Das Forschungsteam des State Key Laboratory of Precision Spectroscopy an der East China Normal University hat erhebliche Fortschritte auf dem Gebiet der Technologie der ultraschnellen laserinduzierten Durchbruchspektroskopie erzielt.
Das Team hat kürzlich bahnbrechende Techniken der plasmagitterinduzierten Durchbruchspektroskopie (GIBS) und der mehrdimensionalen plasmagitterinduzierten Durchbruchspektroskopie (MIBS) vorgeschlagen und dabei festgestellt, dass diese neuartigen Methoden eine höhere Empfindlichkeit gegenüber der traditionell verwendeten LIBS und der filamentinduzierten Durchbruchspektroskopie (FIBS) aufweisen ).
Substrateffekte und Plasmaabschirmungsinterferenzen beeinträchtigen typischerweise die herkömmliche laserinduzierte Durchbruchspektroskopie im Nanosekundenbereich. Andererseits ist die filamentinduzierte Durchbruchspektroskopie durch Einschränkungen der Spitzenleistung eingeschränkt, was eine Verbesserung der Empfindlichkeit erschwert. Um diese Hindernisse zu überwinden, entwickelte das Forschungsteam zunächst die Technik der Plasmagitter-induzierten Durchbruchspektroskopie.
Durch die Nutzung zweier nicht kollinear gekoppelter Filamentimpulse bildet diese Methode ein Plasmagitter, um die Beschränkungen der Spitzenleistung zu überwinden und die elektronische Dichte der Anregung zu erhöhen, was einen Quantensprung in der Empfindlichkeit ermöglicht und Störungen durch den Plasmaabschirmeffekt überwindet.
Um den Anregungseffekt weiter zu verstärken, schlug das Forschungsteam anschließend die Technik der mehrdimensionalen Plasmagitter-induzierten Durchbruchspektroskopie vor. Diese Methode nutzt drei nichtkollineare und nichtkoplanare Femtosekundenpulse, die mit der Probe interagieren, um ein Plasmagitter zu erzeugen. Dem Team gelang es, den Beugungseffekt des Plasmagitters erfolgreich zu beobachten und so einen Übergang von der eindimensionalen zur zweidimensionalen zu erreichen.
Die periodische Struktur und nichtlineare Effekte höherer Ordnung des zweidimensionalen Plasmagitters steigerten die Plasmadichte und Leistungsdichte erheblich und erhöhten die Empfindlichkeit der Detektionstechnik durch Durchbruchspektroskopie auf ein noch höheres Niveau. Das Forschungsteam entdeckte außerdem, dass das durch die MIBS-Technologie erhaltene Spektralliniensignal mit zunehmender Laserenergie verstärkt wird und deutlichere Vorteile erzielt, wenn die Einzelimpulsenergie 2 mJ übersteigt.
Darüber hinaus erfordert die MIBS-Technologie nur Modifikationen an der Anregungsquelle, ohne dass komplexe Probenvorbereitungsschritte oder zusätzliche Ausrüstung erforderlich sind. Dabei bleiben die schnellen, einfachen und praktischen Vorteile der LIBS-Technologie erhalten, sodass sie in der Lage ist, die Anforderungen an die In-situ-Echtzeitdetektion zu erfüllen spezifische Szenarien.
Aufbauend auf den herausragenden Ergebnissen der Mehrstrahl-Pulslaserkopplung wurde eine neuartige Kombination aus filamentinduzierter Durchbruchspektroskopie und plasmagitterinduzierter Durchbruchspektroskopie (F-GIBS) speziell für die Lösungsdetektion vorgeschlagen.
Durch eine vernünftige Einstellung der Aufprallverzögerung zwischen dem Filament und dem Plasmagitter wurde ein doppelter Anregungseffekt für die Lösungsdetektion erreicht, wodurch die Probleme von Blasen und Spritzern, die bei der Durchbruchspektroskopie bei der Lösungsdetektion auftreten, überwunden und die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Lösungsdetektion verbessert wurden.
Mit der Entwicklung und Anwendung der GIBS/MIBS/F-GIBS-Technologien ist es möglich geworden, sich an mobile Einsätze unter rauen Feldbedingungen anzupassen und eine berührungslose Online-In-situ-Erkennung zu erreichen. Es wird erwartet, dass diese Technologien umfangreiche Anwendungen in Bereichen wie Mineralienexploration, Umweltüberwachung, Wasserwissenschaft und Biowissenschaften finden werden.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Ultraschnelle Wissenschaft.
Mehr Informationen:
Mengyun Hu et al, Breakdown Spectroscopy Induced by Nonlinear Interactions of Femtosecond Laser Filaments and Multidimensional Plasma Gratings, Ultraschnelle Wissenschaft (2023). DOI: 10.34133/ultrafastscience.0013
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