來自華東師范大學(xué)的曾和平教授團(tuán)隊(duì)及其合作者為大家展示了一種等離子體光柵誘導(dǎo)的激光擊穿光譜分析技術(shù)。在分析具有復(fù)雜基體材料的樣品方面具有巨大的潛力。該研究成果發(fā)表在期刊《 Advanced Photonics》上。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS))是一種非常有用的分析測(cè)試工具，可以確定固體，液體和氣體的元素成分。對(duì)于納秒激光誘導(dǎo)光譜，其等離子體屏蔽效應(yīng)會(huì)限制它的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性以及信噪比。盡管飛秒激光燈絲誘導(dǎo)的擊穿光譜沒有等離子體屏蔽效應(yīng)，但燈絲的功率密度的夾持效應(yīng)限制了其測(cè)量的敏感度。

來自華東理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)及其合作者提出了一種等離子體光柵誘導(dǎo) 的擊穿光譜（ plasma-grating-induced breakdown spectroscopy (GIBS)）。這一技術(shù)依靠一個(gè)等離子體激發(fā)源——等離子光柵通過兩個(gè)非共線的飛秒的燈絲的干涉所產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，GIBS可以克服標(biāo)準(zhǔn)分析測(cè)試技術(shù)如納秒的LIBS和FIBS技術(shù)的限制。GIBS的信號(hào)強(qiáng)度的增加可以是FIBS的3倍還要多?；牡男?yīng)在使用GIBS的時(shí)候也顯著的降低，憑借等離子體光柵的高功率和電子密度，GIBS技術(shù)在分析具有復(fù)雜基體材料的樣品方面具有巨大的潛力。

等離子體光柵誘導(dǎo)的擊穿光譜分析的實(shí)驗(yàn)示意圖

激光誘導(dǎo)擊穿光譜是一個(gè)快速的化學(xué)元素分析技術(shù)。強(qiáng)大的激光脈沖聚焦在樣品表面形成一個(gè)微小的等離子體。元素或者分子發(fā)射光譜就會(huì)從微小的等離子體中發(fā)射出來，從而可以用來確定樣品的元素組成。

同更加傳統(tǒng)的分析技術(shù)相比較，如原子吸收光譜和電感耦合等離子體原子發(fā)射全譜直讀光譜儀（ inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES)），LIBS具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：不需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，可以同時(shí)進(jìn)行多元素探測(cè)和實(shí)時(shí)非接觸測(cè)量等。這些優(yōu)點(diǎn)使得這一技術(shù)在實(shí)際分析固體，液體和氣體的時(shí)候非常方便。

傳統(tǒng)的LIBS及其拓展

傳統(tǒng)的LIBS系統(tǒng)基于納秒脈沖激光 (ns-LIBS) 建立的系統(tǒng)具有一些不利的地方，主要受到激光的功率密度，長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間和等離子體的屏蔽效應(yīng)等因素的影響。這些因素帶來的不利影響是可重復(fù)性差以及信噪比的問題。飛秒LIBS(fs-LIBS) 則可以排除等離子體屏蔽效應(yīng)的影響，這是因?yàn)槌堂}沖的持續(xù)時(shí)間限制了激光與物質(zhì)的相互作用時(shí)間。飛秒脈沖具有高的功率密度，因此材料可以有效的離子化和分散開來，導(dǎo)致一個(gè)較高的信噪比背景和更加精確的光譜分辨率。

燈絲誘導(dǎo)的擊穿光譜（Filament-induced breakdown spectroscopy (FIBS) ）整合了LIBS技術(shù)和飛秒激光燈絲技術(shù)。一個(gè)單個(gè)的激光燈絲是克爾自聚焦（Kerr self-focusing）和散焦機(jī)構(gòu)之間的相互作用而形成的，在一個(gè)超短脈沖的擴(kuò)展中表現(xiàn)出來，在透明的大氣介質(zhì)中呈現(xiàn)處出高能量強(qiáng)度的光束。飛秒激光燈絲產(chǎn)生的長(zhǎng)且穩(wěn)定的激光等離子體通道，可以確保激光功率的穩(wěn)定性和提高測(cè)量的穩(wěn)定性。然而，在激光能量增加的時(shí)候，其功率和電子密度會(huì)飽和。

等離子光柵

比較幸運(yùn)的是，激光強(qiáng)度的夾持效應(yīng)可以通過多個(gè)飛秒燈絲之間的非線性相互作用誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體光柵來克服。在等離子體光柵中的電子密度已經(jīng)倍證明是在燈絲中的一個(gè)數(shù)量級(jí)還要高。

基于以上優(yōu)勢(shì)，來自華東師范大學(xué)的曾和平領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，在最近為大家展示了一個(gè)新穎的技術(shù)：等離子體光柵誘導(dǎo)的擊穿光譜（plasma-grating-induced breakdown spectroscopy (GIBS)）。GIBS可以有效的克服ns-LIBS，fs-LIBS和FIBS的缺點(diǎn)，其信號(hào)的強(qiáng)度可以提高到以前的三倍以上，等離子體光柵誘導(dǎo)的等離子體的壽命是FIBS有所誘導(dǎo)的同一初始脈沖的幾乎兩倍。量化分析表明這也是可行的技術(shù)，因?yàn)椴淮嬖诘入x子體屏蔽效應(yīng)，高的激光功率和等離子體光柵的電子密度等。

曾和平教授則認(rèn)為，GIBS技術(shù)可以成為探測(cè)樣品的有效的工具，尤其是這些樣品不易熔化或者不易分解，同時(shí)可以作為數(shù)矩陣的樣品。

研究人員會(huì)使用來自兩個(gè)非共線的fs燈絲到消除的的干涉所產(chǎn)生的等離子體光柵來探測(cè)樣品。兩個(gè)燈絲的相互作用導(dǎo)致了更加強(qiáng)烈的電子加速和碰撞，因此在等離子體光柵內(nèi)部的局部電子密度就比單一fs燈絲所得到的要高。采用GIBS所探測(cè)的光譜線 信號(hào)強(qiáng)度是單一FIBS系統(tǒng)所探測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度的三倍還要多。等離子體誘導(dǎo)的光柵的壽命明顯得到延長(zhǎng)。最后，研究人員展示了使用GIBS技術(shù)，對(duì)可以進(jìn)行離子化和分解的材料，有效的導(dǎo)致了基體效應(yīng)的影響。GIBS技術(shù)可以作為用來探測(cè)難以熔化，或難以分解以及具有復(fù)雜基材的樣品的探測(cè)分析。

曾和平簡(jiǎn)介：2006年獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金，2016年作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家基金委創(chuàng)新群體“分子精密光譜與精密測(cè)量”項(xiàng)目。國(guó)際學(xué)術(shù)兼職包括European Physical Journal D編委、加拿大Laval大學(xué)教授等，2016年因“探明強(qiáng)場(chǎng)分子超快過程的重大貢獻(xiàn)以及高功率超短脈沖光纖激光與紅外單光子探測(cè)的持續(xù)技術(shù)進(jìn)展”當(dāng)選為美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士（OSA Fellow）。

近年來發(fā)表學(xué)術(shù)論文 250余篇，包括7篇Phys. Rev. Lett.、45 篇Appl. Phys. Lett.、 30余篇Opt. Lett.、40余篇Opt. Express、40余篇Phys. Rev. A等，國(guó)際會(huì)議作邀請(qǐng)報(bào)告30余次，授權(quán)發(fā)明專利50余項(xiàng)；作為大會(huì)組委會(huì)主席或共主席組織國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議20余次。

文章來源：Mengyun Hu et al, Plasma-grating-induced breakdown spectroscopy, Advanced Photonics, 2(6) ， 065001 (2020). 和華東師范大學(xué)官網(wǎng)。