华东师范大学重庆研究院在激光诱导击穿光谱研究中获进展

       近日，华东师范大学重庆研究院的科研团队与精密光谱科学与技术国家重点实验室进行合作，在超快激光诱导击穿光谱的研究中取得重要进展，团队首次提出多维等离子体光栅诱导击穿光谱（Multidimensional-plasma-grating induced breakdown spectroscopy，MIBS）技术，并实验证实新技术比常规激光诱导击穿光谱具有更高的探测灵敏度和克服基体效应。相关成果以题为Femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy by multidimensional plasma grating发表在光谱类一区期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry杂志(胡梦云，施沈城，闫明，武愕，曾和平，JAAS，2022)。

       激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）是一种非常实用的分析测试工具，可以用于确定固体，液体和气体的元素成分。传统的纳秒激光诱导击穿光谱受基体效应与等离子体屏蔽等干扰，而飞秒光丝激发(Filament-induced breakdown spectroscopy，FIBS)受限于峰值功率钳制，灵敏度难以提高。团队前期发展飞秒等离子体光栅诱导光谱(Plasma-grating-induced breakdown spectroscopy, GIBS)技术，基于两束飞秒光丝非共线耦合形成等离子体光栅，突破峰值功率钳制效应，光功率及电子密度提高近2个量级，等离子光栅中多光子电离与电子碰撞激发协同，提高探测灵敏度（胡梦云，彭俊松，牛盛，曾和平，Advanced Photonics, 2020, 2(6), 065001）；GIBS等离子体干涉激化可克服基体效应，首次实现成分探测自定标。

       为了进一步提高对样品的激发效果，延长激发产生的等离子体寿命，增强光谱信号，团队提出基于等离子体光栅的多脉冲耦合激发诱导击穿光谱MIBS新技术。团队利用三束非共线、非共面的飞秒脉冲进行相互作用对样品进行激发，成功观察到等离子体光栅的衍射效应，等离子体光栅实现从一维突破到二维。二维等离子体光栅对样品进行激发时，二维等离子体通道中具有更为精细的周期性结构和更高阶的非线性效应，提升了等离子体密度和光功率密度，多光子激发以及电子碰撞双重激发更为明显，从而进一步提高探测灵敏度，克服基体效应。

MIBS实验装置，二维等离子体光栅的周期性结构使得三次谐波发生衍射

       值得一提的是，研究发现所获得的谱线信号会随着激光能量的提升而增强，当单脉冲能量超过2 mJ时，MIBS技术将取得更明显的优势。此外，MIBS技术仅在激发源上进行了改进，并未引入复杂的样品处理步骤以及额外的装置，与大多数改进技术相比保留了LIBS技术原有的快速、简单、便捷的优点，这使得其能够满足特定场景中的原位实时检测需求。 

       随着GIBS/MIBS技术的研究发展与应用拓展，为了适应野外恶劣环境下移动作业，实现非接触式在线实时探测，对激发光源提出了更高要求，需要性能更加稳定的高能量飞秒光源进行激发。与此同时，华东师范大学重庆研究院发展高能量飞秒脉冲激光光源。基于掺Yb光纤种子脉冲产生与固体再生放大相结合的飞秒激光放大方案，通过搭建宽带可调谐的光纤脉冲种子源解决信号光和放大介质光谱窄化和增益失配的问题，实现激光高效率放大；结合啁啾脉冲放大和固体再生放大技术，抑制激光放大过程中的非线性累积，提升放大效率和功率，输出mJ级高能量飞秒脉冲激光。高集成化、高稳定性混合系统1030nm mJ级高能量飞秒激光光源满足实验室以外苛刻环境下应用，为GIBS/MIBS技术试验野外在线检测提供了技术和仪器的支撑。

1030nm高能量飞秒激光器

       此外，华东师范大学重庆研究院开发多个系列超快飞秒激光光源，形成多款超快飞秒激光器产品，其中包括：FemtoCK，FemtoLine和FemtoStream等。针对GIBS/MIBS技术、强场激光物理、微纳加工等应用研究，开发的1030nm mJ级高能量飞秒激光器YbFemto HP采用光纤固体混合放大技术方案，种子源采用全保偏光纤结构的振荡器FemtoCK产生稳定脉冲序列；该光源通过啁啾脉冲放大技术，结合掺镱增益介质的固体再生放大技术，输出中心波长1030nm、能量达毫焦（mJ）量级，脉冲宽度小于300fs的高能量飞秒激光脉冲。该光源重复频率调谐范围覆盖单脉冲～ 250 kHz，增加定制模块可进行倍频操作，实现515nm、343nm等飞秒脉冲激光输出，满足科研、工业等多场景应用需求。

       华东师范大学重庆研究院将依托自研的毫焦级高能量飞秒激光器，输出高稳定的激化光源，与GIBS/MIBS技术相结合，集成实现轻量化高灵敏检测仪器，实现技术创新，仪器创新，装备创新，进而实现土壤、液体自标定痕量分析等应用创新，深入优化仪器系统的稳定性与可靠性，使更多野外极限环境下应用成为可能，进一步应用于环境监测、深海勘探、地质勘探、工业冶金、航天探测以及生物制药等领域。

激光诱导击穿光谱技术应用

       毫焦级高能量飞秒激光器不仅仅在LIBS上产生重要应用，同时可用于设备集成，面向如半导体芯片制备、柔性OLED显示器件切割、玻璃切割、非金属/金属材料加工、打孔以及微纳加工等重要应用。另一方面，可用于光谱检测、非线性光学、高次谐波产生、医疗成像、双光子3D打印、相控阵等科研应用。

       相关工作得到了科技部、基金委共同资助。