气体还是固体？——气溶胶颗粒与激光诱导等离子体相互作用时的尺寸效应

《Optics & Laser Technology》：Gas or bulk? ? size effect of aerosol particles in interaction with laser-induced plasma

气溶胶粒子尺寸影响等离子体相互作用及LIBS光谱特性研究，提出基于能量平衡的单粒子LIBS方法确定铜粒子从“气体-like”到“bulk-like”转变的临界尺寸（约1.1μm），发现小尺寸粒子可完全气化获得自吸收效应-free光谱，而大尺寸粒子因部分烧蚀导致自吸收增强，为LIBS精度提升和纳米合成优化提供理论依据。

　　本文探讨了气溶胶粒子尺寸对等离子体与粒子相互作用以及相应的等离子体光谱特性的影响。通过引入一种估算临界粒子尺寸的方法，研究团队发现当铜气溶胶粒子尺寸达到约1.1微米时，等离子体与粒子的相互作用从“气体类似”模式转变为“体材料类似”模式。在“气体类似”模式下，粒子能够完全气化并离子化，而在“体材料类似”模式中，粒子则部分被剥离，保留了部分固体或液体的特性。这种转变不仅影响等离子体的物理特性，还对光谱发射特征产生显著影响，从而对等离子体发射光谱的解释和分析提出新的视角。

研究的核心在于理解等离子体与气溶胶粒子之间的能量传递机制。通过热力学理论，研究人员估算了一个单个粒子在完全气化和激发过程中所需的能量，并将其与等离子体向粒子传递的能量进行比较。如果等离子体传递的能量大于或等于所需能量，粒子将被视为处于“气体类似”状态，否则则处于“体材料类似”状态。这一理论框架为判断粒子是否能够被完全气化和离子化提供了依据，并且进一步通过实验验证了其有效性。

在实验部分，研究团队采用了单粒子激光诱导击穿光谱（LIBS）分析方案，结合光学捕获技术，实现了对单个气溶胶粒子的光谱测量。通过使用反向传播的双空心光束光学捕获方法，研究团队提高了粒子捕获的稳定性。在实验中，使用了532纳米的连续波激光进行光学捕获，以及一个Q开关的Nd:YAG激光作为LIBS激发源。实验参数包括延迟时间、闸门宽度、脉冲能量等，这些参数对等离子体的形成和光谱采集具有重要影响。此外，研究团队还通过扫描电子显微镜（SEM）对不同尺寸的铜粒子样品进行了表征，确保了实验中粒子尺寸的可控性。

通过实验测量，研究团队获得了不同尺寸铜粒子的等离子体温度数据，并计算了等离子体向粒子传递的能量。实验结果表明，当粒子尺寸大于临界值（约1.1微米）时，等离子体传递的能量不足以使粒子完全气化和离子化，因此粒子处于“体材料类似”状态，表现出类似于块状材料的特性。而当粒子尺寸小于临界值时，等离子体传递的能量足以使粒子完全气化和离子化，此时粒子处于“气体类似”状态，能够产生无自吸收的光谱。这一发现为提高LIBS的分析精度、优化纳米粒子合成工艺以及增强基于等离子体的气溶胶检测方法提供了理论依据和实验支持。

进一步研究了自吸收效应在LIBS分析中的影响。自吸收效应是指等离子体中发射的光子被同一物质（原子或离子）在较低能量水平上重新吸收的现象，主要由等离子体温度分布的空间异质性引起。在“气体类似”模式下，由于粒子能够完全气化和离子化，自吸收效应被显著抑制，从而能够获得接近“光学薄”条件的光谱。而在“体材料类似”模式下，自吸收效应更加明显，类似于块状材料的光谱特征。研究团队通过测量和计算原子双线的强度比，验证了这一现象，并发现随着粒子尺寸的增加，强度比逐渐偏离理论值，表明自吸收效应在更大尺寸的粒子中更加显著。

实验结果显示，对于尺寸大于临界值的铜粒子（如3.5微米和1.7微米），其光谱强度比显著低于理论预期，这表明这些粒子在等离子体作用下部分保留了其固态或液态的特性，导致自吸收效应增强。而对于尺寸小于临界值的铜粒子（如0.4微米），其光谱强度比接近理论值，表明其能够完全气化和离子化，自吸收效应较弱。这些结果与之前理论计算的临界尺寸一致，验证了粒子尺寸对等离子体与粒子相互作用模式的影响。

研究的意义在于，它为理解等离子体与气溶胶粒子之间的相互作用提供了新的视角，并且为改进LIBS技术、优化纳米材料合成过程以及提升基于等离子体的气溶胶检测方法提供了重要的理论和实验依据。此外，该方法还可以推广到其他非铜气溶胶粒子，只要掌握其热力学和物理参数，并能够准确表征等离子体的温度。然而，这种方法的适用性受到等离子体与粒子相互作用中是否满足局部热力学平衡（LTE）的限制，因此在实际应用中需要进一步考虑等离子体条件的控制。

综上所述，本文通过理论分析和实验验证，揭示了气溶胶粒子尺寸对等离子体与粒子相互作用模式的影响，以及这种影响对LIBS光谱特性的重要作用。研究结果不仅有助于深入理解等离子体与气溶胶之间的相互作用机制，也为相关领域的技术优化和应用拓展提供了新的思路和方法。