來自華東師范大學(xué)的曾和平教授團隊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試工具，可以確定固體，液體和氣體的元素成分。對于納秒激光誘導(dǎo)光譜，其等離子體屏蔽效應(yīng)會限制它的可重復(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)限制了其測量的敏感度。

來自華東理工大學(xué)的研究團隊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)依靠一個等離子體激發(fā)源——等離子光柵通過兩個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)分析測試技術(shù)如納秒的LIBS和FIBS技術(shù)的限制。GIBS的信號強度的增加可以是FIBS的3倍還要多?；牡男?yīng)在使用GIBS的時候也顯著的降低，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驗示意圖

激光誘導(dǎo)擊穿光譜是一個快速的化學(xué)元素分析技術(shù)。強大的激光脈沖聚焦在樣品表面形成一個微小的等離子體。元素或者分子發(fā)射光譜就會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具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢：不需要對樣品進行預(yù)處理，可以同時進行多元素探測和實時非接觸測量等。這些優(yōu)點使得這一技術(shù)在實際分析固體，液體和氣體的時候非常方便。

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，長的脈沖持續(xù)時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，這是因為超短脈沖的持續(xù)時間限制了激光與物質(zhì)的相互作用時間。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)。一個單個的激光燈絲是克爾自聚焦（Kerr self-focusing）和散焦機構(gòu)之間的相互作用而形成的，在一個超短脈沖的擴展中表現(xiàn)出來，在透明的大氣介質(zhì)中呈現(xiàn)處出高能量強度的光束。飛秒激光燈絲產(chǎn)生的長且穩(wěn)定的激光等離子體通道，可以確保激光功率的穩(wěn)定性和提高測量的穩(wěn)定性。然而，在激光能量增加的時候，其功率和電子密度會飽和。

等離子光柵

比較幸運的是，激光強度的夾持效應(yīng)可以通過多個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數(shù)量級還要高。

基于以上優(yōu)勢，來自華東師范大學(xué)的曾和平領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，在最近為大家展示了一個新穎的技術(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，其信號的強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)，因為不存在等離子體屏蔽效應(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，同時可以作為數(shù)矩陣的樣品。

研究人員會使用來自兩個非共線的fs燈絲到消除的的干涉所產(chǎn)生的等離子體光柵來探測樣品。兩個燈絲的相互作用導(dǎo)致了更加強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所探測的光譜線 信號強度是單一FIBS系統(tǒng)所探測的信號強度的三倍還要多。等離子體誘導(dǎo)的光柵的壽命明顯得到延長。最后，研究人員展示了使用GIBS技術(shù)，對可以進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)可以作為用來探測難以熔化，或難以分解以及具有復(fù)雜基材的樣品的探測分析。

曾和平簡介：2006年獲得國家杰出青年科學(xué)基金，2016年作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)國家基金委創(chuàng)新群體“分子精密光譜與精密測量”項目。國際學(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“探明強場分子超快過程的重大貢獻以及高功率超短脈沖光纖激光與紅外單光子探測的持續(xù)技術(shù)進展”當(dāng)選為美國光學(xué)學(xué)會會士（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，國際會議作邀請報告30余次，授權(quán)發(fā)明專利50余項；作為大會組委會主席或共主席組織國際學(xué)術(shù)會議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)。