光谱信号增强是提高激光诱导击穿光谱技术分析性能的重要手段之一, 对等离子体进行空间约束由于装置简单且约束效果好而常被采用, 等离子体的特性会直接影响空间约束的效果, 而等离子体的特性与实验系统中激光的聚焦情况密切相关, 为研究激发光源的聚焦情况对半球形空腔约束等离子体光谱增强特性的影响, 通过控制透镜到样品之间的距离(LTSD)来改变激光的聚焦位置, 分别在无约束和有半球形空腔约束两种实验条件下, 烧蚀合金钢产生等离子体, 采集15个不同LTSD位置时等离子体的时间演变光谱, 得到谱线强度和增强倍数随着LTSD和采集延时的二维空间分布图。 研究结果发现: 无约束情况下, 谱线强度分别在LTSD为94和102 mm时出现峰值, 在采集延时小于8 μs时, 谱线强度的最大值在LTSD为94 mm的位置, 采集延时大于8 μs后, 谱线强度的最大值出现在LTSD为102 mm的位置; 当用半球空腔约束等离子体, 谱线强度先后在采集延时范围为4~10和12~15 μs出现第一次增强和第二次增强。 谱线强度出现第二次增强的主要原因是被半球腔内壁反射的冲击波与等离子体相互作用后会继续向前传播, 遇到另一侧的腔壁再次被反射, 进而对等离子体产生二次压缩。 分析增强倍数随LTSD和采集延时的二维变化关系发现, 第一次增强的最大增强倍数随LTSD的变化没有明显规律, 增强倍数在2~6之间波动; 谱线第二次增强时的增强倍数相对较高, 最大增强倍数随着LTSD变化呈现出先增大再减小, 然后再小幅增加后降低的变化规律, 在LTSD为96 mm时达到最大值, 两条谱线的最大增强倍数约为6倍。 分析出现最大增强倍数对应的延迟时间发现, 第一次增强出现的最优延迟时间在6~9 μs之间变化, 当LTSD在85~93 mm范围时, 最优延迟时间保持不变, 当LTSD在94~105 mm时, 出现先降低再增大的变化规律; 第二次增强出现的延迟时间主要在14~15 μs, 随着LTSD的变化没有明显的变化规律。

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。