激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS）早在1962年的第十届国际光谱学论文被Brech和Cross首次提出^[1]。其原理在于使用激光激发原子产生光谱，通过观察原子的发射光谱，就可以测定样品中的元素组分^[2]-[3]。然而，直到1980年，人们的兴趣主要还是集中在等离子体的形成的基本机制而非LIBS技术。此后相关激光器，光谱仪快速发展，激光诱导击穿光谱技术也在元素检测方面展现出极大的活力，许多研究者将研究方向转向LIBS的应用上。经过长久的发展，目前LIBS以及被广泛应用于元素检测领域，深度剖析领域，材料成分分析，环境污染检测，生物医学，空间探索，危险物质检测，文物鉴定，植物学以及同位素检测上^[4]-[14]。

LIBS基本原理在于高能密度的脉冲激光聚焦到样品使微量样品表面瞬间气化，同时形成高温，高密度的激光的等离子体，在等离子体中存在因吸收了能量而形成的高能原子和离子，这些处于激发态的粒子从高能级跃迁到低能级时，将发射具有一定能量的光子进而形成连续光谱，再对等离子体发出光的波长强度和进行收集和光谱分析^[15]。由于离子光谱，原子光谱的波长与特定元素一一对应，并且具有一定的量化关系，因此可以根据观测到的光谱确定样品的元素组成及其含量。

目前普遍较为成熟且普遍应用的LIBS技术是纳秒激光诱导击穿光谱技术（ns-LIBS）因为纳秒激光器具有造价较低，操作便捷，维护简单等优点。除了应用于实验室研究外，ns-LIBS也被制成便携式设备。然而，受到激光强度和聚焦条件以及激光脉冲与样品作用时间过长的影响，ns-LIBS测量误差较大，且脉宽较长，等离子体寿命延长，连续谱不易衰弱，且存在激光与诱导的等离子体的相互作用，即等离子体屏蔽效应，使得其信噪比难以提高^[16]。此外，在测量成分复杂的样品时，往往会产生基体效应^[16]，各元素谱线相互干扰，导致光谱具有较高的连续谱噪声，降低分析的精度。

相较纳秒激光，飞秒激光因其脉宽极窄，可在极短的时间注入靶材，使靶材电离产生等离子体，从而保持了样品的分子结构，且不存在等离子体屏蔽现象。可使等离子体温度迅速下降，缩短等离子体的寿命，这使得更易分辨分立谱，提高LIBS的谱线强度和信噪比^[17]；因与物质作用时间短，背景信号较小，还可实现无延时探测并减少对样品的损害。

国外的LIBS研究相较国内早约50年，已经在基本原理，物理学过程，等离子体动力学过程与参数，实验装置，各领域的应用，仪器的便携化商用化等方面的理解方面取得了长足的进步^[18]-[19]。而国内早期安徽师范大学的陆同兴和崔执凤小组利用激光诱导产生镁等离子体，测量了镁原子和离子谱线的展宽，并从理论上进行了相关的计算；随后，他们又在水溶液中开展了关于金属元素检测的实验。此外，国内许多知名大学和科学研究所都对激光诱导击穿光谱做了大量的研究工作，比如兰州大学，哈尔滨工业大学，吉林大学，北京理工大学等等^[16]。

本课题将利用飞秒和纳秒激光器进行一系列单脉冲激光诱导击穿光谱的实验研究，对比两者各自的特点 ，并总结分析飞秒激光诱导击穿光谱相较传统的纳秒激光诱导击穿光谱的优势与不足。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

样品制备：以标准煤样作为样品材料。使用手动压片机在一定压力下将煤样品压制成直径为4mm的煤饼，以消除煤样品由于颗粒大小、密度、表面不平整等造成的测量误差；

样品测量与分析：使用飞秒和纳秒激光系统，聚焦和成像光学系统和检测系统收集并分析材料产生的等离子体光谱，对比相同功率下飞秒和纳秒激光系统的光谱峰值强度、信噪比、谱线展宽等。

2.2 研究目标