激光誘導擊穿光譜（LIBS）是一種光學測量技術，因此是非接觸的，不是非侵入性的^[1]。為了研究激光誘導擊穿對氣體流的影響，進行了LIBS和粒子圖像測速（PIV）相結合的測量。在所考慮的層流氣流中，誘導速度場擾動的范圍約為0.7 cm，量級可達0.9 m s^-1。進一步的結果表明，將LIBS與其他測量技術或高速LIBS測量相結合，可以有效地提高測量精度，激光誘導擊穿光譜（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是一種光學非接觸技術，但它不是非侵入性的。激光誘導擊穿產生聲波，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致了復合過程之前的短期膨脹^[2]。
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，開發了LIBS與其他診斷方法以及高重復率LIBS相結合的方法。在第一個實驗中，為了量化誘導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射。在第二個實驗中，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，從而可以研究誘導等離子體對流場的影響持續時間。
 
如上圖所示，為了量化激光誘導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，假設為高斯光束，然后用光纖耦合光譜儀對等離子體光發射進行了分析，在PIV激光脈沖間隔時間為500µs，重復頻率為10 Hz的條件下進行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（Andor）觀察顆粒。 除了誘導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光干擾PIV測量，導致PIV原始圖像出現飽和斑，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，導致最大速度約為0.45 m s^-1。激光誘導的LIBS擊穿對層流場有顯著影響。在LIBS測點，明顯可見徑向擴展區，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，因此可以通過計算激波在后續測量開始之前的傳播距離來單獨估計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是一種光學測量技術，但它對測量對象有影響，本文以層流為例對其進行量化。同時進行的LIBS和PIV測量表明，在誘導擊穿的位置，平均速度增加了0.9 m s^-1。通過擊穿過程擴展引起的可測量的速度場散度來估計受影響的流動程度。流場受LIBS焦點周圍0.7 cm半徑范圍內的影響。此外，誘導流的衰減時間約為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，所測層流的等待時間估計約為21 ms，對應于48 Hz的重復率。在高速LIBS應用中，應保持約2 kHz的最大重復頻率，以獲得先前擊穿對流量的可忽略不計的影響。對于LIBS和PIV聯合測量，建議先用兩個分離的PIV激光脈沖啟動測量周期，然后再發射LIBS激光脈沖，以避免LIBS誘導流對PIV測量的影響。
 
LIBS以及相關儀器

海洋光學的HR2 系列光譜儀具有快速的采集速度和出色的熱穩定性，結構緊湊且堅固耐用，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境條件發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分辨率。

 

HR2光譜儀與海洋光學光源、附件和軟件兼容，使用戶能夠針對不同的應用優化設置。其堅固的設計、熱穩定性和出色的吸光度線性度使 HR2 可用于LIBS系統的組裝，嵌入到 OEM 儀器中。

海洋光學也推出了適用于更多環境的多通道光譜儀MX2500+，憑借其高效的外部同步時鐘，完美的協同了所有通道實現精確的延遲采集，準確的在原子激發輻射突出時采集到完整的原子譜線信號。

 

同時，MX2500+可以應客戶的需求在180-1100nm的范圍內自由的配置光譜儀的通道數量和覆蓋范圍，系統自帶的高效時鐘可以完美的同步所有通道，并同時實現精確觸發兩臺外部設備，非常適合在LIBS應用中使用。

上文實驗中所使用的Montfort納秒激光器是激光誘導擊穿實驗中的優秀選擇。這款小巧緊湊的激光器在可實現50mj輸出的同時，重量小于2kg，并適合野外現場工作，可支持24V電壓。

 

Montfort M-NANO-Nd:YAG采用半導體泵浦技術，無需水冷及龐大的控制系統，非常適合應用于LIBS。而除了標準定制的1064nm and 532nm款式之外，激光器其他參數可以根據客戶需要定制，從輸出能量到工作頻率均可按照實驗需求進行個性化配置。

RealShock®固體激光器是北京杏林睿光自主研發的半導體泵浦被動調Q固體激光器，具有大能量、高性價比、低功耗等特點。

 

該系列激光器的半導體泵浦模塊和激光晶體采用一體化設計，尺寸小巧緊湊，無需水冷。針對LIBS及激光燒蝕等應用領域，特提供小型化OEM控制電路，便于安裝和集成，特別適合手持類設備。

實驗中同樣也使用有一款前照式sCOMS相機，Andor的Zyla系列相機擁有高達82%QE和100fps，420/550萬像素，在同性能產品中擁有高性價比。除了流體動力學領域之外，Zyla系列sCMOS相機也適用于動態X射線成像，細胞生物學，量子光學等多個熱門研究i領域。

參考文獻

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.