激光诱导击穿光谱（LIBS）已成为一种有效的原位元素分析技术，应用于水下[1]，包括深海矿物勘探[2],[3],[4],[5]、海洋环境监测[6],[7]、浸没材料检测[9],[10],[11]以及水下考古[12],[13],[14]。该技术特别吸引人，因为它能够对浸没固体进行快速、远程的原位元素测量[15]。然而，水下LIBS存在激光-目标耦合弱和等离子体迅速冷却的问题。等离子体能量通过两条主要途径重新分布：传导到周围环境的热传递（淬火效应）和对周围水的机械作用（压缩效应）。后者表现为冲击波前沿、空化泡的生长和崩溃以及最终被粘性耗散和湍流混合抑制的声波[16],[17]。这些过程使等离子体冷却，缩短其发射持续时间，并抑制特征光谱线[18],[19],[20],[21]。因此，减少等离子体淬火的影响和保持强激光-目标耦合对于提高水下LIBS对浸没固体的分析性能至关重要。
以往的研究主要集中在优化光束传输和聚焦以增强目标的能量沉积。Wang等人[22]通过调整聚焦角度和透镜到样本的距离，提高了特征光谱线的信噪比。除了单脉冲优化外，还开发了双脉冲和长脉冲激发方案。在双脉冲方法中，第一个脉冲产生空化泡后，经过可控延迟引入第二个脉冲[23],[24],[25]。空化泡提供了一个短暂的低密度腔体，有助于第二个脉冲在水-固体界面的耦合并保持二次等离子体发射[26],[27]。强化的程度取决于脉冲间的延迟，因为空化泡的演化决定了耦合条件[28]。然而，对精确延迟控制和光学对准的要求增加了系统的复杂性，并限制了紧凑型原型的集成[29],[30]。长脉冲激发可以延长能量传输并减轻等离子体淬火[31],[32]，但由于其峰值功率较低，等离子体形成对精确焦距的位置更加敏感。这些因素可能会减少烧蚀质量，导致等离子体能量降低[33],[34],[35],[36],[37]。从能量传输的角度来看，这些策略主要是为了增加耦合到击穿区域的激光能量。然而，相对较少的研究探讨了烧蚀坑几何形状对水下目标的激光-目标耦合和等离子体演化的影响。这些依赖几何形状的效果在光谱、流体动力学和声学特征中的表现程度也不清楚。
与水下条件相比，气体环境中对等离子体特性的坑几何形状影响已经得到了更广泛的研究。在气体环境中，这种影响归因于空间限制和向周围材料的热传递。Corsi等人的研究[38]表明，坑的存在可以增强等离子体限制，从而增加光谱的强度。Nagli等人[39]进一步报告说，等离子体的强度取决于脉冲数量，他们将其归因于坑几何形状的变化，这改变了激发态和基态种群之间的平衡。同样，Shi等人[40]观察到，随着坑深度的增加，光谱强度先增加然后减少。相比之下，水下条件比气体环境更为复杂，因为水的热导率、密度和声阻抗都要高得多[41]。这些属性促进了等离子体向周围介质更有效的热传递和机械能传递，导致能量通过液体和固体途径快速耗散，伴随空化泡的形成、生长和崩溃[42],[43]。尽管在空气中已经广泛分析了坑几何形状的影响，但相对较少的研究探讨了它们对水下等离子体特性的影响。
本研究调查了由于坑几何形状变化导致的光谱响应。具体来说，量化了坑几何形状对（I）激光-目标耦合和可用于热传递的有效固体表面积，（II）等离子体特性，（III）周围水的流体动力学响应，以及（IV）最终发射光谱的影响。为了以可控的方式研究这些效应，通过施加预备激光脉冲来调整烧蚀坑的几何形状，形成不同深度的坑。在532纳米单脉冲激发下，收集了浸没在氯化锂（LiCl）水溶液中的铝目标的发射光谱、坑轮廓、时间分辨的等离子体图像、阴影图和水听器信号。
