Η φασματοσκοπία πλάσματος επαγόμενου από laser (LIBS, Laser Induced Breakdown Spectroscopy), θεωρείται σήμερα μία πολύ ευέλικτη τεχνική για την ανάλυση υλικών, επιτρέποντας σε πολύ μικρό χρόνο και με ελάχιστη προετοιμασία δείγματος, ταυτόχρονη ανάλυση πολλών στοιχείων του περιοδικού πίνακα, υπό συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης. Ένα ελκυστικό χαρακτηριστικό της τεχνικής LIBS είναι η φορητότητα, επιτρέπoντας τη διεξαγωγή αναλύσεων πεδίου με εφαρμογές στη βιομηχανία, σε περιβαλλοντικές μελέτες και στη πολιτιστική κληρονομιά. Παρά τα πλεονεκτήματά της, υπάρχουν ακόμη ανοικτά θέματα, τα οποία σχετίζονται με την κατανόηση βασικών διεργασιών, όπως η αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας laser με το υπό ανάλυση δείγμα και η δημιουργία και εκτόνωση του πλάσματος, καθώς επίσης και η εκπεμπόμενη από αυτό ακτινοβολία. Συστηματική διερεύνηση αυτών των θεμάτων αναμένεται να οδηγήσει σε βελτίωση της ευαισθησίας και της αναλυτικής αξιοπιστίας της τεχνικής LIBS.
Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η μελέτη της δυναμικής πλάσματος το οποίο δημιουργείται από παλμικό laser χρονικής διάρκειας παλμού 10 ns, σε στόχο Αλουμινίου (Al), στον αέρα, χρησιμοποιώντας χρονικά αναλυόμενη οπτική απεικόνιση και φασματοσκοπία. Μελετάται η χρονική εξέλιξη του πλάσματος και η επίδραση της πυκνότητας ενέργειας των παλμών του laser (F) στη χωρική κατανομή και στην ένταση εκπομπής του. Οι ταυτόχρονες φασματοσκοπικές και απεικονιστικές μετρήσεις φανερώνουν αύξηση στην ένταση της εκπομπής του Al, αυξανομένης την ενέργειας, για F<9.5 J/cm2. Αυτήν την αύξηση διαδέχεται μία απότομη πτώση της έντασης εκπομπής κατά παράγοντα 3-6, για 9.5<F<17.5 J/cm2, ενώ περαιτέρω αύξηση της πυκνότητας ενέργειας, F>17.5 J/cm2, οδηγεί σε αντίστοιχη αύξηση της εκπομπής του Al. Επί προσθέτως, η απεικονιστική μελέτη αποκαλύπτει μία κατανομή τύπου-δίνης για τα άτομα Al στο πλάσμα και ειδικότερα κοντά στην επιφάνεια του στόχου, η οποία αποτυπώνεται σαφώς, σε χρονικές στιγμές t>1000 ns από την άφιξη του παλμού laser στο στόχο και σε τιμές ενέργειας οι οποίες αντιστοιχούν στην περιοχή της μείωσης της έντασης. Αντιθέτως, η ατομική εκπομπή του Οξυγόνου στο πλάσμα, ακολουθεί μία διαρκώς αυξανόμενη τάση, αυξανομένης της ενέργειας του laser, ενώ χωρικά φαίνεται σαν να περικλείει το πλάσμα του Al, ισχυρή ένδειξη εκτεταμένης συμμετοχής του αέρα στο πλάσμα και ιονισμού του αέρα στο μέτωπο του πλάσματος. Επιπλέον, η εκπομπή από τα στοιχεία μικρής συγκέντρωσης στο κράμα Al, ακολουθεί και αυτή την ίδια συμπεριφορά με αυτή του κύριου στοιχείου, του Al. Η μελέτη αυτή είναι χρήσιμη για την επίτευξη των βέλτιστων πειραματικών συνθηκών για ανάλυση μετάλλων με την τεχνική LIBS.
(EL)
Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is nowadays recognized as a highly versatile technology for materials analysis, enabling in very short times and with minimal sample preparation, simultaneous analysis of many elements of the periodic table under atmospheric pressure conditions. An attractive feature of LIBS technology is portability, which implies that it is not necessary to collect and transport samples to a laboratory. Despite these advantages, a number of unresolved issues still exist, that prevent LIBS from achieving high levels of accuracy and precision as well as sensitivity. Therefore, understanding in detail basic processes involved in LIBS measurements, ranging from the interaction of laser pulses with matter to plasma formation, expansion and optical emission, is necessary in order to achieve optimum analysis results.
In the present work, we investigate the dynamics of a nanosecond laser induced plasma plume, on an Aluminum sample, in air at atmospheric pressure by use of time-resolved imaging and spectroscopy. We study the temporal evolution of the plasma plume and the influence of the laser pulse energy on its spatial profile and optical emission intensity. Results show the Aluminum plume exhibiting an increase in the intensity corresponding to Aluminum emission, as pulse energy is increased. This is followed by a rather abrupt decrease of intensity before resuming a new increasing trend. Furthermore, the imaging studies reveal a clear vortex-type of behavior for the Aluminum plume near the target which is best observed at relatively late delay time (1000 ns) and for pulse energy values corresponding to the intensity decreasing regime. On the other hand, the Oxygen emission in the plume shows a continuous increase with pulse energy, while it is seen that the Oxygen plume tends to enclose the Aluminum one, a strong indication of air ionization at the plasma front. Simultaneous spectroscopic measurements are in agreement with the plume imaging results. In addition, emission lines from the minor elements in the Aluminum alloy exhibit the same behavior in the specific energy interval. The findings of this study are valuable for establishing optimum experimental conditions for metal alloy analysis with the LIBS technique.
(EN)
