近日，華東師范大學(xué)重慶研究院的科研團(tuán)隊(duì)與精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作，在超快激光誘導(dǎo)擊穿光譜的研究中取得重要進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)首次提出多維等離子體光柵誘導(dǎo)擊穿光譜(Multidimensional-plasma-grating induced breakdown spectroscopy，MIBS）技術(shù)，并實(shí)驗(yàn)證實(shí)新技術(shù)比常規(guī)激光誘導(dǎo)擊穿光譜具有更高的探測靈敏度和克服基體效應(yīng)。《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》雜志刊登曾和平教授團(tuán)隊(duì)研究成果 華師大重研院供圖相關(guān)成果以題為Femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy by multidimensional plasma grating發(fā)表在光譜類一區(qū)期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry雜志(胡夢(mèng)云，施沈城，閆明，武愕，曾和平，JAAS，2022)。據(jù)了解，激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）是一種非常實(shí)用的分析測試工具，可以用于確定固體，液體和氣體的元素成分。傳統(tǒng)的納秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜受基體效應(yīng)與等離子體屏蔽等干擾，而飛秒光絲激發(fā)(Filament-induced breakdown spectroscopy，F(xiàn)IBS)受限于峰值功率鉗制，靈敏度難以提高。此前，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展飛秒等離子體光柵誘導(dǎo)光譜(Plasma-grating-induced breakdown spectroscopy, GIBS)技術(shù)，基于兩束飛秒光絲非共線耦合形成等離子體光柵，突破峰值功率鉗制效應(yīng)，光功率及電子密度提高近2個(gè)量級(jí)，等離子光柵中多光子電離與電子碰撞激發(fā)協(xié)同，提高探測靈敏度（胡夢(mèng)云，彭俊松，牛盛，曾和平，Advanced Photonics, 2020, 2(6), 065001）；GIBS等離子體干涉激化可克服基體效應(yīng)，首次實(shí)現(xiàn)成分探測自定標(biāo)。為了進(jìn)一步提高對(duì)樣品的激發(fā)效果，延長激發(fā)產(chǎn)生的等離子體壽命，增強(qiáng)光譜信號(hào)，團(tuán)隊(duì)提出基于等離子體光柵的多脈沖耦合激發(fā)誘導(dǎo)擊穿光譜MIBS新技術(shù)。團(tuán)隊(duì)利用三束非共線、非共面的飛秒脈沖進(jìn)行相互作用對(duì)樣品進(jìn)行激發(fā)，成功觀察到等離子體光柵的衍射效應(yīng)，等離子體光柵實(shí)現(xiàn)從一維突破到二維。二維等離子體光柵對(duì)樣品進(jìn)行激發(fā)時(shí)，二維等離子體通道中具有更為精細(xì)的周期性結(jié)構(gòu)和更高階的非線性效應(yīng)，提升了等離子體密度和光功率密度，多光子激發(fā)以及電子碰撞雙重激發(fā)更為明顯，從而進(jìn)一步提高探測靈敏度，克服基體效應(yīng)。MIBS實(shí)驗(yàn)裝置，二維等離子體光柵的周期性結(jié)構(gòu)使得三次諧波發(fā)生衍射 華師大重研院供圖值得一提的是，研究發(fā)現(xiàn)所獲得的譜線信號(hào)會(huì)隨著激光能量的提升而增強(qiáng)，當(dāng)單脈沖能量超過2 mJ時(shí)，MIBS技術(shù)將取得更明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，MIBS技術(shù)僅在激發(fā)源上進(jìn)行了改進(jìn)，并未引入復(fù)雜的樣品處理步驟以及額外的裝置，與大多數(shù)改進(jìn)技術(shù)相比保留了LIBS技術(shù)原有的快速、簡單、便捷的優(yōu)點(diǎn)，這使得其能夠滿足特定場景中的原位實(shí)時(shí)檢測需求。隨著GIBS/MIBS技術(shù)的研究發(fā)展與應(yīng)用拓展，為了適應(yīng)野外惡劣環(huán)境下移動(dòng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)非接觸式在線實(shí)時(shí)探測，對(duì)激發(fā)光源提出了更高要求，需要性能更加穩(wěn)定的高能量飛秒光源進(jìn)行激發(fā)。與此同時(shí)，華師大重研院發(fā)展高能量飛秒脈沖激光光源。基于摻Y(jié)b光纖種子脈沖產(chǎn)生與固體再生放大相結(jié)合的飛秒激光放大方案，通過搭建寬帶可調(diào)諧的光纖脈沖種子源解決信號(hào)光和放大介質(zhì)光譜窄化和增益失配的問題，實(shí)現(xiàn)激光高效率放大；結(jié)合啁啾脈沖放大和固體再生放大技術(shù)，抑制激光放大過程中的非線性累積，提升放大效率和功率，輸出mJ級(jí)高能量飛秒脈沖激光。高集成化、高穩(wěn)定性混合系統(tǒng)1030nm mJ級(jí)高能量飛秒激光光源滿足實(shí)驗(yàn)室以外苛刻環(huán)境下應(yīng)用，為GIBS/MIBS技術(shù)試驗(yàn)野外在線檢測提供了技術(shù)和儀器的支撐。此外，華東師范大學(xué)重慶研究院開發(fā)多個(gè)系列超快飛秒激光光源，形成多款超快飛秒激光器產(chǎn)品，其中包括：FemtoCK，F(xiàn)emtoLine和FemtoStream等。針對(duì)GIBS/MIBS技術(shù)、強(qiáng)場激光物理、微納加工等應(yīng)用研究，開發(fā)的1030nm mJ級(jí)高能量飛秒激光器YbFemto HP采用光纖固體混合放大技術(shù)方案，種子源采用全保偏光纖結(jié)構(gòu)的振蕩器FemtoCK產(chǎn)生穩(wěn)定脈沖序列；該光源通過啁啾脈沖放大技術(shù)，結(jié)合摻鐿增益介質(zhì)的固體再生放大技術(shù)，輸出中心波長1030nm、能量達(dá)毫焦（mJ）量級(jí)，脈沖寬度小于300fs的高能量飛秒激光脈沖。該光源重復(fù)頻率調(diào)諧范圍覆蓋單脈沖～ 250 kHz，增加定制模塊可進(jìn)行倍頻操作，實(shí)現(xiàn)515nm、343nm等飛秒脈沖激光輸出，滿足科研、工業(yè)等多場景應(yīng)用需求。華師大重研院相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，未來將依托自研的毫焦級(jí)高能量飛秒激光器，輸出高穩(wěn)定的激化光源，與GIBS/MIBS技術(shù)相結(jié)合，集成實(shí)現(xiàn)輕量化高靈敏檢測儀器，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，儀器創(chuàng)新，裝備創(chuàng)新，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土壤、液體自標(biāo)定痕量分析等應(yīng)用創(chuàng)新，深入優(yōu)化儀器系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，使更多野外極限環(huán)境下應(yīng)用成為可能，進(jìn)一步應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、深海勘探、地質(zhì)勘探、工業(yè)冶金、航天探測以及生物制藥等領(lǐng)域。據(jù)悉，毫焦級(jí)高能量飛秒激光器不僅僅在LIBS上產(chǎn)生重要應(yīng)用，同時(shí)可用于設(shè)備集成，面向如半導(dǎo)體芯片制備、柔性O(shè)LED顯示器件切割、玻璃切割、非金屬/金屬材料加工、打孔以及微納加工等重要應(yīng)用。另一方面，可用于光譜檢測、非線性光學(xué)、高次諧波產(chǎn)生、醫(yī)療成像、雙光子3D打印、相控陣等科研應(yīng)用。（記者 趙鵬）
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