纳秒激光诱导等离子体时空非均匀性制约LIBS定量分析性能

ns-LIBS 靠"激光打靶发光"，可在线检测、无需制样。但等离子体膨胀快、界面扰动强，存在"逐发信号不稳"的问题 —— 能否提升信号强度与重复性？长春理工大学团队采用 7.0 ± 0.2 m/s 侧向气流垂直作用于等离子体，以时间分辨光谱、时间积分光谱与等离子体成像三路交叉验证，瞬态成像使用中科原子ICMOS 相机（ATOMSCI ICAM-sCMOS-3000）。实测 Al I 396.15 nm 强度提升 21.8%，RSD 由 9.73% 降至 5.14%，Cu–Zn 合金中 Cu I 521.82 nm 的 RSD 自 8.79% 降至 4.54%；侧向气流抑制 R–T/R–M 界面不稳定性，稳定激光—靶材能量耦合，实现信号强度与逐发稳定性"双提升"。成果发表于Spectrochimica Acta Part B（246 (2026) 107655，DOI: 10.1016/j.sab.2026.107655）。

一·实验方案｜对比"有无侧向气流"条件下等离子存在差异

长春理工大学实验团队使用侧向气流（流速 7.0 ± 0.2 m/s）垂直于激光入射方向作用于等离子体，通过时间分辨光谱、时间积分光谱与等离子体成像三种手段，对比"有无侧向气流"条件下等离子体发射强度、电子温度（Tₑ）、电子密度（nₑ）及其脉冲波动（RSD）的差异。

一、核心实验装置

（图1:实验测试的设备及设备参数）

（图2:侧向气流调控 ns-LIBS 实验装置）

实验步骤简约阐述：

1）Nd:YAG 激光（1064 nm，8 ns，10 Hz，80 mJ）经石英透镜聚焦至靶面（光斑半径约 150 μm）；

2）等离子体辐射经二向色镜与透镜耦合入中阶梯光栅光谱仪配 ICCD）；
3）等离子体形态由物方远心镜头（DHC GCO-260624）耦合的中科原子 ICMOS 相机（ATOMSCI ICAM-sCMOS-3000）沿垂直于激光入射方向采集；
4）激光、ICCD 与 ICMOS 的同步时序由数字延时发生器（Stanford DG645）统一控制。

实验数据的采集模式：

实验系统包含光谱与成像两条探测通道：
1）光谱通道采用覆盖 200–975 nm 波段的中阶光栅光谱仪与 ICCD 探测器，采集时间分辨与时间积分光谱，分析等离子体电子温度和电子密度的时间演化及逐发稳定性；

2）成像通道采用中科原子ICMOS相机搭配物方远心镜头，沿垂直于激光入射方向获取等离子体形貌图像。数字延时发生器统一管控三台设备的同步触发与时序逻辑。

（图3:实验采集的同步探测实验系统）

该光谱-成像联合探测体系中，ICMOS 相机可揭示光谱通道难以获取的等离子体空间演化信息——等离子体核心区的形态起伏与前沿界面的扰动发展规律，均可与光谱信号的逐发波动建立对应关系。

二.实验主要发现与结论｜中科原子ICMOS在实验发挥了什么作用

侧向气流通过抑制等离子体界面扰动、改善等离子体空间均匀性并稳定激光与靶材的能量耦合过程，实现了ns-LIBS光谱信号强度与逐发稳定性的同步提升。

（图4：中科原子ICMOS相机采集的1–10 μs时间分辨等离子体形貌及像素强度RSD。(a) 施加横向气流；(b) 无横向气流）

（1）时间分辨光谱与等离子体成像：侧向气流改善等离子体早期稳定性

时间分辨光谱表明，侧向气流降低了等离子体演化早期谱线强度、电子温度及电子密度的逐发波动。ICMOS时间分辨逐像素强度RSD分布显示，侧向气流减小了等离子体核心区域的强度波动。其稳定化机制与等离子体界面的瑞利–泰勒（R–T）和里奇迈尔–梅什科夫（R–M）不稳定性有关。侧向气流通过改变等离子体与环境气体界面的密度梯度，抑制界面扰动向核心区域传播。演化后期，气流引入的对流扰动使等离子体边界区域的波动增加。

（2）时间积分光谱：光谱信号及等离子体状态的逐发稳定性提升

时间积分采集覆盖等离子体的主要发光阶段，减弱了测量结果对单一演化时刻波动的敏感性。时间积分结果表明，侧向气流降低了光谱发射强度及等离子体参数的逐发波动，伴随光谱信号强度的提升。电子温度和电子密度的平均值变化较小，表明光谱稳定性的改善主要与等离子体状态重复性的提高有关。

（3）空间均匀性：ICMOS成像揭示等离子体核心区稳定性的改善

ICMOS时间积分等离子体成像的像素强度及RSD统计分布显示，侧向气流使高强度像素占比增加，RSD分布由分散的多峰转变为集中的单峰，表明等离子体核心区域的逐发波动降低，空间均匀性得到改善。同时，持续侧向气流减少了烧蚀颗粒的滞留与飞溅物沉积，稳定了激光与靶材的相互作用边界，提高了能量耦合的一致性，有利于维持等离子体核心区域发射分布的稳定。

 （图4：中科原子ICMOS相机采集的时间积分等离子体图像中像素强度及其RSD分布与有效像素数量。(a)、(b)有无侧向气流条件下的像素强度频率分布；(c)、(d)有无侧向气流条件下的像素强度RSD频率分布。）

三.纳秒级门控成像解锁瞬间过程可视化与光谱定量

气流调控是一种低成本、非接触、易集成的等离子体调制方法，可与空间约束、双脉冲激发等技术联用，进一步提升 ns-LIBS 测量稳定性，为工业在线、原位定量检测提供更可靠的技术路径。在可视化形貌观测与高精度光谱定量并重的瞬态前沿研究中，中科原子 ICMOS 科学级相机依托纳秒级门控、高光学增益与优异空间分辨能力，为科研人员提供高性能弱光光子探测解决方案。应用场景涵盖激光等离子体演化、燃烧流场诊断、拉曼、荧光光谱采集、电晕现象探测等，可捕捉每一束微弱瞬态光子，还原动态过程的真实细节。

中科原子深耕像增强探测核心技术，持续迭代 ICCD、IsCMOS、ICMOS 几大产品系列，可提供从超快时间分辨探测、高帧率高清成像到特殊场景定制适配的全套产品方案与专业技术支撑。

四.中科原子增强型产品矩阵：从科研到工业的全场景覆盖

中科原子自主研发增强型相机系列，覆盖制冷型科学级 ICCD 相机、制冷型科学级IsCMOS 相机、非制冷型科学级IsCMOS 相机、增强型工业ICMOS 相机，配套科研型超快像增强模组、门控选通成像相机、同步时序控制模块、门控电路模块，形成部件–模块–整机完整产品矩阵，满足从等离子体基础研究到工业在线检测等领域的多样需求。

中科原子致力于持续拓展低光感知技术的边界。

文献信息

H. Yu, X. Gao, Q. Wang, Y. Dou, J. Lin. The stability improvement of the nanosecond laser-induced plasma emission characteristics by using lateral airflow modulation. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 246 (2026) 107655. DOI: 10.1016/j.sab.2026.107655

作者单位：长春理工大学物理学院；中山研究院。基金支持：国家自然科学基金（62575035）、吉林省自然科学基金（20260102235JC）。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0584854726002065?dgcid=coauthor