来自华东师范大学的曾和平教授团队及其合作者为大家展示了一种等离子体光栅诱导的激光击穿光谱分析技术。在分析具有复杂基体材料的样品方面具有巨大的潜力。该研究成果发表在期刊《 Advanced Photonics》上。

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS))是一种非常有用的分析测试工具，可以确定固体，液体和气体的元素成分。对于纳秒激光诱导光谱，其等离子体屏蔽效应会限制它的可重复性和可再现性以及信噪比。尽管飞秒激光灯丝诱导的击穿光谱没有等离子体屏蔽效应，但灯丝的功率密度的夹持效应限制了其测量的敏感度。

来自华东理工大学的研究团队及其合作者提出了一种等离子体光栅诱导 的击穿光谱（ plasma-grating-induced breakdown spectroscopy (GIBS)）。这一技术依靠一个等离子体激发源——等离子光栅通过两个非共线的飞秒的灯丝的干涉所产生。研究发现，GIBS可以克服标准分析测试技术如纳秒的LIBS和FIBS技术的限制。GIBS的信号强度的增加可以是FIBS的3倍还要多。基材的效应在使用GIBS的时候也显著的降低，凭借等离子体光栅的高功率和电子密度，GIBS技术在分析具有复杂基体材料的样品方面具有巨大的潜力。

等离子体光栅诱导的击穿光谱分析的实验示意图

激光诱导击穿光谱是一个快速的化学元素分析技术。强大的激光脉冲聚焦在样品表面形成一个微小的等离子体。元素或者分子发射光谱就会从微小的等离子体中发射出来，从而可以用来确定样品的元素组成。

同更加传统的分析技术相比较，如原子吸收光谱和电感耦合等离子体原子发射全谱直读光谱仪（ inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES)），LIBS具有独特的技术优势：不需要对样品进行预处理，可以同时进行多元素探测和实时非接触测量等。这些优点使得这一技术在实际分析固体，液体和气体的时候非常方便。

传统的LIBS及其拓展

传统的LIBS系统基于纳秒脉冲激光 (ns-LIBS) 建立的系统具有一些不利的地方，主要受到激光的功率密度，长的脉冲持续时间和等离子体的屏蔽效应等因素的影响。这些因素带来的不利影响是可重复性差以及信噪比的问题。飞秒LIBS(fs-LIBS) 则可以排除等离子体屏蔽效应的影响，这是因为超短脉冲的持续时间限制了激光与物质的相互作用时间。飞秒脉冲具有高的功率密度，因此材料可以有效的离子化和分散开来，导致一个较高的信噪比背景和更加精确的光谱分辨率。

灯丝诱导的击穿光谱（Filament-induced breakdown spectroscopy (FIBS) ）整合了LIBS技术和飞秒激光灯丝技术。一个单个的激光灯丝是克尔自聚焦（Kerr self-focusing）和散焦机构之间的相互作用而形成的，在一个超短脉冲的扩展中表现出来，在透明的大气介质中呈现处出高能量强度的光束。飞秒激光灯丝产生的长且稳定的激光等离子体通道，可以确保激光功率的稳定性和提高测量的稳定性。然而，在激光能量增加的时候，其功率和电子密度会饱和。

等离子光栅

比较幸运的是，激光强度的夹持效应可以通过多个飞秒灯丝之间的非线性相互作用诱导产生的等离子体光栅来克服。在等离子体光栅中的电子密度已经倍证明是在灯丝中的一个数量级还要高。

基于以上优势，来自华东师范大学的曾和平领导的研究团队，在最近为大家展示了一个新颖的技术：等离子体光栅诱导的击穿光谱（plasma-grating-induced breakdown spectroscopy (GIBS)）。GIBS可以有效的克服ns-LIBS，fs-LIBS和FIBS的缺点，其信号的强度可以提高到以前的三倍以上，等离子体光栅诱导的等离子体的寿命是FIBS有所诱导的同一初始脉冲的几乎两倍。量化分析表明这也是可行的技术，因为不存在等离子体屏蔽效应，高的激光功率和等离子体光栅的电子密度等。

曾和平教授则认为，GIBS技术可以成为探测样品的有效的工具，尤其是这些样品不易熔化或者不易分解，同时可以作为数矩阵的样品。

研究人员会使用来自两个非共线的fs灯丝到消除的的干涉所产生的等离子体光栅来探测样品。两个灯丝的相互作用导致了更加强烈的电子加速和碰撞，因此在等离子体光栅内部的局部电子密度就比单一fs灯丝所得到的要高。采用GIBS所探测的光谱线 信号强度是单一FIBS系统所探测的信号强度的三倍还要多。等离子体诱导的光栅的寿命明显得到延长。最后，研究人员展示了使用GIBS技术，对可以进行离子化和分解的材料，有效的导致了基体效应的影响。GIBS技术可以作为用来探测难以熔化，或难以分解以及具有复杂基材的样品的探测分析。

曾和平简介：2006年获得国家杰出青年科学基金，2016年作为负责人承担国家基金委创新群体“分子精密光谱与精密测量”项目。国际学术兼职包括European Physical Journal D编委、加拿大Laval大学教授等，2016年因“探明强场分子超快过程的重大贡献以及高功率超短脉冲光纤激光与红外单光子探测的持续技术进展”当选为美国光学学会会士（OSA Fellow）。

近年来发表学术论文 250余篇，包括7篇Phys. Rev. Lett.、45 篇Appl. Phys. Lett.、 30余篇Opt. Lett.、40余篇Opt. Express、40余篇Phys. Rev. A等，国际会议作邀请报告30余次，授权发明专利50余项；作为大会组委会主席或共主席组织国际学术会议20余次。

文章来源：Mengyun Hu et al, Plasma-grating-induced breakdown spectroscopy, Advanced Photonics, 2(6) ， 065001 (2020). 和华东师范大学官网。