为促进LIBS技术在微量重金属元素检测以及核污染检测领域的应用, 提高检测灵敏度和准确性, 采用了激光双脉冲LIBS技术和光电双脉冲LIBS技术, 分别对土壤和二氧化硅中的铀元素进行分析。 首先, 对激光脉冲能量、 电压和采集延时等参数进行优化, 提高铀元素特征谱线的强度和信噪比; 然后在优化实验参数条件下, 对含不同浓度铀元素的土壤样品和二氧化硅样品进行激发; 选取UII 367.01 nm、 UII 454.36 nm两条铀元素的特征谱线作为分析线, 通过铀元素浓度与特征谱线强度的线性关系, 建立定标曲线。 双脉冲激光激发条件为: 激光脉冲1作为预脉冲, 主要参数为1 064 nm, 90 mJ, 9.2 ns, 激光脉冲2作为再加热脉冲, 主要参数为355 nm, 50 mJ, 8 ns, 两个脉冲的时间间隔800 ns, 光谱采集相对第二个脉冲延时1 μs, 得到铀元素在土壤和二氧化硅两种样品中的浓度检测下限分别为572和110 mg·kg-1, 拟合优度值R2分别为0.958和0.999。 在光电双脉冲激发条件下, 激光脉冲作为预脉冲, 主要参数为355 nm, 50 mJ, 8 ns, 高压电脉冲作为再加热脉冲, 主要参数为3 900 V、 方波、 脉宽50 μs, 两个脉冲的时间间隔1 μs, 得到铀元素在土壤和二氧化硅两种样品中的浓度检测限分别为108和64 mg·kg-1, 拟合优度值R2分别为0.991和0.997。 研究结果表明: 在相同激发条件下, 铀元素的特征谱线存在明显的基体效应, 在二氧化硅样品中具有更高的光谱强度、 更低的检测限和更高的拟合优度值; 相比于激光双脉冲, 光电双脉冲能显著增强铀元素特征谱线的强度、 稳定性和提高信噪比, 且光电双脉冲系统的光路更简单, 这对于LIBS技术的发展以及应用具有重要参考意义。 该研究方法和研究结果可为土壤重金属污染检测、 核泄漏时土壤和气溶胶的应急监测提供技术支持。

利用1 064 nm和355 nm两种波长的纳秒激光研究了K9光学元件体内成丝损伤的特点及损伤增长规律。结果表明, 当以高于元件体损伤阈值的能量辐照样品体内时, 必然会在体内形成丝状损伤。两种激光辐照都会在元件体内首先形成等离子通道, 在后续激光的辐照下, 靠近入射激光处的损伤点吸收更多能量发展为更大的成核损伤点, 逐渐向前表面增长, 并伴随大量裂纹的纵向扩展。所不同的是, 355 nm激光诱导元件体内成丝损伤时存在多条丝状通道; 而1 064 nm激光即使在远大于初始损伤阈值的激光能量辐照下, 也没有观察到非常明显的丝状损伤。同时实验也发现, 两种波长诱导的丝状损伤的损伤增长面积随激光辐照发次的增加呈现指数趋势增长, 355 nm导致的损伤增长速度大于1 064 nm对应的速度。

大气气溶胶中重金属污染物能够对生态系统甚至人体造成不利影响, 因而对其中重金属污染物进行检测和分析是有必要的。利用激光诱导击穿光谱 (LIBS) 技术, 对持续收集 20 min 的大气 气溶胶进行金属元素的定性分析和有毒重金属的定量分析, 并重点研究了在本实验系统下气溶胶中 Cr 元素的 LIBS 分析谱线。 随后经归一化处理研究了大气气溶胶中 Cr 元素强度与中国环监总站公布的 PM2.5 和 PM10 含量之间的关系, 通过建立重金属元 素的定标曲线检测了气溶胶样品中重金属元素的含量, 并计算了相关重金属元素的检测限。实验结果表明, 大气气溶胶中含 有 Cr、Na、Mg、Al、Ca、Fe、Ba 等金属元素, 其中 Cr 元素谱线强度与中国环监总站公布的 PM2.5、PM10 数据成正相关, 尤其与 PM2.5 数据相关性更好。本实验建立的重金属元素定标曲线相关系数 R2 在 0.995～0.997 之间, 检测限在 1.9～3.6 mg/kg 之间, 表明该方法可以用于快速检测大气气溶胶中的重金属元素含量。