高温环境中基于声学信号的激光诱导击穿光谱校正方法

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

所属期刊栏目：43

分类号：O433.4(光学)

资助基金：国家自然科学基金;上海市自然科学基金;上海市科技创新行动计划社会发展科技攻关项目;上海交通大学深蓝计划基金项目

在线出版日期：2023-06-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共7页

页码：1401-1407