激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,简称为LIBS)是采用聚焦的高能量脉冲激光入射到样品的表面产生等离子体,通过分析该等离子体的辐射光谱,从而推导出样品的元素组成成分及含量。LIBS技术具有很多显著优点：能够探测所有元素,可同时检测多种元素,无需真空,样品制备简单或无需制备,被分析样品几乎无损,可以实时分析,原位探测和远程探测等。因此自出现以来,LIBS技术就引起大家的广泛注意,并成为极有实用价值的光谱分析技术之一。目前该技术已成功应用于高危险的化学和生物分析、地质勘探、艺术品的检测以及深空探测等众多领域。但是,探测极限差、分析精度低,导致LIBS的探测灵敏度低已成为该技术发展的瓶颈问题,如何进一步提高探测灵敏度也是未来LIBS技术的主要研究方向。本论文的主要研究工作分别采用新型的空间约束装置、将磁场和空间约束相结合、双脉冲激发,以及双脉冲激发和空间约束相结合等技术手段来进一步提高激光等离子体的发光强度和分析精度,从而实现进一步提高LIBS的探测灵敏度。经过大量的研究工作,取得的主要研究成果和创新点如下：(1)首次采用新型的铝制半球形腔约束装置应用于单脉冲LIBS分析中,实现了激光诱导冲击波对等离子体的三维均匀压缩效果。该半球形腔空间约束装置不仅可以增强样品中高含量元素的原子光谱,也能增强样品中低含量的元素的原子光谱谱线强度。采用圆筒管型二维约束机构可以使得等离子体强度最佳增强倍数为9倍,而采用该半球形腔三维空间约束装置的最佳光谱增强效果可达12倍,增强效果明显。(2)首次在国内外提出磁场约束与空间约束相结合的LIBS光谱增强方案,设计并研制了磁镜与半球形腔空间约束相结合的磁-空双重约束装置。实验结果表明,该装置能有效实现最佳磁场约束增强与最佳空间约束效果的叠加,达到磁-空混合增强的效果,其最佳增强效果可达24倍。(3)采用双脉冲激发探索了激光双脉冲在不同时间间隔条件下激光等离子体粒子的散射和光谱增强效应,提出了第一束光激发后产生的等离子体冷凝后悬浮于烧蚀坑附近的观点。通过对铝等离子体冷凝后的颗粒再次加热激发后不仅成功改进了A1原子光谱谱线的分辨率,还改进了A1原子谱线线宽,同时,抑制了A1原子光谱谱线的自吸收效应。(4)首次提出将空间约束与双脉冲LIBS相结合的增强方案,并成功将平行面板应用于双脉冲激发的LIBS中,在调整平行面板距离后接着调整两激光脉冲之间的时间间隔,从而获得平行面板空间约束条件下,双脉冲LIBS的最佳增强效果。最佳的增强效果可以达到168.6倍。本论文所研究开发的半球形空间约束,磁-空双重约束以及空间约束与双脉冲LIBS相结合的混合增强技术对激光等离子体的光谱增强效果显著,设计制作简单,成本低,具有十分广阔的发展空间和应用前景。同时也为提高LIBS探测灵敏度提供了一系列全新的研究方法。
