يُعدّ التحليل الطيفي بالانهيار المُستحث بالليزر (LIBS) تقنيةً لتحليل الانبعاثات الذرية، سريعة، ومتزامنة الكشف، ومتعددة العناصر، وتعتمد كفاءتها بشكل كبير على مصدر ضوء الإثارة. وقد أصبحت ليزرات النانوثانية المكون الأساسي الأكثر نضجًا وشيوعًا لأنظمة LIBS نظرًا لقدرتها الذروية العالية، وبنيتها المدمجة، وانتقائيتها للطول الموجي، ومعدل تكرارها العالي. وفيما يلي خصائصها الأساسية.

الطول الموجي: تشمل الأطوال الموجية الشائعة 1064 نانومتر، و532 نانومتر، و355 نانومتر، وغيرها. تُستخدم ليزرات الطول الموجي 1064 نانومتر على نطاق واسع، ولكن قد تُظهر بعض العينات امتصاصًا أفضل لأطوال موجية محددة من الليزر. في هذه الحالة، قد يكون من الضروري اختيار أطوال موجية أخرى، مثل 532 نانومتر، و355 نانومتر، وغيرها، والتي يتم توليدها بواسطة بلورات مضاعفة التردد.

طاقة النبضة: كلما زادت طاقة النبضة، زادت فعاليتها في تبخير وتأيين العينة، مما يُولّد إشارات بلازما أقوى. وبشكل عام، يمكن اختيار طاقة النبضة في تطبيقات التحليل الطيفي بالليزر (LIBS) بين عشرات ومئات الميلي جول.

معدل التكرار: يحدد معدل التكرار عدد نبضات الليزر في وحدة الزمن. يمكن لمعدل تكرار أعلى أن يحسن سرعة التحليل، ولكنه قد يتسبب أيضًا في ارتفاع درجة حرارة سطح العينة، مما يؤثر على نتائج التحليل. يتراوح معدل التكرار الشائع من بضعة هرتزات إلى عدة مئات من الهرتزات.

مدة النبضة: يمكن لنبضة أقصر أن تولد طاقة ذروة أعلى، مما يعزز التفاعل مع العينة ويسهل تحليل LIBS. عمومًا، يتم اختيار ليزرات النانوثانية ذات مدة نبضة تتراوح بين 3 و10 نانوثانية.

جودة الشعاع: جودة الشعاع الجيدة، مثل الشعاعات ذات التباعد المنخفض، يمكنها تركيز الليزر بشكل أفضل على سطح العينة، وتحسين استخدام الطاقة ودقة التحليل.

الاستقرار: يُعدّ استقرار الليزر على المدى الطويل أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقات التحليل الطيفي بالليزر (LIBS)، إذ يؤثر بشكل مباشر على قابلية تكرار نتائج التحليل وموثوقيتها. لذا، يُنصح باختيار ليزر ذي قدرة خرج وطاقة ثابتتين، مثل بعض أنواع الليزر المصممة بتقنية الضخ الثنائي، والتي تتميز باستقرار جيد وعمر تشغيلي أطول.

أولاً: مبدأ عمل مطيافية الانبعاث الذري بالليزر

تستخدم تقنية التحليل الطيفي بالليزر (LIBS) ليزرًا نبضيًا عالي الطاقة ومركزًا لإزالة جزيئات دقيقة بحجم الميكرومتر من سطح العينة على الفور، مُشكِّلةً بلازما تصل درجة حرارتها إلى 10⁴ كلفن. أثناء تبريد البلازما، تنبعث خطوط طيفية مميزة للعناصر، تُجمع وتُحلل بواسطة مطياف واسع النطاق لإجراء تحليل نوعي أو كمي. تصل القدرة القصوى لأشعة الليزر النانوثانية (مثل ليزر Nd:YAG، بعرض نبضة 5-10 نانوثانية، وطاقة نبضة واحدة 10-200 ملي جول) إلى مستوى الميغاواط، وهو ما يكفي لإثارة البلازما بشكل مستقر على المعادن، والمواد المعدنية، والتربة، والسوائل، وحتى العينات البيولوجية. يُعد هذا الليزر مصدر الضوء المُفضَّل لتطبيق تقنية LIBS على نطاق صناعي.

استجابةً للطلب المحلي على دمج أجهزة التحليل الطيفي بالليزر المحمولة باليد، ريل لايت قام بتطويرها بشكل مستقل ليزر الحالة الصلبة عالي الطاقة من سلسلة PQEتم تصميم هذا الجهاز خصيصًا لتقنية التحليل الطيفي بالليزر (LIBS) والاستئصال بالليزر. يتوافق طراز PQE-1064-0.01-10 تمامًا مع المواصفات الأساسية لمصدر ضوء LIBS: طول موجة الأشعة تحت الحمراء 1064 نانومتر، ومعدل تكرار 10 هرتز، وطاقة نبضة واحدة أكبر من 10 ملي جول، وعرض نبضة أقل من 3 نانو ثانية. يتيح عرض النبضة الضيق مع طاقة خرج تبلغ 10 ملي جول تحقيق طاقة ذروة فائقة، مما يسمح بتأيين عينات صلبة متنوعة بكفاءة عالية، مثل الخامات والسبائك والتربة، دون الحاجة إلى وحدات تضخيم طاقة إضافية، مما يبسط بشكل كبير بنية المسار البصري الكلي لتقنية LIBS.

ثانيًا، تكوين نظام LIBS

يتكون جهاز LIBS النموذجي الذي يعمل بتقنية النانو ثانية من أربعة أجزاء:

1. رأس الليزر ومصدر الطاقة: يوفر خرج 532/355/266 نانومتر بتردد أساسي 1064 نانومتر أو مضاعفة التردد، بمعدل تكرار 10-100 هرتز، ويمكن تشغيله خارجيًا.

الحل المنزلي المحمول الموصى به هو RealLight ليزر الحالة الصلبة من سلسلة PQEيعتمد هذا الجهاز على مسار بصري متكامل لشريحة دقيقة مزودة بمضخة بلورية شبه موصلة. يبلغ حجم رأس الليزر 83 × 30 × 22.1 مم فقط، وهو مزود بلوحة تحكم بأبعاد 45 × 39.6 × 110.3 مم. يسهل تصميمه المنفصل دمجه في المجسات المحمولة وحافظات الاختبار الميداني. يعمل الجهاز بجهد منخفض 12 فولت تيار مستمر، باستهلاك طاقة أقصى لا يتجاوز 20 واط، مما يجعله مناسبًا للأجهزة المحمولة التي تعمل ببطاريات الليثيوم. تتضمن واجهة التحكم منفذًا تسلسليًا RS-232 وقنوات إدخال/إخراج متعددة، تدعم أوضاع التشغيل المزدوجة الداخلية والخارجية، ويمكنها التكامل بسلاسة مع وحدات مزامنة التوقيت وأنظمة جمع البيانات الطيفية، مما يقلل بشكل كبير من صعوبة التطوير والتكامل الثانوي لمصنعي المعدات. يتم تبريد الجهاز بالهواء فقط لتبديد الحرارة، متخليًا بذلك عن وحدات التبريد المائي التقليدية المستخدمة في الليزر عالي الطاقة، وملغيًا الحاجة إلى أنابيب المياه ومعدات التبريد. يتميز تصميم النظام بالبساطة وهو مناسب لظروف العمل الخارجية والمركبات التي لا تحتاج إلى ماء.

مخطط الأبعاد الميكانيكية لليزر الحالة الصلبة عالي الطاقة من سلسلة PQE

2. المسار البصري والتركيز: تعمل عدسات الكوارتز على تركيز شعاع الليزر على سطح العينة، بكثافة طاقة بؤرية أكبر من 1 جيجا واط سم ²؛ تقوم عدسات التجميع المحورية أو خارج المحور بربط ضوء البلازما بالألياف.

تبلغ زوايا التباعد الكاملة الأفقية والرأسية 1/e ² لشعاع ليزر PQE 3 ملي راديان، مع تقارب ممتاز للشعاع وموضع نقطة تركيز دقيق، مما يقلل من الأخطاء التجريبية في الحصول على الطيف LIBS؛ يبلغ تذبذب RMS للطاقة أقل من 3٪، كما أن اتساق طاقة النبضة أثناء أخذ العينات المستمر طويل المدى عالٍ، مما يضمن بيانات مستقرة وقابلة للتكرار من عمليات فحص متعددة في الموقع.

3. التحكم في التوقيت: يقوم مولد النبضات الرقمي بمزامنة مفتاح Q الليزري مع بوابة المطياف لقمع الخلفية المستمرة وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

4. الكشف الطيفي: يتم استخدام مطياف تشيرني تيرنر متعدد القنوات (200-850 نانومتر، دقة 0.1 نانومتر) بالتزامن مع ICCD/CMOS الذي يتم التحكم فيه بواسطة البوابة لتحقيق الحصول على الطيف الكامل على مستوى الميلي ثانية.

يمكن دمج النظام بأكمله في منصات محمولة باليد يقل وزنها عن 5 كيلوغرامات، كما يمكن توسيعه ليشمل مجسات متصلة بالإنترنت للتكيف مع ظروف العمل المعقدة في المواقع الصناعية. كما هو موضح في الشكل أدناه:

سلسلة PQE يتميز هذا الجهاز بقدرته على التكيف مع نطاق واسع من درجات الحرارة، حيث تتراوح درجة حرارة التشغيل القياسية بين 10 و35 درجة مئوية، ويتحمل درجات حرارة تخزين تتراوح بين -20 و60 درجة مئوية. كما أنه قادر على تحمل درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة للاستخدام طويل الأمد في الهواء الطلق وداخل المركبات دون أي انحراف في المسار البصري، مما يضمن كشفًا مستقرًا بتقنية LIBS على مدار الساعة.

ليزر الحالة الصلبة عالي الطاقة من سلسلة PQE

ثالثًا: مزايا ليزرات النانوثانية في تقنية التحليل الطيفي بالليزر (LIBS)

1. قدرة ذروة عالية، استقرار البلازما

يمكن لمزيج عرض النبضة النانوثانية وطاقة مستوى الميلي جول أن يُشكّل بلازما عالية الحرارة وعالية الكثافة الإلكترونية على أي سطح صلب، مع نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية وحدود كشف للعناصر النزرة تصل إلى جزء في المليون. عرض نبضة RealLight سلسلة PQE يتم التحكم بها في غضون 3 نانوثانية، بطاقة نبضة واحدة تزيد عن 10 ملي جول، وقدرة ذروة فائقة، وتآكل منخفض في منطقة التأثير الحراري. يمكنها إثارة إشارات بلازما قوية بثبات والتحكم بدقة في نطاق تآكل العينة، مما يلبي متطلبات الحساسية العالية والكشف عن الفقدان الدقيق.

2. مخرج متعدد الأطوال الموجية، مناسب للركائز المعقدة

بفضل مضاعفة تردد البلورة، يمكن لرأس الليزر نفسه التبديل بين أطوال موجية 1064/532/355/266 نانومتر. تُناسب الأطوال الموجية الطويلة المعادن ذات الانعكاسية العالية، بينما تتميز الأطوال الموجية القصيرة بكفاءة استئصال أعلى للمواد الشفافة أو العضوية، مما يقلل بشكل كبير من تأثيرات الركيزة. النموذج القياسي لـ ليزر سلسلة PQE مصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء بتردد أساسي 1064 نانومتر، وهو مناسب لسيناريوهات الكشف الرئيسية في تقنية LIBS مثل علم المعادن والمعادن والتربة.

3. معدل تكرار عالٍ، وكفاءة تحليل عالية

يدعم تردد النبضات الذي يتراوح بين 10 و100 هرتز المسح السريع متعدد النقاط ومتوسط ​​الإشارة، مع زمن كشف عينة واحدة أقل من ثانية واحدة، مما يلبي متطلبات دورة الكشف بنسبة 100% للاختبارات الصناعية عبر الإنترنت. سلسلة PQE يبلغ معدل التكرار 10 هرتز، وهو ما يتوافق مع المتطلبات التقليدية للكشف عن نقطة واحدة والمسح متعدد النقاط باستخدام تقنية LIBS المحمولة باليد.

4. هيكل صغير الحجم، سهل التركيب في الموقع

يُمكّن تصميم الليزر الحديث الذي يعمل بتقنية الضخ بالديود (DPSS) من أن يكون حجمه أقل من 2 لتر ووزنه أقل من 2 كيلوغرام، دون الحاجة إلى تبريد بالماء، ويمكنه العمل بثبات في بيئة تتراوح درجة حرارتها بين -10 و50 درجة مئوية، مما يوفر مصدر ضوء موثوقًا لأجهزة التحليل الطيفي بالليزر المحمولة ومنصات المركبات الجوية غير المأهولة. ليزر سلسلة PQE يُعد هذا الجهاز مثالاً على حلول التبريد الهوائي المصغرة، حيث يتميز بمسار بصري متكامل على شريحة دقيقة، مما يقلل بشكل كبير من حجمه الإجمالي. لا يحتاج إلى نظام تبريد مائي، ويتميز باستهلاك منخفض للطاقة، وخفة الوزن، مما يجعله مثالياً للتكامل مع الأجهزة المحمولة وأجهزة الكشف الميدانية الفورية.

5. تكلفة معتدلة وصيانة بسيطة

تُعتبر تقنية الليزر النانوثانية تقنية ناضجة، ويبلغ سعر الوحدة الواحدة عُشر سعر وحدة ليزر الفيمتو ثانية فقط؛ ويبلغ عمر مضخة الوميض أو ليزر ثنائي 10⁹ سنة، ولا يتطلب الأمر سوى تنظيف العدسات بشكل دوري في الموقع، مع انخفاض تكاليف الصيانة. ليزر سلسلة PQE تُطوّر المكونات البصرية الأساسية وتُنتج محلياً، مع سلسلة توريد مستقرة ومزايا اقتصادية كبيرة في الشراء بالجملة. لا يتطلب حل رأس الليزر ولوحة التحكم المنفصلة المعيارية عمليات ضبط بصري معقدة من قبل المصنّعين، مما يُقصّر دورة التطوير الإجمالية. إنه حل محلي فعال من حيث التكلفة لاستبدال ليزرات Q-switched عالية الطاقة المستوردة.

6. الكشف عن التلف المجهري لحماية العينات الثمينة

لا تُلحق حفر الاستئصال بنبضة واحدة، والتي يتراوح قطرها بين 10 و50 ميكرومترًا وعمقها أقل من 10 ميكرومترات، أي ضرر تقريبًا بالآثار الثقافية والأنسجة البيولوجية والمكونات الإلكترونية، مما يتيح إجراء تحليل "في الموقع، كما هو". سلسلة PQE يتميز بتأثير حراري نبضي منخفض في غضون 3 نانوثانية، واستئصال منطقة دقيقة يمكن التحكم فيه، وهو مناسب لتحليل LIBS غير المدمر للآثار الثقافية والمكونات الدقيقة.

7. سلامة جيدة وقابلية للتكيف مع الأنظمة والقوانين

يُعدّ ليزر الأشعة تحت الحمراء القريبة بطول موجة 1064 نانومتر آمناً نسبياً للعينين، ويمكن نقله عبر ألياف الكوارتز العادية، مما يسهل القياس عن بُعد في البيئات الخطرة أو ذات درجات الحرارة العالية، بما يتوافق مع لوائح السلامة الصناعية. سلسلة PQE يتوافق خرج 1064 نانومتر القياسي مع معايير الاستخدام الآمن للمواقع الصناعية.

رابعًا: حالات التطبيق النموذجية

علم المعادن وإعادة التدوير: يمكن لجهاز التحليل الطيفي بالليزر المحمول بتقنية النانو ثانية إكمال فرز الفولاذ المقاوم للصدأ من النوعين 304/316 في غضون ثانيتين، مما يزيد من الطاقة الإنتاجية السنوية بنسبة 30% ويقلل من معدل الخطأ بنسبة أقل من 2%.

الكشف عن الفحم عبر الإنترنت: دمج أشعة الليزر النانوثانية فوق الحزام، مع أخطاء في التنبؤ بمحتوى الرماد والكبريت أقل من 0.5%، مما يساعد محطات الطاقة على توفير أكثر من 10 ملايين يوان في تكاليف الوقود سنويًا

فحص المعادن الثقيلة في التربة: يمكن لنظام التحليل الطيفي بالليزر النانوي المثبت على المركبة الكشف عن أكثر من 500 نقطة يوميًا، مما يوفر بيانات في الوقت الفعلي لمعالجة المواقع الملوثة.

• تحليل أصباغ الآثار الثقافية: استُخدم ليزر نانوثانية بطول موجي 266 نانومتر لتحليل نقاط التلف الدقيقة على الجداريات، وتم بنجاح تحديد أصباغ اللازورد والملكيت المستخدمة في عهد أسرة تانغ، وتوجيه اختيار مواد الترميم.

Ⅴ、 ملخص

أصبحت ليزرات النانوثانية، بفضل قدرتها العالية على توليد الطاقة القصوى، وخيارات الأطوال الموجية المتعددة، ومعدل التكرار العالي، وبنيتها المدمجة، ومزاياها من حيث التكلفة، القوة الدافعة الأساسية لتصنيع تقنية التحليل الطيفي بالليزر (LIBS) وتطبيقها في الموقع وسهولة نقلها. ريل لايت‘s ليزر الحالة الصلبة عالي الطاقة من سلسلة PQEيُعدّ هذا الجهاز مصدرًا ضوئيًا نبضيًا عالي الطاقة مصغرًا، مُصنّعًا محليًا، ويعتمد على مسار بصري مُدمج بتقنية Q-switching السلبية، مُطوّر ذاتيًا، لتحقيق خرج نبضي يزيد عن 10 مللي جول في هيكل صغير جدًا. يتميز بخمس خصائص: عرض نبضي ضيق، تبريد هوائي بدون ماء، استهلاك منخفض للطاقة، سهولة التكامل مع مُصنّعي المعدات الأصلية، وفعالية عالية من حيث التكلفة. وهو المصدر الضوئي المُفضّل محليًا لدى معاهد البحوث، ومُصنّعي الأجهزة التحليلية، وشركات الاختبارات البيئية، لتطوير أجهزة تحليل LIBS المحمولة، ومعدات الكشف بالليزر الميدانية، وأجهزة الاختبار البصرية. مع دمج تقنيات جديدة مثل النبض المزدوج، وLIBS التصويري، وخوارزميات الذكاء الاصطناعي، ستستمر ليزرات النانو ثانية في لعب دور لا غنى عنه في مجالات التعدين، والطاقة، والبيئة، والآثار، واستكشاف الفضاء السحيق، وغيرها، مُوفرةً ضمانات مصدر ضوئي مستقر وموثوق به لإجراء تحليل سريع، وفي الموقع، ومتعدد العناصر.

تنويه: بعض محتوى هذه المقالة مأخوذ من الإنترنت لأغراض البحث والمناقشة التقنية. وهي مخصصة للاطلاع والتعلم فقط. يُرجى التفضل بالإبلاغ عن أي معلومات غير دقيقة. في حال وجود أي مشاكل متعلقة بحقوق النشر، يُرجى التواصل معنا للتحقق من المحتوى وإزالته.