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白光干涉儀用于對與激光誘導擊穿光譜 (LIBS) 測量相關的燒蝕坑進行表征

更新時間:2024-11-12點擊次數(shù):457


此研究具有雙重目的:1) 對與壁畫樣品(圖 1)上的激光誘導擊穿光譜 (LIBS) 測量相關的燒蝕坑進行表征;以及 2) 比較與便攜式儀器(EasyLIBS)及實驗室儀器相關聯(lián)的 2 分歐元硬幣(圖 2)上的燒蝕坑。

白光干涉儀用于對與激光誘導擊穿光譜 (LIBS) 測量相關的燒蝕坑進行表征

圖 1.分析壁畫樣品

白光干涉儀用于對與激光誘導擊穿光譜 (LIBS) 測量相關的燒蝕坑進行表征

圖 2.硬幣概述:a) 放大使用便攜式儀器分析的區(qū)域;b) 放大使用實驗室儀器分析的區(qū)域

我們對與 LIBS 測量相關的燒蝕坑尺寸和深度進行了研究。在共聚焦模式下使用 3D 光學輪廓儀 S neox 分析燒蝕坑。為進行此研究,我們通過 1、3、8、10、15 和 20 次激光發(fā)射,形成了六個燒蝕坑(圖 3)。初步定性觀察表明,燒蝕坑伴有深色光暈,表明該物質(zhì)受到撞擊時會急劇升溫。這被稱為熱影響區(qū) (HAZ),在激光燒蝕中是一種已被大家熟知的現(xiàn)象。

白光干涉儀用于對與激光誘導擊穿光譜 (LIBS) 測量相關的燒蝕坑進行表征

圖 3.覆蓋紅色顏料的黃色裝飾層上的分析點位置

在所有形成的燒蝕坑中,燒蝕坑的平均尺寸約為 800 µm x 400 µm。經(jīng) 20 次激光發(fā)射形成的燒蝕坑需要更被進一步深入研究(圖 4)。實際上,在燒蝕坑內(nèi)觀察到了一個中空區(qū)域,尺寸約為 160 µm x 100 µm。每個燒蝕坑中都觀察到了相同的結(jié)果。

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圖 4.由 20 次激光發(fā)射形成的燒蝕坑;a) 由 20 次激光發(fā)射形成的燒蝕坑的 3D 視圖;b)燒蝕坑尺寸(單位:µm),以及在燒蝕坑中觀察到中空區(qū)域(以藍色顯示)

每個燒蝕坑的剖面圖表明,燒蝕坑的深度會隨著激光發(fā)射次數(shù)的增加而加深(圖 5)。在經(jīng)過 20 次激光發(fā)射后,樣本在最深的區(qū)域被挖空約 100 µm。

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圖 5.燒蝕坑深度(單位:µm);a) 和 b)頂視圖形貌,c) 剖面圖

在使用 EasyLIBS 儀器的情況下,可以觀察到一個寬而均勻的環(huán),并且這個環(huán)會將形成的燒蝕坑劃界(圖 6)。總體而言,燒蝕坑非常平坦且淺:并會形成熔融物,該熔融物會一直留在燒蝕坑中,不會被排出。

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圖 6. A) 使用便攜式儀器經(jīng)過 150 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑的 3D 視圖;b) 使用便攜式儀器經(jīng)過 500 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑的 3D 視圖

對于使用實驗室儀器進行的測量,在燒蝕坑周圍可見物質(zhì)噴出(圖 7)。此外,使用實驗室儀器形成的燒蝕坑都會有因物質(zhì)積聚而形成的“坑沿"。這些坑沿相對于硬幣表面的高度在 4 µm 至 20 µm 之間,具體取決于發(fā)射的激光次數(shù)。

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圖 7.用實驗室儀器經(jīng)過 20 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑,可以看到物質(zhì)噴射。a) 用共聚焦顯微鏡 S neox 拍攝到圖像;b) 燒蝕坑的 3D 視圖

表 1 顯示了使用 EasyLIBS 和實驗室儀器在進行了不同次數(shù)的激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑深度對比。此外,圖 8 和圖 9 分別顯示了兩種 LIBS 儀器在經(jīng) 50 次和 500 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑的 2D 圖片。

白光干涉儀用于對與激光誘導擊穿光譜 (LIBS) 測量相關的燒蝕坑進行表征

表 1.便攜式儀器 (EasyLIBS) 和實驗室儀器在不同次數(shù)的激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑深度對比

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圖 8. a) 使用便攜式儀器 (EasyLIBS) 經(jīng)過 50 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑;b) 使用實驗室儀器經(jīng)過 50 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑

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圖 9.燒蝕坑的形狀和大小 a) 使用便攜式儀器 (EasyLIBS) 經(jīng)過 500 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑;b) 使用實驗室儀器經(jīng)過 500 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑

3D 光學輪廓儀 S neox 已被證明是一種精確、快速且易于使用的工具,可用于研究與激光誘導擊穿光譜法測量相關的燒蝕坑。3D 光學輪廓儀可以進行定性和定量分析,特別是,共聚焦技術已被證明是一種行之有效的技術,適用于研究和表征不同 LIBS 儀器產(chǎn)生的燒蝕坑的大小、直徑和深度。

這對考古學家和策展人具有重要意義,因為他們需要在對文物進行具有微破壞性的評估之前便評估其收益/風險。



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