能态选择性激发抑制激光诱导击穿光谱的自吸收效应研究

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), a technique for rapid elemental analysis, is promising in a wide range of application fields including metallurgy, soil analysis, food and pharmacy. However, the optical signal distortion and the low analytical precision remain as a challenge due to the self-absorption effect, where the photons emitting from inner plasma are absorbed by the ground-state atoms of the same element present at outer plasma. This project aims to overcome the self-absorption effect by utilizing the stimulated absorption principle. A wavelength-tunable laser will excite the transition of the ground-state atoms selectively, significantly reducing the number of ground-state atoms in outer plasma. As the result, the self-absorption effect can be restrained or even eliminated. The project will investigate the mechanism and rules of laser interaction with various different ground-state atoms, time-resolved distribution of various element atoms in laser plasma, post-excitation spectral properties of plasma, and mathematical and physical model of the non-self-absorption plasma.. The correlation between the spectral intensity of the laser-induced plasma and the elemental concentration will be established finally. The study will solve the long-standing scientific and technical problem of self-absorption in laser-induced plasma, improving the accuracy, precision and reliability of quantitative LIBS analysis, forming a solid theoretical and technical foundation for LIBS applications.

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种快速成分分析技术，在冶金、土壤、食品和制药等方面有重要的应用前景。由于激光等离子体外层聚集的大量基态粒子对其中心同类元素发射光谱的受激吸收而产生自吸收效应，导致LIBS的光信号失真，定量精度低。本项目利用基态粒子的受激吸收原理，拟采用波长可调谐激光对等离子体中基态粒子的能态跃迁进行选择性激发，以大幅减少等离子体外层基态粒子数量，从而有效抑制其对等离子体中心发射光谱的自吸收。因此，将系统研究不同元素基态粒子对能态选择性激发激光的相互作用机理和规律，等离子体内各能态粒子分布变化规律，激发后等离子体发射光谱特性，无自吸收等离子体的数理模型构造，在此基础上建立激光等离子体发射光谱强度与物质含量之间的对应函数关系。项目成果有望从根本上解决激光等离子体自吸收效应的科学难题，大幅提高LIBS定量分析的准确度、精密度和可靠性，为LIBS技术的广泛应用提供有力的理论依据。

为从根本上解决传统的激光诱导击穿光谱（LIBS）技术由于等离子体发射光谱的自吸收效应导致的光信号失真和定量精度下降，本项目利用基态粒子的受激吸收原理，采用波长可调谐（OPO）激光对等离子体中基态粒子的受激跃迁能级进行选择性激发，以大幅减少等离子体外层基态粒子数，从而有效抑制其对中心发射光谱的自吸收效应。.项目首先对LIBS自吸收效应的时空演化规律进行了探究。设计并搭建了分辨率100μm的空间分辨光谱采集装置，利用金属单质、合金样品和土壤粉末压片中的主量和微量元素进行时间和空间分辨实验，获得了不同激光能量、光谱仪采集参数、环境气压等条件下自吸收系数SA、等离子体温度和电子数密度的空间分布。.然后基于激光诱导荧光辅助LIBS系统，对不同元素等离子体粒子与能态选择性激发激光参数之间的相关性进行系统探究，提出利用共振激发中激光受激吸收抑制自吸收效应（LSA-LIBS）的新方法，根据定标曲线拟合公式推导出适用于微量元素的自吸收评价指标——系统自吸收因子α，采用土壤和钢铁样品进行实验，通过自吸收系数SA和α因子的精确计算，验证了LSA-LIBS对主量和微量元素自吸收抑制的普适性。.利用UV级石英透镜将OPO激光束聚焦到等离子体上，对微合金钢中Cu和Cr元素进行空间分辨研究，结果表明各元素在等离子体的空间分布具有差异性，进而提出了空间选择性共振激发抑制自吸收（SS-LSA-LIBS）方法。.全面比较了传统LIBS、LSA-LIBS和SS-LSA-LIBS的自吸收抑制效果和定量分析性能，定标曲线决定系数均大于0.99。对于SS-LSA-LIBS，Cu元素α因子为1.527，比LIBS和LSA-LIBS降低86%和54%；Cr元素α因子为0.116，分别降低93%和11%。表明SS-LSA-LIBS抑制自吸收效果极好，大幅提高了定量准确度。.项目研究共发表SCI论文37篇，授权12项专利，在国际、国内学术会议上做特邀或邀请报告5次、口头报告1次，3名博士和4名硕士毕业生受本项目支持。.本项目提出了LSA-LIBS和SS-LSA-LIBS两种从根本上抑制自吸收的技术手段，提高了LIBS对于微量元素的定量精度，具有较大的科学意义，其技术成果还可在冶金、勘探和生命科学等方面获得广泛应用。