钽铌矿中Ta和Nb元素含量极低，采用常规激光诱导击穿光谱（LIBS）技术面临检测灵敏度不足的问题，双脉冲LIBS技术可显著改善分析灵敏度，但设备成本高。为此，提出一种基于单激光分束构造的双脉冲激光诱导击穿光谱（DP-LIBS）技术对钽铌矿中Ta和Nb元素进行高灵敏度检测。在对离焦量、采集延时、激光能量等实验参数优化的基础上，建立了LIBS定量分析模型。结果表明：所提的DP-LIBS系统对Ta和Nb元素特征谱线强度比单脉冲LIBS增强3~4倍，检测灵敏度提高约2倍，Ta和Nb元素检出限分别达到195.91 μg·g^-1和81.79 μg·g^-1。为钽铌矿痕量Ta和Nb元素的快速高灵敏度定量分析提供了一种有前景的检测方法。

基于亚纳秒间隔的皮秒激光双脉冲，研究了双脉冲时域整形对K9玻璃表面烧蚀特性的调控规律。当子脉冲间隔为667 ps时，不同形状双脉冲下玻璃表面的烧蚀形貌随激光通量增加的变化规律明显不同，而泵浦通量起着决定性作用。当泵浦通量低于阈值时，双脉冲烧蚀特性基本与单脉冲相似；当泵浦通量在阈值附近时，泵浦脉冲对玻璃表面的微纳米尺度的烧蚀会显著增强探测脉冲的烧蚀效应。当泵浦通量高于1.3倍阈值时，泵浦脉冲在玻璃与空气界面附近产生冲击波，探测脉冲被冲击波的高密度前沿界面反射和干涉，在中心烧蚀区域周围产生了圆环状烧蚀形貌，且圆环分布与探测通量密切相关。双脉冲烧蚀的内径尺寸与泵浦通量相关，而外径尺寸与双脉冲的形状、通量均相关。对比研究了子脉冲间隔为333 ps和667 ps时的等通量双脉冲烧蚀形貌，结果发现：低通量下较小的脉冲间隔可以增强烧蚀效应；高于烧蚀阈值的泵浦脉冲会影响探测脉冲的能量沉积；两种脉冲间隔下环状形貌的不同反映了泵浦脉冲产生的冲击波的传输特性不同。最后基于实验结果讨论了双脉冲序列时域整形进行表面烧蚀调控的物理机制。

为促进LIBS技术在微量重金属元素检测以及核污染检测领域的应用, 提高检测灵敏度和准确性, 采用了激光双脉冲LIBS技术和光电双脉冲LIBS技术, 分别对土壤和二氧化硅中的铀元素进行分析。 首先, 对激光脉冲能量、 电压和采集延时等参数进行优化, 提高铀元素特征谱线的强度和信噪比; 然后在优化实验参数条件下, 对含不同浓度铀元素的土壤样品和二氧化硅样品进行激发; 选取UII 367.01 nm、 UII 454.36 nm两条铀元素的特征谱线作为分析线, 通过铀元素浓度与特征谱线强度的线性关系, 建立定标曲线。 双脉冲激光激发条件为: 激光脉冲1作为预脉冲, 主要参数为1 064 nm, 90 mJ, 9.2 ns, 激光脉冲2作为再加热脉冲, 主要参数为355 nm, 50 mJ, 8 ns, 两个脉冲的时间间隔800 ns, 光谱采集相对第二个脉冲延时1 μs, 得到铀元素在土壤和二氧化硅两种样品中的浓度检测下限分别为572和110 mg·kg-1, 拟合优度值R2分别为0.958和0.999。 在光电双脉冲激发条件下, 激光脉冲作为预脉冲, 主要参数为355 nm, 50 mJ, 8 ns, 高压电脉冲作为再加热脉冲, 主要参数为3 900 V、 方波、 脉宽50 μs, 两个脉冲的时间间隔1 μs, 得到铀元素在土壤和二氧化硅两种样品中的浓度检测限分别为108和64 mg·kg-1, 拟合优度值R2分别为0.991和0.997。 研究结果表明: 在相同激发条件下, 铀元素的特征谱线存在明显的基体效应, 在二氧化硅样品中具有更高的光谱强度、 更低的检测限和更高的拟合优度值; 相比于激光双脉冲, 光电双脉冲能显著增强铀元素特征谱线的强度、 稳定性和提高信噪比, 且光电双脉冲系统的光路更简单, 这对于LIBS技术的发展以及应用具有重要参考意义。 该研究方法和研究结果可为土壤重金属污染检测、 核泄漏时土壤和气溶胶的应急监测提供技术支持。

为了更好地解决正交双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)技术中再加热激光能量利用率低、信号增强效果不理想的难题,本研究团队建立了靶增强正交DP-LIBS技术,并研究了其信号增强机理。将再加热激光作用于铝靶表面产生靶等离子体,通过靶等离子体与样品等离子体的相互作用来显著增强样品元素的信号强度。以黄铜为样品,本团队通过实验研究了脉冲延时对原子辐射强度的影响,并分析了等离子体温度变化和光学辐射的时域演化特性。研究结果表明:在优化的实验条件下,靶增强技术可以在传统再加热正交DP-LIBS的基础上,使样品元素的信号强度继续显著增强。信号增强主要来自等离子体温度的升高和碰撞机制。该技术能显著增强正交DP-LIBS的信号强度,对于进一步提高正交DP-LIBS的光谱分析灵敏度、取得更理想的分析效果具有较重要的科学意义。