不同击穿条件水下LIBS的时空特性及等离子体生长机制研究

The spectroscopic technique is now of great interests for the development of in-situ chemical sensors in ocean exploration. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been proven to be an attractive technique for in-situ marine applications, with specific advantages of multi-elemental and stand-off analysis capabilities. However, compared with the extensive studies of LIBS in gas environment, the investigations of LIBS inside liquids remain rare, and the mechanism of plasma evolution in water is still less well understood, which has limited the practical applications of underwater LIBS technique. The purpose of this project is therefore to characterize the LIBS process in bulk water from a fundamental point of view. The spectroscopic, imaging and acoustic techniques will be used to study the temporal and spatial evolutions of LIBS in bulk water under different breakdown conditions. Also, a simulation study of the plasma growth process during early stage will be performed based on the moving breakdown model. This project will not only give an insight into the mechanism of plasma formation in water, but also provide some valuable suggestions for the practical applications of underwater LIBS technique in ocean exploration.

光谱类传感器已成为新型海洋化学原位传感器发展的热点。激光诱导击穿光谱（LIBS）技术由于具有快速、非接触、多元素同时探测的优势，其在海洋原位探测中的应用正受到越来越多的关注。然而与常规的LIBS用于气体或固体的分析相比，水下LIBS的研究相对滞后，尤其是水下LIBS的时空演化规律、水下等离子体物理机制等一系列机理问题尚不明确。这也极大制约了水下LIBS技术的实用化。在此背景下，本项目围绕水下LIBS的机理问题，通过光谱、图像、声学多种诊断方法相结合，研究不同击穿条件下的水下LIBS的时空演化特性，并基于动态击穿模型进行水下等离子体早期生长过程的模拟研究，探讨水下等离子体的生长机制。该项目的实施一方面有助于加深对水下等离子体及水下LIBS物理机制的理解和认识，另一方面可望为水下LIBS技术提供有价值的参数依据和方法建议，促进LIBS技术在海洋原位探测中的实际应用。

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术具有快速、非接触、多元素同时探测的优势，已被证明在海洋原位探测方面有很大的应用潜力，然而目前尚未真正迎来实用化。受水体环境的影响，水下激光诱导等离子体温度低、寿命短，且可能发生多重击穿现象，导致水下LIBS信号较弱，重复性较差。本项目围绕水下LIBS的探测机理问题，以水体（bulk water）为研究对象，在实验室搭建了水下LIBS光谱及等离子体诊断实验平台，重点开展了“水下等离子体辐射特性”、“激光聚焦条件的影响”、“环境水体压力的影响”三方面的研究工作。（1）采用了时间分辨光谱、光谱分辨成像、纹影成像等多种诊断方法相结合，系统的研究了水下LIBS离子、原子和分子辐射的时间演化和空间分布规律，评估验证了CaOH分子光谱在定量分析中的独特优势，为水下LIBS分析谱线的选择提供了新的思路。（2）首次展示了激光聚焦几何结构对水下LIBS探测的重要作用，通过降低球面像差并增大聚焦角度，显著提高了水下等离子体的稳定性和LIBS光谱的可重复性，并且在最小球面像差和大聚焦角度的条件下，LIBS信号强度将随着激光能量的提高而提高，而不会出现明显的信号饱和情况。（3）在实验室搭建了一套模拟深海高压环境的高压舱系统，研究了环境水体的压力效应对水下LIBS探测的影响，通过高压条件下的空化气泡动力学演化特性很好的解释了水下LIBS光谱随压力的变化规律和趋势，证实了压力效应是影响深海环境LIBS原位探测的关键因素。同时，针对水下LIBS技术在灵敏度提升及定量分析中的应用需求，还开展了水下双脉冲LIBS时空特性、水下等离子体图像和声波信号用于光谱标准化、基于机器学习的LIBS光谱定量分析等方面的研究。本项目的实施一方面加深了对水下等离子体及LIBS探测机理的理解和认识，另一方面为水下LIBS仪器研制和原位光谱解析提供了有价值的参数依据和方法建议，对LIBS技术在海洋原位探测中的应用起到了积极的促进作用。