用Nd∶YAG激光诱导激发土壤等离子体, 研究了环境压力(在1.01×105与1×102 Pa之间)对土壤等离子体辐射特性及元素检出限的影响。 结果表明, 随着气压的降低, 土壤等离子体的谱线强度、 信背比先增大后减小, 最高均可达常压下的1.69倍; 电子密度同样呈现先增大后减小的趋势, 在气压8×104 Pa下达到最大值3.56×1016 cm-3, 比常压下高出1.5×1015 cm-3; 在气压8×104 Pa下诱导激发等离子体发射光谱与常压下相比有较好的稳定性和较高的精密度。 20次重复实验得到土壤等离子体分析线信号强度的相对标准偏差为1.1%, 明显低于常压下的3.5%, 低气压下稳定性显著提高。 应用内标法对自制土壤中Pb元素建立定标曲线, 计算得到气压8×104 Pa下土壤中Pb元素的检出限为57.27 mg·kg-1, 较常压下降低了39.23 mg·kg-1。 表明适当的低压环境可以有效提高LIBS的光谱检测灵敏度, 改善元素分析的检出限以及增加光谱定量分析的准确度和精密度。

采用长脉宽激光(500 μs)作为激发光源, 研究了长脉宽激光在低能量密度条件下诱导击穿土壤等离子体的光谱特性。 实验发现, 在长脉宽激光的激发下等离子体光谱特性与纳秒及超短脉宽激光相比存在较大的差异, 在402~409 nm波段和420~436 nm波段, 土壤等离子体光谱均没有出现强烈的连续背景辐射阶段, 所激发产生的等离子体发光寿命可持续220~270 μs。 特征谱线PbⅠ405.78 nm和CrⅠ425.43 nm分别在210和190 μs时出现, 且谱线强度均随时间延长而逐渐增加, 分别在延时320和350 μs时达到最大值。 研究结果表明, 采用长脉宽激光作为激发光源, 增加了激光与物质相互作用的时间, 有助于激发形成发光时间较长的“准稳态等离子体”; 应用内标法建立了Pb和Cr元素校准曲线, 8次重复实验得到分析线与内标线净信号强度比值的相对标准偏差为2.21~6.35%, 长脉宽激光激发产生的等离子体发光稳定; 计算得到土壤中Pb和Cr元素的检测限分别为34.7和40.0 mg·kg-1, 达到国家土壤环境质量标准规定的一级含量要求; 长脉宽激光激发产生等离子体的电子温度为6 612 K, 电子密度为3.7×1017 cm-3, 达到了局部热平衡状态。

为了提高激光诱导击穿光谱的质量, 探索便捷的等离子体辐射增强方法, 采用自体空间约束的方法, 研究了铜合金自体小孔约束对激光诱导等离子体辐射的增强作用。 在常压空气中, 利用Nd∶YAG脉冲激光器作为激发源, 诱导激发HPb59-1铅黄铜合金样品, 由光栅光谱仪和ICCD采集光谱, 分析了Cu和Pb元素的等离子体辐射强度随自体小孔尺寸的变化情况, 得到自体小孔约束的最佳尺寸为直径3.0 mm、 深度1.5 mm。 与无约束时相比, Cu和Pb的谱线强度分别提高了38.3%和35.4%, 信背比提高了200.2%和137.5%。 研究结果表明, 自体小孔约束方法能够有效改善激光诱导击穿铅黄铜合金样品的谱线质量, 避免外加约束结构的内壁污染对实验结果的干扰, 方法简单易行。

应用Nd∶YAG脉冲激光器(532 nm)作为光源, 诱导激发TU0Cu样品。 以光栅光谱仪和ICCD为谱线分离与探测器件, 在30～110 mJ激光能量范围和触发后211～230 μs时间范围内对Cu(Ⅰ)特征谱线324.754, 327.396, 510.554, 515.324和521.320 nm的自吸收特性进行比较研究。 研究表明, 特征谱线自吸现象随时间增加逐渐减弱, 经过5～20 μs逐步消失; 在50～100 mJ能量范围内, 随着激光能量的增大, 谱线的自吸收程度增加, 持续时间变长。 同时特征谱线的自吸收特性因谱线跃迁能级状态不同而存在差异, 具有相同原子组态的324.754, 327.396 nm和515.324, 521.320 nm两组谱线的自吸收程度随时间和激光能量的演变以及自吸持续时间随能量的变化都分别表现出相似的特征, 且总角动量J较大(324.754 nm, 1/2-3/2; 521.320 nm, 3/2-5/2)的谱线自吸收程度相对明显, 持续时间较长, 受能量变化影响敏感, 自吸收程度随能量变化幅度也较大。 谱线510.554 nm(3d104p-3d94s2)在能量小于80 mJ时自吸程度较低, 持续时间较短; 能量在80～100 mJ范围内时自吸程度加大, 持续时间变长。

利用激光诱导击穿掺杂Cr、Cu 元素的自制土壤样品，对元素特征谱线的信背比随含量的变化情况进行对比分析，并选择常用谱线Cr(I) 425.435 nm，427.481 nm、Cu(I) 324.754 nm，327.396 nm，利用相应Fe 谱线作为内标作出校准曲线，计算检出限，研究谱线跃迁能级的原子组态、角动量和跃迁几率等微观特性对校准曲线和检出限的影响。研究结果表明，信背比高的谱线得到的检出限相对较低，对元素检测更为敏感；谱线的信背比与谱线对应的跃迁几率无关。跃迁原子组态相同的谱线的信背比随含量变化显示出相同的变化趋势，其中角动量相对较大的谱线Cr(I)425.435 nm(4-3)和Cu(I) 324.754 nm(3/2-1/2)激发状况较好，得到的校准曲线的线性拟合值也相对较高，检出限相比于角动量小的谱线Cr(I) 427.481 nm(3-3)和Cu(I) 327.396 nm(1/2-1/2)分别降低了11%和42%，对元素检测的灵敏度更高，更适合作为元素检测的特征谱线。

采用Nd∶YAG 脉冲激光器输出单脉冲序列激光重复作用于土壤样品表面同一位置使其形成熔穴，由光栅光谱仪和ICCD 采集每个激光序列脉冲的等离子体发射光谱，研究了激光诱导熔穴对土壤样品等离子体辐射特性的影响。实验结果显示，在熔穴的约束作用下，Cr和Pb 元素的谱线强度和信背比都随激光序列脉冲个数的增加呈先增大后减小的变化趋势；熔穴约束的最佳尺寸为直径1.0 mm、深度2.5 mm。随着激光脉冲个数的增加，FeⅠ422.64 nm自吸程度逐渐降低直至消失。研究结果表明，在熔穴孔径的约束作用下，谱线强度和信背比大幅提高，等离子体电子温度升高，有效地降低了谱线的自吸程度。