激光诱导击穿光谱的突破性进展

2021-02-20 11:19

据外媒称，上海华东师范大学的研究人员最近展示了一种新技术：等离子体光栅诱导的击穿光谱（GIBS）。等离子体光栅诱导的击穿光谱技术克服了其他LIBS技术固有的局限性，将信号强度提高了三倍以上。

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种快速的化学分析工具。强大的激光脉冲聚焦在样品上，形成微等离子体。来自该微等离子体的元素或分子发射光谱可用于确定样品的元素组成。

与原子吸收光谱和感耦合等离子体光学发射光谱（ICP－OES）等更传统的技术相比，LIBS具有一些独特的优势：无需样品预处理、多元素同时检测、实时非接触测量。这些优势使其适用于固体、气体和液体的实际分析。

传统的LIBS和扩展

基于纳秒脉冲激光器（ns－LIBS）的传统LIBS系统由于激光功率强度大、脉冲持续时间长、等离子体屏蔽效应等原因，存在一些缺点。这些问题对其重复性和信噪比产生了不利影响。飞秒LIBS（fs－LIBS）由于超短脉冲持续时间限制了激光与物质的相互作用时间，因此可以排除等离子体屏蔽效应。飞秒脉冲具有较高的功率密度，因此材料可以有效地被电离和解离，从而获得更高的信噪比和更精确的光谱分辨率。

飞丝诱导击穿光谱（FIBS）将LIBS技术与飞秒激光灯丝相结合。单个激光灯丝是在透明介质（如大气中的空气）中传播超短的高强度光束时，Kerr自聚焦和等离子体去焦机制相互作用的结果。飞秒激光灯丝产生的激光等离子体通道长而稳定，保证了激光功率密度的稳定性，可以提高测量稳定性。但是，当激光能量增加时，功率和电子密度会达到饱和。这就是所谓的激光强度箝位效应，它限制了FIBS的检测灵敏度。

等离子体光栅

幸运的是，通过多个飞秒丝的非线性相互作用引起的等离子体光栅，可以克服激光强度箝位效应。事实证明，等离子体光栅中的电子密度要比灯丝中的电子密度高一个数量级。

基于这一见解，上海华东师范大学曾海平领导的研究人员最近展示了一种新型技术：等离子体光栅诱导的击穿光谱（GIBS）。GIBS可以有效克服ns－LIBS、fs－LIBS和FIBS的缺点。使用GIBS，信号强度增强3倍以上，等离子体光栅诱导的等离子体寿命约为相同初始脉冲的FIBS的两倍。由于没有等离子体屏蔽效应，功率大，飞秒等离子体光栅的电子密度大，定量分析是可行的。