定性较强, 进而限制了LIBS定量化的能力。 为了降低LIBS信号的不确定性, 研究人员发展了多种光谱校正方法, 如利用等离子体的广谱辐射[10]、 图像[11]、 温度与电子密度[12]等。 等离子体演化过程会产生强烈的冲击波, 其携带的声学信号也被应用于LIBS光谱的校正。 例如, 2020年美国宇航局发射的“ 毅力” 号火星车搭载的“ SuperCam” 化学相机就装备有麦克风, 用来记录火星岩石产生的激光诱导等离子体的声学信号[13], 基于声学信号对光谱强度进行校正, 成功地提高了岩石组分测量的准确性, 并发现了岩石硬度与声学能量变化特性间的关联[14]。 Huang等[15]利用水听器对水体环境中的等离子体声学信号进行了采集并应用于光谱校正, 成功降低了光谱强度的波动。 然而, 目前还没有利用声学信号在高温环境中进行光谱校正的工作报道。 本课题组先前的工作中, 实现了基于声学信号的火焰测温[16], 并从理论上分析了声学信号与等离子体吸收能量、 气体密度的关系[17], 为高温环境中基于声学信号的LIBS光谱校正提供了研究基础。

在甲烷/空气预混火焰产生的高温气相环境中, 采集了不同激光能量下激光诱导等离子体的原子发射光谱和声学信号, 分别建立了激光入射能量与等离子体吸收能量、 等离子吸收能量与特征谱线强度、 等离子吸收能量与声能量间的关系, 进而利用声能量对光谱信号强度进行了校正, 通过对比校正前后光谱信号的波动, 对该校正方法的效果进行了验证。

1 实验部分
1.1 装置

图1为实验装置示意图。 Nd:YAG激光器(Q Smart 850, Quantel)产生532 nm激光, 其脉宽6 ns, 发散全角小于0.5 mrad, 最高输出能量约290 mJ, 能量波动小于3%。 通过能量计(PE25BF-DIF-C, Ophir)对等离子体入射能量进行实时监测。 激光通过25.4 mm直径的熔融石英平凸透镜(f=200 mm)聚焦产生等离子体。 激光穿过等离子体后的透射能量使用另一个能量计(PE50BF-DIFH-C, Ophir)监测。 等离子体对激光的弹性散射和衍射所造成的能量损失可忽略不计, 因此等离子体的实际吸收能量可认为是入射能量减去透射能量。 等离子体的背向辐射首先使用陷波滤波片(533 nm, 17 nm bandwidth gap)抑制激光的弹性散射后, 通过光纤引入Czerny-Turner式光纤光谱仪(ULS2048XL, Avantes)采集光谱, 该光谱仪波长范围为575~800 nm, 分辨率为0.13 nm。 光谱仪相对于Q开关的延时为0.5 μ s, 曝光时间为2 μ s。 在激光入射光路旁侧、 距等离子200 mm处放置有一高频麦克风(4939, B& K, 100 kHz)对等离子体产生的声学信号进行测量, 声学信号通过高速数据采集卡(PXI-5922, National Instruments, 10 MS/s, 18 bit)进行采集。 激光器、 能量计、 光谱仪、 数据采集卡均通过数字延时信号发生器(DG645, Stanford Research System)进行时序同步。

图1 实验装置示意图
A: 分束器; B: 平凸透镜; C: Mckenna燃烧器; D: 二向色镜; E: 陷波滤波片; EM: 能量计; SM: 光谱仪; MP: 麦克风Fig.1 Schematic diagram of experimental setup
A: Beam splitter; B: Plano-convex; C: Mckenna burner; D: Dichroicmirror; E: Notchfilter; EM: Energy meter; SM: Spectrometer; MP: Microphone

1.2 测量环境

高温环境由等当量比的甲烷/空气层流预混火焰产生。 合成空气(79% N2+21% O2)与高纯甲烷(≥ 99.99%)使用质量流量控制器(ALICAT Scientific)进行流量控制, 充分预混后进入Mckenna燃烧器生成稳定的层流火焰。 Mckenna燃烧器直径为60 mm, 出口处镶嵌有多孔烧结铜板。 等离子体的产生位置位于燃烧器顶端上方15 mm处。 在等离子体水平侧面10 mm处放置有B型热电偶对等离子体处的火焰温度进行监测, 热电偶的读数经过辐射校正。 通过控制空气和甲烷的流量, 分别提供1 150和1 350 K两个温度条件。 为了避免等离子体冲击波产生的流场扰动对下一个测量的影响, 激光频率维持在2 Hz。 激光能量区间为80~280 mJ, 该能量区间的击穿概率均为100%。 同一激光能量和温度条件下连续测量200次取均值。

2 结果与讨论
2.1 等离子体的能量吸收行为

高温环境中, 等离子体的吸收能量及波动随激光入射能量的关系如图2所示。 图2(a) 中各数据点为200次测量的均值, 误差棒代表标准差(standard deviation, SD)。 结果表明, 等离子体的吸收能量与激光的入射能量具有较强的线性关系, 其线性拟合的决定系数(R2)分别为0.997 4和0.998 9。 相同入射能量下, 1 350 K温度下的等离子体吸收能量低于1 150 K, 这是因为等离子体对激光能量的吸收由碰撞主导。 发生击穿后, 等离子体对光子的吸收主要通过电子-离子-光子三体碰撞(即逆轫致过程), 因此等离子体的能量吸收受气体密度的影响。 温度的上升导致了气体密度的下降, 进而降低了等离子体的总吸收能量。

图2 不同激光入射能量下等离子体吸收能量的均值(a)及相对标准差(b)Fig.2 Under different incident energies, (a) the average and (b) relative standard deviation of absorbed energy

图2(a)中的等离子体吸收能量均值及图2(b)中的相对标准差(relative standard deviation, RSD)的详细数据由表1列出。 随着激光入射能量的上升, 1 150和1 350 K下等离子体吸收能量的RSD分别从80 mJ的33.17%、 34.20%下降至280 mJ的6.68%、 6.79%, 等离子体的吸收能量在低入射能量下具有较高的RSD, 说明等离子体在较低能量时的波动更显著, 且波动程度随着入射能量的升高而降低。 这是因为在激光到达焦点后, 需经过一定时间的自由电子密度积累才能导致击穿的发生。 能量的吸收主要发生在击穿开始至激光结束的等离子体激发段。 当激光入射能量较低时, 等离子体击穿时刻的波动更大, 进而导致了等离子体吸收能量的波动也较大。 因此, 虽然在平均后, 等离子体的吸收能量与入射能量线性相关, 但由于相同入射能量下吸收能量的显著波动, 依靠固定的等离子体能量是无法反映等离子信号的不确定性的。 吸收能量的波动影响了等离子体的形貌进而影响了等离子体内部激发态粒子的总数量, 最终引起了光谱信号的波动。

表1 高温环境下等离子体吸收能量的均值和相对标准差 Table 1 The averages and RSDs of the absorbed energy in high temperature environment

等离子体吸收的光子能量通过逆轫致光子吸收过程提高了等离子体内部粒子的平均动能, 使得等离子体的内能增加。 激光脉冲结束之后, 等离子体开始冷却, 等离子体内部的内能一部分通过辐射的形式耗散, 其包含了自由电子轫致辐射(Free-free)与电子-离子重结合(Free-bound)共同产生的广谱辐射, 和原子/离子内部束缚态电子从高能级到低能级自发跃迁(bound-bound)产生的元素特征谱线; 同时, 由于等离子体的高压锋面会在扩张过程中产生强烈的超音速冲击波, 因此一部分内能转化为了冲击波的动能, 进而产生声学信号。 总的来看, 在等离子激发阶段, 激光入射能量被等离子体吸收转化为等离子体的内能, 在等离子体冷却阶段, 部分内能向辐射能和动能的转化分别产生了光谱信号和声学信号。 因此, 光谱信号和声学信号的强度应与吸收能量直接相关。 通过分别建立光谱信号-吸收能量、 声学信号-吸收能量的关系, 为基于声学信号的LIBS光谱校正方法的建立提供了依据。

2.2 吸收能量对光谱信号和声学信号的影响

在甲烷/空气燃烧产生的高温环境下, 对激光诱导等离子体的光谱信号进行采集, 采集到的原始光谱通过Sun等[18]提出的算法进行背景扣除后, 截取了特征谱线突出的600~800 nm波段。 处理后的典型光谱如图3所示, 其中位于656 nm的Hα 谱线最为突出, 该谱线来源于H Balmer谱系; 其次是位于777 nm的O原子线和位于742、 744和746 nm的N原子线。 由于测量中光谱仪的延时仅为0.5 μ s, 此时等离子体的温度和电子密度仍较高, 导致等离子体内部的电离度仍处于较高水平, 因此在Hα 的两侧有微弱648和661 nm N离子线出现。 在该波段未观察到明显的C元素特征谱线和CN谱线。 使用Voigt函数对H 656 nm、 O 777 nm、 N 746 nm进行峰拟合, 并用拟合峰的面积作为对应谱线的强度。 该拟合也可将与其他谱线部分重叠的H 656 om和N 746 nm分别拆分出来。

图3 1 350 K环境下的激光诱导等离子体的600~800 nm波段的原子发射光谱Fig.3 Typical atomic emission spectrum of laser-induced plasma in the 600~800 nm range at the temperature of 1 350 K

图4为H 656 nm、 O 777 nm、 N 746 nm的谱线强度随等离子吸收能量的变化, 其中误差棒显示标准差。 由图4可知, 随着等离子体吸收能量的升高, 三个谱线的强度均显著提高, 吸收能量的升高不仅提高了等离子体温度, 同时也增加了等离子体内部的粒子总数量。 对谱线强度和吸收能量进行线性拟合, 各谱线对应的R2在表2中给出。 为了不干扰图像显示, 图4中未显示拟合线。 1 150 K下, H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm强度与等离子体吸收能量线性拟合的决定系数(R2)分别为0.996 1、 0.988 9、 0.994 8; 1 350 K下, H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm强度与等离子体吸收能量线性拟合的R2分别为0.997 5、 0.977 5、 0.988 7。 相对而言, N 746 nm对应的R2略低, 这是因为N 746 nm相对于H 656 nm和O 777 nm的强度较低, 光纤光谱仪的背景噪音对N 746 nm拟合的影响更加明显, 进而影响了强度计算。 图4和表2的结果表明, 等离子体吸收能量与谱线强度间具有较强的线性关系。

图4 高温环境下谱线强度与等离子体吸收能量的关系
(a): H 656 nm; (b): N 746 nm; (c): O 777 nmFig.4 The spectral intensities as functions of the absorbed energies
(a): H 656 nm; (b): N 746 nm; (c): O 777 nm

表2 特征谱线强度与等离子体吸收能量线性拟合的决定系数 Table 2 Coefficient of determination (R2) of linear fitting between the spectral intensities and the absorbed energies under high temperature

在较高的激光能量下, 等离子体温度不再随入射能量的增加而提高, 仅发生体积扩张[19]。 当等离子体温度不变时, 等离子体内单位数量粒子所含的内能也不变。 等离子体吸收的能量, 即总内能, 应与等离子体的粒子总数量成正比, 同时光谱强度在等离子体温度不变时也应与粒子总数量成正比。 因此, 等离子体的吸收能量和谱线强度所呈的线性关系反应了等离子体已经进入温度稳定区[22]。

虽然等离子体的吸收能量与谱线强度线性相关, 也可用于光谱校正, 但对吸收能量的测量往往依赖于同时测量入射光束和残余光束的能量, 这在仅有单个光学窗口的应用中常常会遇到困难。 等离子体声学信号来源于衰减后的冲击波。 等离子体产生初期时的超音速冲击波为N型波, 随着传播距离的增加, 冲击波也逐渐从高压降低至大气压, 速度也由超音速衰减为声速。 由于传输过程中的非线性效应、 热粘滞及分子弛豫等, N型冲击波会发生波形扭曲[21], 其上升时间变长、 峰值压力降低。 因此, 为了获取更准确的声学信息, 需要对麦克风采集到的原始波形进行修正。 Wright[22]提出了一种电诱导等离子体声波的修正方法。 由于声波负峰往往会受麦克风边缘衍射和隔膜共振的影响, 仅对采集到的激光诱导等离子体声波的正峰进行了类似的处理: 采集声波正峰上升沿的中点处作为N波正峰的上升位置, 下降沿末端的近线性区进行线性延伸作为N波正峰的下降沿, 如图5所示。 对修正后N波的正峰分别计算峰值压力和脉冲积分强度(pulse integral intensity, PII, 表达式为 ∫p2ρcdt, 其中p为瞬时声压, ρ 为气体密度, c为声速, 积分区间为正峰持续时间)。 一个理想N波的正峰和负峰的波形对称, 正峰的PII等于N波实际携带声学能量的一半, 因此仅用正峰PII即可代表总声能[20]。

图5 声学波形修正示意图Fig.5 Schematic diagram of acoustic waveform correction

图6为修正后声波正峰的峰值压力和PII随等离子体吸收能量的变化。 对PII与等离子体吸收能量进行线性拟合, 在1 150和1 350 K下对应的R2分别0.991 6和0.988 0。 随着等离子体吸收能量的升高, PII呈线性升高, 而峰值压力的升高呈明显的非线性。 这一结果表明, 在该温度环境和所用激光能量区间下, 等离子体所吸收的能量向声能量的转化比例保持稳定, 应当用声能量而非声信号强度来表征等离子体的吸收能量。

图6 高温环境中修正后波形的正峰压力幅值(a)和脉冲积分强度PII(b)随吸收能量的变化Fig.6 (a) Peak pressure and (b) PII of corrected compression half as functions of absorbed energy in high temperature environment

2.3 通过声学信号进行光谱信号校正

上述的研究结果表明, 高温环境中等离子体的光谱信号强度和声波正峰的PII均与等离子体的吸收能量呈线性关系, 因此, 通过声波正峰PII可对光谱信号进行校正, 提高LIBS的测量准确性。

图7为利用声学信号校正前后H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm强度分别随吸收能量的变化。 校正前, 谱线波动在低吸收能量区较明显, 随着吸收能量的上升, 谱线强度的波动均逐渐降低。 光谱信号波动的变化趋势与图2中吸收能量波动的变化趋势基本一致, 但前者的数值明显大于后者, 表明吸收能量的波动在光谱强度的波动上会被非线性放大。

图7 (a) 1 150 K和(b) 1 350 K下, 声学校正前后H 656 nm、 O 777 nm、 N 746 nm强度的相对标准差Fig.7 The RSDs of H 656 nm, O 777 nm, and N 746 nm at the temperatures of (a) 1 150 K and (b) 1 350 K before and after acoustic correction

利用PII进行校正后, 特征谱线强度的RSD在小于100 mJ的低吸收能量区有了显著的降低。 当入射能量为最低值80 mJ时, 1 150和1 350 K温度下等离子体的吸收能量分别为16.26和14.77 mJ(表1), 图7表明, 在该最低吸收能量下, 校正前各谱线的RSD均从大于50%降至20%~30%。 入射能量160 mJ时, 表3列出了等离子体的吸收能量以及校正前后谱线的RSD。 1 150 K下, H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm谱线强度的RSD分别从校正前的16.14%、 21.26%、 17.24%降至8.75%、 9.15%、 8.50%; 1 350 K下, H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm谱线强度的RSD分别从校正前的18.22%、 24.85%、 19.13%降至8.46%、 9.52%、 8.84%。 然而, 随着吸收能量的升高, 校正前的谱线强度波动出现了显著的降低, 这是由于高能量下吸收能量波动的降低以及谱线绝对强度的增加。 在此高能量区间, 和声学校正前相比, 校正后谱线强度RSD的下降已经不那么明显。 然而, 当等离子体吸收较多的能量时, 较强的冲击波会增加对流场的扰动, 较大的等离子体体积也会降低测量的空间分辨率; 同时, 高能量对激光器和光学元件的性能也提出了较高的要求。 研究结果表明, 基于声学信号的光谱校正方法可以有效降低LIBS测量在低能量下的不确定性, 尤其适用于低激光能量应用场景中。

表3 入射能量160 mJ时等离子体的吸收能量均值以及声学信号校正前后H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm强度的相对标准差 Table 3 The RSDs of H 656 nm, N 746 nm, O 777 nm before and after acoustic-based correction and the absorbed energy of plasma under the laser energy of 160 mJ
3 结论

提出了一种利用激光诱导等离子体声学信号在高温环境中进行光谱校正的方法。 等离子体的吸收能量与H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm的谱线强度以及等离子体声波正峰的脉冲积分强度(PII)均呈明显的线性关系。 通过声学信号对光谱进行校正, 在吸收能量小于100 mJ时, 校正后光谱强度的波动较校正前有了显著的降低。 入射能量为160 mJ时, 1 150 K下的等离子体的吸收能量为69.24 mJ, 经过声学信号校正后, H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm谱线强度的 RSD分别从校正前的16.14%、 21.26%、 17.24%降至8.75%、 9.15%、 8.50%; 1 350 K下的等离子体的吸收能量为66.92 mJ, 经过声学信号校正后, H 656 nm、 N 746 nm、 O 777 nm谱线强度的 RSD分别从校正前的18.22%、 24.85%、 19.13%降至8.46%、 9.52%、 8.84%。 研究结果表明, 基于声学信号的光谱校正方法能够在低能量区间显著降低等离子体光谱的波动, 降低高温环境中LIBS技术的测量不确定性。

参考文献
[1] Xin Yong, Sun Lanxiang, Yang Zhijia, et al. Frontiers of Physics, 2016, 11(5): 115207. [本文引用:1]
[2] Guo Jinjia, Lu Yuan, Cheng Kai, et al. Applied Optics, 2017, 56(29): 8196. [本文引用:1]
[3] Qiao Shujun, Ding Yu, Tian Di, et al. Applied Spectroscopy Reviews, 2015, 50(1): 1. [本文引用:1]
[4] Zhang Zhifei, Li Tie, Xue Xuefeng, et al. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2019, 161: 105706. [本文引用:2]
[5] Kiefer J, Troger J W, Li Z S, et al. Combustion and Flame, 2012, 159(12): 3576. [本文引用:1]
[6] Liu Yingzu, Wang Zhihua, Xia Jun, et al. Proceedings of the Combustion Institute, 2019, 37(3): 2681. [本文引用:1]
[7] McGann Brendan, Carter Campbell D, Ombrello Timothy M, et al. Proceedings of the Combustion Institute, 2017, 36(2): 2857. [本文引用:1]
[8] Liu Yingzu, Wan Kaidi, He Yong, et al. Fuel, 2020, 260: 116346. [本文引用:1]
[9] Ren Yihua, Wei Jili, Li Shuiqing. Proceedings of the Combustion Institute, 2019, 37(1): 935. [本文引用:1]
[10] Anderson Ryan B, Morris Richard V, Clegg Samuel M, et al. Icarus, 2011, 215(2): 608. [本文引用:1]
[11] Zhang Deng, Chu Yanwu, Ma Shixiang, et al. Analytica Chimica Acta, 2020, 1107: 14. [本文引用:1]
[12] Feng Jie, Wang Zhe, Li Zheng, et al. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2010, 65(7): 549. [本文引用:1]
[13] Wiens R C, Maurice S, Robinson S H, et al. Space Science Reviews, 2021, 217(1): 4(doi: DOI:10.1007/S11214-020-00777-5). [本文引用:1]
[14] Chide Baptiste, Maurice Sylvestre, Murdoch Naomi, et al. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2019, 153: 50. [本文引用:1]
[15] Huang Fuzhen, Tian Ye, Li Ying, et al. Applied Optics, 2021, 60(6): 1595. [本文引用:1]
[16] Wu Wendong, Adeosun Adewale, Axelbaum Richard L. Proceedings of the Combustion Institute, 2019, 37(2): 1409. [本文引用:1]
[17] Wu Wendong, Axelbaum Richard L. Proceedings of the Combustion Institute, 2021, 38(1): 1665. [本文引用:1]
[18] Sun Lanxiang, Yu Haibin. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2009, 64(3): 278. [本文引用:1]
[19] Radziemski Leon J, Loree Thomas R, Cremers David A, et al. Analytical Chemistry, 1983, 55(8): 1246. [本文引用:1]
[20] Wu Wendong, Chai Shu, Zhou Yuegui. Applied Optics, 2022, 61(7): 1734. [本文引用:1]
[21] Karzova M M, Yuldashev P V, Khokhlova V A, et al. The Journal of the Acoustical Society of America, 2015, 137(6): 3244. [本文引用:1]
[22] Wright Wayne M. The Journal of the Acoustical Society of America, 1983, 73(6): 1948. [本文引用:2]