1 上海理工大学太赫兹技术创新研究院，上海 200093
2 南开大学现代光学研究所，天津 300350
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
飞秒激光成丝辐射太赫兹波兼具宽频带和高强度特性，其物理机制研究已成为近年来的前沿课题。在此领域，本课题组发现太赫兹波沿激光等离子体光丝被限制在亚波长空间尺度内进行传输，即“太赫兹波空间强束缚效应”，并据此提出了能够全面阐述太赫兹波辐射机理的三过程模型，为统一当前主流宏观与微观理论、化解相关文献中重要结论的矛盾奠定了基础。本文以太赫兹波空间强束缚效应为中心，综述了本课题组近年来的一系列研究工作，包括实验探测技术、物理机理解释及多项创新应用等，并对未来的工作进行了展望。
中国激光
2023, 50(17): 1714010
1 上海大学物理系，上海 200444
2 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室，上海 201800
应用纳秒脉冲激光烧蚀铝的动力学模型分析了激光诱导等离子体的演化过程。通过设置有无空腔的不同情况，研究和讨论了空间约束对等离子体和光谱信号的影响，并得到了等离子体演化过程中的电子温度和电子数密度。基于局域热平衡的假设，计算了铝在396.15 nm波长处的谱线强度。与无空腔条件下产生的等离子体相比，有空腔时等离子体的电子温度和电子数密度都明显提高。随着空腔宽度的增加，增强效果减弱，光谱信号强度先升后降，在空腔宽度为1.4 cm处获得最大值。建立了实验装置，实验结果与仿真结果吻合得较好，在同一宽度下得到了最大的信号强度值。模拟和实验结果提供了膨胀过程中等离子体空间和时间分布的数值信息，并解释了空腔存在对等离子体演化产生影响的机制。
光谱学 激光诱导击穿光谱 仿真分析 等离子体演化 空间约束 光谱信号强度
1 江西农业大学工学院，江西 南昌 330045
2 江西省现代农业装备重点实验室，江西 南昌 330045
为提高激光诱导击穿光谱（LIBS）技术对猪饲料中重金属的定量分析精度，以市场常见猪饲料中的Cu元素为研究对象，采用偏最小二乘法（PLS）建立猪饲料中Cu元素定量分析模型，结合空间限域提高LIBS信号强度及定量模型精度，实验所用空间限域腔内腔直径和高度分别为4.5 mm和2 mm。采用九点平滑、标准正态变量变换、多元散射校正等方法对60组猪饲料样品的LIBS进行光谱预处理，并建立PLS预测模型。结果显示，基于圆柱形空间限域，利用九点平滑结合多元散射校正预处理效果最好。传统LIBS条件下预测集相关系数（R）为0.8684，预测均方根误差（RMSEP）为49.3，预测集平均相对误差（ARE）为43.95%；结合空间限域LIBS条件下R为0.9881，RMSEP为14.4，ARE为12.51%。研究结果表明，外加空间限域的LIBS技术能够明显提高猪饲料中Cu元素的光谱信号强度及PLS模型的精度，为猪饲料的精准安全检测提供较好的支持作用。
光谱学 激光诱导击穿光谱 猪饲料 空间限域 偏最小二乘法 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0730002
1 School of Measuring and Optoelectronic Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China
2 Key Laboratory of Opto-electronic Information Science and Technology of Jiangxi Province, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China
3 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics (WNLO), Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
Frontiers of Optoelectronics
2022, 15(2): s12200
1 吉林大学白求恩第一医院核医学科，吉林 长春 130021
2 空军航空大学航空基础学院，吉林 长春 130022
3 吉林大学原子与分子物理研究所，吉林 长春 130012
提高激光诱导击穿光谱(LIBS)的信号强度是提高LIBS探测灵敏度的重要途径。本文以铜靶为烧蚀样品，研究了大气环境中不同空间约束壁数(0、2、3、4)和圆柱形约束壁对激光诱导Cu等离子体光谱的影响，并通过Boltzmann图方法测量了等离子体的电子温度。实验结果表明：当使用约束壁约束Cu等离子体时，Cu原子谱线强度、信背比和电子温度均比不存在约束时明显提高；随着腔体约束壁数增加，Cu原子谱线强度、信背比和电子温度逐渐提高；当腔体约束壁为圆柱形时，Cu原子谱线强度、信背比和电子温度最高。空间约束壁为圆柱形壁时空间约束对等离子体的约束效果最好，光谱信号最优。
光谱学 激光诱导击穿光谱 空间约束壁数 光谱增强 电子温度
1 空军航空大学 航空基础学院，吉林 长春 130022
2 空军航空大学 作战勤务学院，吉林 长春 130022
3 吉林大学第一医院 核医学科，吉林 长春 130021
4 吉林大学 原子与分子物理研究所，吉林 长春 130012
升高样品温度和采用空间约束能提高激光诱导击穿光谱的信号强度，两种技术的结合可以进一步提高激光诱导击穿光谱的光谱强度。本文在空气环境中研究了升高样品温度和空间约束效应两种方法相结合对激光诱导击穿光谱的影响，测量了激光诱导铝等离子体的时间分辨光谱。实验结果表明：升高样品温度能增加激光诱导击穿光谱的信号强度，高温样品能耦合更多的激光能量；当圆柱形腔被用于约束等离子体时，信号强度得到了进一步提高。两个实验条件的结合对于激光诱导击穿光谱信号增强的效果明显强于单独升高样品温度或者单独采用空间约束的增强效果。单一200 °C高温下样品的Al(I) 396.2 nm线强度增加了1.4倍；单一空间约束条件下的Al(I) 396.2 nm线强度增加了1.3倍；而在200 °C和空间约束的组合条件下，Al(I) 396.2 nm线强度增加了2.1倍。这个结合效应增强效果产生主要由于激光照射高温样品产生更强的冲击波，从而能更有效地压缩高温下产生的更大尺寸的等离子体羽，进一步提高了激光诱导击穿光谱的强度。
激光诱导击穿光谱 样品温度 空间约束 光谱增强 等离子体 laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) sample temperature spatial confinement spectral enhancement plasma
1 吉林化工学院理学院, 吉林 吉林 132022
2 吉林大学原子与分子物理研究所, 吉林 长春 130012
3 吉林大学吉林省应用原子分子光谱重点实验室, 吉林 长春 130012
在大气环境中,研究平行板约束对激光诱导PMMA等离子体中CN分子光谱的影响,测量得到的5条光谱峰所处波长分别为388.29 nm(0-0)、387.0 nm(1-1)、386.14 nm(2-2)、385.44 nm(3-3)及385.03 nm(4-4)。实验结果表明,空间约束下的CN分子光谱峰强度明显高于无空间约束下的。另外,通过拟合CN光谱获得了CN分子的振动温度,结果显示,空间约束下的CN分子的振动温度明显高于无空间约束下的振动温度,且高激光能量下的CN分子振动温度高于低激光能量下的振动温度。平行板反射冲击波压缩等离子体羽,使得其温度和数密度增加,增强了激光诱导PMMA等离子体中CN分子的光谱强度。
光谱学 激光诱导击穿光谱 空间约束 光谱增强 振动温度
吉林大学 原子与分子物理研究所, 长春 130012
以硅靶作为烧蚀样品, 研究了空气环境中空间约束的激光诱导击穿光谱.采用5×5组圆柱形约束腔来约束激光诱导的等离子体羽, 直径分别为4、6、8、10、12 mm, 深度分别为2、4、6、8、10 mm.激光脉冲的能量为70 mJ.利用Si(I)390.55 nm谱线分析了不同直径和深度的圆柱形空间约束腔对LIBS光谱强度的影响.结果表明空间约束下激光诱导硅产生的Si(I)390.55 nm光谱强度明显高于无空间约束下的光谱强度.在当前的实验条件下, 不同的约束腔的直径和深度对光谱辐射强度也有较大的影响,当圆柱形约束腔的直径和深度不同时, 获得的光谱强度也是不同的, 表明腔的尺寸对于光发射强度起很重要的作用.腔直径6 mm和深度2 mm的时候Si(I)390.55 nm谱线强度出现最大值.空间约束的增强主要来自激光诱导的等离子体时伴随产生的冲击波, 空间约束腔反弹冲击波并与等离子体进行相互作用, 致使等离子体的温度和密度增加, 最终提高等离子体的光辐射强度.
激光诱导击穿光谱 空间约束 光谱增强 Laser-induced breakdown spectroscopy Spatial confinement Spectral enhancement
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
针对水体重金属污染检测的需求, 研究了以高纯石墨片为水体富集基底, 样品多次富集结合等离子体空间约束的水体重金属LIBS检测方法, 并对Pb, Cu, Cd, Ni等不同重金属元素的测量稳定性及检测限进行了分析。 实验采用波长为1 064 nm的Nd∶YAG调Q激光器, 分辨率为0.1 nm的光纤光谱仪分别对上述水体中重金属元素含量的特征光谱进行分光探测。 结果表明, 样品多次富集结合空间约束方法能够有效地提高水体重金属检测的灵敏度及稳定性并降低元素检测限, 空间约束条件下特征光谱强度增强约2.5倍, 光谱稳定性也得到提高, 相对标准偏差由非约束情况下的11.34%降低至8.77%。 对不同浓度的Pb, Cu, Cd, Ni四种重金属元素进行检测并建立定标曲线, Pb, Cu, Cd, Ni的检测限均低于国家工业废水排放标准的1/6, 满足工业废水重金属的检测需求, 为工业废水重金属的减排控制与超标排放预警监测提供了一种有效方法和技术支持。
激光诱导击穿光谱 空间约束 石墨富集 水体重金属 LIBS Spatial confinement Enrichment of graphite Heavy metal in water 光谱学与光谱分析
2017, 37(5): 1525
江西农业大学工学院生物光电及应用实验室, 江西 南昌330045
为了提高激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对土壤中重金属元素的检测灵敏度, 降低检测限, 以国家标准土壤中Cr元素为研究对象, 实验时, 在LIBS装置中与样品接近的聚焦透镜下方安装一个锥形罩, 锥形罩的小端面直径为20 mm, 大端面直径为45 mm, 目的是对等离子体发射信号形成空间约束, 并且在一定程度上约束等离子体本身。 实验得到CrⅠ425.44 nm的最佳延迟时间为1.3 μs, 相对标准偏差低于10%。 与无锥形空间约束的装置相比, Cr的特征光谱强度增强了7%以上。 以土壤中的Cr在60～400 μg·g-1之间的浓度建立定标曲线, 有空间约束下定标曲线的线性拟合相关系数为0.997 71, Cr的检测限为18.85 μg·g-1, 而没有空间约束下定标曲线的线性拟合相关系数为0.991 22, Cr的检测限为36.99 μg·g-1。 由此表明锥形空间约束能够提高目标元素的灵敏度和光谱强度, 在LIBS技术检测土壤中Cr元素时有很好的辅助作用。
锥形空间约束 重金属 土壤 LIBS LIBS Spatial confinement Heavy metal Soil 光谱学与光谱分析
2013, 33(11): 3120
