水下激光诱导击穿光谱技术(LIBS)和水下激光拉曼光谱技术(Raman)已在深海成功获得应用, 这两种技术探测对象互补、器件类似, 两者联合探测可更好的进行深海研究。 针对此需求研发了一套LIBS-Raman光谱联合水下原位探测原理样机, 整个系统集成于L790 mm×Φ270 mm的舱体内, 在舱体前端有光学窗口和水密插头, 舱体内部主要包括脉冲激光器、光谱仪、 嵌入式计算机和供电转换装置, 甲板控制终端通过水密电缆实现对系统的供电、 控制和数据采集。 该联合系统采用一台双波长脉冲激光器同时作为LIBS和拉曼光谱的激发光源, LIBS采用1 064 nm波长, 拉曼光谱采用532 nm波长。 双波长激光器发出的光束经分光镜分为两路, 经过后向散射光路收集的两路信号分别进入两个小型光纤光谱仪进行分光探测, LIBS采用AvaSpec-ULS2048光谱仪, 拉曼光谱采用QE 65000光谱仪。 利用搭建的原理样机在青岛近海进行水下原位探测, 在实验室开展了水中固体靶的探测, 实验结果证明了LIBS-Raman联合光谱探测装置的可行性。 下一步将优化系统并开展深海探测应用。

深海热液环境中存在着巨大的化学和热梯度, 快速剧烈的混合和生物合作过程产生了多种多样的矿物合作过程, 并培养了大量的化学合成微生物。激光拉曼光谱非常适合于深海热液环境矿物过程的探测, 然而要对矿物与微生物作用过程进行研究, 还需要与荧光光谱技术进行联合。针对深海热液的探测需求, 研发了一套拉曼-荧光联合光谱水下原位探测原理样机。该联合系统主要通过双波长激光器和两个微型光谱仪实现, 双波长激光器同时发射266 nm和532 nm激光, 其中532 nm激光用来激发拉曼光谱, 266 nm激光用来激发荧光光谱。根据波长不同, 双波长激光被分为两束分别经两片石英玻璃窗口照射到海水或液体样品上。产生的拉曼和荧光光谱经后向散射收集并分别耦合到拉曼和荧光光谱仪中。整个系统集成于L790 mm×Φ270 mm的舱体内, 在舱体前端有光学窗口和水密插头, 舱体内部主要包括双波长激光器、光谱仪、嵌入式计算机和供电装置, 甲板控制终端通过电缆实现对系统的供电、控制和数据采集。利用搭建的原理样机在实验室对海水和拟棱形藻样品进行探测, 实验结果初步证明拉曼-荧光联合光谱探测装置的可行性, 之后系统在青岛近岸进行了实验并获得了实验数据。下一步将优化系统并应用于深海热液环境探测。

光谱技术应用于海底极端环境下多参数、 多相态、 无接触探测已成为深海化学传感器发展的一个重要方向, 尤其是水下激光拉曼光谱技术和水下激光诱导击穿光谱技术正成为目前研究开发的热点。 该工作旨在探索一项水下激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱(LIBS-LRS)联合探测技术, 以实现LIBS和拉曼两种检测技术在检测系统上的整合, 在信息获取上的互补。 在实验室搭建了一套LIBS-LRS联合探测装置, 该装置对于拉曼和LIBS采用同样的激发光源、 光谱仪和探测器, 前置光路分为两部分: 拉曼光路和LIBS光路, 分别收集Na2SO4溶液的拉曼信号和LIBS信号。 前置光路收集的拉曼和LIBS信号由Y型光纤导入光谱仪, 分别在面阵CCD不同区域进行探测。 利用该装置对配置的Na2SO4溶液进行探测, 同时获得了Na元素的LIBS信号和SO2-4拉曼信号。 另外, 随着激光能量的提高, 在532 nm脉冲激光能量超过3.6 mJ时, 在拉曼光路同时获得了Na元素的LIBS信号和SO2-4拉曼信号, 这样采用同一光路即可实现两种光谱技术的联合, 然而实验发现, 随着激光能量的增加, 激光在溶液中击穿产生的轫致辐射造成了光谱探测基线整体的抬升, 对拉曼光谱弱信号的探测是不利的。 实验结果初步证明了在拉曼和LIBS在水下联合探测的可行性。