飞秒激光灯丝的非线性相互作用引起的击穿光谱分析

高能超快激光多光束非线性耦合诱导击穿光谱学。资料来源：超快科学

华东师范大学精密光谱学国家重点实验室的研究团队在超快速激光诱导击穿光谱技术领域取得了重大进展。

该团队最近提出了突破性的等离子体光栅诱导击穿光谱（GIBS）和多维等离子体光栅诱导击穿光谱（MIBS）技术，确定了这些新方法比传统的LIBS和灯丝诱导击穿光谱（FIBS）表现出更高的灵敏度水平。

基材效应和等离子体屏蔽干扰通常困扰着传统的纳秒激光诱导击穿光谱法。另一方面，灯丝诱导击穿光谱法受到峰值功率的限制，使得灵敏度难以提高。为了克服这些障碍，研究小组首先开发了等离子体光栅诱导击穿光谱的技术。

利用两个非共线耦合的灯丝脉冲，这种方法形成了一个等离子体光栅，以克服峰值功率的限制，并增强激励的电子密度，使灵敏度有了质的飞跃，并克服了等离子体屏蔽效应的干扰。

为了进一步增强激发效果，研究小组继续提出了多维等离子体光栅诱导击穿光谱技术。这种方法利用三个非共线和非共面的飞秒脉冲与样品相互作用，产生等离子体光栅。研究小组成功观察到了等离子体光栅的衍射效应，实现了从一维到二维的发展。

二维等离子体光栅的周期性结构和高阶非线性效应大大增强了等离子体密度和功率密度，将击穿光谱检测技术的灵敏度提升到一个更高的水平。研究小组还发现，MIBS技术获得的光谱线信号随着激光能量的增加而增强，当单脉冲能量超过2mJ时，达到更显著的优势。

此外，MIBS技术只需对激发源进行改造，无需引入复杂的样品制备步骤或额外的设备，保留了LIBS技术快速、简单、便捷的优势，使其能够满足特定场景下的原位实时检测需求。

在多光束脉冲激光耦合取得的卓越成果的基础上，提出了专门用于溶液检测的丝状诱导击穿光谱和等离子体光栅诱导击穿光谱（F-GIBS）的新型组合。

通过合理设置灯丝和等离子体光栅之间的冲击延迟，实现了溶液检测的双重激发效果，克服了击穿光谱法在溶液检测中遇到的气泡和飞溅问题，提高了溶液检测的灵敏度和准确性。

随着GIBS/MIBS/F-GIBS技术的发展和应用，适应恶劣现场条件下的移动操作和实现非接触在线原位检测成为可能。这些技术有望在矿物勘探、环境监测、水科学和生命科学等领域找到广泛的应用。

该研究结果发表在《超快科学》杂志上。

参考资料：Mengyun Hu et al, Breakdown Spectroscopy Induced by Nonlinear Interactions of Femtosecond Laser Filaments and Multidimensional Plasma Gratings, Ultrafast Science (2023). DOI: 10.34133/ultrafastscience.0013