基于LA-LIBS的超衍射限高空间分辨微区元素分析

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将激光光束聚焦到样品表面以烧蚀样品产生激光诱导等离子体,再利用等离子体中原子或离子的发射光谱进行样品表面元素分析的技术即是激光诱导击穿光谱(LIBS)技术。LIBS技术可用于分析样品表面显微区域元素的种类和含量。本论文中,运用再加热型双波长、双脉冲激光烧蚀-激光诱导击穿光谱(LA-LIBS)技术对铝合金及铜合金样品进行了元素分析。发现通过对532nm和1064nm两束激光进行分别优化,这项技术能够在保证检测灵敏度的条件下,获得较高的空间分辨本领,从而实现对样品的微区元素分析。实验中,采用了532nm和1064nm两束呈正交分布的激光。用532nm的激光在样品表面烧蚀出少量样品以产生等离子体,再用1064nm的激光对这些等离子体进行再激发,有效提高了光谱的发射强度,进而提高了探测灵敏度。用这项技术检测了铝合金标样中的铝、铜、铬、锰、镁元素,相同条件下,发现它们的信噪比比用532nm单脉冲LIBS技术在相同条件下获得的信噪比提高了1-2倍。在LA-LIBS技术中,为了达到微区分辨的目的,需要准确检测在532nm波长、12ns脉宽的激光作用下铝合金和铜样品的激光烧蚀阈值。检测方法是:在532nm光路中放置了一个格兰-泰勒棱镜(旋转线偏振片),通过旋转该棱镜来不断衰减激光能量,并用能量计测量能量,得到光谱积分强度与烧蚀激光能量的关系曲线。当光谱积分强度为零时,关系曲线所对应的激光能量即为样品的激光烧蚀能量。测得铝合金及铜合金的激光烧蚀阈值分别是48μJ和7.5μJ。然后,将532nm光路的激光能量放在阈值附近,就能使LIBS技术获得高的空间分辨本领,进行微区元素分析。当532nm光路的激光能量接近样品的激光烧蚀阈值时,激光在样品表面的烧蚀面积很小,对样品的损害也较小,即可以获得较高的空间分辨本领,实现微区元素分析。但是,当532nm激光烧蚀的样品量减小时,等离子体发射光谱的强度会减弱,这就需要用1064nm激光对等离子体进行二次激发以提高光谱强度,同时为了达到进行微区元素分析的目的,必须保证1064nm激光不能烧蚀出任何样品。这就能够保证在LIBS技术足够的光谱发射强度的同时,也有较高的空进分辨本领。随着光谱探测技术的不断发展,光谱分析灵敏度会不断提高,就可以使532nm激光能量越来越接近阈值,LA-LIBS的空间分辨本领不断减小,进而达到超衍射限。目前,探测到的铝合金的激光烧蚀坑洞直径为5μm,也就是说铝合金的空间分辨率达到了5μm。黄铜样品的空间分辨率达到了3μm。
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