激光光谱分析装置的原理与应用

激光光谱分析装置的原理与应用
摘要：本文以Nd：YAG激光器为例，介绍了激光光谱分析的实验 装置、工作原理及其应用；并以此实验装置为基础，实验测得了等 离子体的激发温度与环境气压间的关系。相序表| 万用表| 功率计| 示波器| 电阻测试仪| 电阻计| 电表| 钳表| 高斯计| 电磁场测试仪| 电源供应器| 电能质量分析仪| 多功能测试仪| 电容表

 引 言 激光是一种特性优良的光源，其辐射光束能量在空间、时 间、频率上都高度集中，具有方向性好、亮度高、单色性好、相 干性好、光谱“纯度”高等特点。在分析样品时，试样不需预先 处理，也不破坏样品的原形，操作简单，分析速度快。自20世 纪60年代初引入光谱分析，就受到广大光谱工作者的重视， 现已发展成为微区分析的重要手段，在地质、冶金、医学、考 古、生物等生产与科研领域中都得到广泛的应用Ⅲ。本文根据 作者本人的实验设计，简要地阐述了激光光谱分析装置的原 理与应用。

2 激光光谱测量装置 激光光谱测量装置由激光光源、真空系统、光学系统、分光 和检测系统四部分组成。我们采用大能量的钕玻璃激光器诱导 金属形成金属等离子体，进行光谱分析。其装置如图1所示： 图1实验装置示意图 下面对实验装置的不同组成部分分别进行介绍说明。
2．1 激光光源 用于光谱分析的激光装置，由激光器、激光电源、显微镜、 CCD监视系统组成。从激光器发出的光，通过显微物镜聚焦， 将光束聚焦于分析样品上，样品表面吸收激光能量，强烈的光 热效应使物质熔融挥发，形成激光等离子体，再通过光电接收 装置进行光谱分析。 我们所用激光器为NDz一10型钕玻璃激光器，激光波长 为l_06um；输出形式为单次脉冲发射，输出能量从0到25J可 调，脉冲宽度为0．7ms。小能量的连续可调谐He__—Ne激光器 为指示器，其光束与钕玻璃激光器的光束同路，用于指示激光 方位，保证激光每次都作用于不同的样品位置，从而在一定程 度上减小人为误差。 CCD监视系统由摄像物镜、高分辨率的CCD和9英寸监 视器组成。配合He—№ 激光器，精确瞄准激光柬和激光作用 于样品的位置，并监视整个工作过程。 Nd；YAG激光器采用光激发泵浦，激光电源为泵浦灯提 供能量(其输出电压o_-2o0OV连续可调)，泵浦灯的闪光照射 激光工作物质，使得Nd 离子发生粒子数反转，在谐振腔中最 终输出波长为1．064urn的激光。 2．2 真空系统 实验研究表明，环境气体及压力能够极大地改善谱线的 强度与质量。因此激光光谱分析实验多在低真空条件下进行， 而提供低真空条件的真空系统多数由实验者自行设计，包括 真空室、机械泵和气源三部分，图2为其结构示意图。 真空泵 进气口 检测系统 图2：真空室结构图(1)激光诱导等离子体(2)样品(3)样品台 (4)底座(5)o型圈 真空系统的工作方法是通过机械泵抽气， 由输入和输出 端针阀控制室内压力和气体流量，室内压由压力计指示，气体 流量由流量计指示 激光束通过成像透镜(f=130um)和石英 窗进入真空室后垂直聚焦到样品表面上，真空室位于三维可 调的平台上，使得样品在三维方向可任意调整。 23 光学系统 本实验光学系统由两部分组成，一是激光器本身的传输 系统，由反射镜、聚焦物镜、保护镜片组成。它们分别起到转 光、聚焦、镜片保护的作用，保证激光柬聚焦于样品表面上。另 一部分是单透镜照明系统，其作用是尽可能多地把激光诱导 等离子体引入光谱仪入射狭缝。
2．4 分析和检测系统 我们的实验中分别采用两种实验方法，一是以棱镜光谱 仪为分光系统的摄谱法，其工作原理是激光诱导等离子体经 透镜聚焦于棱镜光谱仪的入射狭缝，再经石英棱镜分光后，由光谱感光板记录，用测微光度计测量谱线黑度，再经乳剂特性 曲线转化为谱线的相对强度，从而获得光谱信息。另一种是由 wDS一8组合光谱仪和计算机组成接收系统的光电法，光电 系统由分光系统、电子系统、软件系统三部分组成。 分光系统为wDS一8组合光谱仪，其入射狭缝、出射狭缝 均为直狭缝，宽度范围o_-2衄连续可调，工作原理同棱镜光 谱仪。 电子系统包括电源，接收元件、信号放大线路、A／D转换 部分。接收元件为CCD 探测器或光电倍增管，本实验采用 CCD为接收元件，通过CCD将光谱仪接收到的光信号转换成 电信号，再经信号放大器和A／D转换部分将模拟信号转换为 数字信号，数字信号输入计算机即可进行数据处理。由于光信 号转换为电信号与数字信号触发计算机几乎是同步进行，所 以利用光电接收能够进行实时采集和数据处理。 wDs_-8光栅光谱仪的控制和光谱数据处理均由计算机 来完成。软件系统主要功能有：仪器系统复位、仪器系统的各 种控制、测量参数的设置、光谱扫描和基线扫描、光谱数据的 文件管理、光谱数据的各种计算等。 另外，如果接收装置改为光学多道分析仪(OMA)，灵敏 度将大幅度提高，响应时间缩短到纳秒量级，采用计算机可作 实时自动信息处理和数据存储，能方便地给出被测光谱的响 应曲线和光谱数据，可用于进行时间分辨光谱测量。

3 激光光谱分析装置的应用
3．1 光谱定性及定量分析 激光光谱分析装置可用于光谱的定性及定量分析，定性 分析采用摄谱法或看谱法较为方便，可根据分析样品中光谱 线出现的情况来确定元素的存在与否和测定元素含量。 样品中各杂质元素的谱线强度，与其在样品中的浓度有 关，含量越高，谱线强度就越大。通过测量谱线的强度、宽度， 可以确定试样中该元素的含量。谱线强度的测量可用摄谱法 或光电直读法。摄谱法是用光谱干板记录光谱，然后用测微光 度计测量谱线的黑度，再利用乳剂特性曲线从谱线黑度求出 谱线强度。如果谱线黑度值落在乳剂曲线的直线部分，则谱线 黑度( 与元素浓度(c)的关系式为川： S=rmgC+rlgA 式中B，培4为常数，，．是光谱感光板的反衬度。 光电直读法则是利用光电探测器件，根据谱线的强度直 接给出元素的含量，从而大大加快了分析速度，提高了分析的 精确度。
3．2 减压氩气环境的应用 在减压条件下，由于等离子体的扩散速度增大，使得等离 子体体积增大，温度分布趋于均匀，因而谱线白吸减弱；另外， 用空气作缓冲气体， 由于空气中的氧元素很容易与金属元素 形成氧化物而多数不易解离，所以采用氩气作保护气体，在减 压条件下可有效提高原子化效率，提高信背比，改善谱线质 量，提高分析的精确度 。
3．3 激光等离子体的温度测量 等离子体的激发温度是决定谱线强度的一个主要参数， 其温度之高非一般仪器可以测量。在光谱分析中，对于局部热 平衡光源，常用斜率法来测量激发温度，计算公式如下 1： 3 n ‘ ，’‘ )=一( 1 E+c， 式 振子强度， 为激发电位，其单位为cm一，，为谱线 强度， 为波长，其为单位lira，g为统计权重，cr为一常量。 对于同一元素的多重线组中的不同谱线， 和蹴直线关系，斜率为下0．625 。因此激发一个样品，对 r，3 其中某元素的不同谱线测得不同的 呈，作出，g )一碴线．， 量出斜率，即可算出激发温度 。 实验中，我们以标钢Fe一5为靶，氙灯工作电压为1600v、 wDs一8组合光谱仪的狭缝宽度为90um，以铁的300．8 14rim、 300．957nm 、302．403rim 、303．015rim 、305．909rim 、308．374nm 的原子谱线为分析线，根据斜率法计算了等离子体的激发温 度。计算结果如图3所示。从图中可以看出，由于环境气压的 减小使得等离子体的半径增大，激发温度明显下降，温度分布 梯度趋于均匀。 280 320 3S0 400 440 480 520 5S0 SO0 840 880 720 压萎(乇) 图3等离子体激发温度与环境气压的关系

4 结束语 本文简要介绍了以高能量钕玻璃激光器为激发光源的激 光光谱分析的实验原理及装置，并简述了此实验装置在定性 和定量分析、等离子体激发温度测量方面的应用，并通过实验 测得了以标钢为激发样品，不同环境气压下的等离子体的激 发温度。