《Talanta》：Effect of high humidity environment on the time-resolved spectrum of laser-induced air plasma
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激光诱导空气等离子体形态及光谱特性与湿度关系研究。采用高速摄像机和5ns时间分辨光谱，发现湿度与等离子体长度正相关，氮、氧离子及原子谱线峰值强度和寿命随湿度增加而降低，氢原子谱线增强，湿度延迟峰值时间和寿命出现，为高湿环境下LIBS技术应用提供实验依据。
Jianyong Cen|Xin Wang|Zeguang Li|Xinjie Huo|Jinjun Zhang
山西师范大学物理与电子工程学院，太原，030031，中国
摘要
湿度是一个重要的物理参数，它会影响激光诱导击穿光谱技术的测量精度。通过使用高速摄像机和高时间分辨率（5纳秒）光谱，研究了高湿度对激光诱导空气等离子体的微观影响。研究了高湿度条件下空气等离子体的形态变化，并分析了湿度对光谱线强度、峰值时间、寿命、温度和电子密度的影响。结果表明，激光诱导空气等离子体的长度与湿度呈正相关。随着湿度的增加，氮气和氧气的离子和原子光谱线的峰值强度和寿命降低，而氢原子光谱线的峰值强度增加。峰值时间与湿度也呈正相关，表明湿度延长了所有光谱线达到峰值强度所需的时间。湿度对温度和电子密度也有类似的影响，高湿度会降低它们的峰值并延迟达到这些峰值的时间。这项研究可以为在高湿度环境中实际应用激光诱导击穿光谱技术提供宝贵的实验见解。
引言
激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种基于原子发射光谱原理的分析技术[1]。其基本机制是使用高能脉冲激光在样品表面产生高温等离子体[[2]]、[3]]、[4]]。通过分析等离子体冷却和松弛过程中发出的特征光谱信号，LIBS能够识别和量化样品中的元素组成，因此广泛应用于多个领域[[5]]、[6]]、[7]]、[8]]。然而，环境因素会严重影响LIBS在实际应用中的性能[[9]]、[10]]、[11]]。在定性分析中，光谱线的强度可能会在不同环境条件下波动或减弱[12]。在定量分析中，环境因素引起的强度波动或降低会降低测量精度[[13]]、[14]]、[15]]。因此，深入研究环境条件对LIBS的影响至关重要。湿度是表征环境条件的关键物理参数。环境中的水蒸气会通过改变激光诱导等离子体的形成和演化特性（如击穿阈值、形态和演化行为）来干扰其过程。因此，环境湿度的变化会显著影响LIBS的实际应用性[[16]]、[17]]、[18]]、[19]]、[20]]、[21]]。
Yalcin等人向N2中引入水蒸气，研究了湿度对激光诱导空气等离子体的影响。他们发现湿度对等离子体温度和电子密度的影响可以忽略不计[22]。Lazic等人观察到，在对爆炸物和有机残留物进行LIBS分析时，氢的原子发射线具有强烈的湿度依赖性[23]。Lei等人研究了在不同激光辐照度下改变湿度对激光诱导空气等离子体的影响[24]。他们报告称，光谱线的时间演化几乎不受湿度变化的影响，并且在门宽为300纳秒的情况下，湿度对发射光谱的影响可以忽略。Shutov等人证明，空气中的水蒸气会导致由紫外激光脉冲产生的等离子体通道中的峰值电子密度和总电子含量增加[25]。Zeng等人报告称，水分子的电离显著改变了丝状结构的动态和能量沉积特性。他们的研究表明，在高湿度条件下，总电子数和沉积的脉冲能量随湿度增加而增加[26]。Sun等人开发了一种原位LIBS系统，用于实时监测潮湿空气，并发现H光谱强度随相对湿度的增加而线性上升[27]。Liu等人研究了环境湿度对LIBS光谱强度的影响，观察到在低能量条件下，纯铜样品的Hα 656.3纳米线的强度随湿度增加而增加。在高湿度环境中，样品的烧蚀增强，而诱导等离子体的寿命缩短[28]。Cen等人提出了一种基于LIBS的湿度测量方法。他们还发现相对湿度与Hα 656.3纳米线的强度之间存在线性相关性。然而，氢线和氮线强度的比值与相对湿度的线性关系更好[29]。
以往研究湿度对激光诱导等离子体光谱线强度影响的研究通常采用较长的积分时间进行光谱采集，时间范围从几百纳秒到几毫秒不等。这些研究仅确定了湿度会增强氢光谱线的强度，但尚未得出关于其对其他光谱线强度影响的明确结论。本研究创新性地通过采集高时间分辨率（5纳秒）光谱，分析了环境湿度变化对N、O和H光谱线的峰值强度、峰值时间和寿命的影响。还发现了一些新的重要结果。这些结果可以解释光谱线强度增强或减弱的原因，并为如何在实际应用中消除湿度对光谱线强度的影响提供有价值的见解。
实验装置
实验装置如图1所示，包括一个脉冲激光源、一个空气等离子体生成室和一个光谱检测系统。Nd:YAG脉冲激光的波长为1064纳米，每个脉冲的最大输出能量为500毫焦耳，脉冲宽度为8纳秒，重复频率范围为1赫兹到10赫兹。光谱仪（Andor SR-500I-A）的光谱范围为180–1000纳米，波长分辨率为0.05纳米。高速摄像机（i-SPEED 510）用于捕捉
湿度对等离子体形态的影响
图2显示了在不同相对湿度条件下激光诱导空气等离子体的形态。等离子体长度在不同条件下有显著变化。在激光能量为100毫焦耳时，当空气湿度从50% RH增加到90% RH时，等离子体长度从0.638厘米增加到0.94厘米。在相同的相对湿度下，随着能量的增加，等离子体长度也显著增加。
为了进一步研究环境湿度与空气等离子体之间的关系
结论
本研究探讨了高湿度对激光诱导空气等离子体的形态和时间分辨光谱的影响。等离子体长度和分裂数都与相对湿度呈正相关。这种效应在更高的激光能量和更长的焦距下更为明显。湿度还显著影响了离子和原子光谱线的峰值强度、峰值时间和寿命。N II、N I和O I线的峰值强度随着相对湿度的增加而降低
CRediT作者贡献声明
Jianyong Cen：撰写——原始草稿、方法论、概念化。Xin Wang：可视化、数据管理。Zeguang Li：方法论、研究。Xinjie Huo：资源获取、研究。Jinjun Zhang：撰写——审阅与编辑、验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
山西省基础研究计划（20210302123337, 202103021224250）；山西师范大学研究生教育创新计划（编号2023XJG007, 2024XSY38）。
