La espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) es una técnica de análisis de emisión atómica in situ, rápida y de detección síncrona de múltiples elementos, cuyo rendimiento depende en gran medida de la fuente de luz de excitación. Los láseres de nanosegundos se han convertido en el componente central más maduro y popular de los sistemas LIBS debido a su alta potencia pico, estructura compacta, selectividad de longitud de onda y alta frecuencia de repetición. Sus características principales son las siguientes.

Longitud de onda: Las longitudes de onda comunes incluyen 1064 nm, 532 nm, 355 nm, etc. Los láseres de 1064 nm son ampliamente utilizados, pero algunas muestras pueden tener una mejor absorción de longitudes de onda específicas. En este caso, puede ser necesario elegir otras longitudes de onda, como 532 nm, 355 nm, etc., generadas por cristales duplicadores de frecuencia.

Energía del pulso: Cuanto mayor sea la energía del pulso, mayor será la eficacia con la que vaporizará e ionizará la muestra, generando señales de plasma más intensas. En general, la energía del pulso en las aplicaciones LIBS se puede seleccionar entre decenas y cientos de mJ.

Frecuencia de repetición: La frecuencia de repetición determina el número de pulsos láser por unidad de tiempo. Una frecuencia de repetición más alta puede mejorar la velocidad de análisis, pero también puede provocar el sobrecalentamiento de la superficie de la muestra, lo que afectaría los resultados del análisis. El rango habitual de frecuencia de repetición oscila entre unos pocos Hz y varios cientos de Hz.

Duración del pulso: Una duración de pulso más corta puede generar una mayor potencia pico, lo que mejora la interacción con la muestra y facilita el análisis LIBS. Generalmente, se eligen láseres de nanosegundos con duraciones de pulso de entre 3 y 10 ns.

Calidad del haz: Una buena calidad del haz, como por ejemplo haces de baja divergencia, permite enfocar mejor el láser en la superficie de la muestra, mejorando la utilización de la energía y la precisión del análisis.

Estabilidad: La estabilidad a largo plazo de los láseres es crucial para las aplicaciones LIBS, ya que afecta directamente la repetibilidad y la fiabilidad de los resultados del análisis. Se debe seleccionar un láser con potencia y energía de salida estables, como algunos láseres diseñados con bombeo por diodo, que ofrecen buena estabilidad y una vida útil más prolongada.

I. Principio de funcionamiento de LIBS

LIBS utiliza un láser pulsado de alta energía y focalizado para ablacionar instantáneamente sustancias de tamaño micrométrico en la superficie de la muestra, formando un plasma con una temperatura de hasta 10⁴ K. Durante el enfriamiento del plasma, se emiten líneas espectrales características de los elementos, que son recogidas y analizadas por un espectrómetro de banda ancha para su análisis cualitativo o cuantitativo. La potencia máxima de los láseres de nanosegundos (típicos Nd:YAG, ancho de pulso de 5 a 10 ns, energía de pulso único de 10 a 200 mJ) puede alcanzar el nivel de megavatios, suficiente para excitar de forma estable el plasma en metales, minerales, suelos, líquidos e incluso muestras biológicas. Es la fuente de luz preferida para la industrialización de LIBS.

En respuesta a la demanda de integración nacional de dispositivos LIBS portátiles y de mano, Luz real ha desarrollado de forma independiente el Láser de estado sólido de alta energía de la serie PQE, diseñado específicamente para LIBS y ablación láser. Este modelo PQE-1064-0.01-10 se ajusta perfectamente a las especificaciones principales de la fuente de luz LIBS: longitud de onda infrarroja de 1064 nm, frecuencia de repetición de 10 Hz, energía de pulso único > 10 mJ, ancho de pulso < 3 ns. El ancho de pulso estrecho combinado con una salida de energía de diez milijulios puede lograr una potencia pico ultra alta, que puede ionizar eficientemente varias muestras sólidas como mineral, aleación, suelo, etc., sin necesidad de módulos de amplificación de energía adicionales, lo que simplifica enormemente la estructura general de la trayectoria óptica de LIBS.

II. Configuración del sistema LIBS

Un dispositivo LIBS típico de nanosegundos consta de cuatro partes:

1. Cabezal láser y fuente de alimentación: Proporciona una salida de 532/355/266 nm a una frecuencia fundamental de 1064 nm o duplicación de frecuencia, con una frecuencia de repetición de 10-100 Hz, y puede activarse externamente.

La solución portátil doméstica recomendada es RealLight. Láser de estado sólido de la serie PQE, que adopta una ruta óptica de microchip con cristal de bombeo semiconductor integrado. El tamaño del cabezal láser es de solo 83 × 30 × 22,1 mm, y se combina con una placa de control de 45 × 39,6 × 110,3 mm. La estructura dividida es fácil de integrar en sondas portátiles y estuches de prueba de campo; toda la máquina se alimenta con bajo voltaje de 12 V CC, con un consumo máximo de energía de solo 20 W, y es adecuada para dispositivos portátiles alimentados por baterías de litio; la interfaz de control está equipada con puerto serie RS-232 y E/S multicanal, admite modos de disparo dual interno y externo, y puede conectarse sin problemas con módulos de sincronización de tiempo y sistemas de adquisición espectral, lo que reduce en gran medida la dificultad de desarrollo secundario e integración para los fabricantes de equipos. El equipo se enfría exclusivamente por aire para disipar el calor, abandonando las unidades tradicionales de refrigeración por agua de láser de alta energía y eliminando la necesidad de tuberías de agua y equipos de refrigeración. La construcción del sistema es minimalista y adecuada para condiciones de trabajo sin agua en exteriores y montado en vehículos.

Diagrama de dimensiones mecánicas del láser de estado sólido de alta energía de la serie PQE

2. Trayectoria óptica y enfoque: Las lentes de cuarzo enfocan el haz láser sobre la superficie de la muestra, con una densidad de potencia focal superior a 1 GW cm²; las lentes de recolección coaxiales o fuera del eje acoplan la luz del plasma a la fibra.

Los ángulos de divergencia angular total horizontal y vertical 1/e² del haz láser PQE son ambos de 3 mrad, con una excelente convergencia del haz y una posición precisa del punto de enfoque, lo que reduce los errores experimentales en la adquisición espectral LIBS; la fluctuación RMS de la energía es inferior al 3%, y la consistencia de la energía del pulso durante el muestreo continuo a largo plazo es alta, lo que garantiza datos estables y reproducibles de múltiples inspecciones in situ.

3. Control de temporización: El generador de pulsos digital sincroniza el conmutador Q del láser con la puerta del espectrómetro para suprimir el ruido de fondo continuo y mejorar la relación señal-ruido.

4. Detección espectral: Se utiliza un espectrómetro Czerny Turner multicanal (200-850 nm, resolución de 0,1 nm) junto con un sensor ICCD/CMOS controlado por puerta para lograr una adquisición de espectro completo a nivel de milisegundos.

El sistema completo puede integrarse en plataformas portátiles que pesan menos de 5 kg, y también puede ampliarse a sondas en línea para adaptarse a condiciones de trabajo complejas en entornos industriales. Como se muestra en la siguiente figura:

La serie PQE Posee la capacidad de adaptarse a un amplio rango de temperaturas, con una temperatura de funcionamiento estándar de 10 a 35 °C y una tolerancia de almacenamiento de -20 a 60 °C. Puede soportar temperaturas altas y bajas para un uso prolongado en exteriores y vehículos sin ninguna desviación en la trayectoria óptica, lo que garantiza una detección estable de LIBS las 24 horas del día, los 7 días de la semana.

Láser de estado sólido de alta energía de la serie PQE

III. Ventajas de los láseres de nanosegundos en LIBS

1. Alta potencia máxima, estabilidad del plasma

La combinación de un ancho de pulso de nanosegundos y una energía a nivel de milijulios puede formar plasmas de alta temperatura y alta densidad electrónica en cualquier superficie sólida, con una alta relación señal-ruido y límites de detección de elementos traza tan bajos como ppm. El ancho de pulso de RealLight Serie PQE Se controla en 3 ns, con una energía de pulso único > 10 mJ, una potencia máxima excepcional y una ablación de zona afectada por el calor mínima. Puede excitar de forma estable señales de plasma intensas y controlar con precisión el rango de ablación de la muestra, cumpliendo con los requisitos de alta sensibilidad y detección de micropérdidas.

2. Salida multilongitud de onda, adecuada para sustratos complejos.

Mediante la duplicación de frecuencia del cristal, el mismo cabezal láser puede conmutar entre 1064/532/355/266 nm. Las longitudes de onda largas son adecuadas para metales altamente reflectantes, mientras que las longitudes de onda cortas tienen una mayor eficiencia de ablación para materiales transparentes u orgánicos, reduciendo significativamente los efectos del sustrato. El modelo estándar de Láser de la serie PQE Se trata de una fuente de luz infrarroja con una frecuencia fundamental de 1064 nm, adecuada para los escenarios de detección LIBS más comunes, como la metalurgia, los minerales y el suelo.

3. Alta tasa de repetición, alta eficiencia de análisis.

La frecuencia de pulso de 10-100 Hz admite escaneo multipunto rápido y promedio de señal, con un tiempo de detección de muestra única de menos de 1 segundo, cumpliendo con los requisitos del ciclo de detección del 100% de las pruebas industriales en línea. Serie PQE Tiene una frecuencia de repetición de 10 Hz, lo que cumple con los requisitos convencionales de la detección de un solo punto y el escaneo multipunto de los sistemas LIBS portátiles.

4. Estructura compacta, fácil de desplegar en obra.

El diseño moderno de bombeo por diodo (DPSS) permite que el láser tenga un volumen <2 L y un peso <2 kg, sin necesidad de refrigeración por agua, y puede operar de forma estable en un entorno de -10~50 °C, proporcionando una fuente de luz fiable para LIBS portátiles y plataformas de vehículos aéreos no tripulados. Láser de la serie PQE Es un ejemplo de solución de refrigeración por aire miniaturizada, con un sistema óptico de microchip integrado que reduce considerablemente el volumen total del dispositivo. No requiere refrigeración por agua, tiene un bajo consumo energético y es ligero, lo que lo hace ideal para su integración en lotes con dispositivos portátiles y equipos de detección en línea para uso en campo.

5. Coste moderado y mantenimiento sencillo

La tecnología láser de nanosegundos está madura y el precio por unidad es solo una décima parte del láser de femtosegundos; la vida útil de la bomba Flash o LD es >10⁹, solo se requiere una limpieza regular de la lente en el sitio, con bajos costos de mantenimiento. Láser de la serie PQE Los componentes ópticos principales se desarrollan y producen de forma independiente, con una cadena de suministro estable y ventajas de costes significativas en la compra a granel. La solución estandarizada de cabezal láser y placa de control no requiere una depuración óptica compleja por parte de los fabricantes, lo que acorta el ciclo de desarrollo. Se trata de una solución nacional rentable para sustituir los microláseres Q-switched de alta energía importados.

6. Detección de microdaños para proteger muestras valiosas.

Las fosas de ablación de pulso único con un diámetro de 10-50 µm y una profundidad <10 µm prácticamente no causan daños a las reliquias culturales, los tejidos biológicos y los componentes electrónicos, logrando un análisis "in situ, tal cual". Serie PQE Presenta un efecto térmico de pulso de nanosegundos de baja frecuencia (en un plazo de 3 ns), ablación de microáreas controlable y es adecuado para el análisis LIBS no destructivo de reliquias culturales y componentes de precisión.

7. Buena seguridad y adaptabilidad normativa.

El láser infrarrojo cercano de 1064 nm es relativamente seguro para los ojos y puede transmitirse a través de fibra de cuarzo común, lo que facilita la medición remota en entornos peligrosos o de alta temperatura, en cumplimiento con las normas de seguridad industrial. Serie PQE La salida estándar de 1064 nm cumple con las normas de seguridad para su uso en instalaciones industriales.

IV. Casos de aplicación típicos

Metalurgia y reciclaje: El sistema LIBS portátil de nanosegundos puede completar la clasificación de acero inoxidable de grado 304/316 en 2 segundos, aumentando la capacidad de procesamiento anual en un 30 % y la tasa de errores de clasificación <2 %.

Detección de carbón en línea: Integración de láseres de nanosegundos sobre la cinta transportadora, con errores de predicción del contenido de cenizas y azufre inferiores al 0,5 %, lo que ayuda a las centrales eléctricas a ahorrar más de 10 millones de yuanes anuales en costes de combustible.

Análisis de metales pesados ​​en el suelo: El sistema LIBS de nanosegundos montado en el vehículo puede detectar más de 500 puntos por día, proporcionando datos en tiempo real para la remediación de sitios contaminados.

• Análisis de pigmentos de reliquias culturales: Se utilizó un láser de nanosegundos de 266 nm para analizar microdaño en murales, identificando con éxito pigmentos de lapislázuli y malaquita utilizados en la dinastía Tang, y guiando la selección de materiales de restauración.

V. Resumen

Los láseres de nanosegundos, con su alta potencia pico, múltiples opciones de longitud de onda, alta tasa de repetición, estructura compacta y ventajas de costo, se han convertido en la fuerza impulsora principal para la industrialización, la implementación in situ y la portabilidad de la tecnología LIBS. Luz real‘s Láser de estado sólido de alta energía de la serie PQEComo fuente de luz pulsada miniatura de alta energía de producción nacional, se basa en una ruta óptica de conmutación Q pasiva de microchip integrada de desarrollo propio para lograr una salida de pulso > 10 mJ en un cuerpo muy pequeño. Tiene cinco características: ancho de pulso estrecho, refrigeración por aire y sin agua, bajo consumo de energía, fácil integración OEM y alta rentabilidad. Es la fuente de luz de producción nacional preferida por institutos de investigación, fabricantes de instrumentos analíticos y empresas de pruebas ambientales para desarrollar analizadores LIBS portátiles, equipos de detección láser de campo e instrumentos de prueba óptica. Con la integración de nuevas tecnologías como el pulso dual, LIBS de imágenes y algoritmos de inteligencia artificial, los láseres de nanosegundos seguirán desempeñando un papel insustituible en metalurgia, energía, medio ambiente, reliquias culturales, exploración del espacio profundo y otros campos, proporcionando garantías de fuente de luz estables y confiables para análisis multielementales rápidos e in situ.

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