激光诱导击穿光谱（LIBS）广泛应用于元素分析，尤其在矿物、环境监测等领域。该方法依赖激光在样品表面激发等离子体，分析光谱信息。然而，激光焦点位置对等离子体的密度、温度及其动态特性有显著影响，这直接决定了光谱信号的强度、稳定性以及自吸收效应。现有研究表明，通过优化焦点位置可提高光谱质量，但其对原子谱线与分子谱线的具体影响尚不明确。因此，探索焦点位置与样品表面距离对光谱特性的影响，有助于提升LIBS的分析精度和应用效果。

图1 纳秒激光诱导击穿光谱实验装置。

本研究系统地探讨了焦点位置与铝（Al）表面距离对铝原子（Al I 396.15 nm）和铝氧分子（AlO B²∑⁺-X²∑⁺）发射谱线强度的影响。通过实验比较了焦点位置分别位于样品表面上方、下方及以及与样品表面重合时，激光击穿等离子体的光谱变化。研究发现，焦点上方1 cm时，铝原子谱线的强度最优，而铝氧分子的谱线强度则在焦点下方1 cm时最佳。

图2 纳秒激光诱导（a）Al 396.15nm原子光谱和（b）AlO B²∑⁺-X²∑⁺发射带中 (0,0) 带光谱强度随剥蚀次数的变化曲线

对比了三个不同焦点位置的羽流流体动力学，发现在L₁点，纵波传播速度快于径向SW，这是因为气体击穿引起的空气膨胀和位移产生了一个低压区，改变了样品表面附近的气体动力学，这对Al等离子体的后续膨胀是必要的，从而增强了Al原子线。然而，在L_-1点，径向波的速度快于纵波，SW被周围空气压缩，导致Al等离子体集中在样品表面附近。此外，L_-1 处烧蚀坑的形貌表明羽流与周围空气的接触面积较大，促进了快速冷却并创造了低温环境，有利于分子光谱的形成。此发现有助于理解等离子体的激发机制，尤其是对不同焦点位置下等离子体温度、密度和动态演变的影响。

图3 在不同焦点位置处纳秒激光剥蚀Al靶的时间分辨阴影图。泵浦激光和探测光之间的延迟时间显示在每个图像的左上角

图4 （a）在L1处和（b）L-1处等离子体温度T_e和电子数密度N_e随剥蚀次数的变化规律

该工作为LIBS的优化提供了新的视角，通过调节焦点位置来改善光谱的信号强度。这为实际应用中的元素定量分析提供了指导，尤其在需要精确分辨原子与分子谱线的情况下，选择适当的焦点位置将显著提升LIBS技术的性能。此外，研究结果有助于改进激光诱导击穿光谱的实验参数设置，推动该技术在更广泛领域的应用，如材料科学、环境监测和地质勘探等。

文章信息：Huihui Zhu, Bowen Fan, Yubo Zhang, Zhuo Wu, Fuli Chen, Xiaohui Sud and Tao Lü*, 2025. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2025, 40, 306-314. https://doi.org/10.1039/D4JA00209A