Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) ist eine schnelle, in-situ-fähige Methode zur synchronen Detektion mehrerer Elemente mittels Atomemissionsanalyse. Ihre Leistungsfähigkeit hängt maßgeblich von der Anregungslichtquelle ab. Nanosekundenlaser haben sich aufgrund ihrer hohen Spitzenleistung, kompakten Bauweise, Wellenlängenselektivität und hohen Repetitionsrate als ausgereifteste und beliebteste Kernkomponente von LIBS-Systemen etabliert. Ihre Kerneigenschaften sind im Folgenden aufgeführt.

Wellenlänge: Gängige Wellenlängen sind beispielsweise 1064 nm, 532 nm und 355 nm. Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm sind weit verbreitet, jedoch können manche Proben bestimmte Wellenlängen des Lasers besser absorbieren. In diesem Fall kann es erforderlich sein, andere Wellenlängen wie 532 nm oder 355 nm zu wählen, die durch Frequenzverdopplungskristalle erzeugt werden.

Pulsenergie: Je höher die Pulsenergie, desto effektiver kann die Probe verdampft und ionisiert werden, wodurch stärkere Plasmasignale erzeugt werden. Im Allgemeinen kann die Pulsenergie in LIBS-Anwendungen zwischen einigen zehn mJ und einigen hundert mJ gewählt werden.

Wiederholrate: Die Wiederholrate bestimmt die Anzahl der Laserpulse pro Zeiteinheit. Eine höhere Wiederholrate kann die Analysegeschwindigkeit erhöhen, jedoch auch zu einer Überhitzung der Probenoberfläche führen und somit die Analyseergebnisse beeinträchtigen. Üblicherweise liegt der Bereich der Wiederholraten zwischen wenigen Hertz und mehreren hundert Hertz.

Pulsdauer: Eine kürzere Pulsdauer kann eine höhere Spitzenleistung erzeugen und dadurch die Wechselwirkung mit der Probe verstärken, was die LIBS-Analyse erleichtert. Im Allgemeinen werden Nanosekundenlaser mit Pulsdauern von etwa 3–10 ns verwendet.

Strahlqualität: Eine gute Strahlqualität, wie z. B. ein Strahl mit geringer Divergenz, ermöglicht eine bessere Fokussierung des Lasers auf die Probenoberfläche, verbessert die Energieausnutzung und die Genauigkeit der Analyse.

Stabilität: Die Langzeitstabilität von Lasern ist für LIBS-Anwendungen entscheidend, da sie die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Analyseergebnisse direkt beeinflusst. Es sollte ein Laser mit stabiler Ausgangsleistung und -energie ausgewählt werden, beispielsweise Laser mit Diodenpumpung, die eine hohe Stabilität und lange Lebensdauer aufweisen.

I. Funktionsprinzip von LIBS

LIBS nutzt fokussierte, hochenergetische Pulslaser, um mikrometergroße Substanzen von der Probenoberfläche augenblicklich abzutragen und dabei ein Plasma mit einer Temperatur von bis zu 10⁴ K zu erzeugen. Während der Plasmakühlung werden charakteristische Spektrallinien von Elementen emittiert, die mittels Breitbandspektrometer erfasst und qualitativ oder quantitativ analysiert werden. Die Spitzenleistung von Nanosekundenlasern (typischerweise Nd:YAG, Pulsdauer 5–10 ns, Einzelpulsenergie 10–200 mJ) kann den Megawattbereich erreichen und ist ausreichend, um Plasma auf Metallen, Mineralien, Böden, Flüssigkeiten und sogar biologischen Proben stabil anzuregen. Sie ist die bevorzugte Lichtquelle für die Industrialisierung von LIBS.

Als Reaktion auf die inländische Nachfrage nach tragbaren und mobilen LIBS-Geräten RealLight hat unabhängig voneinander die Hochenergie-Festkörperlaser der PQE-SerieDiese speziell für LIBS und Laserablation entwickelte Lichtquelle (Modell PQE-1064-0.01-10) erfüllt die Kernspezifikationen von LIBS-Lichtquellen optimal: 1064 nm Infrarot-Wellenlänge, 10 Hz Wiederholrate, Einzelpulsenergie > 10 mJ, Pulsdauer < 3 ns. Die geringe Pulsdauer in Kombination mit einer Energie von zehn Millijoule ermöglicht eine extrem hohe Spitzenleistung. Dadurch lassen sich verschiedene Feststoffproben wie Erz, Legierungen, Boden usw. effizient ionisieren, ohne dass zusätzliche Energieverstärkungsmodule erforderlich sind. Dies vereinfacht die optische Pfadstruktur von LIBS erheblich.

II. LIBS-Systemkonfiguration

Ein typisches Nanosekunden-LIBS-Gerät besteht aus vier Teilen:

1. Laserkopf und Stromversorgung: Liefert eine 532/355/266 nm-Ausgabe bei einer Grundfrequenz von 1064 nm oder Frequenzverdopplung mit einer Wiederholrate von 10-100 Hz und kann extern getriggert werden.

Die empfohlene tragbare Lösung für den Hausgebrauch ist RealLight. Festkörperlaser der PQE-SerieDas System verwendet einen in einen Mikrochip integrierten optischen Pfad mit Halbleiter-Pumpkristall. Der Laserkopf misst lediglich 83 × 30 × 22,1 mm und ist mit einer Steuereinheit von 45 × 39,6 × 110,3 mm ausgestattet. Dank seiner geteilten Bauweise lässt er sich problemlos in Handsonden und Testgehäuse integrieren. Das gesamte Gerät wird mit 12 V Gleichspannung betrieben, hat eine maximale Leistungsaufnahme von nur 20 W und eignet sich daher für tragbare Geräte mit Lithiumbatterien. Die Steuerschnittstelle verfügt über eine RS-232-Schnittstelle und Mehrkanal-I/O, unterstützt interne und externe Dual-Trigger-Modi und lässt sich nahtlos mit Timing-Synchronisationsmodulen und Spektralerfassungssystemen verbinden. Dies reduziert den Aufwand für Gerätehersteller bei der Weiterentwicklung und Integration erheblich. Die Kühlung erfolgt rein luftgekühlt, wodurch auf herkömmliche wassergekühlte Hochenergielaser verzichtet wird und somit Wasserleitungen und Kühlanlagen überflüssig werden. Das System ist minimalistisch aufgebaut und eignet sich für den Einsatz im Freien und in Fahrzeugen unter wasserlosen Bedingungen.

Mechanisches Dimensionsdiagramm des Hochenergie-Festkörperlasers der PQE-Serie

2. Optischer Strahlengang und Fokussierung: Quarzlinsen fokussieren den Laserstrahl auf die Oberfläche der Probe mit einer Fokusleistungsdichte von mehr als 1 GW cm ²; koaxiale oder außermittige Sammellinsen koppeln das Plasmalicht in die Faser ein.

Die horizontalen und vertikalen 1/e²-Vollwinkeldivergenzwinkel des PQE-Laserstrahls betragen jeweils 3 mrad, was eine ausgezeichnete Strahlkonvergenz und eine präzise Fokussierungspunktpositionierung ermöglicht und somit experimentelle Fehler bei der LIBS-Spektralaufnahme reduziert. Die RMS-Schwankung der Energie liegt unter 3 %, und die Konsistenz der Pulsenergie während der langfristigen kontinuierlichen Abtastung ist hoch, wodurch stabile und reproduzierbare Daten aus mehreren Vor-Ort-Inspektionen gewährleistet werden.

3. Zeitsteuerung: Der digitale Impulsgenerator synchronisiert den Laser-Q-Schalter mit dem Spektrometer-Gate, um kontinuierliches Hintergrundrauschen zu unterdrücken und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

4. Spektrale Detektion: Ein Mehrkanal-Czerny-Turner-Spektrometer (200-850 nm, Auflösung 0,1 nm) wird in Verbindung mit einem gate-gesteuerten ICCD/CMOS verwendet, um eine vollständige Spektrumserfassung im Millisekundenbereich zu erreichen.

Das gesamte System lässt sich in handgeführte Plattformen mit einem Gewicht von unter 5 kg integrieren und kann zudem zu Online-Sonden erweitert werden, um sich an komplexe Arbeitsbedingungen in Industrieanlagen anzupassen. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Die PQE-Serie Es ist in der Lage, sich an einen breiten Temperaturbereich anzupassen, mit einer Standardbetriebstemperatur von 10–35 °C und einer Lagertoleranz von -20 bis 60 °C. Es hält hohen und niedrigen Temperaturen stand und eignet sich daher für den langfristigen Einsatz im Freien und in Fahrzeugen ohne Abweichungen im optischen Pfad, wodurch eine stabile LIBS-Detektion rund um die Uhr gewährleistet wird.

Hochenergie-Festkörperlaser der PQE-Serie

III. Die Vorteile von Nanosekundenlasern in der LIBS

1. Hohe Spitzenleistung, Plasmastabilität

Die Kombination aus Nanosekunden-Pulsdauer und Energie im Millijoule-Bereich ermöglicht die Erzeugung von Hochtemperaturplasmen mit hoher Elektronendichte auf beliebigen festen Oberflächen. Dabei werden ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis und Nachweisgrenzen für Spurenelemente im ppm-Bereich erreicht. Die Pulsdauer von RealLight PQE-Serie Die Steuerung erfolgt innerhalb von 3 ns, mit einer Einzelpulsenergie von >10 mJ, hervorragender Spitzenleistung und geringer Abtragung in der Wärmeeinflusszone. Das System kann starke Plasmasignale stabil anregen und den Abtragsbereich der Probe präzise steuern, wodurch die Anforderungen an hohe Empfindlichkeit und Mikroverlustdetektion erfüllt werden.

2. Mehrwellenlängenausgang, geeignet für komplexe Substrate

Durch Frequenzverdopplung mittels Kristall kann derselbe Laserkopf zwischen 1064/532/355/266 nm umschalten. Lange Wellenlängen eignen sich für hochreflektierende Metalle, während kurze Wellenlängen eine höhere Abtragseffizienz für transparente oder organische Materialien aufweisen und Substrateffekte deutlich reduzieren. Das Standardmodell von Laser der PQE-Serie Es handelt sich um eine Infrarotlichtquelle mit einer Grundfrequenz von 1064 nm, die sich für gängige LIBS-Detektionsszenarien wie Metallurgie, Mineralien und Boden eignet.

3. Hohe Wiederholungsrate, hohe Analyseeffizienz

Die Pulsfrequenz von 10-100 Hz unterstützt schnelles Mehrpunkt-Scannen und Signalmittelung mit einer Einzelabtastzeit von weniger als 1 Sekunde und erfüllt damit die Anforderungen an einen 100%igen Detektionszyklus bei industriellen Online-Tests. PQE-Serie verfügt über eine Wiederholrate von 10 Hz und erfüllt damit die üblichen Anforderungen an die Einzelpunkt- und Mehrpunktabtastung mittels handgeführter LIBS-Systeme.

4. Kompakte Bauweise, einfache Montage vor Ort

Die moderne diodengepumpte (DPSS) Bauweise ermöglicht es dem Laser, ein Volumen von <2 l und ein Gewicht von <2 kg aufzuweisen, ohne dass eine Wasserkühlung erforderlich ist, und er kann in einer Umgebung von -10 bis 50 °C stabil betrieben werden, wodurch er eine zuverlässige Lichtquelle für handgeführte LIBS-Systeme und unbemannte Luftfahrzeugplattformen bietet. Laser der PQE-Serie ist ein Beispiel für miniaturisierte Luftkühlungslösungen mit einem integrierten optischen Mikrochip, der das Gesamtvolumen des Geräts erheblich reduziert. Es benötigt keine Wasserkühlung, hat einen geringen Stromverbrauch und ist leicht, wodurch es sich ideal für die Serienintegration mit tragbaren Handgeräten und Online-Feldmessgeräten eignet.

5. Moderate Kosten und einfacher Wartungsaufwand

Die Nanosekundenlasertechnologie ist ausgereift, und der Stückpreis beträgt nur ein Zehntel des Femtosekundenlasers; die Lebensdauer der Blitz- oder LD-Pumpe liegt über 10⁹, es ist lediglich eine regelmäßige Linsenreinigung vor Ort erforderlich, bei geringen Wartungskosten. Laser der PQE-Serie Die optischen Kernkomponenten werden in Eigenregie entwickelt und gefertigt, was eine stabile Lieferkette und erhebliche Kostenvorteile bei der Großeinkaufsabwicklung ermöglicht. Die standardisierte Lösung aus Laserkopf und Steuerplatine erfordert keine aufwendige optische Fehlersuche durch die Hersteller und verkürzt so den gesamten Entwicklungszyklus. Sie stellt eine kostengünstige, inländische Alternative zu importierten Mikrolasern mit hoher Energie und Q-Schaltung dar.

6. Mikroschadenserkennung zum Schutz wertvoller Proben

Einzelpuls-Ablationsgruben mit einem Durchmesser von 10–50 µm und einer Tiefe von <10 µm verursachen nahezu keine Schäden an Kulturgütern, biologischem Gewebe und elektronischen Bauteilen und ermöglichen so eine „In-situ-Analyse“. PQE-Serie weist einen thermischen Effekt mit niedrigen Nanosekundenpulsen innerhalb von 3 ns auf, ermöglicht eine kontrollierbare Mikroflächenablation und eignet sich für die zerstörungsfreie LIBS-Analyse von Kulturgütern und Präzisionsbauteilen.

7. Gute Sicherheits- und regulatorische Anpassungsfähigkeit

Der 1064-nm-Nahinfrarotlaser ist relativ augenschonend und kann durch gewöhnliche Quarzfasern geleitet werden, wodurch er sich problemlos in explosionsgefährdeten Bereichen oder Umgebungen mit hohen Temperaturen und unter Einhaltung der industriellen Sicherheitsvorschriften aus der Ferne messen lässt. PQE-Serie Die standardmäßige 1064-nm-Ausgangsleistung erfüllt die Sicherheitsstandards für den Einsatz in Industrieanlagen.

IV. Typische Anwendungsfälle

Metallurgie und Recycling: Mit einem tragbaren Nanosekunden-LIBS-Gerät kann die Sortierung von Edelstahl der Sorten 304/316 innerhalb von 2 Sekunden abgeschlossen werden, wodurch die jährliche Verarbeitungskapazität um 30 % und die Fehlklassifizierungsrate um weniger als 2 % gesteigert wird.

Online-Kohleerkennung: Durch die Integration von Nanosekundenlasern oberhalb des Förderbandes werden Vorhersagefehler für den Asche- und Schwefelgehalt von unter 0,5 % erreicht, wodurch Kraftwerke jährlich über 10 Millionen Yuan an Brennstoffkosten einsparen können.

Bodenuntersuchung auf Schwermetalle: Das fahrzeugmontierte Nanosekunden-LIBS-System kann mehr als 500 Messpunkte pro Tag erfassen und liefert Echtzeitdaten für die Sanierung kontaminierter Standorte.

• Analyse von Pigmenten an Kulturgütern: Mithilfe eines 266-nm-Nanosekundenlasers wurden Mikroschäden an Wandmalereien analysiert. Dabei konnten Lapislazuli- und Malachitpigmente aus der Tang-Dynastie erfolgreich identifiziert und die Auswahl von Restaurierungsmaterialien unterstützt werden.

V. Zusammenfassung

Nanosekundenlaser sind aufgrund ihrer hohen Spitzenleistung, der vielfältigen Wellenlängenoptionen, der hohen Wiederholrate, der kompakten Bauweise und der Kostenvorteile zur treibenden Kraft für die Industrialisierung, die Vor-Ort-Implementierung und die Portabilität der LIBS-Technologie geworden. RealLight‘s Hochenergie-Festkörperlaser der PQE-SerieAls inländische Miniatur-Hochenergie-Pulslichtquelle nutzt sie einen selbstentwickelten integrierten Mikrochip-Pulspfad mit passiver Q-Schaltung, um in einem sehr kleinen Gehäuse eine Pulsleistung von >10 mJ zu erzielen. Sie zeichnet sich durch fünf Merkmale aus: schmale Pulsbreite, luft- und wasserlose Kühlung, geringer Stromverbrauch, einfache OEM-Integration und hohe Kosteneffizienz. Sie ist die bevorzugte inländische Lichtquelle für Forschungsinstitute, Hersteller analytischer Instrumente und Umweltprüfunternehmen zur Entwicklung von tragbaren LIBS-Analysatoren, Feldlaserdetektionsgeräten und optischen Prüfinstrumenten. Durch die Integration neuer Technologien wie Dualpuls-LIBS, bildgebender LIBS und Algorithmen der künstlichen Intelligenz werden Nanosekundenlaser auch weiterhin eine unverzichtbare Rolle in der Metallurgie, Energietechnik, Umweltforschung, Denkmalpflege, Weltraumforschung und anderen Bereichen spielen und eine stabile und zuverlässige Lichtquelle für schnelle, in-situ- und Mehrelementanalysen gewährleisten.

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