Montfort纳秒激光器应用于LIBS技术：钨涂层原位检测
2026-08-05 来源:本站 点击次数:129
Montfort纳秒激光器应用于LIBS技术：大气压环境下的钨涂层样品原位检测
在当前和未来的聚变装置中，探测等离子体面壁部件（PFCs）表面注入或再沉积的氢同位素（特别是氚和氘）对于确保装置安全运行将日益重要。激光诱导击穿光谱（LIBS）技术已被证明能够直接原位完成这一任务，无需处理或移除PFCs，从而缩短分析时间并提高装置的运行占空比。为提高灵敏度和同位素分辨能力，LIBS分析可在不同背景气体（如空气、He和Ar）的大气压环境下进行[1]。
本研究展示了采用LIBS技术在空气、He和Ar大气压下对富集氘和/或氢（作为氘-氚核燃料模拟物）的钨涂层样品的测量结果，并讨论了这些气体使用的优缺点。结果表明，与空气相比，He和Ar均能改善氢同位素的LIBS信号分辨率。然而，使用Ar还有额外优势：同一流程还可用于探测PFCs中作为聚变反应产物注入的He，且不受任何干扰。最后，Ar气氛下的LIBS信号在信噪比（SNR）方面有所提升，从而允许使用较低能量的激光脉冲，以提高深度剖面分析性能。
在这项工作中，研究者报道了对聚变相关金属涂层的LIBS分析，这些涂层由富集D、H或两者兼有的W组成，用以模拟沉积或注入PFCs表面的未燃烧核燃料。
使用的设备是：montfort的激光器组成LIBS系统
研究团队使用W-D样品优化了在环境H发射干扰下对D的检测，分别采用He和Ar两种背景气体，并将信号与空气中的LIBS进行对比。对每种气体，脉冲能量设为50 mJ，重复频率为2 Hz，ICCD的门宽固定为3 µs。在三种情况下优化门延迟，以获得Dα和Hα两峰的最大分辨率，同时保持良好的信噪比。
下图可观察到，在Ar和空气等离子体中，原子钨在653.811 nm、655.28 nm、655.38 nm、656.78 nm、656.97 nm和657.18 nm处的光谱发射清晰可辨，而在He等离子体中则较难检测。这一结果与先前文献[18,19]一致，原因在于He的热导率高于Ar和空气，因此Te和ne在He中衰减更快。
针对此，通过在实验信号中加入一个假设的Tα峰（其半高全宽和强度与实验Dα峰相同，中心位于656.045 nm，即Tα发射的中心波长），模拟了存在T时的LIBS信号。图3给出了两种最有利情况下的模拟结果（红色曲线）：He气氛、门延迟5 µs；Ar气氛、门延迟14 µs。
从模拟光谱可以看出，两种情况下，半理论信号的形状和宽度都显示出在较短波长处存在额外贡献，但两峰无法清晰分辨（详见表1），需要通过后采集拟合程序来分离这两个组分。
在本工作中展示了将LIBS技术应用于氘化钨样品的结果，该样品模拟了真实托卡马克在一次聚变燃料实验活动后PFC的表面。测量在He和Ar气流以及空气中进行，以比较解析氢同位素光谱线的可能性，这对该技术在聚变领域的应用具有重要意义。在优化采集参数后，使用He和Ar作为背景气体能够以比传统空气中LIBS更高的分辨率分离氢和氘的Hα和Dα发射线。对光谱中氚存在（以其Tα光谱发射，强度与氘的Dα发射相当）的模拟使研究者得出结论：两种同位素同时存在时，需要更高分辨率的系统才能清晰检测，并且可能需要后测量拟合程序来分辨两条谱线。深度剖面测量显示平均烧蚀速率约为每激光脉冲500 nm。在Ar气氛中的测量还使团队能够观察到W的发射线（W是下一代聚变装置中PFC的候选材料），其信噪比优于He气氛，且光谱分辨率相当。此外，如果分析旨在探测因聚变反应而嵌入PFC中的He，Ar气氛中的测量不会引入干扰信号。最后，应用CF技术可以对样品表层共沉积的氢同位素进行半定量估算。
参考文献
1. Almaviva S, Baiamonte L, Pistilli M. Optimization of the LIBS Technique in Air, He, and Ar at Atmospheric Pressure for Hydrogen Isotope Detection on Tungsten Coatings. Journal of Nuclear Engineering 2025; 6(3).
Montfort超紧凑纳秒激光器
我司在2026上海慕尼黑光电展中展示的Montfort样机
文中研究所使用的Montfort紧凑型纳秒激光器，在拥有50mJ以上输出的同时重量可以小于2kg。采用半导体泵浦技术，无需水冷，24V工作电压，便携适合野外工作。用户可以选择不同能量和频率的标准产品，也可以根据客户需要定制。可运用于分析、LIBS、PIV、LIDAR;皮秒OPO的泵浦源;皮秒放大的种子激光器；Thz产生；非线性光学;超快光谱学等领域。
而对于LIBS中所需求的测量激光，Montfort纳秒激光器是实验中的优秀选择。这款小巧紧凑的激光器在可实现50mj输出的同时，重量小于2kg。
Montfort M-NANO PIV Nd:YAG无需额外冷却及庞大的控制系统，非常适合应用于LIBS。而除了标准定制的1064nm 与532nm款式之外，激光器其他参数可以根据客户需要定制，从输出能量到工作频率均可按照实验需求进行个性化配置。
在光谱检测端，我们可以提供海洋光学的HR2 系列光谱仪，具有快速的采集速度和出色的热稳定性，结构紧凑且坚固耐用，积分时间快至 1 μs，热波长漂移仅为 0.06 像素/°C，有助于确保即使在环境条件发生变化时也能获得可靠的光谱性能。
HR2 型号涵盖 190-1150 nm 范围内的各种波长范围，可选择狭缝宽度尺寸，以帮助用户管理通量和光学分辨率。
HR2光谱仪与海洋光学光源、附件和软件兼容，使用户能够针对不同的应用优化设置。其坚固的设计、热稳定性和出色的吸光度线性度使 HR2 可用于LIBS系统的组装，嵌入到 OEM 仪器中。
在当前和未来的聚变装置中，探测等离子体面壁部件（PFCs）表面注入或再沉积的氢同位素（特别是氚和氘）对于确保装置安全运行将日益重要。激光诱导击穿光谱（LIBS）技术已被证明能够直接原位完成这一任务，无需处理或移除PFCs，从而缩短分析时间并提高装置的运行占空比。为提高灵敏度和同位素分辨能力，LIBS分析可在不同背景气体（如空气、He和Ar）的大气压环境下进行[1]。
本研究展示了采用LIBS技术在空气、He和Ar大气压下对富集氘和/或氢（作为氘-氚核燃料模拟物）的钨涂层样品的测量结果，并讨论了这些气体使用的优缺点。结果表明，与空气相比，He和Ar均能改善氢同位素的LIBS信号分辨率。然而，使用Ar还有额外优势：同一流程还可用于探测PFCs中作为聚变反应产物注入的He，且不受任何干扰。最后，Ar气氛下的LIBS信号在信噪比（SNR）方面有所提升，从而允许使用较低能量的激光脉冲，以提高深度剖面分析性能。
在这项工作中，研究者报道了对聚变相关金属涂层的LIBS分析，这些涂层由富集D、H或两者兼有的W组成，用以模拟沉积或注入PFCs表面的未燃烧核燃料。
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下图可观察到，在Ar和空气等离子体中，原子钨在653.811 nm、655.28 nm、655.38 nm、656.78 nm、656.97 nm和657.18 nm处的光谱发射清晰可辨，而在He等离子体中则较难检测。这一结果与先前文献[18,19]一致，原因在于He的热导率高于Ar和空气，因此Te和ne在He中衰减更快。
从模拟光谱可以看出，两种情况下，半理论信号的形状和宽度都显示出在较短波长处存在额外贡献，但两峰无法清晰分辨（详见表1），需要通过后采集拟合程序来分离这两个组分。
参考文献
1. Almaviva S, Baiamonte L, Pistilli M. Optimization of the LIBS Technique in Air, He, and Ar at Atmospheric Pressure for Hydrogen Isotope Detection on Tungsten Coatings. Journal of Nuclear Engineering 2025; 6(3).
Montfort超紧凑纳秒激光器
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文中研究所使用的Montfort紧凑型纳秒激光器，在拥有50mJ以上输出的同时重量可以小于2kg。采用半导体泵浦技术，无需水冷，24V工作电压，便携适合野外工作。用户可以选择不同能量和频率的标准产品，也可以根据客户需要定制。可运用于分析、LIBS、PIV、LIDAR;皮秒OPO的泵浦源;皮秒放大的种子激光器；Thz产生；非线性光学;超快光谱学等领域。
而对于LIBS中所需求的测量激光，Montfort纳秒激光器是实验中的优秀选择。这款小巧紧凑的激光器在可实现50mj输出的同时，重量小于2kg。
Montfort M-NANO PIV Nd:YAG无需额外冷却及庞大的控制系统，非常适合应用于LIBS。而除了标准定制的1064nm 与532nm款式之外，激光器其他参数可以根据客户需要定制，从输出能量到工作频率均可按照实验需求进行个性化配置。
HR2 型号涵盖 190-1150 nm 范围内的各种波长范围，可选择狭缝宽度尺寸，以帮助用户管理通量和光学分辨率。
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