レーザー誘起ブレークダウン分光法（LIBS）は、その場での高速な多元素同期検出原子発光分析技術であり、その性能は励起光源に大きく依存します。ナノ秒レーザーは、高いピーク出力、コンパクトな構造、波長選択性、および高い繰り返し周波数により、LIBSシステムの最も成熟した普及しているコアコンポーネントとなっています。その主な特徴は以下のとおりです。

波長：一般的な波長としては、1064nm、532nm、355nmなどがあります。1064nm波長のレーザーは広く使用されていますが、サンプルによっては特定の波長のレーザーをより良く吸収する場合があります。この場合、周波数倍増結晶によって生成される532nm、355nmなどの他の波長を選択する必要があるかもしれません。

パルスエネルギー：パルスエネルギーが高いほど、試料の蒸発とイオン化がより効率的に行われ、より強力なプラズマ信号が生成されます。一般的に、LIBSアプリケーションにおけるパルスエネルギーは、数十mJから数百mJの間で選択できます。

繰り返し周波数：繰り返し周波数は、単位時間あたりのレーザーパルス数を決定します。繰り返し周波数を高くすると分析速度は向上しますが、試料表面が過熱し、分析結果に影響を与える可能性もあります。一般的な繰り返し周波数の範囲は、数Hzから数百Hzです。

パルス幅：パルス幅が短いほどピークパワーが高くなり、試料との相互作用が強化され、LIBS分析が容易になります。一般的には、パルス幅が3～10ナノ秒程度のナノ秒レーザーが選択されます。

ビーム品質：低発散ビームなどの良好なビーム品質は、レーザーを試料表面に適切に集束させ、エネルギー利用効率と分析精度を向上させることができます。

安定性：レーザーの長期安定性はLIBS（レーザー誘起ブレークダウン分光法）アプリケーションにとって極めて重要であり、分析結果の再現性と信頼性に直接影響します。出力電力とエネルギーが安定したレーザーを選択する必要があり、例えばダイオード励起方式を採用したレーザーは、優れた安定性と長い耐用年数を誇ります。

Ⅰ．LIBSの動作原理

LIBSは、集束された高エネルギーパルスレーザーを用いて試料表面のマイクロメートルサイズの物質を瞬時にアブレーションし、最高10⁴Kの温度のプラズマを生成します。プラズマ冷却中に元素の特性スペクトル線が放出され、広帯域分光計で収集・分析することで定性分析または定量分析が行われます。ナノ秒レーザー（典型的なNd:YAGレーザー、パルス幅5～10ナノ秒、単一パルスエネルギー10～200ミリジュール）のピーク出力はメガワットレベルに達することがあり、金属、鉱物、土壌、液体、さらには生物試料のプラズマを安定的に励起するのに十分です。LIBSの産業化において、ナノ秒レーザーは好ましい光源となっています。

国内における携帯型LIBS装置の統合需要に応えるため、 リアルライト 独自に開発した PQEシリーズ高エネルギー固体レーザーこれは、LIBSおよびレーザーアブレーション用に特別に設計されています。このモデルPQE-1064-0.01-10は、LIBS光源のコア仕様に完全に適合しています。1064nmの赤外線波長、10Hzの繰り返し周波数、単一パルスエネルギー>10mJ、パルス幅<3ns、狭いパルス幅と10ミリジュールのエネルギー出力の組み合わせにより、超高ピークパワーを実現でき、追加のエネルギー増幅モジュールを必要とせずに、鉱石、合金、土壌などのさまざまな固体サンプルを効率的にイオン化でき、LIBSの全体的な光路構造を大幅に簡素化します。

Ⅱ．LIBSシステム構成

典型的なナノ秒LIBS装置は、以下の4つの部分から構成されています。

1. レーザーヘッドと電源：1064 nmの基本周波数または周波数倍増で532/355/266 nmの出力を提供し、繰り返し周波数は10～100 Hzで、外部トリガーが可能です。

推奨される家庭用ポータブルソリューションはRealLightです。 PQEシリーズ固体レーザー半導体ポンプ結晶集積マイクロチップ光路を採用しています。レーザーヘッドのサイズはわずか 83 × 30 × 22.1mm で、45 × 39.6 × 110.3mm の制御ボードと組み合わされています。分割構造により、ハンドヘルドプローブやフィールドテストケースへの組み込みが容易です。装置全体は 12VDC の低電圧で駆動され、最大消費電力はわずか 20W で、リチウム電池で駆動するポータブルデバイスに適しています。制御インターフェースには RS-232 シリアルポートとマルチチャンネル I/O が装備されており、内部および外部デュアルトリガーモードをサポートし、タイミング同期モジュールやスペクトル取得システムとシームレスに接続できるため、機器メーカーの二次開発と統合の難易度が大幅に軽減されます。この装置は放熱に純粋な空冷方式を採用しており、従来の高エネルギーレーザーの水冷ユニットを廃止し、水パイプや冷凍装置の必要性を排除しています。システム構成は最小限で、屋外や車両搭載の非水冷作業環境に適しています。

PQEシリーズ高エネルギー固体レーザーの機械的寸法図

2. 光路と集光：石英レンズがレーザービームを試料表面に集光し、焦点パワー密度は1 GW cm²以上になります。同軸またはオフアクシス集光レンズがプラズマ光をファイバーに結合します。

PQEレーザービームの水平および垂直方向の1/e²全角発散角はどちらも3mradであり、優れたビーム収束性と精密な焦点位置により、LIBSスペクトル取得における実験誤差を低減します。エネルギーのRMS変動は3%未満であり、長時間の連続サンプリング中のパルスエネルギーの一貫性が高く、複数の現場検査から安定した再現性のあるデータが得られます。

3. タイミング制御：デジタルパルス発生器は、レーザーのQスイッチと分光器のゲートを同期させ、連続的なバックグラウンドを抑制し、信号対雑音比を向上させます。

4. スペクトル検出：マルチチャンネルのチェルニー・ターナー分光器（200～850 nm、分解能0.1 nm）をゲート制御ICCD/CMOSと組み合わせて使用​​し、ミリ秒レベルのフルスペクトル取得を実現します。

システム全体は、重量5kg未満の携帯型プラットフォームに統合することができ、また、産業現場の複雑な作業環境に対応するために、オンラインプローブへと拡張することも可能です。下図を参照してください。

PQEシリーズ 幅広い温度範囲に対応可能で、標準動作温度は10～35℃、保管許容温度は-20～60℃です。高温・低温にも耐え、光路のずれなく長期間の屋外や車載環境での使用が可能で、LIBSの安定した検出を24時間365日保証します。

PQEシリーズ高エネルギー固体レーザー

Ⅲ．LIBSにおけるナノ秒レーザーの利点

1. 高いピーク出力、プラズマの安定性

ナノ秒パルス幅とミリジュールレベルのエネルギーの組み合わせにより、あらゆる固体表面に高温・高電子密度のプラズマを形成でき、高い信号対雑音比とppmレベルの微量元素検出限界を実現できます。RealLightのパルス幅は、 PQEシリーズ 3ナノ秒以内で制御され、単一パルスエネルギーは10mJ以上、優れたピークパワー、低熱影響部アブレーションを実現しています。強力なプラズマ信号を安定的に励起し、試料のアブレーション範囲を正確に制御できるため、高感度かつ微細な損失検出の要件を満たします。

2. 多波長出力、複雑な基板にも適しています

結晶周波数倍増により、同じレーザーヘッドで1064/532/355/266 nmを切り替えることができます。長波長は高反射金属に適しており、短波長は透明材料や有機材料のアブレーション効率が高く、基板の影響を大幅に低減します。標準モデルでは、 PQEシリーズレーザー 1064nmの基本周波数を持つ赤外線光源であり、冶金、鉱物、土壌など、主流のLIBS検出シナリオに適しています。

3. 高い繰り返し率、高い分析効率

10～100Hzのパルス周波数は、高速マルチポイントスキャンと信号平均化をサポートし、単一サンプルの検出時間は1秒未満で、産業用オンラインテストの100%検出サイクル要件を満たします。 PQEシリーズ 繰り返し周波数は10Hzで、従来のハンドヘルドLIBSの単点検出および多点スキャンの要件を満たしている。

4. コンパクトな構造で、現場での設置が容易です。

最新のダイオード励起（DPSS）設計により、レーザーは水冷を必要とせず、体積2L以下、重量2kg以下となり、-10～50℃の環境下で安定して動作できるため、携帯型LIBSや無人航空機プラットフォーム向けの信頼性の高い光源となる。 PQEシリーズレーザー は、小型化された空冷ソリューションの代表例であり、マイクロチップ光路を内蔵することで装置全体の体積を大幅に削減しています。水冷システムが不要で、低消費電力かつ軽量であるため、携帯型デバイスや現場オンライン検出機器との一括統合に最適です。

5. 手頃な価格と簡単なメンテナンス

ナノ秒レーザー技術は成熟しており、単価はフェムト秒レーザーのわずか10分の1です。フラッシュまたはLDポンプの寿命は10⁹以上で、現場では定期的なレンズクリーニングのみが必要で、メンテナンスコストは低く抑えられます。 PQEシリーズレーザー コアとなる光学部品は自社開発・独自生産で、安定したサプライチェーンと大量調達における大幅なコスト優位性を実現しています。標準化されたレーザーヘッド＋制御基板の分割ソリューションは、メーカーによる複雑な光学デバッグを不要にし、開発サイクル全体を短縮します。輸入マイクロ高エネルギーQスイッチレーザーに代わる、費用対効果の高い国産ソリューションです。

6. 貴重なサンプルを保護するための微細損傷検出

直径10～50μm、深さ10μm未満の単一パルスアブレーションピットは、文化遺物、生物組織、電子部品にほとんど損傷を与えず、「in situ、as is」分析を実現します。 PQEシリーズ 3ナノ秒以内の低ナノ秒パルスによる熱効果、制御可能な微小領域アブレーションが可能であり、文化遺物や精密部品の非破壊LIBS分析に適している。

7. 優れた安全性と規制への適応性

1064 nm近赤外線レーザーは目に比較的安全で、通常の石英ファイバーを通して伝送できるため、産業安全規制に準拠して、危険な環境や高温環境でも遠隔測定が容易になります。 PQEシリーズ 標準の1064nm出力は、産業現場における安全使用基準を満たしています。

Ⅳ、典型的な応用例

冶金とリサイクル：ハンドヘルドナノ秒LIBSは、304/316ステンレス鋼の選別を2秒以内に完了でき、年間処理能力を30%向上させ、誤判定率を2%未満に抑えることができます。

オンライン石炭検知：ベルト上部にナノ秒レーザーを統合し、灰分と硫黄含有量の予測誤差を0.5%未満に抑えることで、発電所の燃料費を年間1000万元以上削減するのに役立つ。

土壌重金属スクリーニング：車両搭載型ナノ秒LIBSシステムは1日あたり500点以上の検出が可能で、汚染サイトの修復のためのリアルタイムデータを提供します。

・文化遺物顔料の分析：266nmナノ秒レーザーを用いて壁画の微細な損傷箇所を分析した結果、唐代に使用されていたラピスラズリとマラカイトの顔料を特定し、修復材料の選定に役立てた。

Ⅴ、概要

ナノ秒レーザーは、高いピーク出力、複数の波長オプション、高い繰り返し周波数、コンパクトな構造、そしてコスト面での優位性により、LIBS技術の産業化、現場での実装、および携帯性を推進する中核的な原動力となっている。 リアルライト‘s PQEシリーズ高エネルギー固体レーザー国内生産の小型高エネルギーパルス光源として、自社開発の集積マイクロチップ受動Qスイッチング光路を採用し、非常に小型の筐体で10mJを超えるパルス出力を実現しています。狭いパルス幅、空冷・水冷不要、低消費電力、OEM統合の容易さ、高いコストパフォーマンスという5つの特徴を備えています。研究機関、分析機器メーカー、環境試験企業にとって、携帯型LIBS分析装置、現場レーザー検出装置、光学試験装置の開発に最適な国内生産光源です。デュアルパルス、イメージングLIBS、人工知能アルゴリズムなどの新技術の統合により、ナノ秒レーザーは冶金、電力、環境、文化財、深宇宙探査などの分野で引き続き不可欠な役割を果たし、高速、現場、多元素分析のための安定した信頼性の高い光源保証を提供します。

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