激光诱导等离子体的时间和空间演变特性研究

本书是在作者长期从事激光诱导等离子体特性研究的基础上撰写而成，采用等离子体成像与光谱信号分析相结合的方法，对激光诱导等离子体的时间和空间演变特性进行研究，从物理机理上探索等离子体特性，以便能更好地控制激光诱导击穿光谱（LIBS）系统中的实验参数以及改进实验装置结构，提高LIBS技术的分析能力，为LIBS技术的应用提供理论支撑。

激光诱导击穿光谱（LaserInduced Breakdown Spectroscopy，LIBS）以其无须样品预处理、分析速度快、能实现多元素同时检测和远程分析等优点，在越来越多的领域被广泛应用。LIBS技术的基础是激光诱导等离子体，它是一个与时间和空间相关的非稳态辐射源，且等离子体的特性依赖于实验系统的诸多参数。本书利用等离子体成像与光谱信号分析相结合的方法对激光诱导等离子体的时间和空间演变特性进行研究，从物理机理上探索等离子体特性，以便能够更好地控制LIBS系统中的实验参数以及改进实验装置结构，最终提高LIBS技术的分析能力，为LIBS技术的应用提供有力的理论支撑。
本书是在笔者数年来对激光诱导等离子体时空演变特性研究的基础上撰写而成，系统全面地阐述了激光诱导等离子体的时空演变特性。在内容编排上由浅入深、循序渐进，注重理论与实践相结合。
全书内容共分为7章。第1章介绍了激光诱导击穿光谱技术和激光诱导等离子体时空演变的研究背景和发展现状；第2章介绍了激光诱导击穿光谱的基本理论；第3章介绍了光谱预处理与实验系统的组成、时空演变的研究方法，以及光谱预处理和实验系统关键参数优化的具体方法；第4、5章具体介绍了单脉冲激光诱导等离子体的时间和空间演变特性；第6、7章分别介绍了双脉冲激发、半球空腔约束等光谱信号增强方法作用下等离子体的时空演变特性。
本书可供激光诱导击穿光谱技术相关研究领域的科研人员学习使用，也可作为光电检测、光谱分析、化学分析等相关专业本科生和研究生的参考用书。
由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请读者给予批评指正。

著者

本书以激光诱导等离子体的物理机理研究为出发点，系统阐述了等离子体的时间和空间演变特性。全书内容共分为7章，主要内容包括激光诱导击穿光谱技术和等离子体时空演变特性的研究现状，激光诱导击穿光谱的基本理论，光谱信号的预处理方法和实验系统主要参数的优化方法，传统的单脉冲激光诱导等离子体的时间、空间演变特性，双脉冲激光诱导等离子体的时空演变特性及半球空腔约束激光诱导等离子体的时空演变特性。
本书可供激光诱导击穿光谱技术相关领域的科研人员学习使用，也可作为光谱分析或光电检测技术相关专业本科生和研究生的参考用书。

第1章概述 1
1.1激光诱导击穿光谱概述2
1.2激光诱导击穿光谱技术的优缺点3
1.3激光诱导击穿光谱技术的发展4
1.4激光诱导等离子体时空演变特性概述10
1.5本章小结13

第2章激光诱导击穿光谱基本理论 14
2.1等离子体的产生机制15
2.1.1等离子体的形成16
2.1.2等离子体的膨胀与冷却18
2.2等离子体的辐射机制20
2.2.1韧致辐射与复合辐射20
2.2.2线状谱21
2.2.3谱线展宽23
2.2.4谱线的自吸收25
2.3等离子体特性测量26
2.3.1等离子体成像技术27
2.3.2等离子体温度测量28
2.3.3电子密度测量31
2.4本章小结32

第3章光谱预处理与实验系统的优化 33
3.1激光诱导击穿光谱实验系统及主要设备简介34
3.1.1激光光源35
3.1.2光束传输系统35
3.1.3分光系统37
3.1.4光电检测系统38
3.1.5等离子体成像系统38
3.2光谱信号的预处理39
3.2.1背景校正39
3.2.2光谱强度校正42
3.3关键实验参数的优化46
3.3.1激光波长与能量的优化46
3.3.2激光重复频率的优化50
3.3.3ICCD增益的优化53
3.3.4其他参数的优化55
3.4本章小结62

第4章单脉冲激光诱导等离子体的时间演变特性研究 63
4.1等离子体形态随时间的演变64
4.2激光诱导合金钢等离子体光谱信号的时间演变特性66
4.2.1光谱强度的时间演变67
4.2.2等离子体温度和电子密度的时间演变69
4.3激光诱导炉渣等离子体光谱信号的时间演变特性70
4.3.1光谱强度随时间的演变71
4.3.2电子密度和等离子体温度随时间的演变73
4.3本章小结76

第5章单脉冲激光诱导等离子体的空间演变特性研究 77
5.1透镜到样品的距离（LTSD）对等离子体形态的影响78
5.1.1实验介绍78
5.1.2等离子体图像随LTSD的演变特性79
5.2透镜到样品的距离（LTSD）对等离子体光谱的影响81
5.2.1LTSD对等离子体光谱信号的影响81
5.2.2LTSD对等离子体光谱空间分布的影响84
5.2.3LTSD对等离子体特性的影响机理分析87
5.3激光诱导合金钢等离子体光谱信号的空间分布88
5.3.1Abel逆变换89
5.3.2光谱强度的二维空间分布92
5.3.3等离子体温度与电子密度的二维空间分布97
5.4激光诱导炉渣等离子体光谱信号的空间分布99
5.4.1光谱强度的二维空间分布99
5.4.2等离子体温度与电子密度的二维空间分布101
5.5本章小结103

第6章双脉冲激光诱导等离子体的时空演变特性研究 104
6.1双脉冲激光诱导击穿光谱系统的搭建105
6.2双脉冲激光诱导等离子体的时间演变107
6.2.1等离子体图像的时间演变107
6.2.2谱线强度的时间演变特性109
6.2.3等离子体温度的时间演变特性112
6.3双脉冲激光诱导击穿光谱的空间分布113
6.3.1双脉冲激光诱导击穿光谱谱线强度的空间分布113
6.3.2等离子体温度的空间分布116
6.4定量分析结果对比118
6.5本章小结121

第7章半球空腔约束激光诱导等离子体的时空演变特性 123
7.1半球约束激光诱导击穿光谱系统的搭建124
7.2半球空腔约束等离子体实验系统的优化125
7.2.1半球空腔的尺寸优化125
7.2.2半球空腔的材料优化127
7.2.3激光脉冲能量的优化131
7.2.4透镜到样品距离的优化134
7.3半球空腔约束等离子体的物理特性研究136
7.3.1等离子体图像的时间演变136
7.3.2等离子体光谱信号的时间演变137
7.3.3等离子体光谱信号的空间演变138
7.4半球空腔约束等离子体的应用特性研究140
7.4.1光谱信号的稳定性分析141
7.4.2微量元素的定量分析142
7.5本章小结144

参考文献 145