光声成像和激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是近些年在成像领域发展非常迅速的两种技术, 在医学影像学方面有着巨大的潜力。当激光照射到组织时, 组织表面会同时产生光声信号和等离子体, 光声信号携带着生物组织内光吸收的特征信息, 等离子体特征光谱也可以示踪组织内的元素信息。本文总结了两种技术的研究背景和成像原理, 然后, 通过对光声成像和LIBS成像模式进行分析, 进一步展现了两种技术结合的可能性, 并介绍了它们在病理切片成像和组织金属元素示踪等领域的应用。最后, 我们对两种技术结合的双模态成像系统进行了深入的探讨和展望, 以期其在医学诊断和图像领域发挥重要作用。

X射线诱导声学计算机断层成像(XACT)作为近几年来发展起来的生物医学成像手段之一, 因其具有低X射线辐射剂量、快速三维成像以及多角度可选采集等优点而受到广泛的欢迎, 在生物医学成像方面具有很大的发展潜力。本文总结了XACT的发展背景及研究进程, 并对成像原理进行了详细阐述, 然后分别对基于单元探测器、环形探测器、半球形探测器以及平面矩形探测器的四种成像模式进行了系统的介绍, 同时简单介绍了该技术在乳腺、前列腺及骨密度成像等生物医学领域中的应用。最后, 我们对该技术在X射线剂量监控、质子治疗过程监控以及与同步辐射光源结合进行多模态成像等方面做出展望。多模态成像提供的多维、多尺度的影像学信息将为相关疾病的早期发现、诊断以及治疗监控、效果评估等提供重要参考。

铜铟镓硒(CIGS)纳米薄膜作为一种半导体材料,在太阳能电池领域发挥着重要作用。本文基于磁控溅射技术,在不同溅射功率、工作压强和溅射时间下制备了一系列CIGS纳米薄膜样品,并利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术完成了CIGS纳米薄膜中Ga与(In+Ga)原子比以及Cu与(In+Ga)原子比的定量分析;然后结合每个溅射参数下绘制的单一定标曲线,绘制了两个含量比的综合定标曲线,综合定标曲线的拟合系数均达到了0.99以上,说明拟合效果良好。同时,针对三个随机溅射参数下制备的CIGS纳米薄膜样品,对比了能量色散X射线光谱(EDS)技术和LIBS技术的分析结果,两者之间的误差均小于5%,验证了LIBS技术分析的精确性。本研究为CIGS薄膜的快速分析和性能的及时判定提供了一种新手段,也开发了LIBS技术在薄膜半导体材料领域的新应用。

采用单靶磁控溅射方法在不同溅射时间下制备了铜铟镓硒薄膜,并且利用激光诱导击穿光谱技术实现对铜铟镓硒薄膜中元素含量比的快速定量分析。结果表明:随着溅射时间延长,Ga与(In+Ga)的谱线强度比值以及薄膜的禁带宽度同步变化,均呈先减小后增大的规律;铜铟镓硒薄膜的激光诱导击穿光谱图以及谱线分析、几种元素辐射强度比值的快速定量分析都表明,激光诱导击穿光谱技术能够间接地实现对铜铟镓硒薄膜中元素含量比的快速检测,能够在铜铟镓硒薄膜的性能分析以及制备参数优化方面发挥辅助作用。

铜铟镓硒薄膜中4种元素的含量比对薄膜的性能有非常大的影响。采用磁控溅射方法在不同工作气压下制备了铜铟镓硒薄膜,利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术实现了铜铟镓硒薄膜中Ga含量与(In+Ga)含量之比以及Cu含量与(In+Ga)含量之比的定量分析。分析了不同工作气压下制备的铜铟镓硒薄膜中元素谱线的强度,结果表明:I_Ga/I_(In+Ga)与薄膜的禁带宽度是对应的,均随工作气压的增加而先增大后减小,当工作气压为2.0 Pa时,获得了最大的薄膜禁带宽度;I_Cu/I_(In+Ga)与能谱仪测得的浓度变化一致。LIBS技术能够实现薄膜中元素含量比例的快速检测,不同元素谱线强度的相对比值能够间接反映薄膜中元素含量的比值,验证了LIBS技术在薄膜分析方面的潜力,为优化磁控溅射制备铜铟镓硒薄膜的工作参数提供了方法和技术支持。

钻井液具有携带岩屑、平衡压力等重大作用,为调整其性能,需要对其中的离子进行连续探测。利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对钻井液中的金属元素进行了初步研究,对钻井液中存在的Ca、Na、Mg、K元素进行了LIBS分析,获得了这4种元素的最佳探测条件。结果表明:Ca元素的采集延时为400 ns,采集门宽为1000 ns;Na元素的采集延时为500 ns,采集门宽为1500 ns;Mg元素的采集延时为500 ns,采集门宽为1500 ns;K元素的采集延时为500 ns,采集门宽为1000 ns。这说明采用LIBS技术探测钻井液中的金属元素是可行的。实验光路的搭建、实验参数的确定以及其他影响因素的讨论,都会为将来LIBS技术在钻井液分析中的应用提供有价值的参考。

发动机机油中磨损元素在发动机正常运转中发挥着重要的作用, 对其进行实时检测可以预知事故的发生, 防止发动机进一步磨损, 因此实现机油中磨损元素的探测具有重要的应用价值。归纳了利用原子光谱对机油检测的关键问题, 指出了原子发射光谱技术中的激光诱导击穿光谱(LIBS)技术和其它原子光谱技术在机油样品检测方面的研究进展, 讨论了各种技术的优缺点。介绍了LIBS技术在机油检测方面的优势, 引入了间接烧蚀LIBS技术。该技术不仅保存了LIBS技术本身的优势, 而且大大提高了检测灵敏度。用间接烧蚀LIBS技术探测机油中磨损元素, 具有巨大的应用前景, 对该技术的现场探测应用进行了展望。

机油在发动机的运转过程中具有非常重要的作用。 发动机的运转, 会使机油的成分和元素含量发生变化, 导致机油变质, 进而加剧发动机的磨损, 探寻一种快速有效的机油性能检测手段, 则是防止发生事故的重要前提。 间接烧蚀激光诱导击穿光谱技术（IA-LIBS）是针对机油样品提出的一种全新检测方法, 其核心是基于金属基底产生的高温等离子体间接烧蚀样品, 在保持了LIBS基本特点的基础上, 提高了样品检测灵敏度和稳定性。 在前期研究基础上, 以机油中Mg、 Fe和Ni为目标元素, 分析了不同类型机油中的基体效应对其定量分析结果的影响, 表明不同油种之间的基体效应对目标元素的定标曲线影响甚小, 可忽略; 同时建立了目标分析元素的综合定标曲线, 拟合线性系数达到了0.99以上。 通过对现场机油中添加的已知浓度的目标元素的检测, IA-LIBS分析结果与实际值吻合较好, 准确度均低于5%。 该研究完善了IA-LIBS的方法研究, 为以后评价机油的性能提供了依据, 对于诊断发动机的磨损状况具有重要的科学意义。

受到液体内部复杂环境因素的影响, LIBS技术在针对液体样品的成分检测分析的应用受到很大的制约。 文章提出了一种由超声波雾化器件辅助, 先将液体雾化成空气中密集的雾状小液滴, 然后进行LIBS检测的新方法。 并依据此思路实现了一套由超声波雾化器、 Nd∶YAG激光器(1 064 nm)和ICCD探测器组成的检测系统。 使用该系统对溶解有镁元素的水溶液样品进行了系统实验分析。 实验发现, 即使在相对较低的脉冲能量(30 mJ)下, 该方法诱导的LIBS信号仍具有较长的寿命和较高的信背比。 该方法对Mg元素的检测限能够达到0.242 ppm(10-6 g·g-1)量级。 同时, 文章还利用Hα线对等离子体的电子密度进行了计算, 分析了等离子体演化的特点。