飛秒激光燈絲的非線性相互作用引起的擊穿光譜分析

高能超快激光多光束非線性耦合誘導(dǎo)擊穿光譜學(xué)。資料來源：超快科學(xué)

華東師范大學(xué)精密光譜學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊在超快速激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。

該團(tuán)隊最近提出了突破性的等離子體光柵誘導(dǎo)擊穿光譜（GIBS）和多維等離子體光柵誘導(dǎo)擊穿光譜（MIBS）技術(shù)，確定了這些新方法比傳統(tǒng)的LIBS和燈絲誘導(dǎo)擊穿光譜（FIBS）表現(xiàn)出更高的靈敏度水平。

基材效應(yīng)和等離子體屏蔽干擾通常困擾著傳統(tǒng)的納秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜法。另一方面，燈絲誘導(dǎo)擊穿光譜法受到峰值功率的限制，使得靈敏度難以提高。為了克服這些障礙，研究小組首先開發(fā)了等離子體光柵誘導(dǎo)擊穿光譜的技術(shù)。

利用兩個非共線耦合的燈絲脈沖，這種方法形成了一個等離子體光柵，以克服峰值功率的限制，并增強(qiáng)激勵的電子密度，使靈敏度有了質(zhì)的飛躍，并克服了等離子體屏蔽效應(yīng)的干擾。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)激發(fā)效果，研究小組繼續(xù)提出了多維等離子體光柵誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)。這種方法利用三個非共線和非共面的飛秒脈沖與樣品相互作用，產(chǎn)生等離子體光柵。研究小組成功觀察到了等離子體光柵的衍射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了從一維到二維的發(fā)展。

二維等離子體光柵的周期性結(jié)構(gòu)和高階非線性效應(yīng)大大增強(qiáng)了等離子體密度和功率密度，將擊穿光譜檢測技術(shù)的靈敏度提升到一個更高的水平。研究小組還發(fā)現(xiàn)，MIBS技術(shù)獲得的光譜線信號隨著激光能量的增加而增強(qiáng)，當(dāng)單脈沖能量超過2mJ時，達(dá)到更顯著的優(yōu)勢。

此外，MIBS技術(shù)只需對激發(fā)源進(jìn)行改造，無需引入復(fù)雜的樣品制備步驟或額外的設(shè)備，保留了LIBS技術(shù)快速、簡單、便捷的優(yōu)勢，使其能夠滿足特定場景下的原位實(shí)時檢測需求。

在多光束脈沖激光耦合取得的卓越成果的基礎(chǔ)上，提出了專門用于溶液檢測的絲狀誘導(dǎo)擊穿光譜和等離子體光柵誘導(dǎo)擊穿光譜（F-GIBS）的新型組合。

通過合理設(shè)置燈絲和等離子體光柵之間的沖擊延遲，實(shí)現(xiàn)了溶液檢測的雙重激發(fā)效果，克服了擊穿光譜法在溶液檢測中遇到的氣泡和飛濺問題，提高了溶液檢測的靈敏度和準(zhǔn)確性。

隨著GIBS/MIBS/F-GIBS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，適應(yīng)惡劣現(xiàn)場條件下的移動操作和實(shí)現(xiàn)非接觸在線原位檢測成為可能。這些技術(shù)有望在礦物勘探、環(huán)境監(jiān)測、水科學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域找到廣泛的應(yīng)用。

該研究結(jié)果發(fā)表在《超快科學(xué)》雜志上。

參考資料：Mengyun Hu et al, Breakdown Spectroscopy Induced by Nonlinear Interactions of Femtosecond Laser Filaments and Multidimensional Plasma Gratings, Ultrafast Science (2023). DOI: 10.34133/ultrafastscience.0013