Doctoral Thesis

Lowering the detection limits of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) technique via innovative approaches

Final Thesis 19.8 MB

Author of thesis: Megha Mohan

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D.

Reviewer: prof. RNDr. Pavel Veis, CSc.

Abstract:

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) offers significant advantages for rapid, remote,
and minimally destructive elemental analysis but suffers from limited accuracy and sensitivity
due to plasma heterogeneity, matrix effects, and instrumental constraints. This thesis addresses
two critical areas to enhance the reliability and analytical capability of LIBS.
First, plasma plume dynamics at a metal boundary was investigated through 2D and 3D imaging,
interferometry, and spectroscopy under varying ambient pressures. The study revealed distinct
plasma asymmetries at material boundaries, especially pronounced at lower pressures, highlighting substantial deviations from the conventional assumption of plasma uniformity. Additionally,
signal intensity was found highly sensitive to optical alignment, emphasizing the importance of
precise alignment of the collection optics during elemental mapping and quantitative analysis
of heterogeneous samples. Most importantly, this study reinforces the need to critically assess
the commonly adopted assumption of plasma homogeneity in LIBS, particularly when dealing
with fine heterogeneous structures, where this assumption may not hold true.
Second, the potential of orthogonal triple-pulse LIBS to enhance the signal of elements with
high excitation energies were systematically studied on soft borosilicate glass and lunar regolith
simulants. Significant signal enhancements, particularly for ionic emission lines with high excitation energies, were demonstrated, outperforming both single- and double-pulse configurations.
Moreover, the relationship between spectral line excitation energies and signal enhancement was
studied in collinear double-pulse configuration, revealing a linear dependence and suggesting
that enhancement predominantly results from increased ablated mass and extended plasma lifetimes rather than higher plasma temperatures.
These findings provide deeper insight into LIBS plasma behavior at complex material boundaries and offer practical optimization strategies for significantly improving the analytical performance of LIBS across diverse matrices

Keywords:

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), signal enhancement, matrix boundaries, plasma
inhomogeneity, radon reconstruction, plasma morphology, electron number density, double-pulse LIBS

Date of defence

08.01.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertační práce studentky Megha Mohan se zaměřuje na dvě klíčové oblasti, jejichž cílem je zvýšit spolehlivost a analytické schopnosti metody LIBS. První část práce se zabývá dynamikou plazmatu generovaného na rozhraní dvou kovů, která byla zkoumána pomocí dvou- a třírozměrného zobrazování, interferometrie a spektroskopie při různých okolních tlacích. Druhá část práce systematicky zkoumá potenciál ortogonálního třípulzního (TP) uspořádání LIBS pro zesílení signálu spektrálních čar s vysokou excitační energií na vzorcích měkkého borosilikátového skla a simulantu měsíčního regolitu. Práce je aktuální a stanovené cíle byly splněny. Práce paní Mohan představuje velmi solidní vědecké dílo s nadčasovými a nevyčíslitelnými dopady. Disertace povede k řadě dopadů v oblasti kvantitativních výstupů, získávání vyššího signálu při nižší energii a harmonizace schémat sběru dat v rámci odborné komunity. V průběhu obhajoby studentka prokázala odborné znalosti ve zkoumané oblasti. Na dotazy komise a oponentů odpověděla výborně a prokázala, že je schopna samostatně vědecky pracovat na vysoké úrovni.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Advanced Materials and Nanosciences (CEITEC-AMN-CZ-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Pavel Veis, CSc. (člen)
prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D. (člen)
Mgr. Michaela Kuchynka, Ph.D. (člen)
Mgr. Ota Samek, Ph.D. (člen)
Dr. José Miguel Vadillo Pérez (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Jozef Kaiser, Ph.D.

viz posudek v pdf.
File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 74,90 kB

Reviewer’s report
prof. RNDr. Pavel Veis, CSc.

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 259,38 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová