Negli ultimi anni, la tecnologia della spettroscopia di emissione atomica indotta da laser (LIBS) ha riscosso un interesse crescente in ambito industriale, soprattutto nei settori dell'analisi delle leghe di alluminio e dei minerali di spodumene. I dispositivi LIBS portatili più diffusi sono ancora prodotti esteri. Con l'avvento dell'era delle batterie al litio, i produttori nazionali di strumentazione saranno in grado di realizzare progressi significativi nel campo dei dispositivi LIBS portatili, guidati dalle nuove esigenze del mercato? L'industria attende con ansia la risposta.

La tecnologia laser a stato solido nei dispositivi LIBS portatili ha sempre rappresentato un collo di bottiglia nella tecnologia LIBS. Attualmente, i principali laser utilizzati per i test LIBS sono: laser a stato solido pompati da lampade flash (uso di laboratorio), laser a stato solido pompati da stack di diodi (applicazioni in dispositivi portatili) e laser a microchip a impulsi stretti pompati da diodi (con energia relativamente bassa). I laser pompati da stack di diodi sono sempre stati un punto critico nelle applicazioni industriali a causa del loro elevato consumo energetico, del ristretto intervallo di temperatura di funzionamento e della difficoltà nel controllo della stabilità di potenza.

Recentemente, il laser Er:Glass a 1535 nm è stato ampiamente utilizzato in ambienti difficili come quello militare grazie alle sue prestazioni speciali. Allo stesso tempo, ha anche ricevuto grande attenzione da parte dei produttori di dispositivi LIBS portatili e degli operatori del settore. Al fine di verificare le prestazioni applicative del laser a vetro di erbio a 1535 nm nel campo della LIBS, abbiamo condotto i seguenti esperimenti di verifica applicativa.

1. Verifica delle prestazioni di eccitazione laser

Prendendo come esempio un laser a 1535 nm con una durata dell'impulso di 7 ns, un'energia di 1 mJ e una frequenza di ripetizione di 10 Hz, la potenza di picco del laser è di 143,8 kW. Selezionando un sistema di focalizzazione adeguato, il punto viene focalizzato a 100 μm, la densità di potenza di picco è di 1,82 GW/cm², soddisfacendo le condizioni di eccitazione LIBS.

       TEM di qualità del fascio tipica₀₀   

Larghezza dell'impulso di 7 ns

2. Confronto degli effetti di eccitazione tra laser a 1064 nm e a 1535 nm

In questo esperimento, sono stati selezionati quattro tipi di laser per eccitare campioni di ottone e sono state confrontate e analizzate le differenze nei dati spettrali LIBS dei vari laser.

Sistema di prova

Per il test sono stati selezionati due laser da 1064 nm e due laser da 1535 nm. I parametri principali dei quattro laser sono i seguenti:  

1-1064nm-10Hz-10mj-10ns Blu

2-1064nm-1kHz-120μJ-750ps  Verde

3-1535nm-1kHz-40μJ-5ns  Rosso

4-1535nm-200Hz-70μJ-5ns  Nero

Gli spettri di eccitazione vengono confrontati come segue:

Spettri

Dal diagramma di test, possiamo osservare che i dati spettrali del laser a 1064 nm e del laser a 1535 nm sono sostanzialmente coerenti quando eccitano il LIBS ad alte e basse frequenze di ripetizione. Non vi è alcuna differenza negli effetti di eccitazione tra i laser a 1535 nm e a 1064 nm.

3. Testare l'effetto di eccitazione del laser a 1535 nm sui minerali di metalli leggeri

Al fine di verificare la fattibilità dell'utilizzo di un laser a 1535 nm nel campo dei metalli leggeri, è stato impiegato un laser a 1535 nm e 1 mJ per testare campioni di spodumene a una frequenza di ripetizione di 5 Hz. Gli spettri di prova sono i seguenti:

Spettri di prova di campioni di spodumene utilizzando il laser RealLight da 1535 nm e 1 mJ.

Dai dati sperimentali si evince che il laser a 1535 nm è in grado di eccitare efficacemente le linee spettrali caratteristiche degli elementi BE. L'utilizzo del laser a 1535 nm consente di determinare la composizione del minerale.

Il laser a vetro di erbio ha ampie prospettive di applicazione nelle apparecchiature LIBS portatili, grazie al suo principio di funzionamento e alla sua struttura.

Innanzitutto, grazie al coefficiente di assorbimento relativamente piatto dello spettro di assorbimento del vetro all'erbio nella gamma di lunghezze d'onda tra 910 nm e 950 nm, questo laser può operare in un ampio intervallo di temperature (-40~65 ℃) senza bisogno di controllo della temperatura e presenta un'elevata stabilità di potenza.

Stabilità energetica <1% (valore misurato 0,61%)

In secondo luogo, il laser può essere prodotto utilizzando la tecnologia di incapsulamento dei semiconduttori, con sigillatura ad azoto che garantisce l'assenza di condensa a basse temperature di -40 °C. Il volume e il peso del laser sono molto ridotti. Per un tipico laser da 1 mJ, il peso della testa laser non supera i 20 g. Il laser può essere dotato di un fotodiodo (PD) per rilevare la luce e attivare il dispositivo di acquisizione.

Il laser a 1535 nm di RealLight

Inoltre, poiché il laser non necessita di controllo della temperatura TEC, il consumo energetico complessivo del sistema è estremamente basso. Le dimensioni del circuito possono essere comprese tra 20 e 40 mm, il che lo rende adatto all'utilizzo prolungato sul campo.

Le caratteristiche sopra descritte, unite al fatto che i laser a 1535 nm emettono nella regione spettrale sicura per gli occhi, riducono notevolmente i rischi per la sicurezza laser nell'utilizzo dello strumento. I dispositivi LIBS portatili che utilizzano un laser a vetro di erbio a 1535 nm come sorgente luminosa stanno attirando l'attenzione dei produttori di apparecchiature nazionali ed esteri.

RealLight, fondata nel 2010, è un'azienda high-tech specializzata in laser a semiconduttore, laser a microchip, laser a larghezza di riga ridotta, laser a stato solido ad alta potenza, rilevamento laser e tecnologie applicative. Forniremo supporto agli utenti nel campo delle applicazioni LIBS.

Si consigliano i seguenti due laser a vetro di erbio: