为了更好地解决正交双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)技术中再加热激光能量利用率低、信号增强效果不理想的难题,本研究团队建立了靶增强正交DP-LIBS技术,并研究了其信号增强机理。将再加热激光作用于铝靶表面产生靶等离子体,通过靶等离子体与样品等离子体的相互作用来显著增强样品元素的信号强度。以黄铜为样品,本团队通过实验研究了脉冲延时对原子辐射强度的影响,并分析了等离子体温度变化和光学辐射的时域演化特性。研究结果表明:在优化的实验条件下,靶增强技术可以在传统再加热正交DP-LIBS的基础上,使样品元素的信号强度继续显著增强。信号增强主要来自等离子体温度的升高和碰撞机制。该技术能显著增强正交DP-LIBS的信号强度,对于进一步提高正交DP-LIBS的光谱分析灵敏度、取得更理想的分析效果具有较重要的科学意义。

为了了解在高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱中原子辐射的时域特征,选择925银合金为样品,采用高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱技术,通过实验研究了不同电容条件下Ag I 328.07 nm、Ag I 338.29 nm、Ag I 520.91 nm、Ag I 546.55 nm、Cu I 324.75 nm、Cu I 510.55 nm原子辐射谱线的时域图。尽管这些谱线对应于不同的上能级,但由于火花放电的作用,原子辐射在时域上表现出了非常相近的特点。原子辐射的维持时间和衰减特性主要由火花放电的电学参数决定,上能级的能量高低对它们的影响并不明显。在高重复频率激光剥离-火花诱导击穿光谱中,非门控信号记录模式下记录的光谱近似等效于门控信号记录模式下记录的光谱,可以用于开展元素的定量分析,这有助于降低该技术对门控光电探测器件的要求。

为了实现对水中有害重金属元素铅的超灵敏快速检测,保证饮用水源的安全,对激光诱导击穿光谱(LIBS)-激光诱导荧光(LIF)联用技术进行研究;采用木片吸水将液体样品分析转换为固体样品分析,消除了采用LIBS技术直接分析水样品时水对原子辐射以及光学收光系统的影响;采用一束可调谐染料激光共振激发激光等离子体中的铅原子,探测其LIF以大幅提高光谱分析的灵敏度;在优化的实验条件下得到水中铅的校正曲线。结果表明,在当前实验条件下铅的检出限可达到3.2×10 ^-9,LIBS-LIF联用技术结合木片吸水法可以直接应用于水环境中痕量铅元素的超灵敏快速检测,从而可监控有害重金属造成的水源污染。

为了消除在激光诱导击穿光谱(LIBS)信号检测时等离子体中强的轫致电子辐射对光电倍增管和前置信号放大器造成的不良影响, 提高信号检测灵敏度, 设计了一种基于CR110的门控端窗光电倍增管并用于LIBS中的微弱信号检测。该门控光电倍增管与前置信号放大器组合运用既可以成功抑制激光等离子体中强的轫致电子辐射的背景干扰, 又可以进一步放大微弱的原子辐射信号, 提高光谱分析的灵敏度。用LIBS分析铝合金标样中的微量铬元素, 采用该门控光电倍增管时其检出限可以达到5.55 ppm, 与采用普通光电倍增管的相比改善了近6倍, 显示出该门控光电倍增管在时间分辨信号检测领域良好的应用效果。

为了实现高空间分辨的元素显微分析, 基于OPA 695运算放大器制作了一种门控信号放大器, 用于正交双脉冲激光剥离激光诱导击穿光谱中的微弱信号检测。该门控信号放大器成功地消除了激光等离子体中强的电子轫致辐射背景的干扰, 选择放大了微弱的原子辐射信号, 提高了光谱分析的灵敏度及其空间分辨率。实验分析了铝合金标样中的主量铝元素和微量铜元素, 当前实验条件下, 其横向空间分辨率分别达到约0.9和1.2 μm, 与不采用该门控信号放大器时所达到的2.9和6.2 μm的结果相比有明显的改善。该门控信号放大器具有低成本的优势, 对具有时间分辨特点的强背景下的微弱信号检测具有较好的应用价值。

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的分析灵敏度会明显受到等离子体中电子轫致辐射的影响。由于电子轫致辐射的弛豫时间一般比原子辐射的弛豫时间短，因而可以采用时间分辨的信号检测技术来提高信号与背景之比。采用带有一种简单的新门控电路的光电倍增管来检测LIBS 中的信号并以更高的分析灵敏度分析了铝合金样品中的铜杂质。该门控光电倍增管对背景的抑制比可达15∶1。铝合金中铜的检出限达到了1.02×10^-6，与不采用门控技术相比有明显改善。这种门控的光电倍增管可以用于降低LIBS 技术中背景辐射的影响，同时改善LIBS 的分析灵敏度和空间分辨本领。

Laser-ablation laser-induced breakdown spectroscopy (LA-LIBS) based on single Nd:YAG laser is used to analyze copper impurity in silver jewellery with enhanced sensitivity and minimal sample ablation. 6-30 folds signal enhancement can be achieved under the re-excitation of the breakdown laser and the spatial resolution is only determined by the ablation laser. 50 ppm limit of detection of copper is achieved when the crater diameter is 17.2 \mu m under current experimental condition. This technique gives higher analysis sensitivity under the same sample ablation in comparison with single pulse (SP) LIBS. It is useful for high sensitive element microanalysis of precious samples.

当聚焦激光束在焦平面上的光强分布为高斯分布时，理论推导了激光能量与激光在样品表面所烧蚀的坑洞半径的关系。以铝箔、铝反射镜和热敏相纸为样品，用显微镜测量出不同能量的脉冲激光在样品表面烧蚀的坑洞半径并通过数值拟合来实现对聚焦激光束的焦点光斑尺寸和样品剥离阈值的同时测量。对于脉宽为15 ns、波长为532 nm的激光，测得铝和热敏相纸的剥离阈值分别为2.5 J/cm2和0.25 J/cm2。光斑尺寸和剥离阈值两个参量的测量误差均约为±10%。该技术能够同时且简便地测量出聚焦激光束焦点的光斑尺寸和样品的剥离阈值，对研究固体与激光相互作用以及评价激光束聚焦的特性有一定的应用价值。

采用正交几何配置的双波长双脉冲激光烧蚀-激光诱导击穿光谱技术准确测量了铝合金样品的激光烧蚀阈值。在烧蚀激光波长为532 nm、脉宽为12 ns并采用焦距为2 cm的非球面透镜强聚焦的条件下, 得到铝合金的激光能量烧蚀阈值为48 μJ, 等效的能量密度烧蚀阈值为9.8 J/cm2。该技术是一种新的激光烧蚀阈值的光谱测量手段, 与传统的测量技术相比, 具有高灵敏、准确、快捷和便利的特点, 可以用于不同材料的激光烧蚀阈值的准确测量。