烟花的火花发射峰分析
1. 实验背景
烟花的款式多样，是因为在其中添加了不同元素的火药。比如，在烟花中添加铝可以产生闪光和爆鸣声，添加铁可以增大火花。
而在烟花中加入铜会产生蓝色，锶会产生深红色，钡会产生非常亮的绿色。各种元素也可以混合产生新的颜色，锶和钠可以独立产生红色和黄色，混合后烟花则表现为橙色。有些颜色可以通过添加多种元素来实现。例如，白色烟花可以通过添加钛、锆或镁来制作。
与激光诱导击穿光谱（LIBS）技术类似，点燃的烟花发出了光，此时利用光谱仪会检测到特定波长的峰，它们对应着特定的元素。
本实验旨在测量不同颜色的烟花样品，并检测其中元素。实验中使用三种不同颜色的火花样品（红色，绿色和蓝色）。
2. 实验系统与方法 图1：烟花测量的实验系统 实验系统见图1。使用的光谱仪为AvaSpec-ULS4096CL-EVO，它配置了4096像素CMOS探测器，USB3.0通信。使用的光源是由烟花样品产生的光，其他附件包括光纤和准直透镜。 实验环境图 实验的烟花样品被点燃后做连续测量，每个样品大约测量500次。 我们将实验样品放置室外测量，需要扣除环境光，所以使用了AvaSoft中的Scope-Minus-Dark（Sd）模式，积分时间设置为5ms，平均设为1。由于本实验测量数据较多，因此通过软件中Live Output功能将数据保存为Excel和ASCII文件，用于进一步的分析和图形绘制。 3. 实验结果与分析 三种烟花样品均在590nm、660nm和770nm处出现显著峰（图2-4）。590nm处的峰为钠元素，用来为烟花添加黄色来增加它们的整体亮度。660nm和770 nm的峰为木炭中的氢和氧元素峰。其中，770nm的峰也可以归因于硝酸钾中的钾元素，它们都是烟花的必要组成成分。 图2：红色烟花样品的光谱 如图2所示，红色烟花样品在约405 nm，460nm，610nm和670nm处出现了小峰。前两个峰405nm和460nm为锶元素峰，锶是一种常见的红色烟花元素添加剂。610nm和670nm的峰为锂元素峰，另一种用于红色着色的元素添加剂。 图3：绿色烟花样品的光谱 如图3所示，绿色烟花样品在500 ~ 550nm以及800 ~ 1000nm出现小峰。其中，553nm处的峰为钡元素峰，钡是烟花中最常用的绿色添加剂。 图4：蓝色烟花样品的光谱 如图4所示，蓝色烟花样品在405nm，435nm, 445nm，515nm和525nm处均出现小峰。405nm峰为铁元素峰，可以增大烟花的火光。435和445nm的峰为钙元素峰，用来加深烟花的颜色。515和525nm为铜元素峰，铜是给烟花添加蓝色的主要元素。令人惊讶的是，这两个峰也出现在绿色烟花样品中，其强度明显高于蓝色烟花样品。 图5：红色烟花（红色线），绿色烟花（绿色线）和蓝色烟花（蓝色线）样品的光谱 所有样品的光谱如图5所示，铜（515nm和525nm，蓝色）和钠（590nm，黄色）对应的元素峰在绿色烟花样品中是最高的，它们结合在一起时可以产生绿色，以此证明绿色烟花样品是由产生蓝色和黄色的火药结合起来制作的。 4. 实验结论 本实验成功地判断了红蓝绿三种颜色烟花样品的部分元素组成，每个元素都有其特定波长的峰。AvaSpec-ULS4096CL-EVO适合高分辨率和高速测量应用，其分辨率（FWHM）可达0.05 nm。
