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。

为了分析和检测天然玉石表面元素分布情况, 采用再加热正交双脉冲激光诱导击穿光谱技术对天然玉石表面进行二维元素成像分析.实验研究了正交双脉冲激光诱导击穿光谱条件下脉冲间隔和激光能量对原子辐射强度和信背比的影响.在优化的实验条件下, 对天然玉石样品表面36 mm×10 mm范围内进行了二维扫描分析, 获得了烧蚀坑洞直径约为30 μm的玉石样品表面微量元素Fe的二维分布图.结果表明: 再加热正交双脉冲技术能有效地检测天然玉石样品中的微量元素, 并在相同的样品损伤条件下提高了检测灵敏度.该技术不仅可以实现玉石样品的表面元素分布分析, 为玉石鉴定提供参考, 还可以应用于其他固体样品二维元素分布扫描成像分析, 具有较好的应用价值.

以门控脉冲高压电源作为火花放电电源, 研究了火花放电辅助-激光诱导击穿光谱中放电通道与火花放电相对于激光脉冲之间延时的关系.研究结果表明: 在合理的剥离激光能量和电极空间布置下, 调节该延时可以实现由“V”字形放电到平行放电的转变.在“V”字形放电时, 火花放电会扩大烧蚀坑洞的直径、破坏横向空间分辨率; 而在平行放电情况下, 火花放电不会扩大烧蚀坑洞的直径, 从而保证其横向空间分辨率仅由激光剥离来决定.在平行放电的条件下开展了铝合金中铬元素的火花放电辅助-激光诱导击穿光谱定量分析, 其检出限达到了8.8 ppm, 比单纯的激光诱导击穿光谱技术的分析结果改善了8倍.在火花放电辅助-激光诱导击穿光谱技术中采用带外触发控制的火花放电模式, 可以实现平行放电和高横向空间分辨的样品表面元素分析.

为了提高基于等离子体原子发射光谱元素分析技术的分析速度， 在高重复频率的前提下建立了一套激光剥离—火花诱导击穿光谱元素分析系统并以铝合金为样品开展了光谱分析。 实验以低脉冲能量的声光调Q固体激光脉冲剥离样品， 并触发高压火花放电以增强等离子体辐射、 提高光谱分析灵敏度。 研究结果表明： 在高重频火花放电的作用下， 等离子体辐射的峰值强度和弛豫时间分别得到了增强和延长， 信号的时间积分强度增强因子可以达到1～2个数量级， 且更易于实现时间分辨的信号检测。 对铝合金中微量铬元素分析的检出限可达~132 ppm。 该研究验证了高重频激光剥离—火花诱导击穿光谱用于分析固体样品元素的可行性， 其技术有望在固体样品元素的快速分析中发挥一定的作用。 该光谱技术能同时兼顾扫描成像的速度、 空间分辨率和光谱分析灵敏度， 并为固体样品的二维或者三维元素分布的高分辨快速扫描成像分析提供了一种很好的技术途径。

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。