火花辅助飞秒激光诱导击穿光谱技术在玛瑙宝石无损定量分析中的应用研究

本文创新性地将火花放电增强技术与飞秒激光诱导击穿光谱（SA-fsLIBS）相结合，实现了对印尼玛瑙宝石的无损定量分析。该技术通过火花放电将等离子体发射强度提升50-80倍（如Mg II 279.5 nm和Ca II 393.3 nm），显著提高检测灵敏度，并利用校准自由法（CF-LIBS）精准定量Ca、Mg、Si等元素，与XRF结果高度吻合（R2达0.98），为宝石溯源和地质学研究提供新方法。

　　

亮点

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  开发火花辅助飞秒激光诱导击穿光谱（SA-fsLIBS）用于玛瑙宝石无损分析
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  火花放电使等离子体发射强度显著增强（Mg II提升80倍，Ca II提升50倍）
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  通过校准自由法定量识别Ca、Mg、Si、Fe等元素
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  与XRF数据高度吻合（Si的R²=0.98），验证结果可靠性

实验方法

图1展示了本研究的实验装置，包含三部分：飞秒激光系统（Spitfire, 800 nm, 50 fs）与直流高压放电电路组成的能量源系统；样品和二维平台组成的等离子体生成系统；光谱仪和计算机组成的采集系统。飞秒激光通过石英透镜（f=200 mm）聚焦于玛瑙样品产生等离子体，并由钨电极火花（3 kV, 10 mA）增强，电极距样品表面2.5 mm。

结果与讨论

图3对比了传统fs-LIBS与SA-fsLIBS对G3号绿玛瑙的发射光谱。SA-fsLIBS（红色曲线）在200-500 nm波段显示显著增强的连续背景和离子线强度（图3a）。火花引入延长了等离子体寿命（图3b），电子密度从4.5×10¹⁷ cm^-3升至7.2×10¹⁷ cm^-3，等离子体温度从6500 K增至9500 K（图3c）。元素定量结果显示Ca、Fe、Si与XRF的R²分别达0.83、0.96、0.98，配对t检验p值>0.05，证实方法可靠性。

结论

SA-fsLIBS技术成功实现了印尼玛瑙宝石的无损定量分析，火花辅助将等离子体温度提升至9500 K，显著增强元素检测灵敏度。该方法为宝石溯源和地质成分研究提供了高效工具。