激光誘導(dǎo)擊穿光譜LIBS對(duì)氣體流動(dòng)的影響

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是一種光學(xué)測(cè)量技術(shù)，因此是非接觸的，不是非侵入性的^[1]。為了研究激光誘導(dǎo)擊穿對(duì)氣體流的影響，進(jìn)行了LIBS和粒子圖像測(cè)速（PIV）相結(jié)合的測(cè)量。在所考慮的層流氣流中，誘導(dǎo)速度場(chǎng)擾動(dòng)的范圍約為0.7 cm，量級(jí)可達(dá)0.9 m s^-1。進(jìn)一步的結(jié)果表明，將LIBS與其他測(cè)量技術(shù)或高速LIBS測(cè)量相結(jié)合，可以有效地提高測(cè)量精度，激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS），這是一種新興的流體診斷工具。它主要用于確定局部元素組成。近年來(lái)，它在測(cè)溫方面的潛力也得到了探索。雖然LIBS是一種光學(xué)非接觸技術(shù)，但它不是非侵入性的。激光誘導(dǎo)擊穿產(chǎn)生聲波，聲波在所研究的流場(chǎng)中傳播，影響速度分布。此外，在等離子體形成過(guò)程中，原子/離子和電子之間的分離導(dǎo)致了復(fù)合過(guò)程之前的短期膨脹^[2]。
采用粒子圖像測(cè)速法（PIV）來(lái)研究LIBS測(cè)量對(duì)流場(chǎng)的影響。此外，為了最大限度地減少測(cè)量誤差，開(kāi)發(fā)了LIBS與其他診斷方法以及高重復(fù)率LIBS相結(jié)合的方法。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，為了量化誘導(dǎo)等離子體對(duì)流場(chǎng)的絕對(duì)影響，LIBS激光器的光脈沖和PIV激光器的第一光脈沖同時(shí)發(fā)射。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)施加不同的延遲，第一個(gè)PIV激光脈沖在前一個(gè)LIBS激光脈沖之后開(kāi)始，從而可以研究誘導(dǎo)等離子體對(duì)流場(chǎng)的影響持續(xù)時(shí)間。
 
如上圖所示，為了量化激光誘導(dǎo)等離子體對(duì)流場(chǎng)的影響，采用直徑為4.2 cm的噴嘴噴射氣流作為測(cè)試流。噴嘴出口中心氣流的平均速度為0.12 m s⁻¹，由質(zhì)量流量控制器控制。LIBS激光脈沖（1064 nm, 50 mJ）是由Montfort Laser所提供的激光器，LIBS激光束通過(guò)79 mm非球面會(huì)聚透鏡聚焦，假設(shè)為高斯光束，然后用光纖耦合光譜儀對(duì)等離子體光發(fā)射進(jìn)行了分析，在PIV激光脈沖間隔時(shí)間為500µs，重復(fù)頻率為10 Hz的條件下進(jìn)行PIV測(cè)量。由二氧化鈦制成的示蹤顆粒，平均尺寸為0.4µm，被播種到氣流中。使用5.5 Mpx CMOS相機(jī)（Andor）觀察顆粒。 除了誘導(dǎo)等離子體對(duì)射流的潛在影響外，LIBS測(cè)量還會(huì)通過(guò)重組過(guò)程的發(fā)光干擾PIV測(cè)量，導(dǎo)致PIV原始圖像出現(xiàn)飽和斑，如上圖(a)所示，氣流的平均速度場(chǎng)如圖(b)所示。在這里，正向y方向流動(dòng)的加速是由頂部的種子流吸力引起的，導(dǎo)致最大速度約為0.45 m s^-1。激光誘導(dǎo)的LIBS擊穿對(duì)層流場(chǎng)有顯著影響。在LIBS測(cè)點(diǎn)，明顯可見(jiàn)徑向擴(kuò)展區(qū)，最大平均速度為1.2 m s^-1，比在同一位置不使用LIBS脈沖時(shí)測(cè)量的平均參考速度0.3 m s^-1高4倍。因此，感應(yīng)速度約為0.9 m s^-1。在第二次測(cè)量中，改變LIBS和第一個(gè)PIV激光脈沖之間的延遲∆t，以確定表征LIBS擊穿誘導(dǎo)流的時(shí)間范圍的衰減時(shí)間。圖 (c)和圖(d)分別描繪了∆t = 50µs和∆t = 60µs延時(shí)時(shí)的平均速度場(chǎng)。因此，即使在60µs后，對(duì)流場(chǎng)的影響仍然很大。此外，還可以看到誘導(dǎo)激波在平均流場(chǎng)中的徑向傳播。由于激波以聲速傳播，因此可以通過(guò)計(jì)算激波在后續(xù)測(cè)量開(kāi)始之前的傳播距離來(lái)單獨(dú)估計(jì)每個(gè)裝置對(duì)流場(chǎng)的影響。

LIBS是一種新興的流體診斷工具，例如流體種類的測(cè)定或密度/溫度的測(cè)量。雖然LIBS是一種光學(xué)測(cè)量技術(shù)，但它對(duì)測(cè)量對(duì)象有影響，本文以層流為例對(duì)其進(jìn)行量化。同時(shí)進(jìn)行的LIBS和PIV測(cè)量表明，在誘導(dǎo)擊穿的位置，平均速度增加了0.9 m s^-1。通過(guò)擊穿過(guò)程擴(kuò)展引起的可測(cè)量的速度場(chǎng)散度來(lái)估計(jì)受影響的流動(dòng)程度。流場(chǎng)受LIBS焦點(diǎn)周圍0.7 cm半徑范圍內(nèi)的影響。此外，誘導(dǎo)流的衰減時(shí)間約為500µs，可以將對(duì)流場(chǎng)的影響降低到10%的相對(duì)速度偏差以下。對(duì)于對(duì)流場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì)，所測(cè)層流的等待時(shí)間估計(jì)約為21 ms，對(duì)應(yīng)于48 Hz的重復(fù)率。在高速LIBS應(yīng)用中，應(yīng)保持約2 kHz的最大重復(fù)頻率，以獲得先前擊穿對(duì)流量的可忽略不計(jì)的影響。對(duì)于LIBS和PIV聯(lián)合測(cè)量，建議先用兩個(gè)分離的PIV激光脈沖啟動(dòng)測(cè)量周期，然后再發(fā)射LIBS激光脈沖，以避免LIBS誘導(dǎo)流對(duì)PIV測(cè)量的影響。
 
LIBS以及相關(guān)儀器

海洋光學(xué)的HR2 系列光譜儀具有快速的采集速度和出色的熱穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)緊湊且堅(jiān)固耐用，積分時(shí)間快至 1 μs，熱波長(zhǎng)漂移僅為 0.06 像素/°C，有助于確保即使在環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)也能獲得可靠的光譜性能。

 

HR2 型號(hào)涵蓋 190-1150 nm 范圍內(nèi)的各種波長(zhǎng)范圍，可選擇狹縫寬度尺寸，以幫助用戶管理通量和光學(xué)分辨率。

 

HR2光譜儀與海洋光學(xué)光源、附件和軟件兼容，使用戶能夠針對(duì)不同的應(yīng)用優(yōu)化設(shè)置。其堅(jiān)固的設(shè)計(jì)、熱穩(wěn)定性和出色的吸光度線性度使 HR2 可用于LIBS系統(tǒng)的組裝，嵌入到 OEM 儀器中。

海洋光學(xué)也推出了適用于更多環(huán)境的多通道光譜儀MX2500+，憑借其高效的外部同步時(shí)鐘，完美的協(xié)同了所有通道實(shí)現(xiàn)精確的延遲采集，準(zhǔn)確的在原子激發(fā)輻射突出時(shí)采集到完整的原子譜線信號(hào)。

 

同時(shí)，MX2500+可以應(yīng)客戶的需求在180-1100nm的范圍內(nèi)自由的配置光譜儀的通道數(shù)量和覆蓋范圍，系統(tǒng)自帶的高效時(shí)鐘可以完美的同步所有通道，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確觸發(fā)兩臺(tái)外部設(shè)備，非常適合在LIBS應(yīng)用中使用。

上文實(shí)驗(yàn)中所使用的Montfort納秒激光器是激光誘導(dǎo)擊穿實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)秀選擇。這款小巧緊湊的激光器在可實(shí)現(xiàn)50mj輸出的同時(shí)，重量小于2kg，并適合野外現(xiàn)場(chǎng)工作，可支持24V電壓。

 

Montfort M-NANO-Nd:YAG采用半導(dǎo)體泵浦技術(shù)，無(wú)需水冷及龐大的控制系統(tǒng)，非常適合應(yīng)用于LIBS。而除了標(biāo)準(zhǔn)定制的1064nm and 532nm款式之外，激光器其他參數(shù)可以根據(jù)客戶需要定制，從輸出能量到工作頻率均可按照實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行個(gè)性化配置。

RealShock®固體激光器是北京杏林睿光自主研發(fā)的半導(dǎo)體泵浦被動(dòng)調(diào)Q固體激光器，具有大能量、高性價(jià)比、低功耗等特點(diǎn)。

 

該系列激光器的半導(dǎo)體泵浦模塊和激光晶體采用一體化設(shè)計(jì)，尺寸小巧緊湊，無(wú)需水冷。針對(duì)LIBS及激光燒蝕等應(yīng)用領(lǐng)域，特提供小型化OEM控制電路，便于安裝和集成，特別適合手持類設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)中同樣也使用有一款前照式sCOMS相機(jī)，Andor的Zyla系列相機(jī)擁有高達(dá)82%QE和100fps，420/550萬(wàn)像素，在同性能產(chǎn)品中擁有高性價(jià)比。除了流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域之外，Zyla系列sCMOS相機(jī)也適用于動(dòng)態(tài)X射線成像，細(xì)胞生物學(xué)，量子光學(xué)等多個(gè)熱門研究i領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

1. Körber M, Fellinger J, Fritsche M, Giese A, Kostourou K, Kopf D, et al. Ophthalmic surgeries on post mortem porcine eyes with picosecond ultrashort laser pulses. Frontiers in Medicine 2024; 11:1345976.
2. Vanselow C, Stöbener D, Kiefer J, Fischer A. Revealing the impact of laser-induced breakdown on a gas flow. Measurement Science and Technology 2019; 31(2):027001.