白光干涉儀用于對(duì)與激光誘導(dǎo)擊穿光譜 (LIBS) 測(cè)量相關(guān)的燒蝕坑進(jìn)行表征

此研究具有雙重目的：1) 對(duì)與壁畫樣品（圖 1）上的激光誘導(dǎo)擊穿光譜 (LIBS) 測(cè)量相關(guān)的燒蝕坑進(jìn)行表征；以及 2) 比較與便攜式儀器（EasyLIBS）及實(shí)驗(yàn)室儀器相關(guān)聯(lián)的 2 分歐元硬幣（圖 2）上的燒蝕坑。

圖 1.分析壁畫樣品

圖 2.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(shí)驗(yàn)室儀器分析的區(qū)域

我們對(duì)與 LIBS 測(cè)量相關(guān)的燒蝕坑尺寸和深度進(jìn)行了研究。在共聚焦模式下使用 3D 光學(xué)輪廓儀 S neox 分析燒蝕坑。為進(jìn)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(gè)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(zhì)受到撞擊時(shí)會(huì)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。

圖 3.覆蓋紅色顏料的黃色裝飾層上的分析點(diǎn)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(jīng) 20 次激光發(fā)射形成的燒蝕坑需要更被進(jìn)一步深入研究（圖 4）。實(shí)際上，在燒蝕坑內(nèi)觀察到了一個(gè)中空區(qū)域，尺寸約為 160 µm x 100 µm。每個(gè)燒蝕坑中都觀察到了相同的結(jié)果。

圖 4.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(lán)色顯示）

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

圖 5.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(gè)寬而均勻的環(huán)，并且這個(gè)環(huán)會(huì)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(huì)形成熔融物，該熔融物會(huì)一直留在燒蝕坑中，不會(huì)被排出。

圖 6. A) 使用便攜式儀器經(jīng)過 150 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑的 3D 視圖；b) 使用便攜式儀器經(jīng)過 500 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑的 3D 視圖

對(duì)于使用實(shí)驗(yàn)室儀器進(jìn)行的測(cè)量，在燒蝕坑周圍可見物質(zhì)噴出（圖 7）。此外，使用實(shí)驗(yàn)室儀器形成的燒蝕坑都會(huì)有因物質(zhì)積聚而形成的“坑沿"。這些坑沿相對(duì)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)。

圖 7.用實(shí)驗(yàn)室儀器經(jīng)過 20 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑，可以看到物質(zhì)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(shí)驗(yàn)室儀器在進(jìn)行了不同次數(shù)的激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑深度對(duì)比。此外，圖 8 和圖 9 分別顯示了兩種 LIBS 儀器在經(jīng) 50 次和 500 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑的 2D 圖片。

表 1.便攜式儀器 (EasyLIBS) 和實(shí)驗(yàn)室儀器在不同次數(shù)的激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑深度對(duì)比

圖 8. a) 使用便攜式儀器 (EasyLIBS) 經(jīng)過 50 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑；b) 使用實(shí)驗(yàn)室儀器經(jīng)過 50 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑

圖 9.燒蝕坑的形狀和大小 a) 使用便攜式儀器 (EasyLIBS) 經(jīng)過 500 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑；b) 使用實(shí)驗(yàn)室儀器經(jīng)過 500 次激光發(fā)射后產(chǎn)生的燒蝕坑

3D 光學(xué)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(dǎo)擊穿光譜法測(cè)量相關(guān)的燒蝕坑。3D 光學(xué)輪廓儀可以進(jìn)行定性和定量分析，特別是，共聚焦技術(shù)已被證明是一種行之有效的技術(shù)，適用于研究和表征不同 LIBS 儀器產(chǎn)生的燒蝕坑的大小、直徑和深度。

這對(duì)考古學(xué)家和策展人具有重要意義，因?yàn)樗麄冃枰趯?duì)文物進(jìn)行具有微破壞性的評(píng)估之前便評(píng)估其收益/風(fēng)險(xiǎn)。