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域；b) 放大使用實驗室儀器分析的區域

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 (HAZ)，在激光燒蝕中是一種已被大家熟知的現象。

<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 次激光發射形成的燒蝕坑；a) 由 20 次激光發射形成的燒蝕坑的 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射次數的增加而加深（圖 5）。在經過 20 次激光發射后，樣本在最深的區域被挖空約 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，并且這個環會將形成的燒蝕坑劃界（圖 6）。總體而言，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，具體取決于發射的激光次數。

<em>圖 7</em>.用實驗室儀器經過 20 次激光發射后產生的燒蝕坑，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的激光發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的激光發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 次激光發射后產生的燒蝕坑；b) 使用實驗室儀器經過 50 次激光發射后產生的燒蝕坑

<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 次激光發射后產生的燒蝕坑；b) 使用實驗室儀器經過 500 次激光發射后產生的燒蝕坑

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。