Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) ist eine Elementanalysetechnik, die auf Laserablation und Atomemissionsspektroskopie basiert. Es handelt sich um ein mikrodestruktives Prüfverfahren, dessen Detektionsprozess in drei Schritte unterteilt ist: Laserablation, Plasmakühlung und -emission sowie spektrale Detektion. Seit ihrer Entwicklung wird LIBS aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile, wie der schnellen Echtzeitanalyse, der simultanen Detektion mehrerer Elemente, der berührungslosen Messung, der breiten Anwendbarkeit, der hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit sowie der Portabilität, intensiv erforscht und angewendet.

Aktuell verwenden traditionelle LIBS-Anwendungen häufig YAG-LaserFemtosekunden-/Pikosekunden-Ultrakurzpulslaser oder Kohlendioxidlaser usw. Jeder hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Die Entwicklung von Erbiumglas-Laser bietet einige mögliche Anwendungsrichtungen für LIBS.

Eigenschaften von Erbiumglaslasern:

Erbiumglaslaser emittieren Licht im mittleren Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 1535 nm, die für das menschliche Auge unbedenklich ist. Sie eignen sich für Anwendungen mit mittlerer Energie (mJ-Bereich) und niedriger Wiederholrate (1–10 Hz) und sind für die LIBS-Detektion geeignet, die eine hohe Einzelpulsenergie erfordert. Ihre Wärmeleitfähigkeit ist jedoch relativ gering, was den Betrieb mit hoher Dauerleistung erschwert. Die Anforderungen an die Pulse können jedoch durch optimierte Wärmeableitung erfüllt werden.

Mögliche Vorteile:

(1) Verbesserte Erkennung spezifischer Materialien

Organische Materialien, Kunststoffe, wasserstoffhaltige Verbindungen usw. weisen eine stärkere Absorption bei 1535 nm auf. Die Verwendung von Erbiumglaslasern als Lichtquelle kann die Plasmaanregungseffizienz erhöhen und die Signalstärke verstärken.

Mittel-Infrarot-Wellenlängen können die Oberflächenreflexion von Metallen und anderen leitfähigen Materialien verringern, den Matrixeffekt reduzieren und die Stabilität der Analyse verbessern.

(2) Augensicherheit und Tragbarkeit

Es sind keine strengen Schutzmaßnahmen erforderlich; geeignet für offene Umgebungen (wie z. B. Bergbau, Umweltüberwachung usw. auf Feld-/Industriegeländen).

Erbiumglaslaser zeichnen sich durch eine kompakte Bauweise und geringe Größe aus und eignen sich daher für die Entwicklung portabler LIBS-Geräte.

(3) Reduzierte Probenbeschädigung

Die Ablationsschwelle für hitzeempfindliche Proben (wie biologische Gewebe, Kulturgüter) ist niedriger, was die Beschädigung verringern kann und sich für die Analyse von Kulturgütern oder biomedizinischen Objekten eignet.

Herausforderungen und Einschränkungen:

(1) Plasmaanregungseffizienz: Die Wellenlänge von Erbiumglaslasern ist möglicherweise schwieriger zur Ionisierung bestimmter Elemente (insbesondere von Elementen mit hoher Ionisierungsenergie) geeignet als ultraviolettes/sichtbares Licht, und experimentelle Parameter (wie Pulsbreite, Fokussierungsbedingungen) müssen optimiert werden.

(2) Spektrale Interferenz: Die Anregung von Erbiumglaslasern kann eine stärkere kontinuierliche Hintergrundstrahlung erzeugen, die durch verzögerte Detektion oder spektrale Filterung unterdrückt werden muss.

Zukünftige Forschungsrichtungen:

(1) Dual-Beam-LIBS-System: Kombination von Erbiumglaslasern (Vorbehandlung/Ablation) und Nd:YAG-Lasern (Plasmaanregung) zur Nutzung ihrer jeweiligen Vorteile.

(2) Entwicklung neuer Detektoren: Hochempfindliche Detektoren, die zum mittleren Infrarotbereich passen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

(3) Materialspezifische Anwendungen: Spezielle LIBS-Lösungen für organische Materialien, wasserhaltige Proben oder spezifische Industriematerialien (wie Polymere, Kohle).

Ausblick auf Anwendungsszenarien:

(1) Sicherheitsrelevante Bereiche: Vor-Ort-Erkennung in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Bereichen, die Augensicherheit erfordern.

(2) Biologische und Umweltproben: Schnelle Analyse von Proben, die Wasser oder organische Bestandteile enthalten (wie z. B. Schwermetalle im Boden, Pflanzennährstoffe).

(3) Miniaturisierte Geräte: Integriert in unbemannte Luftfahrzeuge oder Handgeräte zur Erkundung des Geländes oder zur Erkennung von Notfällen.

RealLightZu den augensicheren Lasern mit einer Wellenlänge von 1535 nm gehören Erbiumglaslaser mit niedriger Energie, Erbiumglaslaser mit hoher Wiederholrate und Erbiumglaslaser mit hoher Energie usw., die bei der Auswahl von LIBS-Laseranwendungen hilfreich sind.

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