激光誘導(dǎo)擊穿光譜 （LIBS）是一種光學(xué)測量技術(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)擊穿對氣體流的影響，進(jìn)行了LIBS和粒子圖像測速（PIV）相結(jié)合的測量。在所考慮的層流氣流中，誘導(dǎo)速度場擾動的范圍約為0.7 cm，量級可達(dá)0.9 m s ^{- 1}。進(jìn)一步的結(jié)果表明，將LIBS與其他測量技術(shù)或高速LIBS測量相結(jié)合，可以有效地提高測量精度，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，它在測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中傳播，影響速度分布。此外，在等離子體形成過程中，原子/離子和電子之間的分離導(dǎo)致了復(fù)合過程之前的短期膨脹 ^[2]。 實(shí)驗(yàn)操作圖
采用粒子圖像測速法（PIV）來研究LIBS測量對流場的影響。此外，為了最大限度地減少測量誤差，開發(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。在第一個實(shí)驗(yàn)中，為了量化誘導(dǎo)等離子體對流場的絕對影響，LIBS激光器的光脈沖和PIV激光器的第一光脈沖同時發(fā)射。在第二個實(shí)驗(yàn)中，通過施加不同的延遲，第一個PIV激光脈沖在前一個LIBS激光脈沖之后開始，從而可以研究誘導(dǎo)等離子體對流場的影響持續(xù)時間。
 
如上圖所示，為了量化激光誘導(dǎo)等離子體對流場的影響，采用直徑為4.2 cm的噴嘴噴射氣流作為測試流。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79 mm非球面會聚透鏡聚焦，假設(shè)為高斯光束，然后用光纖耦合光譜儀對等離子體光發(fā)射進(jìn)行了分析，在PIV激光脈沖間隔時間為500μs，重復(fù)頻率為10 Hz的條件下進(jìn)行PIV測量。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)等離子體對射流的潛在影響外，LIBS測量還會通過重組過程的發(fā)光干擾PIV測量，導(dǎo)致PIV原始圖像出現(xiàn)飽和斑，如上圖(a)所示，氣流的平均速度場如圖(b)所示。在這里，正向y方向流動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擊穿對層流場有顯著影響。在LIBS測點(diǎn)，明顯可見徑向擴(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脈沖時測量的平均參考速度0.3 m s ^-1高4倍。因此，感應(yīng)速度約為0.9 m s ^-1。在第二次測量中，改變LIBS和第一個PIV激光脈沖之間的延遲?t，以確定表征LIBS擊穿誘導(dǎo)流的時間范圍的衰減時間。圖 (c)和圖(d)分別描繪了?t = 50μs和?t = 60μs延時時的平均速度場。因此，即使在60μs后，對流場的影響仍然很大。此外，還可以看到誘導(dǎo)激波在平均流場中的徑向傳播。由于激波以聲速傳播，因此可以通過計(jì)算激波在后續(xù)測量開始之前的傳播距離來單獨(dú)估計(jì)每個裝置對流場的影響。

LIBS是一種新興的流體診斷工具，例如流體種類的測定或密度/溫度的測量。雖然LIBS是一種光學(xué)測量技術(shù)，但它對測量對象有影響，本文以層流為例對其進(jìn)行量化。同時進(jìn)行的LIBS和PIV測量表明，在誘導(dǎo)擊穿的位置，平均速度增加了0.9 m s ^-1。通過擊穿過程擴(kuò)展引起的可測量的速度場散度來估計(jì)受影響的流動程度。流場受LIBS焦點(diǎn)周圍0.7 cm半徑范圍內(nèi)的影響。此外，誘導(dǎo)流的衰減時間約為500μs，可以將對流場的影響降低到10%的相對速度偏差以下。對于對流場的影響可以忽略不計(jì)，所測層流的等待時間估計(jì)約為21 ms，對應(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，以獲得先前擊穿對流量的可忽略不計(jì)的影響。對于LIBS和PIV聯(lián)合測量，建議先用兩個分離的PIV激光脈沖啟動測量周期，然后再發(fā)射LIBS激光脈沖，以避免LIBS誘導(dǎo)流對PIV測量的影響。
 
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，積分時間快至 1 μs，熱波長漂移僅為 0.06 像素/°C，有助于確保即使在環(huán)境條件發(fā)生變化時也能獲得可靠的光譜性能。

 

HR2 型號涵蓋 190-1150 nm 范圍內(nèi)的各種波長范圍，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)輻射突出時采集到完整的原子譜線信號。

 

同時，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)自帶的高效時鐘可以完美的同步所有通道，并同時實(shí)現(xiàn)精確觸發(fā)兩臺外部設(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，重量小于2kg，并適合野外現(xiàn)場工作，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)體泵浦被動調(diào)Q固體激光器，具有大能量、高性價比、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，無需水冷。針對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，420/550萬像素，在同性能產(chǎn)品中擁有高性價比。除了流體動力學(xué)領(lǐng)域之外，Zyla系列sCMOS相機(jī)也適用于動態(tài)X射線成像，細(xì)胞生物學(xué)，量子光學(xué)等多個熱門研究i領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

1. K?rber 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, St?bener D, Kiefer J, Fischer A. Revealing the impact of laser-induced breakdown on a gas flow. Measurement Science and Technology 2019; 31(2):027001.