铀多金属矿石的快速准确分析对于铀资源的高效利用至关重要。常规分析技术如中子活化分析、原子吸收光谱等存在前处理复杂、费用高、检测周期长等问题，难以满足实时、在线、多元素的检测需求。激光诱导击穿光谱（LIBS）技术作为一种快速、非破坏性的分析方法，在铀矿石分析中显示出独特优势。然而，由于铀矿石的复杂基质效应，传统的LIBS技术在进行定量分析时存在较大的误差，这限制了其广泛应用。因此，研究如何减小基质效应，提高定量分析精度，成为LIBS技术在铀多金属矿石分析中的重要挑战。

图1 fs-ns LIBS 及泵浦-探测阴影成像技术实验装置示意图。

本研究通过采用正交非共焦的飞秒-纳秒（fs-ns）激光诱导击穿光谱（LIBS）技术，结合时间分辨泵浦-探测阴影成像技术记录等离子体动态特性。通过飞秒激光预烧蚀形成均匀气溶胶颗粒，再由纳秒激光二次激发，减少热效应和基体效应。

图2 延迟飞秒-纳秒双脉冲激光剥蚀铀多金属矿样品URM-2动力学阴影成像序列（ns激光相对fs激光延迟时间为1.6 μs，右上角为探测光相对ns激光延迟时间）。

采用线扫的剥蚀方式对比ns-LIBS和fs-ns LIBS对基体效应的影响，fs-ns LIBS显著提高了元素（Dy、Th、Nb、Y）相对灵敏度因子（RSF）的稳定性，拟合曲线相关系数（r²）均高于0.97。接着以Th I 330.42 nm为例，进一步评估延迟飞秒-纳秒正交非共焦激光在Th元素量化中的分析性能。fs-ns LIBS的回归系数R²达0.91，相对误差8.14%，远优于ns-LIBS（R²为0.47，相对误差为22.02%）。此研究为提高复杂矿石中元素定量分析的精度提供了新的技术路径。

图3 URM-2和URM-3及其配比样品中所选元素的 RSF 值（以Al为内标）。其中 (a) 为 ns-LIBS，(b) 为 fs-ns LIBS。

图4 铀多金属矿样品中，不同元素（以 Ti 为内标）的强度比-含量比的线性拟合图。(a) Dy，(b) Th，(c) Nb，(d) Y。

图5 (a) Th I 330.42 nm 光谱信号强度随 Th 浓度变化的线性拟合图。(b) Th 的预测浓度及其相对误差。

该研究通过创新性双脉冲LIBS技术有效地降低了复杂铀矿分析中基体效应带来的影响，显著提升了元素定量分析的准确性和稳定性，为战略资源的高效利用提供了重要支撑。

文章信息：Huihui Zhu, Xuelin Dong, Lei Feng, Yubo Zhang, Zhuo Wu, and Tao Lü*, 2024. Optics Express, 32, 44301-44312 (2024). https://doi.org/10.1364/OE.539201