Ces dernières années, la spectroscopie d'émission atomique induite par laser (LIBS) a suscité un intérêt croissant dans le secteur industriel, notamment pour la détection des alliages d'aluminium et des minerais de spodumène. Les appareils LIBS portables les plus courants restent encore des produits étrangers. À l'approche de l'ère des batteries au lithium, les fabricants d'instruments chinois parviendront-ils à réaliser des avancées majeures dans le domaine des appareils LIBS portables, portés par la nouvelle demande ? L'industrie attend de voir.

La technologie laser à semi-conducteurs des appareils LIBS portables a toujours constitué un frein au développement de cette technologie. Actuellement, les principaux lasers utilisés pour les tests LIBS sont : les lasers à semi-conducteurs pompés par lampe flash (usage en laboratoire), les lasers à semi-conducteurs pompés par diodes empilées (applications portables) et les lasers à micropuce à impulsions étroites pompés par diodes (à énergie relativement faible). Les lasers pompés par diodes empilées ont toujours représenté un inconvénient majeur pour les applications industrielles en raison de leur forte consommation d'énergie, de leur plage de températures de fonctionnement réduite et de la difficulté à contrôler la stabilité de leur alimentation.

Récemment, le laser Er:verre de 1535 nm a été largement utilisé dans des environnements difficiles, notamment militaires, grâce à ses performances exceptionnelles. Parallèlement, il a également suscité un vif intérêt auprès des fabricants d'appareils portables LIBS et des professionnels du secteur. Afin de vérifier les performances de ce laser dans le domaine de la LIBS, nous avons mené les expériences de vérification d'application suivantes.

1. Vérification des performances d'excitation laser

Prenons l'exemple d'un laser de 1535 nm avec une largeur d'impulsion de 7 ns, une énergie de 1 mJ et une fréquence de répétition de 10 Hz ; la puissance crête du laser est de 143,8 kW. En choisissant un système de focalisation approprié, le spot est focalisé à 100 μm, la densité de puissance crête est de 1,82 GW/cm², ce qui satisfait aux conditions d'excitation LIBS.

       Qualité de faisceau typique TEM₀₀   

largeur d'impulsion de 7 ns

2. Comparaison des effets d'excitation entre les lasers de 1064 nm et de 1535 nm

Dans cette expérience, quatre types de lasers ont été sélectionnés pour exciter des échantillons de laiton, et les différences dans les données spectrales LIBS des différents lasers ont été comparées et analysées.

Système de test

Deux lasers de 1064 nm et deux lasers de 1535 nm ont été sélectionnés pour le test. Leurs principaux paramètres sont les suivants :  

1-1064 nm-10 Hz-10 mJ-10 ns Bleu

2-1064 nm-1 kHz-120 μJ-750 ps Vert

3-1535 nm-1 kHz-40 μJ-5 ns Rouge

4-1535 nm-200 Hz-70 μJ-5 ns Noir

Les spectres d'excitation sont comparés comme suit :

Spectres

Le diagramme de test montre que les données spectrales des lasers à 1064 nm et à 1535 nm sont globalement cohérentes lorsqu'ils excitent la LIBS à des fréquences de répétition élevées et faibles. On n'observe aucune différence d'efficacité d'excitation entre les lasers à 1535 nm et à 1064 nm.

3. Test de l'effet d'excitation d'un laser de 1535 nm sur des minerais de métaux légers

Afin de vérifier la faisabilité de la longueur d'onde de 1535 nm dans le domaine des métaux légers, un laser de 1535 nm et de 1 mJ a été utilisé pour tester des échantillons de spodumène à une fréquence de répétition de 5 Hz. Les spectres obtenus sont les suivants :

Spectres de test d'échantillons de spodumène à l'aide du laser RealLight 1535 nm 1 mJ

Les données expérimentales montrent que le laser à 1535 nm peut exciter efficacement les raies spectrales caractéristiques des éléments BE. Son utilisation permet de déterminer la composition du minerai.

Le laser à verre erbium présente de larges perspectives d'application dans les équipements LIBS portables, de par son principe et sa structure.

Tout d'abord, en raison du coefficient d'absorption relativement plat du spectre d'absorption du verre d'erbium dans la gamme de longueurs d'onde comprise entre 910 nm et 950 nm, ce laser peut fonctionner sur une large plage de températures (-40 à 65 ℃) sans utiliser de contrôle de température et possède une grande stabilité de puissance.

Stabilité énergétique < 1 % (valeur mesurée : 0,61 %)

Deuxièmement, le laser peut être fabriqué grâce à une technologie d'encapsulation de semi-conducteurs, avec un scellement sous azote garantissant l'absence de condensation à des températures aussi basses que -40 °C. Le volume et le poids du laser sont très réduits. Pour un laser typique de 1 mJ, le poids de la tête laser ne dépasse pas 20 g. Le laser peut être équipé d'une photodiode pour détecter la lumière et déclencher le dispositif d'acquisition.

Laser 1535 nm de RealLight

De plus, comme le laser ne nécessite pas de régulation de température par module thermoélectrique (TEC), la consommation électrique globale du système est extrêmement faible. Le circuit, de dimensions limitées à 20 x 40 mm, est parfaitement adapté à une utilisation prolongée sur le terrain.

Les caractéristiques mentionnées ci-dessus, associées au fait que les lasers à 1535 nm émettent dans une région spectrale sans danger pour les yeux, réduisent considérablement les risques liés à l'utilisation de l'instrument. Les appareils LIBS portables utilisant un laser à verre erbium de 1535 nm comme source lumineuse suscitent un intérêt croissant auprès des fabricants d'équipements nationaux et internationaux.

Fondée en 2010, RealLight est une entreprise de haute technologie spécialisée dans les lasers à semi-conducteurs, les lasers à microprocesseur, les lasers à raie spectrale étroite, les lasers à l'état solide de forte puissance, la détection laser et les technologies d'application. Nous proposons un accompagnement aux utilisateurs dans le domaine des applications LIBS.

Les deux lasers à verre erbium suivants sont recommandés :