La spectroscopie d'émission atomique induite par laser (LIBS) est une technique d'analyse par émission atomique in situ, rapide et synchrone multi-élémentaire. Ses performances dépendent largement de la source d'excitation. Les lasers nanosecondes sont devenus les composants de base les plus performants et les plus utilisés dans les systèmes LIBS grâce à leur puissance de crête élevée, leur structure compacte, leur sélectivité spectrale et leur fréquence de répétition élevée. Leurs principales caractéristiques sont les suivantes.

Longueur d'onde : Les longueurs d'onde courantes incluent 1064 nm, 532 nm, 355 nm, etc. Les lasers à 1064 nm sont largement utilisés, mais certains échantillons peuvent présenter une meilleure absorption de longueurs d'onde spécifiques. Dans ce cas, il peut être nécessaire de choisir d'autres longueurs d'onde, telles que 532 nm, 355 nm, etc., générées par des cristaux doublant la fréquence.

Énergie d'impulsion : Plus l'énergie d'impulsion est élevée, plus la vaporisation et l'ionisation de l'échantillon sont efficaces, générant ainsi des signaux de plasma plus intenses. En général, l'énergie d'impulsion utilisée en LIBS se situe entre quelques dizaines et quelques centaines de mJ.

Fréquence de répétition : La fréquence de répétition détermine le nombre d’impulsions laser par unité de temps. Une fréquence de répétition élevée peut améliorer la vitesse d’analyse, mais risque également de provoquer une surchauffe de la surface de l’échantillon, ce qui affecte les résultats. La plage de fréquences de répétition courante se situe entre quelques hertz et plusieurs centaines de hertz.

Durée d'impulsion : Une durée d'impulsion plus courte permet de générer une puissance de crête plus élevée, ce qui améliore l'interaction avec l'échantillon et facilite l'analyse LIBS. Généralement, on utilise des lasers nanosecondes avec des durées d'impulsion d'environ 3 à 10 ns.

Qualité du faisceau : Une bonne qualité de faisceau, comme un faisceau à faible divergence, permet de mieux focaliser le laser sur la surface de l’échantillon, d’améliorer l’utilisation de l’énergie et la précision de l’analyse.

Stabilité : La stabilité à long terme des lasers est cruciale pour les applications LIBS, car elle influe directement sur la répétabilité et la fiabilité des résultats d’analyse. Il convient de choisir un laser à puissance et énergie de sortie stables, comme certains lasers à pompage par diode, qui présentent une bonne stabilité et une durée de vie plus longue.

I. Principe de fonctionnement des LIBS

La LIBS utilise un laser pulsé focalisé de haute énergie pour ablater instantanément des substances de taille micrométrique à la surface de l'échantillon, formant un plasma dont la température peut atteindre 10⁴ K. Lors du refroidissement du plasma, des raies spectrales caractéristiques des éléments sont émises, lesquelles sont collectées et analysées par un spectromètre à large bande pour une analyse qualitative ou quantitative. La puissance de crête des lasers nanosecondes (Nd:YAG typique, largeur d'impulsion de 5 à 10 ns, énergie par impulsion de 10 à 200 mJ) peut atteindre le mégawatt, ce qui est suffisant pour exciter de manière stable le plasma sur les métaux, les minéraux, les sols, les liquides et même les échantillons biologiques. C'est la source lumineuse de choix pour l'industrialisation de la LIBS.

En réponse à la demande d'intégration nationale des appareils LIBS portables et de poche, RealLight a développé indépendamment le Laser à semi-conducteurs haute énergie de la série PQEConçu spécifiquement pour la LIBS et l'ablation laser, le modèle PQE-1064-0.01-10 répond parfaitement aux spécifications essentielles d'une source lumineuse LIBS : longueur d'onde infrarouge de 1064 nm, fréquence de répétition de 10 Hz, énergie d'impulsion unique supérieure à 10 mJ et largeur d'impulsion inférieure à 3 ns. Cette faible largeur d'impulsion, combinée à une énergie de sortie de dix millijoules, permet d'atteindre une puissance de crête ultra-élevée. Elle permet ainsi d'ioniser efficacement divers échantillons solides tels que minerais, alliages, sols, etc., sans nécessiter de modules d'amplification d'énergie supplémentaires, simplifiant considérablement la structure du trajet optique global du système LIBS.

II. Configuration du système LIBS

Un dispositif LIBS nanoseconde typique se compose de quatre parties :

1. Tête laser et alimentation : Fournit une sortie de 532/355/266 nm à une fréquence fondamentale de 1064 nm ou à un doublement de fréquence, avec une fréquence de répétition de 10 à 100 Hz, et peut être déclenchée de l'extérieur.

La solution portable domestique recommandée est la RealLight. laser à semi-conducteurs de la série PQECe système utilise un cristal de pompage semi-conducteur intégré à un chemin optique sur microprocesseur. La tête laser, de dimensions réduites (83 × 30 × 22,1 mm), est associée à une carte de contrôle de 45 × 39,6 × 110,3 mm. Sa structure modulaire facilite son intégration dans des sondes portables et des boîtiers de test de terrain. Alimenté en basse tension 12 V CC, avec une consommation maximale de seulement 20 W, il est compatible avec les appareils portables alimentés par batteries au lithium. Son interface de contrôle, équipée d'un port série RS-232 et d'E/S multicanaux, prend en charge les modes de déclenchement double (interne et externe) et s'interface aisément avec les modules de synchronisation temporelle et les systèmes d'acquisition spectrale, simplifiant considérablement le développement et l'intégration pour les fabricants d'équipements. Le refroidissement est assuré par air, contrairement aux unités laser haute énergie traditionnelles refroidies par eau, et élimine ainsi le besoin de canalisations et d'équipements frigorifiques. La conception minimaliste du système le rend adapté aux environnements de travail extérieurs et embarqués, même en l'absence d'eau.

Diagramme dimensionnel mécanique du laser à semi-conducteurs haute énergie de la série PQE

2. Trajet optique et focalisation : des lentilles en quartz focalisent le faisceau laser sur la surface de l'échantillon, avec une densité de puissance focale supérieure à 1 GW cm² ; des lentilles de collecte coaxiales ou hors axe couplent la lumière du plasma dans la fibre.

Les angles de divergence horizontale et verticale à 1/e² du faisceau laser PQE sont tous deux de 3 mrad, avec une excellente convergence du faisceau et une position précise du point de focalisation, réduisant les erreurs expérimentales dans l'acquisition spectrale LIBS ; la fluctuation RMS de l'énergie est inférieure à 3 % et la cohérence de l'énergie d'impulsion lors d'un échantillonnage continu à long terme est élevée, garantissant des données stables et reproductibles issues de multiples inspections sur site.

3. Contrôle de la synchronisation : Le générateur d'impulsions numériques synchronise le commutateur Q du laser avec la porte du spectromètre pour supprimer le bruit de fond continu et améliorer le rapport signal/bruit.

4. Détection spectrale : Un spectromètre Czerny Turner multicanal (200-850 nm, résolution 0,1 nm) est utilisé en conjonction avec un ICCD/CMOS contrôlé par porte pour obtenir une acquisition de spectre complet au niveau de la milliseconde.

L'ensemble du système peut être intégré à des plateformes portables pesant moins de 5 kg et peut également être étendu à des sondes en ligne pour s'adapter aux conditions de travail complexes des sites industriels. Comme illustré dans la figure ci-dessous :

La série PQE Ce dispositif s'adapte à une large plage de températures, avec une température de fonctionnement standard de 10 à 35 °C et une plage de stockage de -20 à 60 °C. Il résiste aux températures extrêmes, même en utilisation prolongée en extérieur ou dans un véhicule, sans déviation du trajet optique, garantissant ainsi une détection LIBS stable 24 h/24 et 7 j/7.

Laser à semi-conducteurs haute énergie de la série PQE

III. Avantages des lasers nanosecondes en LIBS

1. Puissance de crête élevée, stabilité du plasma

La combinaison d'une largeur d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde et d'une énergie de l'ordre du millijoule permet de former des plasmas à haute température et à haute densité électronique sur n'importe quelle surface solide, avec un rapport signal/bruit élevé et des limites de détection d'éléments traces aussi basses que le ppm. La largeur d'impulsion de RealLight Série PQE Le contrôle s'effectue en 3 ns, avec une énergie d'impulsion unique supérieure à 10 mJ, une puissance de crête exceptionnelle et une faible ablation de la zone affectée thermiquement. Il permet d'exciter de manière stable des signaux plasma intenses et de contrôler précisément la zone d'ablation de l'échantillon, répondant ainsi aux exigences de haute sensibilité et de détection des micro-pertes.

2. Sortie multi-longueurs d'onde, adaptée aux substrats complexes

Grâce au doublage de fréquence par cristal, la même tête laser peut commuter entre 1064/532/355/266 nm. Les grandes longueurs d'onde conviennent aux métaux hautement réfléchissants, tandis que les courtes longueurs d'onde offrent une efficacité d'ablation supérieure pour les matériaux transparents ou organiques, réduisant ainsi considérablement les effets du substrat. Le modèle standard de Laser série PQE Il s'agit d'une source de lumière infrarouge à fréquence fondamentale de 1064 nm, adaptée aux principaux scénarios de détection LIBS tels que la métallurgie, les minéraux et les sols.

3. Fréquence de répétition élevée, efficacité d'analyse élevée

La fréquence d'impulsion de 10 à 100 Hz permet un balayage multipoint rapide et un moyennage du signal, avec un temps de détection d'un seul échantillon inférieur à 1 seconde, répondant ainsi aux exigences de cycle de détection à 100 % des tests industriels en ligne. Série PQE possède une fréquence de répétition de 10 Hz, correspondant aux exigences conventionnelles de la détection monopoint et du balayage multipoint LIBS portatif.

4. Structure compacte, facile à déployer sur site

La conception moderne à pompage par diode (DPSS) permet au laser d'avoir un volume de <2 L et un poids de <2 kg, sans nécessiter de refroidissement par eau, et de fonctionner de manière stable dans un environnement de -10 à 50 °C, fournissant une source de lumière fiable pour les LIBS portables et les plateformes de véhicules aériens sans pilote. Laser série PQE Ce dispositif représente une solution de refroidissement par air miniaturisée, grâce à un chemin optique intégré sur microprocesseur qui réduit considérablement le volume global de l'appareil. Sans système de refroidissement par eau, il affiche une faible consommation d'énergie et un poids léger, ce qui le rend idéal pour une intégration en série avec des appareils portables et des instruments de détection en ligne sur le terrain.

5. Coût modéré et entretien simple

La technologie laser nanoseconde est mature et son prix unitaire ne représente qu'un dixième de celui d'un laser femtoseconde ; la durée de vie de la pompe Flash ou LD est supérieure à 10⁹, seul un nettoyage régulier des lentilles est nécessaire sur site, avec de faibles coûts de maintenance. Laser série PQE Les composants optiques essentiels sont développés et produits en interne, ce qui garantit une chaîne d'approvisionnement stable et des avantages économiques significatifs grâce aux achats en gros. La solution standardisée tête laser + carte de contrôle séparée ne nécessite pas de mise au point optique complexe de la part des fabricants, ce qui raccourcit le cycle de développement global. Il s'agit d'une solution nationale rentable pour remplacer les lasers Q-switched haute énergie de type micro importés.

6. Détection des micro-dommages pour protéger les échantillons précieux

Les cavités d'ablation par impulsion unique d'un diamètre de 10 à 50 µm et d'une profondeur de 10 µm n'endommagent pratiquement pas les vestiges culturels, les tissus biologiques et les composants électroniques, permettant une analyse « in situ, telle quelle ». Série PQE présente un effet thermique d'impulsion de faible nanoseconde en moins de 3 ns, une ablation de micro-zone contrôlable et convient à l'analyse LIBS non destructive de reliques culturelles et de composants de précision.

7. Bonne adaptabilité en matière de sécurité et de réglementation

Le laser proche infrarouge de 1064 nm est relativement sûr pour les yeux et peut être acheminé à travers une fibre de quartz ordinaire, ce qui facilite les mesures à distance dans des environnements dangereux ou à haute température, conformément aux réglementations de sécurité industrielle. Série PQE La sortie standard de 1064 nm répond aux normes de sécurité d'utilisation sur les sites industriels.

IV. Cas d'application typiques

Métallurgie et recyclage : La LIBS portable à l’échelle nanoseconde permet de trier les aciers inoxydables 304/316 en 2 secondes, augmentant ainsi la capacité de traitement annuelle de 30 % et le taux d’erreur de 2 %.

Détection en ligne du charbon : L'intégration de lasers nanosecondes au-dessus du convoyeur, avec des erreurs de prédiction de la teneur en cendres et en soufre inférieures à 0,5 %, permet aux centrales électriques d'économiser plus de 10 millions de yuans par an sur leurs coûts de combustible.

Analyse des métaux lourds dans les sols : le système LIBS nanoseconde embarqué sur véhicule peut détecter plus de 500 points par jour, fournissant des données en temps réel pour la dépollution des sites contaminés.

• Analyse des pigments des vestiges culturels : un laser nanoseconde de 266 nm a été utilisé pour analyser les micro-lésions sur les peintures murales, identifiant avec succès les pigments de lapis-lazuli et de malachite utilisés sous la dynastie Tang et orientant le choix des matériaux de restauration.

V. Résumé

Les lasers nanosecondes, grâce à leur puissance de crête élevée, leurs multiples options de longueur d'onde, leur fréquence de répétition élevée, leur structure compacte et leurs avantages en termes de coûts, sont devenus le principal moteur de l'industrialisation, de la mise en œuvre sur site et de la portabilité de la technologie LIBS. RealLight‘s Laser à semi-conducteurs haute énergie de la série PQECette source de lumière pulsée haute énergie miniature, de fabrication nationale, repose sur un chemin optique à commutation Q passive intégré sur microprocesseur, développé en interne, pour atteindre une énergie de sortie supérieure à 10 mJ dans un format extrêmement compact. Elle présente cinq caractéristiques principales : une largeur d’impulsion étroite, un refroidissement par air et sans eau, une faible consommation d’énergie, une intégration OEM aisée et un excellent rapport qualité-prix. Elle constitue la source de lumière de choix pour les instituts de recherche, les fabricants d’instruments d’analyse et les entreprises de contrôle environnemental souhaitant développer des analyseurs LIBS portables, des équipements de détection laser de terrain et des instruments de test optiques. Grâce à l’intégration de nouvelles technologies telles que la double impulsion, l’imagerie LIBS et les algorithmes d’intelligence artificielle, les lasers nanosecondes continueront de jouer un rôle irremplaçable dans des domaines tels que la métallurgie, l’énergie, l’environnement, la préservation du patrimoine, l’exploration spatiale et bien d’autres, en garantissant une source de lumière stable et fiable pour des analyses rapides, in situ et multi-éléments.

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