西安光機(jī)所等在激光等離子體光譜研究中獲進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湯潔研究員課題組聯(lián)合美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室教授Vassilia Zorba團(tuán)隊(duì)，在激光等離子體光譜研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在Cell Reports Physical Science上。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是基于原子發(fā)射光譜學(xué)的元素分析技術(shù)，在多元素分析、實(shí)時(shí)快速原位測(cè)量等方面具備優(yōu)勢(shì)，且在定性識(shí)別物質(zhì)與定量物質(zhì)成分分析等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。目前，該技術(shù)在深空深海探測(cè)、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)藥以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。D-LIBS即放電輔助LIBS技術(shù)，通常是將火花放電或電弧放電與LIBS技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。以上兩種放電模式具有放電功率密度大和電子數(shù)密度高的特點(diǎn)，在輔助元素定性和定量分析方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，利用放電輔助可以顯著增強(qiáng)LIBS信號(hào)強(qiáng)度，從而達(dá)到提高分析靈敏度的目的。然而，D-LIBS在放電時(shí)電能消耗過大，同時(shí)從交變電壓和電流中產(chǎn)生電磁脈沖，導(dǎo)致能源浪費(fèi)和環(huán)境污染相關(guān)問題。這一負(fù)面因素加大了安全隱患和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，更不利于社會(huì)倡導(dǎo)的節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)要求，進(jìn)而限制了D-LIBS技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，開發(fā)一種“兩低一高”（低環(huán)境危害、低能耗、高分析靈敏度）的D-LIBS技術(shù)仍是物質(zhì)分析領(lǐng)域中難度較大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題，該團(tuán)隊(duì)提出離子動(dòng)力學(xué)調(diào)制方法，對(duì)克服傳統(tǒng)D-LIBS放電能耗大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、環(huán)境危害大等不利因素，同時(shí)提高分析靈敏度具有顯著改善效果。該工作借助這一方法，合理優(yōu)化電極配置，有序調(diào)控放電模式，在有效增強(qiáng)光譜信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí)，大幅降低放電能耗。該工作的創(chuàng)新點(diǎn)在于：（1）首次提出并利用激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波與外加電場(chǎng)空間零弧度耦合方式，實(shí)現(xiàn)有效放電區(qū)域全方位覆蓋激光等離子體中粒子的擴(kuò)散方向，離子的動(dòng)力學(xué)特征從原始的向外擴(kuò)散變更為放電空間內(nèi)陽極和陰極之間的漂移運(yùn)動(dòng)。這種調(diào)制使得大部分離子被抓捕、約束在有效放電空間內(nèi)，促進(jìn)電能與激光等離子體耦合，大幅降低放電能耗。（2）突破傳統(tǒng)D-LIBS方法，即僅在電容器放電過程中輔助LIBS，將放電增強(qiáng)LIBS拓展到電容器放電和充電的兩個(gè)過程。采用直流電源與充電電容共同作用等離子體間隙的策略，使約束的帶電粒子在電容放電結(jié)束后繼續(xù)在電極之間漂移，并在毫秒尺度維持帶電粒子電遷移運(yùn)動(dòng)特性，大幅延長(zhǎng)等離子體壽命，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)火花和電弧放電的有序調(diào)控以及原子和離子光譜信號(hào)的選擇性增強(qiáng)。

離子動(dòng)力學(xué)調(diào)制LIBS增強(qiáng)原理和思路

上述研究有效解決了在D-LIBS中同時(shí)具備“兩低一高”特性的關(guān)鍵技術(shù)難題。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：與傳統(tǒng)D-LIBS對(duì)比，該成果對(duì)于非平坦樣品實(shí)現(xiàn)了在維持光譜信號(hào)2個(gè)數(shù)量級(jí)提升情況下，放電能耗降低了約1個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)合經(jīng)改進(jìn)的小波變換降噪方法，D-LIBS中譜線信噪比、信背比以及穩(wěn)定性相比原光譜均獲得了顯著提升。微量元素（Mg）的檢出限從近百ppm降低至亞ppm量級(jí)。此外，與傳統(tǒng)D-LIBS及其他LIBS增強(qiáng)技術(shù)相比，微量元素（Mg、Si）探測(cè)靈敏度提高近2個(gè)數(shù)量級(jí)。該研究有助于推動(dòng)節(jié)能環(huán)保建設(shè)以及D-LIBS的廣泛應(yīng)用，同時(shí)，在低燒蝕激光功率密度的極端條件下，為D-LIBS微量或痕量元素定性與定量分析提供了有力的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題、中科院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等的支持。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101267

審核編輯 ：李倩