定域电场对激光诱导击穿光谱信号的增强效应研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

随着光电子技术的日益进步，光电检测领域取得重大突破。激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy:libs)技术，是用高能量脉冲激光烧蚀材料，使材料表面的微量样品瞬间气化形成高温、高密度的等离子体，发射出带有样品内元素特征波长的等离子体光谱，谱线的波长和强度分别反应了样品中的元素组成与含量。应用多种定标分析方法可以实现光谱的定量分析得到元素浓度和元素光谱信号强度的线性关系。由定标曲线可以根据其光谱特征线的强度来分析特定样品中未知浓度元素的含量。libs技术探测物质成分的过程只需要样品的光学过程，不像化学方法所需要的复杂化学反应过程。该方法相对于其他光学方法如激光光谱技术(激光拉曼光谱技术、激光吸收光谱技术等)而言,具有独特的优点：①分析快速，无须对样品进行复杂的处理;②对样品破坏性小；③适合各种物态样品;④远程分析、现场分析。因此，libs技术被广泛应用于行星探测、环境监测、废物分类、文物鉴定、医学、地球化学分析等多个领域。

国内外研究进展：

1962年，brech f.在第十届国际光谱学会议中提出以激光为激发光源诱导产生等离子体的光谱，这是libs技术的首次发表文章。由于第一台激光器1960年才发明，远远达不到激光诱导产生等离子体的定量测量的光源条件，只可以用于定性研究。直到80年代中期，随着飞秒激光器的出现，因为其超短的脉冲宽度和极高的峰值功率等特性，为激光诱导击穿光谱学的研究拓展了全新的领域，libs技术又受到广泛关注。90年代左右，已经有便携式的产品可以用于半定量分析。1992年，w. sdorra等人比较了不同氛围(氩气、氮气、空气等)对nd:yag激光诱导cu材料产生发射光谱的影响，他们发现惰性气氛好于空气和氮气。j.p. singh等人于1996年比较了在氦气和氮气下，不同气体气压对libs信号的影响，发现在一定条件下增加气体压强有利于等离子体光谱增强，同时，也发现在氦气环境氛围下比氮气环境氛围下，元素的检出限明显降低。1996年，a. ciucci等人研究了不同波长激光诱导击穿下的时间分辨光谱，发现了紫外和近红外激光击穿光谱的背景发射和线发射的时间差别。1999- 2001年，d. n. stratis、s. m. angel等人提出了增强libs强度的双脉冲方法。2002年，l st-onge等人比较了多种混合双脉冲对击穿样品的发射光谱增强情况，发现uv和nir组合比nir和nir组合要好，二者都高于单nir脉冲，光谱增强系数为几十倍。2003年，v.n. rai等人采用磁场约束等离子体方法使得对铝合金的低含量元素谱线强度增强约2倍。2005年yamamoto k y等人利用长脉宽、高频率激光器对钢铁、土壤等样品进行的研究证明，长脉冲激光器是分析固体样品的非常有用的激光能源。2007年，x. k. shen等人采用空间约束离子体方法在空气中使得等离子体发射光谱强度增强6-9倍。2013年，hussain t等使用libs技术对铁合金样品中的元素进行检测，测定了样品中含有的各种元素的浓度，如镉，钙，镁，铬，锰，钛，钡，磷，铜，铁，锌等。评估了最佳实验条件以改善灵敏度的方法。2013年，r. kumar 等应用激光诱导击穿光谱检测工业废水污泥中的有毒金属。在工业区的水处理厂的不同部分过滤收集的废水样品，使用校准曲线方法来量化这些元素后定量测量样品中存在的有毒元素如cr和pb。2017年，moncayo 等开发一种基于激光诱导击穿光谱的快速且具有成本效益的方法用于牛奶中掺假的质量控制检测。对牛奶混合物与掺假幼儿奶粉中三聚氰胺的含量进行定性量化分析。对 libs 技术与化学计量分析技术在食品工业乳制品的质量控制的结合使用前景进行了讨论。

2. 研究的基本内容与方案

主要探讨libs技术的原理和信号增强的几种方法，以定域电场增强的方法组建装置，同时，结合偏最小二乘法定量分析算法，测量元素的含量，分析总结libs技术的特点，并展望libs技术未来发展。

定域（空间增强）：

通过限制等离子体的空间膨胀维度进而将等离子体限制在一定的微小区域内，等离子体内电子离子原子等粒子碰撞几率增加，另外在等离子体迸发时产生的激波经过限制腔的发射重新作用到等离子体上，对等离子体起到一定调整作用，得到的光谱信号波动更小，信号更稳定，能够有效降低样品中痕量元素。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解libs技术的基本原理和定性定量测量原理。确定libs信号增强方案，完成开题报告。

第4－6周：调查libs技术的信号增强方法，总结各种方法的优缺点。

第7－9周：搭建定域电场libs信号增强装置，验证信号增强现象。（因无法到校实验，故模拟搭建装置）

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 邵妍，等，激光诱导击穿光谱技术的研究与应用新进展，光谱学与光谱分析，2013, 33(10): 2593-2598.

[2] 孙兰香，于海斌，丛智博，辛勇，激光诱导击穿光谱技术结合神经网络定量分析钢中的mn和si，光学学报，2010, 30(9): 2757-2765.

[3] 鲁翠萍，等，土壤重金属铬元素的激光诱导击穿光谱定量分析研究，物理学报，2011, 60(4): 045206.