في السنوات الأخيرة، حظيت تقنية التحليل الطيفي بالانهيار المستحث بالليزر (LIBS) باهتمام متزايد في المجال الصناعي، لا سيما في مجالي الكشف عن سبائك الألومنيوم وخام الإسبودومين. ولا تزال الأجهزة السائدة في مجال أجهزة LIBS المحمولة منتجات أجنبية. ومع اقتراب عصر بطاريات الليثيوم، هل سيتمكن مصنّعو الأجهزة المحليون من تحقيق طفرات نوعية في مجال أجهزة LIBS المحمولة في ظل الطلب المتزايد؟ يبقى هذا السؤال مطروحًا.

لطالما شكلت تقنية الليزر ذي الحالة الصلبة في أجهزة التحليل الطيفي بالليزر المحمولة عائقًا رئيسيًا في هذه التقنية. حاليًا، تشمل أنواع الليزر الرئيسية المستخدمة في اختبارات التحليل الطيفي بالليزر ما يلي: ليزر الحالة الصلبة المضخّم بمصابيح الوميض (للاستخدام المختبري)، وليزر الحالة الصلبة المضخّم بمكدس ثنائيات (للتطبيقات المحمولة)، وليزر الرقائق الدقيقة ذو النبضات الضيقة المضخّم بالثنائيات (ذو طاقة منخفضة نسبيًا). لطالما شكل ليزر الحالة الصلبة المضخّم بمكدس ثنائيات مشكلة في التطبيقات الصناعية نظرًا لاستهلاكه العالي للطاقة، ونطاق درجة حرارة التشغيل الضيق، وصعوبة التحكم في استقرار الطاقة.

في الآونة الأخيرة، انتشر استخدام ليزر الإربيوم الزجاجي بطول موجة 1535 نانومتر على نطاق واسع في البيئات القاسية، كالبيئات العسكرية، نظرًا لأدائه المتميز. وفي الوقت نفسه، حظي هذا الليزر باهتمام واسع من مصنعي أجهزة التحليل الطيفي بالليزر المحمولة والعاملين في هذا المجال. وللتحقق من أداء ليزر الإربيوم الزجاجي بطول موجة 1535 نانومتر في مجال التحليل الطيفي بالليزر، أجرينا التجارب التالية للتحقق من التطبيق.

1. التحقق من أداء إثارة الليزر

باستخدام ليزر بطول موجي 1535 نانومتر وعرض نبضة 7 نانوثانية وطاقة 1 ملي جول ومعدل تكرار 10 هرتز كمثال، تبلغ ذروة قدرة الليزر 143.8 كيلوواط. عند اختيار نظام تركيز مناسب، يتم تركيز البقعة إلى 100 ميكرومتر، وتبلغ ذروة كثافة القدرة 1.82 جيجاواط/سم²، ما يفي بشروط إثارة مطيافية الانبعاث الضوئي بالليزر (LIBS).

       جودة شعاع نموذجية للمجهر الإلكتروني النافذ₀₀   

عرض النبضة 7 نانوثانية

2. مقارنة تأثيرات الإثارة بين ليزر 1064 نانومتر وليزر 1535 نانومتر

في هذه التجربة، تم اختيار أربعة أنواع من الليزر لإثارة عينات النحاس الأصفر، وتمت مقارنة وتحليل الاختلافات في البيانات الطيفية لتقنية LIBS لليزر المختلفة.

نظام الاختبار

تم اختيار ليزرين بطول موجي 1064 نانومتر وليزرين بطول موجي 1535 نانومتر لإجراء الاختبار. وفيما يلي أهم خصائص الليزرات الأربعة:  

1-1064 نانومتر-10 هرتز-10 ملي جول-10 نانو ثانية أزرق

2-1064 نانومتر-1 كيلوهرتز-120 ميكرو جول-750 بيكوثانية أخضر

3-1535 نانومتر - 1 كيلوهرتز - 40 ميكرو جول - 5 نانوثانية أحمر

4-1535 نانومتر-200 هرتز-70 ميكرو جول-5 نانو ثانية أسود

تتم مقارنة أطياف الإثارة على النحو التالي:

الأطياف

من مخطط الاختبار، نلاحظ أن البيانات الطيفية لليزر ذي الطول الموجي 1064 نانومتر والليزر ذي الطول الموجي 1535 نانومتر متطابقة بشكل أساسي عند تحفيز مطيافية الانبعاث الضوئي المحفز بالليزر (LIBS) بمعدلات تكرار عالية ومنخفضة. ولا يوجد فرق في تأثيرات التحفيز بين الليزرين.

3. اختبار تأثير الإثارة لليزر بطول موجي 1535 نانومتر على خامات المعادن الخفيفة

للتحقق من جدوى استخدام الطول الموجي 1535 نانومتر في مجال المعادن الخفيفة، تم استخدام ليزر بطول موجي 1535 نانومتر وطاقة 1 ملي جول لاختبار عينات من الإسبودومين بتردد تكرار 5 هرتز. وفيما يلي أطياف الاختبار:

أطياف اختبار عينات الإسبودومين باستخدام ليزر RealLight 1535nm 1mJ

يتضح من البيانات التجريبية أن ليزر 1535 نانومتر قادر على إثارة الخطوط الطيفية المميزة لعناصر الأرض النادرة بكفاءة. وباستخدام هذا الليزر، يمكن الكشف عن تركيب الخام.

يتمتع ليزر زجاج الإربيوم بآفاق تطبيق واسعة في معدات LIBS المحمولة باليد بناءً على مبدأ عمله وبنيته.

أولاً، نظراً لمعامل الامتصاص المسطح نسبياً لطيف امتصاص زجاج الإربيوم في نطاق الطول الموجي بين 910 نانومتر و950 نانومتر، يمكن لهذا الليزر تحقيق تشغيل واسع النطاق لدرجة الحرارة (-40 ~ 65 درجة مئوية) دون استخدام التحكم في درجة الحرارة، ويتمتع باستقرار طاقة عالٍ.

استقرار الطاقة < 1% (القيمة المقاسة 0.61%)

ثانيًا، يمكن إنتاج الليزر باستخدام تقنية تغليف أشباه الموصلات، مع ضمان منع التكثف عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى -40 درجة مئوية بفضل تقنية التغليف بالنيتروجين. يتميز الليزر بصغر حجمه وخفة وزنه، حيث لا يتجاوز وزن رأس الليزر النموذجي ذي طاقة 1 ملي جول 20 غرامًا. ويمكن تزويد الليزر بكاشف ضوئي (PD) لكشف الضوء وتشغيل جهاز الاستحواذ.

ليزر RealLight بطول موجي 1535 نانومتر

بالإضافة إلى ذلك، ولأن الليزر لا يحتاج إلى نظام تحكم حراري كهربائي، فإن استهلاك الطاقة الإجمالي للنظام منخفض للغاية. ويمكن أن يصل حجم الدائرة إلى 20 × 40 مم، مما يجعله مناسبًا للاستخدام الميداني طويل الأمد.

تُسهم الخصائص المذكورة أعلاه، بالإضافة إلى كون أشعة الليزر بطول موجي 1535 نانومتر تُصدر إشعاعًا ضمن النطاق الطيفي الآمن للعين، في تقليل مخاطر السلامة المتعلقة باستخدام الليزر بشكل كبير. وتجذب أجهزة التحليل الطيفي بالليزر المحمولة، التي تستخدم ليزر زجاج الإربيوم بطول موجي 1535 نانومتر كمصدر للضوء، اهتمام مصنعي المعدات المحليين والأجانب.

شركة RealLight، التي تأسست عام 2010، هي شركة تقنية متخصصة في ليزرات أشباه الموصلات، وليزر الرقائق الدقيقة، وليزر ذي عرض خط طيفي ضيق، وليزر الحالة الصلبة عالي الطاقة، وتقنيات الكشف عن الليزر وتطبيقاته. وسنقدم الدعم للمستخدمين في مجال تطبيقات التحليل الطيفي بالليزر (LIBS).

يوصى باستخدام ليزري الإربيوم الزجاجيين التاليين: