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。