Name: 测量和原子氢和双原子分子ALO，C分析 2，CN和二氧化钛光谱承接激光诱导光学击穿 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-02-14T14:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 40 s
Description: 了解激光诱导击穿光谱技术，用于测量原子氢和双原子分子ALO、C₂、CN及TiO的时间分辨光谱。该方法可确定等离子体电子密度与温度，为燃烧过程及天体物理等离子体研究提供重要数据支持。

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作者感谢 J. O. Hornkohl 先生对双原子分子谱线强度计算的兴趣与讨论。本工作部分由田纳西大学空间研究所激光应用中心资助。

1. 光学系统设置
<ol>
	<li>在激光器出口处放置一个分束器，使1,064 nm波长的光透过，同时将其他瞬态激光辐射反射至光束吸收器。</li>
	<li>放置一个高速PIN光电二极管探测器，用于记录从分束器反射出的部分激光辐射。使用同轴电缆将该探测器连接至示波器，以监测光学脉冲相对于函数发生器触发信号以及Nd:YAG激光器中Q开关现象发生的时间关系。</li>
	<li>调节三个红外反射镜，使光束与光谱仪的狭缝保持平行。</li>
	<li>在平移台上上方放置一个透镜，用于聚焦光束，从而在光谱仪狭缝附近产生与之平行的光学击穿等离子体。调节两个石英透镜，将等离子体成像至狭缝上。这两个聚焦透镜应与光谱仪的设计最佳匹配，即最后一个透镜的孔径需使其f数（f#）与光谱仪内部光学系统的f数相同。</li>
	<li>对于波长大于380 nm的测量，在两个透镜之间放置一个长波通滤光片，用于阻断波长低于380 nm的辐射。该长波通滤光片可抑制可能的紫外贡献（源于光栅的二级衍射）对测量光谱的影响。</li>
</ol>
2. 数据采集设置
<ol>
	<li>将一个波形函数发生器输出50 Hz的三角波连接至自制的五分频电路，以获得10 Hz信号。光学多通道分析仪（OMA）以50 Hz运行，Nd:YAG激光器的闪光灯以10 Hz同步运行。可用ICCD替代OMA进行操作&#160;以脉冲激光辐射的频率同步进行&#160;同样。</li>
	<li>将定制的五分频电路的一个输出端连接至数字延迟发生器。使用一个输出端来同步Nd:YAG激光器的闪光灯，另一个输出端用于控制线性二极管阵列增强器和光学多道分析仪的触发信号。同样，也可使用ICCD替代增强型线性二极管阵列和OMA。</li>
	<li>将激光器设备的可调触发输出连接至示波器和脉冲发生器。示波器用于监测脉冲激光辐射何时可用于光学击穿产生或激光消融。</li>
	<li>将数字脉冲发生器的高压输出端连接至增强型线性二极管阵列。</li>
	<li>将脉冲发生器的另一个输出端连接到示波器。</li>
	<li>将增强型线性二极管阵列输出连接至光学多通道分析仪（OMA）。</li>
</ol>
3. 同步化与测量
<ol>
	<li>将波形函数发生器设置为输出频率为 50±1 Hz 的三角波脉冲。该函数发生器提供主频率信号。使用定制的五分频电路和数字延迟发生器以实现精确同步。</li>
	<li>启动激光器的水冷系统和电源，开启激光器。</li>
	<li>确定激光辐射从 Nd:YAG 激光器出口光阑传播至光谱仪狭缝前方区域所需的时间：测量光路距离，并利用光速计算&#160;传播时间。在下一步设置门延迟时间时，需计入该传播时间。</li>
	<li>在数字脉冲发生器上设置测量的门宽以及相对于光学击穿或激光烧蚀脉冲的延迟时间&#160;，并使用示波器监测延迟时间。延迟时间决定了击穿发生后开始数据采集的等待时长，门宽则决定了线性二极管阵列接收等离子体辐射的时间长度。</li>
	<li>在空气中产生光学击穿和/或在平移台上放置样品以实现烧蚀，并将微等离子体成像至光谱仪狭缝上。</li>
	<li>开始测量，使用增强型线性二极管阵列和光学多通道分析仪（或 ICCD）记录数据。</li>
</ol>
4. 波长校准
<ol>
	<li>记录标准校准灯的光谱：氖灯、汞灯和氢灯。使用实验装置，将灯放置在等离子体产生位置。</li>
	<li>利用已知的灯发射波长，进行线性或三次拟合，以获得像素与波长之间的对应关系。精确校准的目的是校正通常与光谱测量相关的非线性效应。</li>
	<li>对感兴趣的 H、C2、CN 和 TiO 光谱区域重复进行校准。</li>
</ol>
5. 强度校准
<ol>
	<li>打开钨校准灯并等待其预热。</li>
	<li>使用光学高温计测量该工作灯的温度。</li>
	<li>利用实验装置记录该工作灯的光谱。</li>
	<li>根据测得的温度，利用普朗克辐射定律计算出黑体辐射曲线。</li>
	<li>将计算得到的曲线与工作灯的光谱进行拟合，确定记录强度相对于计算曲线的校正因子，并应用这些因子对记录的光谱进行校正，以消除探测器波长依赖性灵敏度的影响。</li>
	<li>对光谱仪使用的每个波段区域重复上述步骤。</li>
</ol>
6. 数据传输
<ol>
	<li>准备用于文件传输的存储介质。</li>
	<li>针对每次数据测量，将其记录到该存储介质上。</li>
	<li>携带此存储介质，并将其上的文件上传至工作计算机。</li>
</ol>
7. 文件准备
<ol>
	<li>对每个文件进行解析，将其分为若干部分，其中一部分包含记录的数据，其余部分指定起始波长和每个数据点的平均波长偏移量。</li>
	<li>利用这些部分创建一个新文件，以将波长与记录的数据进行匹配。</li>
</ol>
8. 双原子分子分析
<ol>
	<li>选择波长文件及相应的谱线强度文件。</li>
	<li>选择基线偏移。
	<ol>
		<li>设置偏移为常数、线性或二次型。</li>
		<li>设置相应系数为固定值或可变值。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>设置分辨率和温度，二者均可设为固定或可变。</li>
	<li>设置合成光谱拟合至实测光谱时的拟合容差。</li>
	<li>采用 Nelder-Mead 算法将计算光谱与实验光谱进行拟合。</li>
	<li>根据每次测量中计算光谱的最佳拟合参数，推断在不同时间延迟和门宽条件下观测到的微等离子体参数。</li>
</ol>

<ol><li>Miziolek, A. W., Palleschi, V., Schechter, I. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMiziolek%2C+AW+%22Laser+Induced+Breakdown+Spectroscopy%22">Laser Induced Breakdown Spectroscopy</a>. , Cambridge University Press. New York. (2006).</li>
<li>Cremers, D. E., Radziemski, L. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCremers%2C+DE+%22Handbook+of+laser-induced+Breakdown+Spectroscopy%22">Handbook of laser-induced Breakdown Spectroscopy</a>. , John Wiley. New York. (2006).</li>
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<li>Parigger, C. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+and+molecular+emissions+in+laser-induced+breakdown+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Spectrochim.+Acta+Part+B%22%5BJournal%5D)">Atomic and molecular emissions in laser-induced breakdown spectroscopy.</a> Spectrochim. Acta Part B. 79, 4-16 (2013).</li>
<li>Konjević, N., Lesage, A., Fuhr, J. R., Wiese, W. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+Stark+widths+and+shifts+for+spectral+lines+of+neutral+and+ionized+atoms%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+Ref.+Data%22%5BJournal%5D)">Experimental Stark widths and shifts for spectral lines of neutral and ionized atoms.</a> J. Phys. Chem. Ref. Data. 31, 819-927 (2002).</li>
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<li>Parigger, C. G., Dackman, M., Hornkohl, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-resolved+spectroscopy+measurements+of+hydrogen-alpha%2C+-beta%2C+and+-gamma+emissions%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Time-resolved spectroscopy measurements of hydrogen-alpha, -beta, and -gamma emissions.</a> Appl. Opt. 47, (2008).</li>
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<li>Lucena, A. D., Tobaria, L. M., Laserna, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+challenges+and+insights+in+the+detection+and+spectral+identification+of+organic+explosives+by+laser+induced+breakdown+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Spectrochim.+Acta+Part+B%22%5BJournal%5D)">New challenges and insights in the detection and spectral identification of organic explosives by laser induced breakdown spectroscopy.</a> Spectrochim. Acta Part B. 66 (1), 12-20 (2011).</li>
<li>Swafford, L. D., Parigger, C. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+hydrogen+Balmer+Series+lines+following+laser-induced+optical+breakdown+in+laboratory+air%5BTitle%5D)+AND+%22Accepted%2C+Int.+Rev.+Atom.+Mol.+Phys%22%5BJournal%5D)">Measurement of hydrogen Balmer Series lines following laser-induced optical breakdown in laboratory air.</a> Accepted, Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 4 (1), (2013).</li>
<li>Hornkohl, J. O., Nemes, L., Parigger, C. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectroscopy+of+Carbon+Containing+Diatomic+Molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Spectroscopy%2C+Dynamics+and+Molecular+Theory+of+Carbon+Plasmas+and+Vapor%22%5BJournal%5D)">Spectroscopy of Carbon Containing Diatomic Molecules.</a> Spectroscopy, Dynamics and Molecular Theory of Carbon Plasmas and Vapor. Nemes, L., Irle, S. , World Scientific. Singapore. 113-165 (2011).</li>
<li>Parigger, C., Hornkohl, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diatomic+molecular+spectroscopy+with+standard+and+anomalous+commutators%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+Rev.+Atom.+Mol.+Phys%22%5BJournal%5D)">Diatomic molecular spectroscopy with standard and anomalous commutators.</a> Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 1, 25-43 (2010).</li>
<li>Parigger, C. G., Hornkohl, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computation+of+AlO+emission+spectra%5BTitle%5D)+AND+%22Spectrochim.+Acta+Part+A%22%5BJournal%5D)">Computation of AlO emission spectra.</a> Spectrochim. Acta Part A. 81, 404-411 (2011).</li>
<li>Hermann, J., Peronne, A., Dutouquet, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+the+TiO-%CE%B3+System+for+temperature+measurements+in+laser-induced+plasma%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+B%3A+At.+Mol.+Opt.+Phys%22%5BJournal%5D)">Analysis of the TiO-γ System for temperature measurements in laser-induced plasma.</a> J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 34, 153-164 (2001).</li>
<li>Woods, A. C., Parigger, C. G., Hornkohl, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurements+and+analysis+of+titanium+monoxide+spectra+in+laser-induced+plasma%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Measurements and analysis of titanium monoxide spectra in laser-induced plasma.</a> Opt. Lett. 37, 5139-5141 (2012).</li>
<li>Witte, M. J., Parigger, C. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+and+analysis+of+carbon+Swan+spectra+following+laser-induced+optical+breakdown+in+air%5BTitle%5D)+AND+%22Accepted%2C+Int.+Rev.+Atom.+Mol.+Phys%22%5BJournal%5D)">Measurement and analysis of carbon Swan spectra following laser-induced optical breakdown in air.</a> Accepted, Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 4 (1), (2013).</li>
<li>Surmick, D. M., Parigger, C. G., Woods, A. C., Donaldson, A. B., Height, J. L., Gill, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+emission+Spectra+of+Aluminum+Monoxide+in+a+Solid+Propellant+Flame%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+Rev.+Atom.+Mol.+Phys%22%5BJournal%5D)">Analysis of emission Spectra of Aluminum Monoxide in a Solid Propellant Flame.</a> Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 3 (2), 2-137 (2012).</li>
<li>Woods, A. C., Parigger, C. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-resolved+Temperature+Inferences+Utilizing+the+TiO+A3%CF%86%E2%86%92X3%CE%94+Band+in+Laser-induced+Plasma%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+Rev.+Atom.+Mol.+Phys%22%5BJournal%5D)">Time-resolved Temperature Inferences Utilizing the TiO A3φ→X3Δ Band in Laser-induced Plasma.</a> Int. Rev. Atom. Mol. Phys. 3 (2), 103-111 (2012).</li>
</ol>

所有作者均声明不存在任何竞争性财务利益。

此处进一步讨论时间分辨测量方案及代表性结果。必须将激光脉冲（以10 Hz频率产生）与增强型线性二极管阵列及光学多通道分析仪（OMA）或ICCD的50 Hz工作频率同步。此外，激光脉冲的精确时序以及增强型线性二极管阵列（或ICCD）门控的开启至关重要。实验示意图中所示的波形发生器&#160;用于同步激光脉冲与通过光学多通道分析仪实现的增强型线性二极管阵列读出。脉冲发生器则用于调节测量的时间延迟。
激光脉冲中心与增强门开启时间窗口的重叠对应于初始零时间延迟，即tdelay = 0。为了确定发射光谱的时间演化过程，需改变从光学击穿开始的时间延迟。例如，在空气击穿事件中，氢阿尔法谱线直到等离子体生成后0.4 µsec才能被观测到。发射光谱的测量还需要进行波长和强度校准。这些校准对于分析是必要的。
在进行LIBS测量时，通过烧蚀钛（Ti）等金属样品来观察等离子体演化，感兴趣的双原子跃迁波长范围内常存在大量原子谱线。这些谱线即使在较晚的延迟时间下，仍可能持续出现在采集的光谱中。然而，其中部分谱线可能...

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术1-5&#160;可应用于激光辐射产生的等离子体的原子6-12和分子研究13-20。时间分辨光谱对于确定等离子体的瞬态特性至关重要。只要具备合理的等离子体击穿理论模型，便可测量温度和电子密度等关键等离子体参数。将自由电子辐射与原子和分子发射分离开来&#160;，有助于我们精确研究瞬态现象。通过聚焦于特定的时间窗口，可以“冻结”等离子体的衰减过程，从而获得精确的光谱特征。LIBS 具有多种应用&#160;，近年来，该领域发表论文的研究人员数量显著增加，表明人们对 LIBS 诊断技术的兴趣大幅提升。皮秒和飞秒激光产生的微等离子体是当前研究的热点，然而从历史来看，实验中的 LIBS 装置多采用纳秒激光辐射。
图1展示了一种典型的激光诱导击穿光谱实验装置。在本方案中，初始激光束的功能击穿能量约为75 mJ/脉冲，对应红外波长为1,064 nm。该脉冲能量可根据需要进行调整。等离子体经光谱仪色散后，使用增强型线性二极管阵列和OMA进行检测，或 alternatively 投影至增强型二维电荷&#160;耦合&#160;器件（ICCD）成像。图2展示了时间分辨实验的时序图：脉冲激光辐射与读出信号、激光脉冲触发、激光发射以及门控开启延迟之间的同步关系。
成功实现时间分辨光谱测量需要进行多种校准程序。这些程序包括波长校准、背景校正，以及最重要的探测器灵敏度校正。经过灵敏度校正的数据对于实测光谱与模拟光谱的比较至关重要。为了提高信噪比，需记录多次激光诱导击穿事件。

<table><tbody><tr><td>自定义箱体</td><td>UTSI</td><td>无</td><td>信号分路器与调理器。可用示波器替代此设备。</td></tr><tr><td>四通道数字延迟/脉冲发生器</td><td>Stanford Research Systems, Inc.</td><td>型号 DG535</td><td>供应商：Tequipment、diyAudio</td></tr><tr><td>四通道彩色数字荧光示波器</td><td>Tektronix</td><td>TDS 3054</td><td>500 MHz - 5 GS/s，供应商：Amazon、Tektronix、Fluke、Agilent Technologies、Pico Technology</td></tr><tr><td>Wavetek FG3C 函数发生器</td><td>Wavetek</td><td>FG3C</td><td>供应商：Tequipment、Stanford Research Systems、BK Precision</td></tr><tr><td>Nd:YAG 激光器</td><td>Quanta-Ray</td><td>DCR-2A(10) PS</td><td>激光辐射，IV 类。&amp;nbsp; 供应商：Lambda Photometrics、Continuum、Ellipse、Newport</td></tr><tr><td>硅偏置探测器</td><td>Thorlabs</td><td>DET10A/M</td><td>200–1,100 nm，配备 ND10A 反射滤光片。供应商：Canberra、Edmund Optics</td></tr><tr><td>Nd:YAG 激光线反射镜，1,064 nm</td><td>Thorlabs</td><td>NB1-K13</td><td>供应商：Edmund Optics、Newport</td></tr><tr><td>1 英寸熔融石英双凸透镜，未镀膜</td><td>Newport</td><td>SBX031</td><td>供应商：Edmund Optics、Thorlabs</td></tr><tr><td>2 英寸熔融石英平凸透镜，未镀膜</td><td>Newport</td><td>SPX049</td><td>平凸透镜，f/4。&amp;nbsp; 供应商：Edmund Optics、Thorlabs</td></tr><tr><td>光谱仪</td><td>Instruments S.A. division Jobin-Yvon</td><td>HR 640</td><td>供应商：Andor、Newport、Horiba</td></tr><tr><td>光谱仪的手动与电子控制器</td><td>Instruments S.A. division Jobin-Yvon</td><td>型号 980028</td><td>光谱仪的手动与电子控制器</td></tr><tr><td>Mega 4000</td><td>Mega</td><td>型号 129709</td><td>光谱仪的计算机接口</td></tr><tr><td>Gateway 2000 Crystal Scan 1024 显示器</td><td>Gateway</td><td>PMV14AC</td><td>用于计算机接口的显示器</td></tr><tr><td>20 MHz 示波器</td><td>BK Precision</td><td>型号 2125</td><td>供应商：Amazon、Tektronix、Fluke、Agilent Technologies、Pico Technology</td></tr><tr><td>6040 通用脉冲发生器</td><td>Berkeley Nucleonics Corporation</td><td>型号 6040</td><td>供应商：Agilent Technologies、Tektronix、Quantum Composers</td></tr><tr><td>6040 通用脉冲发生器的独立组件</td><td>Berkeley Nucleonics Corporation</td><td>型号 202 H</td><td>6040 通用脉冲发生器的独立组件</td></tr><tr><td>ICCD 相机</td><td>EG&amp;amp;G Parc</td><td>型号 46113</td><td>供应商：Andor、Stanford Computer Optics、LaVision、Hamamatsu</td></tr><tr><td>OMA III</td><td>EG&amp;amp;G Parc</td><td>型号 1460</td><td>光谱数据采集与分析系统。该设备已停产，现由安装在计算机上的软件替代。</td></tr></tbody></table>

激光诱导光学击穿后原子氢及双原子分子alo、c2、cn和tio光谱的测量与分析

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

本研究展示了激光诱导光学击穿后原子和双原子光谱的时间分辨测量。采用典型的激光诱导击穿光谱（LIBS）装置，使用Nd:YAG激光器，工作频率为10 Hz，基波长为1,064 nm。脉冲宽度为14纳秒，能量为190 mJ/脉冲，聚焦至50 µm的光斑尺寸，以在空气中产生光学击穿或激光烧蚀等离子体。微等离子体成像至0.6 m光谱仪的入射狭缝，光谱通过1,800 grooves/mm光栅、增强型线性二极管阵列及光学多通道分析仪（OMA）或ICCD进行记录。重点关注氢原子巴尔末系的斯塔克展宽谱线，以推断电子密度。此外，我们还详细阐述了利用一氧化铝（AlO）、碳分子（C2）、氰基（CN）和一氧化钛（TiO）的双原子发射光谱进行温度测量的方法。
实验步骤包括波长和灵敏度校准。通过将记录的分子光谱数据与列表中的谱线强度进行拟合来完成分析。此外，还进行蒙特卡罗型模拟以估算误差范围。对于激光诱导击穿光谱（LIBS）中常见的瞬态等离子体，时间分辨测量至关重要。

激光诱导击穿光谱（LIBS）利用脉冲激光辐射使样品充分电离，从而形成等离子体。气体物质的激光诱导击穿会在激发光束的聚焦区域周围产生等离子体，而固体表面的激光烧蚀则会在样品表面之上产生等离子体。等离子体的生成是通过将光辐射聚焦至约100 GW/cm2的量级以实现纳秒级击穿脉冲；而要产生激光烧蚀等离子体，通常1 GW/cm2的强度已足够。所激发的等离子体辐射由光谱仪进行色散。只有在光击穿后的特定延迟时间下，原子和双原子光谱才能充分发展。图3-7展示了典型的实验结果。
在等离子体衰变初期，随着自由电子背景辐射的减弱，原子谱线逐渐演化。随后，主要由于复合过程的发生，可以记录到分子光谱。在实验中，必须精确触发线性二极管阵列的增强器；同样，也必须精确触发ICCD。这种触发（或定时）必须保持一致性，以确保所获取的数据均来自击穿事件后准确延迟时间的信号贡献。随后，OMA对增强型线性二极管阵列输出的信号进行数字化并存储数据。对于ICCD而言，定时同样重要，数据也以类似方式存储。在使用增强型线性二极管阵列的实验中，OMA仅记...

使用激光诱导击穿光谱（LIBS）测量时间分辨的原子和双原子分子种类。在Nd:YAG激光辐射引发光学击穿等离子体后，于不同时间延迟下采集光谱。&#160;并被用于推断电子密度和温度。

激光诱导光学击穿后原子氢及双原子分子AlO、C2、CN和TiO光谱的测量与分析

在本研究中，我们展示了激光诱导光学击穿后原子和双原子光谱的时间分辨测量结果。一种典型的LIBS装置……

以下实验的总体目标是测量并分析激光诱导火花产生后原子和/或分子发射的时间分辨光谱特征。该目标通过将波长为1064纳米的脉冲激光辐射聚焦到目标区域，以实现空气击穿或样品消融来达成。第二步，调节探测器相对于光学等离子体产生的时间延迟，以实现对原子和/或分子光谱的时间分辨测量。接下来，通过波长和强度校准所记录的数据，以准备实验结果。通过与理论预测进行比较，获得的结果表明，该技术可用于从双原子分子复合光谱中确定温度，并研究等离子体中原子和分子物种随时间的演化过程。与电击穿等现有方法相比，该技术的主要优势在于激光诱导光学击穿相对易于实现。该方法有助于解答燃烧领域的关键问题，例如可燃液体、固体和气体的激光点火。原子和分子光谱也有助于理解燃烧过程。尽管该方法可为激光诱导现象提供见解，也可应用于其他系统，如脉冲蒸气沉积。此外，详细的光谱分析有助于理解天体物理等离子体。一般来说，刚接触该方法的人员会面临一定困难，因为该方法要求在波长、定标和强度定标方面达到高精度，以实现准确的时间控制，并在实验数据中获得良好的信噪比。该方法的可视化演示至关重要。由于存在多种相互竞争的等离子体动力学现象，早期时间测量步骤难以掌握。本实验的组件分布在两张光学平台上：激光器位于一张平台，光谱仪位于另一张平台。该实验装置的示意图如图所示：实验开始时使用一个钕：钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器，并将其输出光引导至一个分束器，使1064纳米的光透过。使用一个PIN光电高速探测器记录从分束器反射的一部分激光辐射。通过同轴电缆将该探测器连接至示波器，以监测光脉冲。分束后，使用线性红外反射镜将光束调整至与光谱仪狭缝平行的位置。该反射镜将光束导向与狭缝平行的方向，并射向聚焦元件。利用安装在平移台上的透镜聚焦光束，以在与光谱仪狭缝平行的位置产生光学击穿等离子体。接下来，调整两个石英透镜，将等离子体成像到狭缝上，以测量波长大于380纳米的光谱。在两个透镜之间放置一个截止滤光片。一旦产生等离子体，其光谱将由光谱仪进行色散。通过连接至光学多通道分析仪的增强型线性二极管阵列记录光谱。准备数据采集时，将函数发生器连接至一个分频器电路接线盒，产生频率为50赫兹的三角波。使用分频器电路的一个输出端提供的10赫兹信号作为数字延迟发生器的输入。使用数字延时发生器的一个输出端，将钕 YAG 闪光灯同步设置为以 10 赫兹的频率工作。使用数字延时发生器的另一个输出端，通过沉箱控制以 50 赫兹运行的二极管阵列增强器和光学多通道分析仪的触发信号。接下来，将激光器的可调触发输出连接至示波器和脉冲发生器。然后将脉冲发生器的输出端连接至增强型线性二极管阵列和示波器。最后，将增强型线性DDE连接至光学多通道分析仪。进行激光操作时，需采取必要的安全防护措施。通过将函数发生器设置为输出 50 赫兹的三角脉冲来开始测量。启动激光器的冷却系统和电源，使其进入工作准备状态，然后在数字脉冲发生器上激活激光器。设置门宽以确定DIO阵列暴露于等离子体辐射的时间长度。同时设置延迟时间，以确定击穿后等待多长时间开始数据采集。在空气中引发光学击穿，将微等离子体成像至光谱仪狭缝，并记录数据。采集等离子体数据后，关闭激光器以开始对光学系统进行校准，包括校正光谱仪、DIO 阵列和光学多通道分析器的非线性响应。在等离子体测量过程中，将标准校准灯置于等离子体形成的位置。将采集到的数据与已知波长进行拟合，以获得感兴趣光谱区域内像素与波长的对应关系，从而开始强度校准。打开钨灯并预热。然后使用光学孔径计测量其温度。接着将灯放置在等离子体生成的位置，并使用装置记录其光谱。利用测得的温度计算黑体辐射曲线，并将其与光谱仪在各光谱区域使用时测得的光谱进行比较。确定理想强度与记录强度之比随波长的变化关系。在后续数据分析中，应用这些因子对记录的光谱进行校正。在此，使用该装置记录了107千帕气态氢中的氢巴尔末α线。在42纳秒的时间延迟下，沿光谱仪狭缝高度分辨出1000次连续光学击穿事件的光谱。最大红移为1.2纳米。最大电子密度为每立方米 0.32 乘以 10 的 25 次方个电子。此处显示的是二氧化钛电子跃迁的光谱，从第一激发三重态 Φ 态到振动能级差为零的基态。黑色实测光谱使用 95 微秒的时间延迟记录，红色曲线为采用 Elder Mead 拟合算法对数据进行拟合的结果，门宽为 2 微秒，光谱分辨率为 0.09 纳米，温度为 3,300 开尔文。再举一个例子，这是氧化铝单体的转动振动能谱。该跃迁是从第二激发态的双重态σ⁺能级到振动能级差为零的基态。同样，测得的光谱以黑色表示。本例中，时间延迟为45微秒，门宽为5微秒。红色的拟合光谱是使用0.09纳米的光谱分辨率和3,900开尔文的温度计算得到的。进行此操作时，重要的是记录关键的激光辐射参数，例如脉冲宽度、焦点处的脉冲形状以及每脉冲的能量。此外，按照本操作步骤对所记录的数据进行校准和重新校准也至关重要。其他方法，如激光诱导荧光，可用于回答更多问题，例如等离子体中粒子的空间分布。在早期发展之后，该技术为利用激光诱导光谱法远程分析样品开辟了道路，例如用于分析火星上的火星岩石。观看本视频后，您应能够充分理解如何记录时间分辨的光谱数据。光谱 注意：激光辐射可能极具危险性，使用激光时应始终采取预防措施，例如佩戴激光防护眼镜。

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测量和原子氢和双原子分子ALO，C分析<sub&gt; 2</sub&gt;，CN和二氧化钛光谱承接激光诱导光学击穿

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