近日，華東師范大學重慶研究院的科研團隊與精密光譜科學與技術國家重點實驗室進行合作，在超快激光誘導擊穿光譜的研究中取得重要進展，團隊首次提出多維等離子體光柵誘導擊穿光譜(Multidimensional-plasma-grating induced breakdown spectroscopy，MIBS）技術，并實驗證實新技術比常規激光誘導擊穿光譜具有更高的探測靈敏度和克服基體效應。《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》雜志刊登曾和平教授團隊研究成果 華師大重研院供圖相關成果以題為Femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy by multidimensional plasma grating發表在光譜類一區期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry雜志(胡夢云，施沈城，閆明，武愕，曾和平，JAAS，2022)。據了解，激光誘導擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）是一種非常實用的分析測試工具，可以用于確定固體，液體和氣體的元素成分。傳統的納秒激光誘導擊穿光譜受基體效應與等離子體屏蔽等干擾，而飛秒光絲激發(Filament-induced breakdown spectroscopy，FIBS)受限于峰值功率鉗制，靈敏度難以提高。此前，研究團隊發展飛秒等離子體光柵誘導光譜(Plasma-grating-induced breakdown spectroscopy, GIBS)技術，基于兩束飛秒光絲非共線耦合形成等離子體光柵，突破峰值功率鉗制效應，光功率及電子密度提高近2個量級，等離子光柵中多光子電離與電子碰撞激發協同，提高探測靈敏度（胡夢云，彭俊松，牛盛，曾和平，Advanced Photonics, 2020, 2(6), 065001）；GIBS等離子體干涉激化可克服基體效應，首次實現成分探測自定標。為了進一步提高對樣品的激發效果，延長激發產生的等離子體壽命，增強光譜信號，團隊提出基于等離子體光柵的多脈沖耦合激發誘導擊穿光譜MIBS新技術。團隊利用三束非共線、非共面的飛秒脈沖進行相互作用對樣品進行激發，成功觀察到等離子體光柵的衍射效應，等離子體光柵實現從一維突破到二維。二維等離子體光柵對樣品進行激發時，二維等離子體通道中具有更為精細的周期性結構和更高階的非線性效應，提升了等離子體密度和光功率密度，多光子激發以及電子碰撞雙重激發更為明顯，從而進一步提高探測靈敏度，克服基體效應。MIBS實驗裝置，二維等離子體光柵的周期性結構使得三次諧波發生衍射 華師大重研院供圖值得一提的是，研究發現所獲得的譜線信號會隨著激光能量的提升而增強，當單脈沖能量超過2 mJ時，MIBS技術將取得更明顯的優勢。此外，MIBS技術僅在激發源上進行了改進，并未引入復雜的樣品處理步驟以及額外的裝置，與大多數改進技術相比保留了LIBS技術原有的快速、簡單、便捷的優點，這使得其能夠滿足特定場景中的原位實時檢測需求。隨著GIBS/MIBS技術的研究發展與應用拓展，為了適應野外惡劣環境下移動作業，實現非接觸式在線實時探測，對激發光源提出了更高要求，需要性能更加穩定的高能量飛秒光源進行激發。與此同時，華師大重研院發展高能量飛秒脈沖激光光源。基于摻Yb光纖種子脈沖產生與固體再生放大相結合的飛秒激光放大方案，通過搭建寬帶可調諧的光纖脈沖種子源解決信號光和放大介質光譜窄化和增益失配的問題，實現激光高效率放大；結合啁啾脈沖放大和固體再生放大技術，抑制激光放大過程中的非線性累積，提升放大效率和功率，輸出mJ級高能量飛秒脈沖激光。高集成化、高穩定性混合系統1030nm mJ級高能量飛秒激光光源滿足實驗室以外苛刻環境下應用，為GIBS/MIBS技術試驗野外在線檢測提供了技術和儀器的支撐。此外，華東師范大學重慶研究院開發多個系列超快飛秒激光光源，形成多款超快飛秒激光器產品，其中包括：FemtoCK，FemtoLine和FemtoStream等。針對GIBS/MIBS技術、強場激光物理、微納加工等應用研究，開發的1030nm mJ級高能量飛秒激光器YbFemto HP采用光纖固體混合放大技術方案，種子源采用全保偏光纖結構的振蕩器FemtoCK產生穩定脈沖序列；該光源通過啁啾脈沖放大技術，結合摻鐿增益介質的固體再生放大技術，輸出中心波長1030nm、能量達毫焦（mJ）量級，脈沖寬度小于300fs的高能量飛秒激光脈沖。該光源重復頻率調諧范圍覆蓋單脈沖～ 250 kHz，增加定制模塊可進行倍頻操作，實現515nm、343nm等飛秒脈沖激光輸出，滿足科研、工業等多場景應用需求。華師大重研院相關負責人表示，未來將依托自研的毫焦級高能量飛秒激光器，輸出高穩定的激化光源，與GIBS/MIBS技術相結合，集成實現輕量化高靈敏檢測儀器，實現技術創新，儀器創新，裝備創新，進而實現土壤、液體自標定痕量分析等應用創新，深入優化儀器系統的穩定性與可靠性，使更多野外極限環境下應用成為可能，進一步應用于環境監測、深海勘探、地質勘探、工業冶金、航天探測以及生物制藥等領域。據悉，毫焦級高能量飛秒激光器不僅僅在LIBS上產生重要應用，同時可用于設備集成，面向如半導體芯片制備、柔性OLED顯示器件切割、玻璃切割、非金屬/金屬材料加工、打孔以及微納加工等重要應用。另一方面，可用于光譜檢測、非線性光學、高次諧波產生、醫療成像、雙光子3D打印、相控陣等科研應用。（記者 趙鵬）
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