Ưu điểm của nguồn laser xung đôi trong quang phổ phát xạ nguyên tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ PHƯƠNG NAM ƯU ĐIỂM CỦA NGUỒN LASER XUNG ĐÔI TRONG QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ PHƯƠNG NAM ƯU ĐIỂM CỦA NGUỒN LASER XUNG ĐÔI TRONG QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS TRỊNH NGỌC HOÀNG NGHỆ AN – 2017 Lời cảm ơn Bản luận văn hoàn thành nhờ trình nỗ lực thân hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Trịnh Ngọc Hồng Thầy đặt tốn, tận tình hướng dẫn, quan tâm, động viên giúp đỡ tác giả suốt thời gian hoàn thành luận văn Đối với tác giả, học tập nghiên cứu hướng dẫn thầy niềm vinh dự lớn lao Nhân dịp này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Trịnh Ngọc Hồng giúp đỡ q báu nhiệt tình Tơi xin phép cảm ơn thầy cô tham gia giảng dạy, đào tạo lớp Quang học 23, cảm ơn thầy cô ngành Vật lý, Phòng đào tạo sau đại học, Ban lãnh đạo Trường Đại học Vinh, Ban lãnh đạo Trường Đại học Sài Gịn tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trình học tập, nghiên cứu sở đào tạo Tơi bày tỏ lịng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp anh, chị học viên lớp Cao học 23 – chuyên ngành Quang học Trường Đại học Sài Gòn động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập Xin chân thành cảm ơn ! Học viên Lê Phương Nam MỤC LỤC Danh mục thuật ngữ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Danh mục ký hiệu đại lượng vật lý Chương NGUỒN LASER XUNG TRONG CÁC KỸ THUẬT PHỔ 11 1.1 Chế độ phát xung laser 11 1.1.1 Chế độ ba mức lượng 11 1.1.2 Chế độ bốn mức lượng 15 1.1.3 Chế độ Laser phát xung 16 1.2 Laser xung đơn xung đôi 19 1.3 Vai trò xung laser kỹ thuật quang phổ 22 Chương ƯU ĐIỂM CỦA NGUỒN LASER XUNG ĐÔI TRONG QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ 24 2.1 Cơ chế tác động laser xung đơn xung đôi lên mẫu 24 2.1.1 Cơ chế tác động laser xung đơn lên mẫu 24 2.1.2 Cơ chế tác động laser xung đôi lên mẫu 26 2.2 Ưu điểm nguồn laser xung đôi kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử 32 2.2.1 Cường độ vạch phổ phát xạ kích thích chùm laser xung đơi 32 2.2.2 Ưu điểm chùm laser xung đôi kỹ thuật phân tích mẫu rắn theo lớp 45 KẾT LUẬN 51 Tài liệu tham khảo 52 Danh mục thuật ngữ viết tắt Ký hiệu LIBS DP – LIBS NIST ICCD Laser Q – switching Nd: YAG DR Diễn giải Laser induced breakdown spectroscopy (Kỹ thuật quang phổ kích thích laser) Double pulse laser induced breakdown spectroscopy (Kỹ thuật quang phổ kích thích laser xung đơi) National Institute of Standards and Technology (Viện tiêu chuẩn công nghệ quốc gia Hoa Kỳ) intensified charge-coupled device (thiết bị ghép nối tăng cường) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Phương pháp điều biến độ phẩm chất Neodymium – doped Yttrium Aluminium Garnet Depth resolution (độ phân giải độ sâu) Danh mục hình vẽ Hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.1 2.2 Tên hình vẽ Sơ đồ lượng laser mức Sơ đồ lượng laser mức Sự phụ thuộc thời gian độ tích lũy tồn phần N(t)Va số photon q(t) laser mức Đồ thị mơ tả q trình phát xung laser đơn Đồ thị mơ tả q trình phát xung laser đơi Phương trình tự xung laser laser xung đôi Tương tác chùm laser xung đơn với kim loại Nhôm Sự tiến triển vùng plasma theo thời gian sau xung laser đơn tác động Trang 11 15 18 19 20 21 24 25 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 Mô tả tương tác chùm laser xung đôi với mẫu kim loại Nhôm Các cấu hình có xung laser đơi Sự tiến triển vùng plasma theo thời gian tác động laser xung đôi với thời gian trễ 20 ns Sự tiến triển vùng plasma theo thời gian tác động laser xung đôi với thời gian trễ 1µs Sự phụ thuộc cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) vào thời gian trễ laser xung đơi Sơ đồ máy quang phổ kích thích laser xung đơi hai bước sóng Bản đồ đường cong cường độ quang phổ với phân 26 28 30 31 34 38 40 tách thời gian laser xung đôi 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 Cường độ quang phổ thời gian trễ -300 ps, -25 ps, ps, ps, 300 ps Phổ phát xạ Al I 396 nm Al II 624 nm sau kích thích xung đơn xung đơi lượng Cường độ phổ LIBS phân tích theo lớp với xung đơn xung đơi Hình ảnh hố sau 400 xung laser bắn phá Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ vào chiều sâu mẫu 41 45 47 48 48 gốm tương ứng với xung đơn xung đơi kích thích Danh mục bảng biểu Bảng Tên bảng 2.1 Số liệu thực nghiệm cường độ vạch quang phổ phát xạ vạch Al I (396,152 nm) tương ứng với thời gian trễ khác Trang 33 Danh mục ký hiệu đại lượng vật lý Đại lượng N1, N2, N3 Nt WP Τ Va L I Γ Q E P En h C Aki , Bki Diễn giải Độ tích lũy mức lượng Mật độ nguyên tử, hay phân tử mơi trường hoạt tính Tốc độ bơm Thời gian sống Thể tích mode bên mơi trường hoạt tính Độ dài mơi trường hoạt tính Cường độ vạch quang phổ Hệ số mát Số photon Năng lượng toàn phần Công suất đỉnh Năng lượng nguyên tử trạng thái kích thích Hằng số Plank Tốc độ ánh sáng Tần số xạ Bước sóng xạ Thời gian trễ hai xung cặp laser xung đôi Hệ số Einstein- xác suất chuyển tiếp  ( ki ) Mật độ lượng khối Nk, Ni k gk Tp M T P Nj0 Ej Số nguyên tử Hằng số Boltzman Độ suy biến Nhiệt độ Plasma Khối lượng nguyên tử Nhiệt độ Áp suất khí Mật độ ion Năng lượng ion hoá   ∆t MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Kỹ thuật quang phổ kích thích laser (laser induced breakdown spectroscopy – LIBS) [6] kỹ thuật phân tích liệu quang phổ vạch phát xạ bao gồm thơng số như: bước sóng, phân bố phổ, cường độ vạch phổ, độ rộng vạch phổ LIBS sử dụng tác nhân kích thích chùm tia laser xung để bắn phá mẫu vật, tác dụng laser xung, vật chất mẫu tương tác với laser kích thích chuyển thành thể plasma Ở trạng thái plasma nguyên tử, ion tiếp tục nhận lượng chuyển lên trạng thái kích thích sau hình thành phổ phát xạ chứa thông tin mẫu vật Trên thực tế LIBS nói riêng phương pháp phân tích quang phổ nói chung có nhiều ứng dụng thực nhiều phương pháp khác [3] Một số ứng dụng quan trọng LIBS phân tích phân bố theo lớp nguyên tố bên mẫu vật, nghiên cứu hình thành vi hạt có kích thước nanơmét, phân tích thành phần cấu trúc mẫu, xác định kim loại nặng độc hại [10] Ngoài ra, kỹ thuật LIBS ứng dụng rộng rãi lĩnh vực khác môi trường, cơng nghiệp, địa chất, vũ trụ [7], quốc phịng [9], nha khoa, … Chính có ứng dụng rộng rãi mà kỹ thuật LIBS có vai trị quan trọng đời sống, kỹ thuật Tuy nhiên, hạn chế kỹ thuật phổ LIBS độ nhạy thấp Khi so sánh với phương pháp quang phổ khác, LIBS có giới hạn phát tương đối cao Một cách tiếp cận để cải thiện độ nhạy LIBS tăng gấp đơi cấu hình xung để tăng hiệu LIBS thơng qua việc tăng cường tương tác xung laser với vật liệu, dẫn đến tăng hiệu kích thích nguyên tử phân tử Khi đó, cải thiện khả phân tích LIBS đạt thơng qua việc sử dụng cấu hình laser xung đơi mà không làm giảm độ tin cậy Việc sử dụng LIBS xung đơi làm tăng cường cường độ phát xạ làm giảm giới hạn phát Cách tiếp cận xung đôi lần đề xuất Piepmeier Malmstadt vào năm 1969, Scott Strasheim vào năm 1970 (các mẫu hợp kim nhôm khơng khí) Họ cho rằng, dùng laser xung đơi, phần lớn lượng laser hấp thụ chùm plasma, xung thứ hai dẫn đến việc kích thích thêm hạt plasma Năm 1984, Cremers cộng thực nghiên cứu chi tiết ứng dụng kỹ thuật laser xung đơi cho mục đích phân tích Trong cơng trình này, kết nghiên cứu thể cường độ phát xạ nguyên tố tăng lên đáng kể q trình phân tích chất lỏng suốt Trong tất ứng dụng LIBS cường độ vạch phổ phát xạ liệu quan trọng mà cần phải xem xét Một số nghiên cứu sử dụng tác nhân kích thích laser hai xung dùng kỹ thuật LIBS (double pulse laser induced breakdown spectroscopy – DP-LIBS) cho kết cường độ vạch phổ phát xạ độ nhạy vạch phổ tăng đáng kể so với laser xung đơn [2,8,10] Tuy nhiên chưa có cơng trình khoa học trình bày cách tường tận từ nguyên lý phát xung, chế tác động với vật chất cách thức mà chùm laser xung đôi làm tăng tín hiệu phát xạ quang phổ học Đó lý chọn đề tài “Ưu điểm nguồn laser xung đôi quang phổ phát xạ nguyên tử” làm đề tài luận văn Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chất, tính chất, ưu điểm laser xung đơi với vai trị nguồn kích thích kỹ thuật phổ phát xạ nguyên tử Từ rút so sánh ưu điểm Laser xung đôi so với xung đơn nghiên cứu LIBS Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu đề tài: Bản chất, tính chất, chế tác động, ưu điểm nguồn laser xung đôi; 10 - Phạm vi nghiên cứu: Ưu điểm nguồn laser xung đôi kỹ thuật phổ phát xạ nguyên tử Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu đặc điểm, chế tác động laser xung đơn, laser xung đôi - Phổ phát xạ nguyên tử tác động chùm laser xung đôi - Ưu điểm laser xung đôi sử dụng máy quang phổ laser Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu tài liệu - Phương pháp chuyên gia Giả thuyết khoa học Chùm laser xung đôi với chế tác động liên tiếp lên mẫu làm tăng cường đáng kể lượng nguyên tử, ion kích thích vùng plasma Do cường độ vạch quang phổ phát xạ tăng cường, giới hạn phát phân tích cải thiện đáng kể Đó ưu điểm chùm laser xung đơi kỹ thuật phổ phát xạ nguyên tử Cấu trúc luận văn Luận văn phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo nội dung cịn lại phân bố chương: Chương NGUỒN LASER XUNG TRONG CÁC KỸ THUẬT PHỔ 1.1 Chế độ phát xung laser 1.2 Laser xung đơn xung đơi 1.3 Vai trị xung laser kỹ thuật quang phổ Chương ƯU ĐIỂM CỦA NGUỒN LASER XUNG ĐÔI TRONG QUANG PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ 2.1 Cơ chế tác động laser xung đơn xung đôi lên mẫu 2.2 Ưu điểm nguồn laser xung đôi kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử 39 Một máy tính điều khiển q trình chuyển tín hiệu với độ phân giải 1μm sử dụng để tạo khoảng thời gian xung 800 nm 400 nm cách thay đổi đường truyền xung 800 nm Độ chia thời gian từ -350 ps đến 350 ps Sử dụng kết hợp máy phân cực laser nửa bước sóng, lượng laser 800 nm làm giảm đến giá trị mong muốn Sau đó, chùm 400 nm 800 nm kết hợp qua gương lưỡng cực khác Năng lượng laser bước sóng 400 nm điều chỉnh tới giá trị cố định 180 μJ, lượng tối đa thí nghiệm này, cách xoay góc BBO, lượng laser 800 nm làm giảm xuống 180 μJ 360 mJ cách sử dụng phân cực laser nửa sóng Sự phân bố cường độ phổ plasma Si tạo laser xung đơi bước sóng femto giây khoảng 389,8nm – 391,2nm với phân tách thời gian xung đơi thể hình 2.9 Tia laser xung đôi 4,6 J / cm2 (tức 2,3 J / cm2 xung 800 nm + 2,3 J / cm2 xung 400 nm), 6,9 J / cm2 (4,6 J / cm2 xung 800 nm + 2,3 J / cm2 xung 400 nm) Như thể hình vẽ, tia laser xung đơi (6,9 J / cm2) cho cường độ phát xạ cao tia laser xung đôi (4,6 J / cm2) [12, tr 3-9] 40 Hình 2.9 Bản đồ đường cong cường độ quang phổ với phân tách thời gian laser xung đôi (a) 4,6 J / cm2 (2,3 J / cm2 800 nm + 2,3 J / cm2 400 nm), (b) 6,9 J / cm2 (4,6 J / cm2 800 nm + 2,3 J / cm2 400 nm) Năng lượng laser cao làm cho quang phổ plasma trở nên mạnh phát xạ kéo theo thời gian phân rã lâu Ngoài ra, cường độ quang phổ plasma Si tìm thấy phụ thuộc vào phân tách thời gian cụ thể xung đôi femto giây hai bước sóng Có thể cường độ phát xạ tăng cường nhiều vật liệu tương tác từ bề mặt mẫu chiếu xạ laser xung đôi femto giây chuyển đổi bề mặt kích thích xung laser Sự tăng cường hiệu ứng tái nhiệt plasma xung laser thứ hai Hiệu ứng thủy động lực tạo xung laser làm thay đổi lan truyền xung laser femto giây trình giãn nở vùng plasma 41 tạo xung laser thứ hai Do đó, cường độ phát xạ LIBS xung đôi femto giây hai bước sóng tối ưu hóa cách chọn thời gian tách riêng cho hai xung phụ Hình 2.10 cho thấy phổ xung đôi vài thời gian phân tách chọn từ hình 2.9 cho kết hợp hai lượng laser Trong trường hợp này, cột bên trái (a, c), cường độ laser 4,6 J / cm2 (2,3 J / cm2 800 nm + 2,3 J / cm2 400 nm); Trong cột bên phải (b, d), cường độ laser 6,9 J / cm2 (4,6 J / cm2 800 nm + 2,3 J / cm2 400 nm) Hình 2.10 Cường độ quang phổ thời gian trễ -300 ps, -25 ps, ps, ps, 300 ps [12] (a, c) 4,6 J / cm2 (2,3 J / cm2 800 nm + 2,3 J / cm2 400 nm); (b, d) 6,9 J / cm2 (4,6 J / cm2 800 nm + 2,3 J / cm2 400 nm) Thời gian trễ chọn -300 ps, -25 ps, ps, ps 300 ps Khi so sánh với thời gian trễ ps, cường độ phát xạ LIBS xung đơi femto giây hai bước sóng tăng lên đáng kể thời gian trễ -25 ps ps Tuy nhiên, khoảng thời gian dài (tức là, -300 ps 300 ps), cường độ phát xạ 42 thấp so với ps Đối với 400 nm + 800 nm (hình 2.10c,d), phân tách thời gian tăng, mật độ ion electron tăng nhanh Các giá trị cực đại mật độ electron ion quan sát thời gian trễ khoảng 5-10 ps , sau mật độ giảm với gia tăng thời gian xung đôi, làm suy yếu hấp thụ xung thứ hai (800 nm) Vì xung bước sóng dài làm nóng plasma hiệu hơn, cường độ phát xạ giảm hấp thụ yếu ( xung 800 nm) Đối với 800 nm + 400 nm (hình 2.10a,b), bước sóng ngắn làm giảm hiệu ứng che chắn plasma, thâm nhập plasma dễ dàng hơn, ảnh hưởng mật độ plasma tương đối yếu, cường độ phát xạ phụ thuộc vào tương tác laser (xung 400 nm) mẫu Các xung laser 800 nm kích thích Silic bề mặt làm ion hóa Một số lượng hấp thụ giữ lại chất lỏng tạo ranh giới pha truyền lan vào với tốc độ gần âm Độ sâu chất lỏng thường đạt đến mức tối đa khoảng 20-30 ps, sau giảm xuống chậm Xung thứ hai (ở 400 nm) kết hợp mạnh mẽ với pha lỏng, tạo phát xạ quang phổ mạnh Khi khoảng cách thời gian ± 300 ps, trình vật lý khác trở nên yếu, xung đôi trở nên tương đương với hai xung đơn Mỗi xung cần phải vượt qua dải hóa trị silic, dẫn đến tiêu thụ nhiều lượng, cường độ quang phổ giảm Tuy nhiên, thời gian phân cách ps, hai xung cần vượt qua dải hóa trị silic lần, lượng thấp Những kết khác với kết quang phổ plasma Si gây xung đôi femto bước sóng Điều cho thấy việc lựa chọn phân tách thời gian xung đôi quan trọng cố gắng để có phát xạ quang phổ mạnh cho LIBS xung đôi femto giây Ở trạng thái cân nhiệt động lực học, cường độ phát xạ cho quang phổ tương ứng với chuyển tiếp từ mức k đến mức i, cho [12]: Iλ = FexpN(Akigk/λU(Tp))(exp(−Ek/(kbTp))) (2.1) Ở đây, Aki xác suất chuyển tiếp, gk Ek độ suy biến lượng mức k, U (Tp) hàm phân bố, λ bước sóng phát xạ, kb số 43 Boltzmann, N tổng mật độ loại nguyên tố giai đoạn ion hóa định, Tp nhiệt độ plasma, Fexp hệ số thực nghiệm kết hệ thống phát quang học Theo phương trình này, dải phổ, hầu hết tham số (Aki, gk, Ek, U (Tp), λ, kb, Fexp) giống Chỉ có khác biệt N Tp Vì vậy, chế tăng cường LIBS xung đôi femto giây sau: tăng cường cường độ quang phổ khối lượng mẫu (N) giải phóng khỏi bề mặt mục tiêu laser xung đơi femto giây; Sự nóng lên plasma xung thứ hai xung đôi femto giây làm tăng nhiệt độ plasma (Tp), làm tăng phát xạ plasma Các xung (800 nm) siêu nóng tác dụng lên bề mặt silic làm ion hóa Một số nguyên tử sau hấp thụ đủ photon cần thiết để tạo điện tử kích thích xạ Si, vết dạng hố hình thành mẫu Một phần lượng hấp thụ giữ lại chất lỏng tạo ranh giới pha lan truyền vào với tốc độ gần tốc độ âm Độ sâu chất lỏng thường đạt đến mức tối đa vòng hàng chục giây, sau giảm chậm Các xung thứ hai (400 nm) kết hợp mạnh mẽ với pha lỏng, tạo phần lớn điện tử kích thích Si, gây phát xạ quang phổ tăng Bởi xung bước sóng ngắn tương tác thời gian dài với vùng mật độ cao plasma, nên xung xuyên qua đạt đến pha lỏng mẫu dễ dàng Khi bước sóng dài (800 nm) kích hoạt thời điểm cụ thể sau xung bước sóng ngắn (400 nm), xung laser (400 nm) sử dụng để kích thích silic trước mật độ electron khu vực tăng lên đến mức cao Sau đó, mật độ electron giảm nhanh tái kết hợp điện tử hiệu ứng khuếch tán Tại khoảng thời gian định, lượng xung bước sóng dài (800 nm) chủ yếu hấp thụ điện tử Hiệu hấp thụ phụ thuộc vào mật độ electron Sự thay đổi mật độ electron xác định thay đổi cường độ quang phổ plasma 44 Tóm lại, chúng tơi chứng minh cường độ quang phổ plasma Si phụ thuộc vào phân tách thời gian cụ thể xung đôi femto giây Không giống xung đôi femto giây bước sóng, kết hợp bước sóng khác xung đôi ảnh hưởng đến thời gian để đạt cường độ phát xạ tối đa Khi xung 400 nm đến sớm xung 800 nm, cường độ tăng nhanh tốc độ phân rã cường độ cao Khi thời gian tách dài (300 ps), tỷ lệ tăng cường độ 0.5, hiệu tăng cường cường độ phát xạ tạo xung đơi bước sóng thấp [12] Điều cho thấy laser bước sóng ngắn thích hợp cho việc tạo plasma, xung laser chậm bước sóng dài thích hợp để hâm nóng lại plasma Những kết sử dụng để cung cấp cách tốt để tối ưu hóa LIBS xung đơi femto giây hai bước sóng Tiếp theo, để nhìn nhận thấu đáo ưu điểm chùm laser xung đôi, chúng tơi dẫn kết phân tích phổ trường hợp sử dụng chùm laser xung đơn xung đôi lượng [8] Hầu hết vạch phát xạ đo thực nghiệm Al, Mg Si Trong hình 2.11, vạch quang phổ hiển thị bước sóng 396 nm 624 nm, cho laser xung đơn laser xung đôi tốc độ laser 12 GW/cm2 xung 45 Hình 2.11 Phổ phát xạ Al I 396 nm Al II 624 nm sau kích thích xung đơn xung đôi lượng [8, tr 1172] (độ trễ ghi phổ: (a)150 ns; (b) 350 ns; (c) 550 ns (d) 750 ns) Các nét đặc trưng khác phân biệt cách so sánh phổ thu sau lần chụp Và sau chụp lần thứ hai, kết hữu ích cho ứng dụng phân tích LIBS Sự phát xạ plasma kích thích laser xung đôi đặc trưng thực cường độ cao thời gian tồn plasma dài phát xạ tương ứng tạo xung laser đơn 2.2.2 Ưu điểm chùm laser xung đôi kỹ thuật phân tích mẫu rắn theo lớp Kỹ thuật phân tích mẫu rắn theo lớp dựa tác động bắn phá laser, đặc biệt laser gây quang phổ ngày phát triển công cụ mạnh mẽ hóa học phân tích đại [11] Các nguyên tắc tương tác laser với vật chất tiềm kỹ thuật cung cấp thông tin thành phần cấu trúc theo không gian chiều sâu mẫu Kỹ thuật LIBS 46 áp dụng thành công để giải vấn đề thực tế (luyện kim, địa chất, y sinh học, môi trường, khảo cổ, vv) LIBS sử dụng để mô tả chiều sâu vật liệu đa tầng xác định độ dày lớp (sơn, sơn tráng men) Mặt khác, đặc tính lớp ngồi vật gốm kim loại quan trọng việc bảo tồn khôi phục đối tượng di sản văn hoá Ưu điểm LIBS so với kỹ thuật bề mặt khác để phân tích nguyên tố áp dụng vào vật thể cổ xưa chủ yếu mức độ xâm nhập thấp, khả thực phép đo chỗ, phân giải chiều sâu tốt nhanh chóng Để phân tích chiều sâu vật liệu lớp kép gốm ngói cần thiết chọn cửa sổ quang phổ để nhận biết thành phần mẫu lớp lớp Ngoài ra, đường phát xạ phải có cường độ đủ lớn để có tín hiệu phát xạ hố sâu không bị nhiễu quang phổ phần tử lân cận Vì lý này, cửa sổ phổ rộng 15nm tập trung 330nm (hình 2.12) sử dụng để xác định phần tử lớp (Zn I 330.29 nm Cr II 336.8 nm) lớp (Ti II 324,2 nm) [11] Mặt khác, để phân tích mẫu đa lớp, tốt nên sử dụng chùm tia laser không hội tụ để có giá trị tỷ lệ cắt gọt thấp độ phân giải sâu theo chiều sâu tốt Tuy nhiên, làm việc với cấu hình quang học xung đơn sử dụng lượng tia laser trung bình giảm đáng kể tín hiệu plasma, chất lượng quang phổ Trong trường hợp này, tín hiệu phân tích cải tiến đáng kể cách sử dụng cấu hình xung đơi So sánh quang phổ từ xung đôi xung đơn mơ tả hình 2.12 Mẫu đặt cách 110 nm từ ống kính lấy nét, điểm tập trung ống kính xấp xỉ 10 mm so với bề mặt mẫu, lượng xung laser thứ thứ hai tương ứng 45mJ 50 mJ Rõ ràng chế độ không tập trung, cường độ phổ phát từ cấu hình xung đơn không đáng kể, chế độ xung đơi quang phổ thu có cường độ cao 47 Hình 2.12 Cường độ phổ LIBS phân tích theo lớp với xung đơn xung đơi (Năng lượng xung laser cho xung đơn (1064 nm) 45 mJ, lượng xung laser thứ hai (532 nm) chế độ xung đôi 50 mJ; Thời gian trễ 500 ns, thời xung μs) [11] Đối với chế độ xung đơn, vị trí mẫu liên quan đến tiêu điểm kính xạ laser tham số hạn chế Như thể hình 2.12, chí đặt mẫu tiêu điểm thấu kính, phổ xung đơn khơng đạt chất lượng phổ sử dụng LIBS xung đơi Cần lưu ý rằng, có khác gia tăng cường độ dòng ion nguyên tử, phụ thuộc vào mức lượng kích thích chúng khoảng cách xung Những lợi LIBS xung đơi phân tích theo chiều sâu so với xung đơn dễ dàng nhìn thấy cách so sánh hình ảnh hố sâu thu mẫu gốm với hai cấu hình Đối với nghiên cứu này, 400 xung tác động bề mặt mẫu cho vị trí Các điều kiện tối ưu hóa áp dụng Đối với thí nghiệm xung đơn, mẫu đặt tiêu cự thấu kính hội tụ (100 mm, xạ 47,8 J⋅cm-2) Trong trường hợp xung đơi kích thích từ 48 khoảng cách 110 mm (hội tụ trước bề mặt mẫu 10 mm, xạ 39,8 J⋅cm-2) sử dụng để có tốc độ cắt gọt thấp Sự phân kì laser gây gia tăng nhẹ đường kính miệng hố chắn cải thiện hình dạng miệng hố quan sát thấy hình 2.13 [11, tr 111-115] Hình 2.13 Hình ảnh hố sau 400 xung laser bắn phá (a) xung đơn; (b) xung đơi [11] Trên hình 2.14 minh hoạ phụ thuộc cường độ phổ phát xạ vào chiều sâu mẫu gốm tương ứng với xung đơn xung đôi kích thích Hình 2.14 Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ vào chiều sâu mẫu gốm tương ứng với xung đơn xung đơi kích thích [11] 49 Ở đây, xung laser đơn lượng 45 mJ, chu kỳ 500 ns, thời gian xung 500 ns; Xung đôi: chu kỳ 500 ns, thời gian xung 500 ns, laser lượng xung 45 mJ, laser thứ hai lượng xung 50 mJ, thời gian trễ hai xung µs Cường độ thực tia phát xạ Cr Ti tính tốn lấy trung bình để tính tổng cường độ hai yếu tố: Cr  I  Cr  I  Cr   I  Ti  Ti  I  Ti  I  Cr   I  Ti  Những đường cong vuốt trơn chương trình Origin để tạo kết rõ ràng Cần lưu ý đường cong phần đầu không đạt giá trị không tương ứng cho Cr Ti Thực tế titan có mặt lượng vết lớp Trục hoành (độ sâu) tính từ số xung đến chiều sâu theo tỷ lệ cắt gọt trung bình cho lớp mẫu Trong cơng việc phân tích vật liệu, cấu hình LIBS xung đơi trực giao áp dụng để mô tả độ sâu nhiều lớp vật liệu gốm cách tiếp cận thay cho xung đơn sử dụng chùm không định hướng để giảm mật độ lượng dẫn đến tốc độ cắt gọt vừa phải Cần lưu ý mục đích công việc không đạt tỷ lệ cắt gọt thấp có thể, mà cịn để mang lại lợi phương pháp xung đôi tiếp cận định hình độ sâu điều kiện phân tán lớn mà chế độ xung đơn khơng cung cấp tín hiệu đầy đủ Mẫu gạch ốp lát chọn đại diện vật liệu lớp mỏng thực Các điều kiện cho việc định hình độ sâu xung đơi tối ưu hóa lượng hai xung laser, liên hệ vị trí laser thứ hai đến bề mặt mẫu, thời gian trễ xung thời gian trễ CCD Các kết cho thấy, với mật độ lượng thấp laser cắt gọt, kết hợp laser phát 1064 nm cho cắt gọt laser thứ hai hoạt động 532 nm cấu hình trực giao để làm nóng lại vật liệu bay mang lại tín hiệu mức tín hiệu tới cao nhiều so với cấu hình xung 50 đơn, cải thiện độ phân giải phân tích theo chiều sâu Điều cho thấy phương pháp LIBS xung đơi trực giao thích hợp cho việc phân tích chiều sâu vật liệu tráng phủ lớp 51 KẾT LUẬN Trên sơ phân tích chế tác động chùm laser xung đơn đôi lên mẫu, kết hợp với việc dẫn nhiều kết nghiên cứu gần đây, rút số kết luận sau ưu điểm chùm laser xung đôi kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử: - Laser xung đôi cách hiệu để tăng cường cường độ dòng phát xạ cải thiện khả phân tích LIBS Kỹ thuật xung đơi có hiệu phương tiện cung cấp lượng cho bề mặt plasma mẫu phân tích; - Một số cấu hình LIBS xung đôi đề xuất Từ quan điểm thực tế, LIBS xung đôi cộng tuyến đơn giản, thực hiệu nhất, dễ dàng vào bề mặt mục tiêu làm tăng đáng kể tín hiệu phân tích Tuy nhiên, việc phân tích theo lớp (theo chiều sâu mẫu) cấu hình trực giao lại cho hiệu tốt - Các cấu hình khác laser xung đơi, bước sóng, thời gian xung, lượng độ trễ xung liên tiếp sử dụng cách hiệu để tối ưu hóa hiệu suất LIBS xung đơi Các kết dẫn luận văn cho thấy hiệu tác động chùm laser xung đôi khác nhiều sử dụng xung có thời gian trễ khác nhau, bước sóng khác lượng, lượng khác bước sóng, khác thứ tự tác động,… - LIBS xung đơi làm tăng thể tích plasma, nhiệt độ, mật độ ion nhân plasma, nở rộng, tỉ lệ cắt gọt, thời gian phát xạ, dẫn đến việc tăng cường cường độ dịng phát xạ Xung thứ hai làm tăng cường phát xạ plasma sau xung thông qua trình tăng số lượng electron kích thích, thêm vật chất tác động giai đoạn khí tăng thể tích plasma Cơ chế làm tăng cường độ phổ phát xạ tăng hiệu suất LIBS 52 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Hữu Chí, Trần Tuấn (2002), Vật Lí Laser, Nhà xuất đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh [2] Nguyễn Bá Đương, Ảnh hưởng thời gian trễ lên cường độ phát xạ vạch phổ Al I (396,152 nm) kích thích chùm laser xung đôi, Luận văn thạc sĩ vật lý, Nghệ An, 2015 [3] A W Miziolek, V Palleschi, and I Schechter, (2006), Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS): fundamentals and applications, Cambridge University Press, Cambridge, UK [4] V.I Babushok et al (2006), Double pulse laser ablation and plasma: Laser induced breakdown spectroscopy signal enhancement, Spectrochimica Acta Part B 61 [5] Richard Viskup (2012) Single and Double Laser Pulse Interaction with Solid State – Application to Plasma Spectroscopy, Nd YAG Laser, Dr Dan C Dumitras (Ed.), ISBN: 978-953-51-0105-5, InTech [6] Dr Reinhard Noll, (2012), Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, Springer Heidelberg Dordrecht London New York, ISBN 978-3-642-20667-2 [7] Dyar, M D et al, (2012), Remote laser-induced breakdown spectroscopy analysis of east african rift sedimentary samples under mars conditions, Chemical Geology, (294), 135 – 151 [8] F Colao, V Lazic, R Fantoni, S Pershin, (2014), A comparison of single and double pulse laser - induced breakdown spectroscopy of aluminum samples, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, (57) ,1167 – 1179 53 [9] Gottfried J L et al., (2008), Strategiesfor residue explosives detection using laser - induced breakdown spectroscopy, J Anal At Spectrom, (23), 205 – 216 [10] Trinh Ngoc Hoang et al., (2014), “Quantitative estimation of Ca, Mg and Al content in biological fluids using the laser atomic – emission spectrometry irradiation”, Journal Vestnik BSU – Issue 1, Belarusian State University, 31 – 36 [11] Ing Tereza Čtvrtníčková (2008), Analysis of solid materials by means of laser-induced breakdown spectroscopy, Doctoral Thesis, MASARYK UNIVERSITY, Brno [12] Anmin Chen et al (2015), Optical emission generated from silicon under dual-wavelength femtosecond double-pulse laser irradiation, Optical Society of America [13] Mindaugas Gedvilas et al (2015), Flexible periodical micro- and nanostructuring of a stainless steel surface using dual-wavelength double-pulse picosecond laser irradiation, Journal RSC Advances ... Chương NGUỒN LASER XUNG TRONG CÁC KỸ THUẬT PHỔ 1.1 Chế độ phát xung laser 1.2 Laser xung đơn xung đơi 1.3 Vai trị xung laser kỹ thuật quang phổ Chương ƯU ĐIỂM CỦA NGUỒN LASER XUNG ĐÔI TRONG QUANG PHỔ... PHỔ PHÁT XẠ NGUYÊN TỬ 2.1 Cơ chế tác động laser xung đơn xung đôi lên mẫu 2.2 Ưu điểm nguồn laser xung đôi kỹ thuật phổ laser phát xạ nguyên tử 11 Chương NGUỒN LASER XUNG TRONG CÁC KỸ THUẬT PHỔ... laser xung đôi kỹ thuật phổ phát xạ nguyên tử Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu đặc điểm, chế tác động laser xung đơn, laser xung đôi - Phổ phát xạ nguyên tử tác động chùm laser xung đôi - Ưu điểm laser