随着全球工业化进程的加快,水体重金属污染问题越来越严重,对人类健康和生态环境构成了巨大威胁。因此迫切需要一种能够对水溶液中的有害金属元素成分进行快速灵敏检测的方法。目前常用的水溶液元素检测分析方法主要有电感耦合等离子体发射光谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法和电化学分析法等,虽然这些方法检测灵敏度较髙,但是检测过程耗时较长,需要对样品进行复杂的预处理,难以满足现场快速检测的实际需求。激光诱导击穿光谱技术(LIBS)于1962年被Brech和Cross等人首次提出,作为一种新型的光谱检测技术,可用于对溶液样品中的元素成分进行定性和定量检测。该方法不仅具有检测速度快、无需或只需较少的样品预处理等优点,而且是少数几种能够进行实时、原位、非接触检测的技术之一,尤其适用于工业废水中有毒金属元素的监测。尽管激光诱导击穿光谱技术与其它方法相比具有明显的优势,但是采用传统的单脉冲LIBS技术对水体中微量金属元素进行检测分析存在着一些问题,如检测灵敏度较低、信号重复性较差等。这可以部分归因于水体的特性,众所周知,与空气相比水体具有较高的热传导率,并且难以被压缩。因此,在水下LIBS实验中,激光诱导产生的水下等离子体会受到周围水体的淬灭和挤压作用,最终导致发射谱线强度变弱,谱线展宽增大。同时,水体的淬灭作用还会导致水下等离子体快速冷却,加速等离子体中电子-离子的复合过程,缩短等离子体的持续时间。此外,绝大多数入射激光的能量消耗于水体的汽化过程,以及气泡和冲击波的产生过程,只有很小一部分激光能量被等离子体吸收并产生特征辐射光,从而降低了激光对溶液样品的激发效率。由于这些原因,最终限制了LIBS技术在水下检测应用方面的进一步发展。在本研究中使用两台输出波长为1064nm的Nd:YAG调Q激光器,对溶液样品开展了水下正交双脉冲LIBS实验。为了得出优化的实验参数,在实验中系统地探究了各种关键实验参数对正交双脉冲LIBS谱线信号的影响。实验结果表明,当采集延时在500~900ns的范围内时,谱线的信噪比很高,有利于进行光谱采集与分析,可以称之为水下双脉冲LIBS光谱探测的时间窗口。接着,对脉冲延时和激光焦点的相对位置进行了优化,优化的双脉冲延迟时间为40μs,当两束激光焦点的相对位置为1mm时,对样品的激发效率更高。此外,在激光能量的优化实验中,观察到谱线强度随第一束激光能量的增大先快速上升后快速下降,同时随第二束激光能量的增大呈指数增长,这与在液体表面进行的共线双脉冲LIBS实验中所观察到的线性增长不同,这种增长趋势上的不同可能跟等离子体所处的气体环境条件有关。在优化的实验条件下,双脉冲LIBS的光谱信号强度比单脉冲LIBS增强了约20倍,同时信号的稳定性也提高了4倍多。最后,对水下单双脉冲LIBS的检测能力进行了比较,结果表明双脉冲LIBS的检测灵敏度比单脉冲提高了37倍,检测限从单脉冲的31.35 ppm下降到1.78 ppm。