La spettroscopia di emissione atomica indotta da laser (LIBS) è una tecnica di analisi dell'emissione atomica in situ, rapida e sincrona, basata sulla rilevazione di più elementi, e le sue prestazioni dipendono in larga misura dalla sorgente luminosa di eccitazione. I laser a nanosecondi sono diventati il ​​componente principale più maturo e diffuso dei sistemi LIBS grazie alla loro elevata potenza di picco, alla struttura compatta, alla selettività della lunghezza d'onda e all'elevata frequenza di ripetizione. Le sue caratteristiche principali sono le seguenti.

Lunghezza d'onda: Le lunghezze d'onda comuni includono 1064 nm, 532 nm, 355 nm, ecc. I laser con lunghezza d'onda di 1064 nm sono ampiamente utilizzati, ma alcuni campioni possono avere un migliore assorbimento di specifiche lunghezze d'onda del laser. In questo caso, potrebbe essere necessario scegliere altre lunghezze d'onda, come 532 nm, 355 nm, ecc., generate da cristalli di raddoppio di frequenza.

Energia dell'impulso: maggiore è l'energia dell'impulso, più efficacemente può vaporizzare e ionizzare il campione, generando segnali di plasma più intensi. In generale, nelle applicazioni LIBS l'energia dell'impulso può essere selezionata tra decine e centinaia di mJ.

Frequenza di ripetizione: La frequenza di ripetizione determina il numero di impulsi laser per unità di tempo. Una frequenza di ripetizione più elevata può migliorare la velocità di analisi, ma può anche causare il surriscaldamento della superficie del campione, influenzando i risultati dell'analisi. La frequenza di ripetizione tipica varia da pochi Hz a diverse centinaia di Hz.

Durata dell'impulso: una durata dell'impulso più breve può generare una potenza di picco maggiore, migliorando così l'interazione con il campione e facilitando l'analisi LIBS. Generalmente, si scelgono laser a nanosecondi con durate dell'impulso di circa 3-10 ns.

Qualità del fascio: una buona qualità del fascio, come ad esempio fasci a bassa divergenza, consente di focalizzare meglio il laser sulla superficie del campione, migliorando l'utilizzo dell'energia e la precisione dell'analisi.

Stabilità: La stabilità a lungo termine dei laser è fondamentale per le applicazioni LIBS, poiché influisce direttamente sulla ripetibilità e sull'affidabilità dei risultati dell'analisi. È necessario selezionare un laser con potenza ed energia di uscita stabili, come alcuni laser progettati con pompaggio a diodi, che presentano una buona stabilità e una maggiore durata.

I. Principio di funzionamento di LIBS

La tecnica LIBS utilizza un laser pulsato ad alta energia focalizzato per ablare istantaneamente sostanze di dimensioni micrometriche sulla superficie del campione, formando un plasma con una temperatura fino a 10⁴ K. Durante il raffreddamento del plasma, vengono emesse linee spettrali caratteristiche degli elementi, che vengono raccolte e analizzate da uno spettrometro a banda larga per analisi qualitative o quantitative. La potenza di picco dei laser a nanosecondi (tipicamente Nd:YAG, larghezza dell'impulso 5-10 ns, energia del singolo impulso 10-200 mJ) può raggiungere il livello del megawatt, sufficiente per eccitare stabilmente il plasma su metalli, minerali, terreni, liquidi e persino campioni biologici. È la sorgente luminosa preferita per l'industrializzazione della tecnica LIBS.

In risposta alla domanda di integrazione nazionale di dispositivi LIBS palmari e portatili, Luce reale ha sviluppato in modo indipendente il Laser a stato solido ad alta energia della serie PQE, specificamente progettato per LIBS e ablazione laser. Questo modello PQE-1064-0.01-10 si adatta perfettamente alle specifiche principali della sorgente luminosa LIBS: lunghezza d'onda infrarossa di 1064 nm, frequenza di ripetizione di 10 Hz, energia del singolo impulso > 10 mJ, larghezza dell'impulso < 3 ns, larghezza dell'impulso ridotta combinata con un'uscita energetica di dieci millijoule può raggiungere una potenza di picco ultra elevata, che può ionizzare efficacemente vari campioni solidi come minerali, leghe, terreno, ecc. senza la necessità di moduli di amplificazione dell'energia aggiuntivi, semplificando notevolmente la struttura complessiva del percorso ottico del LIBS.

II. Configurazione del sistema LIBS

Un tipico dispositivo LIBS a nanosecondi è costituito da quattro parti:

1. Testa laser e alimentatore: Fornisce un'uscita a 532/355/266 nm alla frequenza fondamentale di 1064 nm o raddoppio di frequenza, con una frequenza di ripetizione di 10-100 Hz e può essere attivata esternamente.

La soluzione portatile domestica consigliata è RealLight Laser a stato solido serie PQEche adotta un percorso ottico a microchip integrato con cristallo di pompaggio a semiconduttore. Le dimensioni della testa laser sono di soli 83 × 30 × 22,1 mm, ed è abbinata a una scheda di controllo di 45 × 39,6 × 110,3 mm. La struttura divisa è facile da integrare in sonde portatili e custodie per test sul campo; l'intera macchina è alimentata a bassa tensione 12 V CC, con un consumo energetico massimo di soli 20 W, ed è adatta per dispositivi portatili alimentati da batterie al litio; l'interfaccia di controllo è dotata di porta seriale RS-232 e I/O multicanale, supporta modalità di doppio trigger interne ed esterne e può interfacciarsi senza problemi con moduli di sincronizzazione temporale e sistemi di acquisizione spettrale, riducendo notevolmente la difficoltà di sviluppo e integrazione secondaria per i produttori di apparecchiature. L'apparecchiatura è raffreddata esclusivamente ad aria per la dissipazione del calore, abbandonando le tradizionali unità di raffreddamento ad acqua dei laser ad alta energia ed eliminando la necessità di tubi dell'acqua e apparecchiature di refrigerazione. La costruzione del sistema è minimalista e adatta a condizioni di lavoro senza acqua all'aperto e su veicoli.

Schema dimensionale meccanico del laser a stato solido ad alta energia della serie PQE

2. Percorso ottico e focalizzazione: Le lenti al quarzo focalizzano il raggio laser sulla superficie del campione, con una densità di potenza focale superiore a 1 GW cm²; le lenti di raccolta coassiali o fuori asse accoppiano la luce del plasma alla fibra.

Gli angoli di divergenza orizzontale e verticale 1/e² del fascio laser PQE sono entrambi di 3 mrad, con un'eccellente convergenza del fascio e una precisa posizione del punto di focalizzazione, riducendo gli errori sperimentali nell'acquisizione spettrale LIBS; la fluttuazione RMS dell'energia è inferiore al 3% e la consistenza dell'energia dell'impulso durante il campionamento continuo a lungo termine è elevata, garantendo dati stabili e riproducibili da molteplici ispezioni in loco.

3. Controllo della temporizzazione: il generatore di impulsi digitale sincronizza il Q-switch laser con il gate dello spettrometro per sopprimere il rumore di fondo continuo e migliorare il rapporto segnale/rumore.

4. Rilevamento spettrale: uno spettrometro Czerny Turner multicanale (200-850 nm, risoluzione 0,1 nm) viene utilizzato in combinazione con un ICCD/CMOS controllato da gate per ottenere l'acquisizione dello spettro completo a livello di millisecondi.

L'intero sistema può essere integrato in piattaforme portatili del peso inferiore a 5 kg e può anche essere ampliato in sonde online per adattarsi alle complesse condizioni di lavoro negli impianti industriali. Come mostrato nella figura seguente:

La serie PQE È in grado di adattarsi a un ampio intervallo di temperature, con una temperatura di lavoro standard di 10-35 ℃ e una tolleranza di stoccaggio di -20~60 ℃. Può resistere a temperature elevate e basse per un utilizzo prolungato all'aperto e su veicoli senza alcuna deviazione del percorso ottico, garantendo un rilevamento LIBS stabile 24 ore su 24, 7 giorni su 7.

Laser a stato solido ad alta energia della serie PQE

III. I vantaggi dei laser a nanosecondi nella LIBS

1. Elevata potenza di picco, stabilità del plasma

La combinazione di larghezza di impulso in nanosecondi ed energia a livello di millijoule può formare plasmi ad alta temperatura e alta densità elettronica su qualsiasi superficie solida, con un elevato rapporto segnale/rumore e limiti di rilevamento di elementi in tracce bassi fino a ppm. La larghezza di impulso di RealLight Serie PQE È controllato entro 3 ns, con un'energia di impulso singolo > 10 mJ, un'eccezionale potenza di picco e una bassa ablazione della zona termicamente alterata. Può eccitare stabilmente forti segnali di plasma e controllare con precisione l'intervallo di ablazione del campione, soddisfacendo i requisiti di elevata sensibilità e rilevamento di microperdite.

2. Uscita a più lunghezze d'onda, adatta a substrati complessi

Grazie al raddoppio della frequenza del cristallo, la stessa testa laser può commutare tra 1064/532/355/266 nm. Le lunghezze d'onda lunghe sono adatte per metalli altamente riflettenti, mentre le lunghezze d'onda corte hanno una maggiore efficienza di ablazione per materiali trasparenti o organici, riducendo significativamente gli effetti del substrato. Il modello standard di Laser della serie PQE è una sorgente di luce infrarossa a frequenza fondamentale di 1064 nm, adatta ai principali scenari di rilevamento LIBS come metallurgia, minerali e suolo.

3. Elevata frequenza di ripetizione, elevata efficienza di analisi

La frequenza degli impulsi di 10-100 Hz supporta la scansione multipunto veloce e la media del segnale, con un tempo di rilevamento del singolo campione inferiore a 1 secondo, soddisfacendo i requisiti del ciclo di rilevamento del 100% dei test online industriali. Serie PQE ha una frequenza di ripetizione di 10 Hz, che soddisfa i requisiti convenzionali del rilevamento a punto singolo e della scansione multipunto LIBS portatile.

4. Struttura compatta, facile da installare in loco.

Il moderno design a pompaggio a diodi (DPSS) consente al laser di avere un volume di <2 L e un peso di <2 kg, senza necessità di raffreddamento ad acqua, e può operare stabilmente in un ambiente da -10 a 50 °C, fornendo una sorgente luminosa affidabile per LIBS portatili e piattaforme di veicoli aerei senza pilota. Laser della serie PQE È un esempio di soluzione di raffreddamento ad aria miniaturizzata, con un percorso ottico a microchip integrato che riduce notevolmente il volume complessivo del dispositivo. Non necessita di raffreddamento ad acqua, ha un basso consumo energetico ed è leggero, caratteristiche che lo rendono perfetto per l'integrazione in batch con dispositivi portatili e strumenti di rilevamento online sul campo.

5. Costo moderato e manutenzione semplice

La tecnologia laser a nanosecondi è matura e il prezzo per unità è solo un decimo di quello del laser a femtosecondi; durata della pompa Flash o LD >10⁹, è richiesta solo una pulizia regolare delle lenti in loco, con bassi costi di manutenzione. Laser della serie PQE I componenti ottici principali sono sviluppati e prodotti internamente, con una catena di fornitura stabile e significativi vantaggi in termini di costi grazie agli acquisti all'ingrosso. La soluzione standardizzata con testa laser e scheda di controllo separate non richiede complesse procedure di debug ottico da parte dei produttori, riducendo i tempi complessivi di sviluppo. Si tratta di una soluzione nazionale economicamente vantaggiosa per sostituire i laser Q-switched ad alta energia importati.

6. Rilevamento di microdanni per proteggere campioni preziosi

Le fosse di ablazione a impulso singolo con un diametro di 10-50 µm e una profondità di <10 µm non causano quasi alcun danno a reperti culturali, tessuti biologici e componenti elettronici, consentendo un'analisi "in situ, così com'è". Serie PQE Presenta un basso effetto termico a impulsi di nanosecondi entro 3 ns, un'ablazione controllabile su microaree ed è adatto per l'analisi LIBS non distruttiva di reperti culturali e componenti di precisione.

7. Buona sicurezza e adattabilità normativa

Il laser a infrarossi vicini a 1064 nm è relativamente sicuro per gli occhi e può essere condotto attraverso una normale fibra di quarzo, facilitando le misurazioni a distanza in ambienti pericolosi o ad alta temperatura, nel rispetto delle normative di sicurezza industriale. Serie PQE L'emissione standard a 1064 nm soddisfa gli standard di sicurezza per l'utilizzo in siti industriali.

IV. Casi applicativi tipici

Metallurgia e riciclaggio: il LIBS portatile a nanosecondi può completare la selezione del grado di acciaio inossidabile 304/316 in 2 secondi, aumentando la capacità di lavorazione annuale del 30% e il tasso di errore di valutazione <2%.

Rilevamento del carbone online: l'integrazione di laser a nanosecondi sopra il nastro trasportatore, con errori di previsione del contenuto di ceneri e zolfo inferiori allo 0,5%, consente alle centrali elettriche di risparmiare oltre 10 milioni di yuan all'anno sui costi del combustibile.

Analisi dei metalli pesanti nel suolo: il sistema LIBS a nanosecondi montato su veicolo è in grado di rilevare oltre 500 punti al giorno, fornendo dati in tempo reale per la bonifica dei siti contaminati.

• Analisi dei pigmenti dei reperti culturali: è stato utilizzato un laser a nanosecondi da 266 nm per analizzare i punti di microdanneggiamento sugli affreschi, identificando con successo i pigmenti di lapislazzuli e malachite utilizzati durante la dinastia Tang e guidando la selezione dei materiali di restauro.

V. Riepilogo

I laser a nanosecondi, grazie alla loro elevata potenza di picco, alle molteplici opzioni di lunghezza d'onda, all'elevata frequenza di ripetizione, alla struttura compatta e ai vantaggi in termini di costi, sono diventati la forza trainante principale per l'industrializzazione, l'implementazione in loco e la portabilità della tecnologia LIBS. Luce reale‘s Laser a stato solido ad alta energia della serie PQEQuesto laser a nanosecondi, una sorgente luminosa a impulsi ad alta energia miniaturizzata di produzione nazionale, si basa su un percorso ottico passivo a commutazione Q integrato, sviluppato internamente, per raggiungere un'emissione di impulsi >10 mJ in un corpo di dimensioni estremamente ridotte. Presenta cinque caratteristiche principali: larghezza dell'impulso ridotta, raffreddamento ad aria e senza acqua, basso consumo energetico, facile integrazione OEM e alto rapporto costo-efficacia. È la sorgente luminosa di produzione nazionale preferita da istituti di ricerca, produttori di strumenti analitici e aziende di test ambientali per lo sviluppo di analizzatori LIBS portatili, apparecchiature di rilevamento laser da campo e strumenti di test ottici. Grazie all'integrazione di nuove tecnologie come il doppio impulso, il LIBS per immagini e gli algoritmi di intelligenza artificiale, i laser a nanosecondi continueranno a svolgere un ruolo insostituibile in metallurgia, energia, ambiente, beni culturali, esplorazione dello spazio profondo e altri settori, garantendo una sorgente luminosa stabile e affidabile per analisi rapide, in situ e multi-elemento.

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