Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) hat in den letzten Jahren in der Industrie, insbesondere bei der Analyse von Aluminiumlegierungen und Spodumenerzen, zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die gängigsten tragbaren LIBS-Geräte sind nach wie vor ausländische Produkte. Können inländische Gerätehersteller angesichts des bevorstehenden Lithium-Ionen-Zeitalters und der damit einhergehenden neuen Nachfrage bahnbrechende Entwicklungen im Bereich der tragbaren LIBS erzielen? Die Branche ist gespannt.

Die Festkörperlasertechnologie in tragbaren LIBS-Geräten stellte schon immer einen Engpass in der LIBS-Technologie dar. Aktuell werden für LIBS-Tests hauptsächlich folgende Laser eingesetzt: blitzlampengepumpte Festkörperlaser (für Laboranwendungen), diodengepumpte Festkörperlaser (für tragbare Geräte) und diodengepumpte Mikrochip-Laser mit schmaler Pulsbreite (mit relativ geringer Energie). Diodengepumpte Laser stellen aufgrund ihres hohen Stromverbrauchs, des geringen Betriebstemperaturbereichs und der schwierigen Leistungsstabilitätskontrolle seit jeher ein Problem für industrielle Anwendungen dar.

Der 1535-nm-Er:Glas-Laser findet aufgrund seiner besonderen Eigenschaften in letzter Zeit vermehrt Anwendung in anspruchsvollen Umgebungen, beispielsweise im militärischen Bereich. Gleichzeitig stößt er auch bei Herstellern von tragbaren LIBS-Geräten und Anwendern auf großes Interesse. Um die Anwendungsfähigkeit des 1535-nm-Erbiumglas-Lasers im Bereich der LIBS zu überprüfen, führten wir die folgenden Anwendungsversuche durch.

1. Überprüfung der Laseranregungsleistung

Nehmen wir beispielsweise einen 1535-nm-Laser mit einer Pulsdauer von 7 ns, einer Energie von 1 mJ und einer Wiederholrate von 10 Hz. Die Spitzenleistung des Lasers beträgt 143,8 kW. Durch die Wahl eines geeigneten Fokussiersystems wird der Spot auf 100 μm fokussiert, die Spitzenleistungsdichte beträgt 1,82 GW/cm², womit die Anregungsbedingungen für LIBS erfüllt sind.

       Typische Strahlqualität im TEM₀₀   

7 ns Impulsbreite

2. Vergleich der Anregungseffekte zwischen 1064-nm- und 1535-nm-Lasern

In diesem Experiment wurden vier verschiedene Laserarten zur Anregung von Messingproben ausgewählt und die Unterschiede in den LIBS-Spektraldaten der verschiedenen Laser verglichen und analysiert.

Testsystem

Für den Test wurden zwei Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm und zwei Laser mit einer Wellenlänge von 1535 nm ausgewählt. Die wichtigsten Parameter der vier Laser sind wie folgt:  

1-1064nm-10Hz-10mJ-10ns Blau

2-1064nm-1kHz-120μJ-750ps Grün

3-1535nm-1kHz-40μJ-5ns Rot

4-1535nm-200Hz-70μJ-5ns Schwarz

Die Anregungsspektren werden wie folgt verglichen:

Spektren

Aus dem Testdiagramm geht hervor, dass die Spektraldaten des 1064-nm-Lasers und des 1535-nm-Lasers bei Anregung der LIBS mit hohen und niedrigen Wiederholraten im Wesentlichen übereinstimmen. Es besteht kein Unterschied in den Anregungseffekten zwischen den 1535-nm- und 1064-nm-Lasern.

3. Untersuchung der Anregungswirkung eines 1535-nm-Lasers auf Leichtmetallerze

Um die Eignung von 1535 nm im Bereich der Leichtmetalle zu überprüfen, wurden Spodumenproben mit einem 1535-nm-Laser (1 mJ) bei einer Wiederholrate von 5 Hz untersucht. Die Testspektren lauten wie folgt:

Testspektren von Spodumenproben mit dem RealLight-Laser (1535 nm, 1 mJ)

Aus den experimentellen Daten geht hervor, dass ein 1535-nm-Laser die charakteristischen Spektrallinien von BE-Elementen effektiv anregen kann. Mit Hilfe dieses Lasers lässt sich die Zusammensetzung von Erzen bestimmen.

Der Erbiumglaslaser bietet aufgrund seines Funktionsprinzips und seiner Struktur ein breites Anwendungspotenzial in tragbaren LIBS-Geräten.

Erstens ermöglicht der relativ flache Absorptionskoeffizient des Absorptionsspektrums von Erbiumglas im Wellenlängenbereich zwischen 910 nm und 950 nm einen Betrieb dieses Lasers in einem breiten Temperaturbereich (-40 bis 65 °C) ohne Temperaturregelung und weist eine hohe Leistungsstabilität auf.

Energiestabilität < 1 % (Messwert: 0,61 %)

Zweitens kann der Laser mithilfe von Halbleitergehäusetechnologie hergestellt werden, wobei die Stickstoffversiegelung Kondensation bei niedrigen Temperaturen von -40 °C verhindert. Volumen und Gewicht des Lasers sind sehr gering. Bei einem typischen 1-mJ-Laser wiegt der Laserkopf nicht mehr als 20 g. Der Laser kann mit einer Photodiode (PD) ausgestattet werden, um Licht zu detektieren und das Datenerfassungsgerät auszulösen.

RealLights 1535-nm-Laser

Da der Laser keine TEC-Temperaturregelung benötigt, ist der Gesamtstromverbrauch des Systems extrem niedrig. Die Schaltung kann innerhalb von 20 x 40 mm dimensioniert werden und eignet sich somit für den langfristigen Einsatz im Feld.

Die oben genannten Eigenschaften, kombiniert mit der Tatsache, dass 1535-nm-Laser im augensicheren Spektralbereich emittieren, reduzieren die Laserrisiken bei der Verwendung des Geräts erheblich. Handgeräte für die Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), die einen 1535-nm-Erbiumglaslaser als Lichtquelle verwenden, stoßen daher auf großes Interesse bei in- und ausländischen Geräteherstellern.

RealLight, gegründet 2010, ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf Halbleiterlaser, Mikrochip-Laser, Laser mit schmaler Linienbreite, Hochleistungs-Festkörperlaser, Laserdetektion und Anwendungstechnik spezialisiert hat. Wir bieten Unterstützung für Anwender im Bereich der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS).

Folgende zwei Erbiumglaslaser werden empfohlen: