透镜到样品表面距离对LIBS测量的影响

　　激光诱导击穿光谱(laser-induced break-down spectroscopy,简称LIBS)由于具有高灵敏度、对样品无需预处理、可同时测量多种组分等特点,越来越广泛地应用于各个领域中[1~7].透镜到样品表面距离(lens-to-sample distance,简称LTSD)则直接影响激光与样品的作用过程,国内外相关学者对该参数进行了研究.Multari等[8]使用调Q的Nd:YAG脉冲激光进行实验,认为谱线强度、等离子温度和烧蚀量均随LTSD明显变化.Aguilera等[9]采用Nd:YAG脉冲激光器和焦距100 mm的透镜等进行实验,分析了透镜焦平面位置从-20 mm到+4 mm变化对LIBS测量的影响,并认为等离子体屏蔽效应是重要原因.崔执凤等[10]采用准分子激光器和焦距为70 mm的透镜对铅黄铜合金进行了研究,通过实验比较了I(Ni)谱线的强度以及I(Ni)/I(Pb)比值的相对标准偏差,认为要提高谱线的强度和测量的稳定性,把透镜的焦点恰好置于样品的表面处并不是可取的方法.陈金忠等[11]采用高能量钕玻璃激光器进行LIBS实验,结果显示当激光束焦斑位于合金钢样品表面以下0.4 mm左右、位于土壤样品表面以下0.2 mm左右时,等离子体的辐射强度和物质烧蚀质量具有最大值.本文以黄铜合金为对象,研究了Cu和Zn元素的谱线强度及其相对标准偏差与透镜到样品表面距离的相关性,以及在不同能量下该参数对LIBS测量影响的区别,为提高LIBS测量的灵敏度和重复性提供了理论依据.

　　1　实验方法

　　实验系统如图1所示,包括激光器、光谱仪、增强型电荷耦合器件(intensified charge coupleddevice,简称ICCD)、DG535数字脉冲信号发生器、衰减片、反射镜、聚焦透镜、样品池、旋转平台、收光器、光纤、计算机等.激发光源为Nd∶YAG脉冲激光器,工作波长为1 064 nm,脉宽为10ns,工作频率0.6 Hz.激光光束先经过衰减片衰减,再由反射镜反射后经透镜(焦距195 mm)聚焦在样品上,样品聚焦点处功率密度约1×109W/cm2量级.样品固定在电动旋转平台上并随其一起转动,避免激光作用在样品的同一点上.激光与样品作用后产生等离子体,其发射光谱信号经收光器收集后,由光纤传导进入中阶梯光栅光谱仪.光谱仪的光谱范围为200~900 nm,分辨率ρ/Δρ=4 000.光谱仪的出口安装ICCD探测器,其光谱范围185~850 nm,像素1 024×1 024.实验前先利用标准汞灯的发射谱线对光谱仪进行波长定标,然后采用氘灯和卤素灯对其进行光强定标.ICCD的参数设置为曝光时间0.011 s,增益50(范围0~255).ICCD出口信号由数据线传输到计算机中记录存储,然后利用软件进行处理分析.实验对象为标准黄铜样品H62(各成分质量分数为:w(Cu) 62%,w(Zn) 37%,w(其他)1%),样品被加工成直径30 mm、厚5 mm的圆靶.为了尽量减少样品表面特性的不同引起的误差,在实验之前将黄铜靶的表面抛光处理.