對與激光誘導擊穿光譜 (LIBS) 測量相關的燒蝕坑進行表征

共聚焦技術已被證明是一種行之有效的技術，適用于研究和表征不同 LIBS 儀器產生的燒蝕坑的大小,、直徑和深度

此研究具有雙重目的：1) 對與壁畫樣品（圖 1）上的激光誘導擊穿光譜 (LIBS) 測量相關的燒蝕坑進行表征；以及 2) 比較與便攜式儀器（EasyLIBS）及實驗室儀器相關聯(lián)的 2 分歐元硬幣（圖 2）上的燒蝕坑,。

<em>圖 1</em>.分析壁畫樣品

<em>圖 2</em>.硬幣概述：a) 放大使用便攜式儀器分析的區(qū)域,；b) 放大使用實驗室儀器分析的區(qū)域

我們對與 LIBS 測量相關的燒蝕坑尺寸和深度進行了研究。在共聚焦模式下使用 3D 光學輪廓儀 S neox 分析燒蝕坑,。為進行此研究,，我們通過 1、3,、8,、10、15 和 20 次激光發(fā)射,，形成了六個燒蝕坑（圖 3）,。初步定性觀察表明，燒蝕坑伴有深色光暈,，表明該物質受到撞擊時會急劇升溫,。這被稱為熱影響區(qū) (HAZ)，在激光燒蝕中是一種已被大家熟知的現(xiàn)象,。

<em>圖 3</em>.覆蓋紅色顏料的黃色裝飾層上的分析點位置

在所有形成的燒蝕坑中,，燒蝕坑的平均尺寸約為 800 µm x 400 µm。經 20 次激光發(fā)射形成的燒蝕坑需要更被進一步深入研究（圖 4）,。實際上,，在燒蝕坑內觀察到了一個中空區(qū)域，尺寸約為 160 µm x 100 µm,。每個燒蝕坑中都觀察到了相同的結果,。

<em>圖 4</em>.由 20 次激光發(fā)射形成的燒蝕坑；a) 由 20 次激光發(fā)射形成的燒蝕坑的 3D 視圖,； b）燒蝕坑尺寸（單位：µm）,，以及在燒蝕坑中觀察到中空區(qū)域（以藍色顯示）

每個燒蝕坑的剖面圖表明，燒蝕坑的深度會隨著激光發(fā)射次數(shù)的增加而加深（圖 5）,。在經過 20 次激光發(fā)射后,，樣本在最深的區(qū)域被挖空約 100 µm,。

<em>圖 5</em>.燒蝕坑深度（單位：µm）；a) 和 b)頂視圖形貌,，c) 剖面圖

在使用 EasyLIBS 儀器的情況下,，可以觀察到一個寬而均勻的環(huán)，并且這個環(huán)會將形成的燒蝕坑劃界（圖 6）,?？傮w而言，燒蝕坑非常平坦且淺：并會形成熔融物,，該熔融物會一直留在燒蝕坑中,，不會被排出。

em>圖 6</em>. A) 使用便攜式儀器經過 150 次激光發(fā)射后產生的燒蝕坑的 3D 視圖,；b) 使用便攜式儀器經過 500 次激光發(fā)射后產生的燒蝕坑的 3D 視圖

對于使用實驗室儀器進行的測量,，在燒蝕坑周圍可見物質噴出（圖 7）。此外,，使用實驗室儀器形成的燒蝕坑都會有因物質積聚而形成的“坑沿",。這些坑沿相對于硬幣表面的高度在 4 µm 至 20 µm 之間，具體取決于發(fā)射的激光次數(shù),。

<em>圖 7</em>.用實驗室儀器經過 20 次激光發(fā)射后產生的燒蝕坑,，可以看到物質噴射。a) 用共聚焦顯微鏡 S neox 拍攝到圖像,；b) 燒蝕坑的 3D 視圖

表 1 顯示了使用 EasyLIBS 和實驗室儀器在進行了不同次數(shù)的激光發(fā)射后產生的燒蝕坑深度對比,。此外，圖 8 和圖 9 分別顯示了兩種 LIBS 儀器在經 50 次和 500 次激光發(fā)射后產生的燒蝕坑的 2D 圖片,。

<em>表 1</em>.便攜式儀器 (EasyLIBS) 和實驗室儀器在不同次數(shù)的激光發(fā)射后產生的燒蝕坑深度對比

<em>圖 8</em>. a) 使用便攜式儀器 (EasyLIBS) 經過 50 次激光發(fā)射后產生的燒蝕坑,；b) 使用實驗室儀器經過 50 次激光發(fā)射后產生的燒蝕坑

<em>圖 9</em>.燒蝕坑的形狀和大小 a) 使用便攜式儀器 (EasyLIBS) 經過 500 次激光發(fā)射后產生的燒蝕坑；b) 使用實驗室儀器經過 500 次激光發(fā)射后產生的燒蝕坑

3D 光學輪廓儀 S neox 已被證明是一種精確,、快速且易于使用的工具,，可用于研究與激光誘導擊穿光譜法測量相關的燒蝕坑。3D 光學輪廓儀可以進行定性和定量分析,，特別是,，共聚焦技術已被證明是一種行之有效的技術，適用于研究和表征不同 LIBS 儀器產生的燒蝕坑的大小,、直徑和深度

這對考古學家和策展人具有重要意義,，因為他們需要在對文物進行具有微破壞性的評估之前便評估其收益/風險。