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深度解讀

我國學者在激光誘導擊穿光譜上取得重要進展

星之球科技 來源:江蘇激光產(chan) 業(ye) 創新聯盟2021-02-03 我要評論(0 )   

來自華東(dong) 師範大學的曾和平教授團隊及其合作者為(wei) 大家展示了一種等離子體(ti) 光柵誘導的激光擊穿光譜分析技術。在分析具有複雜基體(ti) 材料的樣品方麵具有巨大的潛力。

來自華東(dong) 師範大學的曾和平教授團隊及其合作者為(wei) 大家展示了一種等離子體(ti) 光柵誘導的激光擊穿光譜分析技術。在分析具有複雜基體(ti) 材料的樣品方麵具有巨大的潛力。該研究成果發表在期刊《 Advanced Photonics》上。

激光誘導擊穿光譜(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(ti) ,液體(ti) 和氣體(ti) 的元素成分。對於(yu) 納秒激光誘導光譜,其等離子體(ti) 屏蔽效應會(hui) 限製它的可重複性和可再現性以及信噪比。盡管飛秒激光燈絲(si) 誘導的擊穿光譜沒有等離子體(ti) 屏蔽效應,但燈絲(si) 的功率密度的夾持效應限製了其測量的敏感度。

來自華東(dong) 理工大學的研究團隊及其合作者提出了一種等離子體(ti) 光柵誘導 的擊穿光譜( plasma-grating-induced breakdown spectroscopy (GIBS))。這一技術依靠一個(ge) 等離子體(ti) 激發源——等離子光柵通過兩(liang) 個(ge) 非共線的飛秒的燈絲(si) 的幹涉所產(chan) 生。研究發現,GIBS可以克服標準分析測試技術如納秒的LIBS和FIBS技術的限製。GIBS的信號強度的增加可以是FIBS的3倍還要多。基材的效應在使用GIBS的時候也顯著的降低,憑借等離子體(ti) 光柵的高功率和電子密度,GIBS技術在分析具有複雜基體(ti) 材料的樣品方麵具有巨大的潛力。

等離子體(ti) 光柵誘導的擊穿光譜分析的實驗示意圖

激光誘導擊穿光譜是一個(ge) 快速的化學元素分析技術。強大的激光脈衝(chong) 聚焦在樣品表麵形成一個(ge) 微小的等離子體(ti) 。元素或者分子發射光譜就會(hui) 從(cong) 微小的等離子體(ti) 中發射出來,從(cong) 而可以用來確定樣品的元素組成。

同更加傳(chuan) 統的分析技術相比較,如原子吸收光譜和電感耦合等離子體(ti) 原子發射全譜直讀光譜儀(yi) ( inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES)),LIBS具有獨特的技術優(you) 勢:不需要對樣品進行預處理,可以同時進行多元素探測和實時非接觸測量等。這些優(you) 點使得這一技術在實際分析固體(ti) ,液體(ti) 和氣體(ti) 的時候非常方便。

傳(chuan) 統的LIBS及其拓展

傳(chuan) 統的LIBS係統基於(yu) 納秒脈衝(chong) 激光 (ns-LIBS) 建立的係統具有一些不利的地方,主要受到激光的功率密度,長的脈衝(chong) 持續時間和等離子體(ti) 的屏蔽效應等因素的影響。這些因素帶來的不利影響是可重複性差以及信噪比的問題。飛秒LIBS(fs-LIBS) 則可以排除等離子體(ti) 屏蔽效應的影響,這是因為(wei) 超短脈衝(chong) 的持續時間限製了激光與(yu) 物質的相互作用時間。飛秒脈衝(chong) 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,導致一個(ge) 較高的信噪比背景和更加精確的光譜分辨率。

燈絲(si) 誘導的擊穿光譜(Filament-induced breakdown spectroscopy (FIBS) )整合了LIBS技術和飛秒激光燈絲(si) 技術。一個(ge) 單個(ge) 的激光燈絲(si) 是克爾自聚焦(Kerr self-focusing)和散焦機構之間的相互作用而形成的,在一個(ge) 超短脈衝(chong) 的擴展中表現出來,在透明的大氣介質中呈現處出高能量強度的光束。飛秒激光燈絲(si) 產(chan) 生的長且穩定的激光等離子體(ti) 通道,可以確保激光功率的穩定性和提高測量的穩定性。然而,在激光能量增加的時候,其功率和電子密度會(hui) 飽和。

等離子光柵

比較幸運的是,激光強度的夾持效應可以通過多個(ge) 飛秒燈絲(si) 之間的非線性相互作用誘導產(chan) 生的等離子體(ti) 光柵來克服。在等離子體(ti) 光柵中的電子密度已經倍證明是在燈絲(si) 中的一個(ge) 數量級還要高。

基於(yu) 以上優(you) 勢,來自華東(dong) 師範大學的曾和平領導的研究團隊,在最近為(wei) 大家展示了一個(ge) 新穎的技術:等離子體(ti) 光柵誘導的擊穿光譜(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(ti) 光柵誘導的等離子體(ti) 的壽命是FIBS有所誘導的同一初始脈衝(chong) 的幾乎兩(liang) 倍。量化分析表明這也是可行的技術,因為(wei) 不存在等離子體(ti) 屏蔽效應,高的激光功率和等離子體(ti) 光柵的電子密度等。

曾和平教授則認為(wei) ,GIBS技術可以成為(wei) 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(wei) 數矩陣的樣品。

研究人員會(hui) 使用來自兩(liang) 個(ge) 非共線的fs燈絲(si) 到消除的的幹涉所產(chan) 生的等離子體(ti) 光柵來探測樣品。兩(liang) 個(ge) 燈絲(si) 的相互作用導致了更加強烈的電子加速和碰撞,因此在等離子體(ti) 光柵內(nei) 部的局部電子密度就比單一fs燈絲(si) 所得到的要高。采用GIBS所探測的光譜線 信號強度是單一FIBS係統所探測的信號強度的三倍還要多。等離子體(ti) 誘導的光柵的壽命明顯得到延長。最後,研究人員展示了使用GIBS技術,對可以進行離子化和分解的材料,有效的導致了基體(ti) 效應的影響。GIBS技術可以作為(wei) 用來探測難以熔化,或難以分解以及具有複雜基材的樣品的探測分析。

曾和平簡介:2006年獲得國家傑出青年科學基金,2016年作為(wei) 負責人承擔國家基金委創新群體(ti) “分子精密光譜與(yu) 精密測量”項目。國際學術兼職包括European Physical Journal D編委、加拿大Laval大學教授等,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衝(chong) 光纖激光與(yu) 紅外單光子探測的持續技術進展”當選為(wei) 美國光學學會(hui) 會(hui) 士(OSA Fellow)。

近年來發表學術論文 250餘(yu) 篇,包括7篇Phys. Rev. Lett.、45 篇Appl. Phys. Lett.、 30餘(yu) 篇Opt. Lett.、40餘(yu) 篇Opt. Express、40餘(yu) 篇Phys. Rev. A等,國際會(hui) 議作邀請報告30餘(yu) 次,授權發明專(zhuan) 利50餘(yu) 項;作為(wei) 大會(hui) 組委會(hui) 主席或共主席組織國際學術會(hui) 議20餘(yu) 次。

文章來源:Mengyun Hu et al, Plasma-grating-induced breakdown spectroscopy, Advanced Photonics, 2(6) , 065001 (2020). 和華東(dong) 師範大學官網。


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