逐光IsCMOS像增强相机拍摄激光诱导等离子体演化过程

　　激光诱导击穿光谱(LIBS，Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)技术是一种基于激光与物质相互作用的分析方法。近年来，LIBS技术因其快速、无损、多元素同时分析的特点，在材料科学、环境监测、工业过程控制、生物医学等领域得到了广泛应用。

　　应用背景

　　LIBS技术的基本原理是利用高能量激光脉冲聚焦在样品表面，瞬间将样品表面的一小部分物质气化并形成高温等离子体。等离子体中电子的激发态和电离态在回到基态时会发射出特征光谱，通过检测和分析这些光谱，可以获得样品的成分信息。

　　本实验旨在利用LIBS技术合成出富含晶体缺陷(堆垛层错、压缩应变、拉伸应变、氧空位等)的纳米材料，并将其应用于电催化产氢反应(HER)、电催化氧还原反应(ORR)以及电催化产氧反应(OER)。采用中智科仪的逐光IsCMOS像增强相机拍摄LIBS产生的等离子体的形貌演化过程。

　　实验原理与方案

　　实验设备：纳秒调Q激光器、逐光IsCMOS像增强相机(TRC411-S-H20-U)

　　相机工作在内触发模式下，纳秒调Q激光器工作在外触发条件。相机给纳秒调Q激光器的CLK In和Q In分别输入delay=0ns & Width=10us和delay=200us & Width=10us的TTL信号。纳秒调Q激光器工作频率2Hz，单脉冲能量300mJ，激光中心波长1064nm，出光口光斑直径为8mm，准直输出后经过500mm正透镜聚焦在样品上，将样品粉末压片成厚度1-3mm圆形薄片，并放置在焦点附近。实验装置如图1所示。

　　图1 (a)LIBS装置，(b)样品面对相机并且与焦平面呈夹角45°

　　实验结果

　　实验1：

　　粉末样品为MnO2，图2为MnO2的等离子体时间演化结果，延迟时间(光阴极开门时间相对于Q信号延迟)随机选择。

　　图2 MnO2的等离子体时间演化图像

　　实验2：

　　粉末样品为Co2O3，图3为Co2O3的等离子体时间演化结果，延迟时间(光阴极开门时间相对于Q信号延迟)随机选择。

　　图3 Co2O3的等离子体时间演化图像

　　总结

　　实验结果表明，中智科仪TRC411-S-H20-U相机可与纳秒调Q激光器实现同步，并且可以拍到不同氧化物的LIBS方案产生的等离子体时间演化过程，为合成出富含晶体缺陷的纳米材料奠定了可行性基础。中智科仪逐光IsCMOS 像增强相机具有纳秒级快门，内置的高精度时序控制器可以确保相机与脉冲激光器的同步工作，精准捕获等离子体信号，展现了相机在等离子体诊断方面的重要应用价值。

　　解决方案

　　中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。

　　01、500皮秒光学快门

　　以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声;

　　02、超高采样频率

　　逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。

　　03、精准的时序控制

　　逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。

　　04、创新“零噪声”技术

　　得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。