携帯型LIBS分野における眼に安全なレーザーの応用展望
近年、レーザー誘起ブレークダウン分光法（LIBS）技術は、特にアルミニウム合金の検出やスポジュメン鉱石の検出といった産業分野でますます注目を集めている。携帯型LIBS装置の主流は依然として海外製品である。リチウムイオン電池時代が到来する中、国内計測機器メーカーは新たな需要に導かれ、携帯型LIBS分野で飛躍的な進歩を遂げることができるだろうか。業界は今後の動向を見守っている。
ハンドヘルドLIBSデバイスにおける固体レーザー技術は、LIBS技術のボトルネックとなってきた。現在、LIBSテストに使用されている主なレーザーは、フラッシュランプ励起固体レーザー（実験室用）、ダイオードスタック励起固体レーザー（ハンドヘルドデバイス用）、およびダイオード励起狭パルス幅マイクロチップレーザー（比較的低エネルギー）である。ダイオードスタック励起レーザーは、消費電力が高く、動作温度範囲が狭く、電力安定性の制御が難しいため、産業用途では常に課題となってきた。
近年、Er:ガラス1535nmレーザーは、その優れた性能から軍事などの過酷な環境で広く使用されています。同時に、LIBS携帯型デバイスメーカーや業界関係者からも広く注目を集めています。LIBS分野における1535nmエルビウムガラスレーザーの応用性能を検証するため、以下の応用検証実験を実施しました。
1. レーザー励起性能の検証
パルス幅7ns、エネルギー1mJ、繰り返し周波数10Hzの1535nmレーザーを例にとると、レーザーのピーク出力は143.8kWです。適切な集光システムを選択すると、スポットは100μmに集光され、ピーク出力密度は1.82GW/cm2となり、LIBS励起条件を満たします。
典型的なビーム品質のTEM00 
パルス幅7ns
2. 1064nmレーザーと1535nmレーザーの励起効果の比較
本実験では、4種類のレーザーを選択して真鍮試料を励起し、様々なレーザーによるLIBSスペクトルデータの違いを比較分析した。
テストシステム
試験には、波長1064nmのレーザー2台と波長1535nmのレーザー2台が選定された。4台のレーザーの主なパラメータは以下のとおりである。
1-1064nm-10Hz-10mj-10ns 青
2-1064nm-1kHz-120μJ-750ps 緑色
3-1535nm-1kHz-40μJ-5ns 赤色
4-1535nm-200Hz-70μJ-5ns 黒
励起スペクトルは以下のように比較される。
スペクトル
テスト図から、1064nmレーザーと1535nmレーザーのスペクトルデータは、高繰り返し周波数と低繰り返し周波数でLIBSを励起した場合、基本的に一致していることがわかります。1535nmレーザーと1064nmレーザーの励起効果に違いはありません。
3. 1535nmレーザーによる軽金属鉱石への励起効果の試験
軽金属分野における1535nmの実現可能性を検証するため、1535nm、1mJのレーザーを用いて、5Hzの繰り返し周波数でスポジュメン試料を試験した。試験スペクトルは以下のとおりである。
RealLight’ 1535nm 1mJレーザーを用いたスポジュメン試料の試験スペクトル
実験データから、1535nmレーザーはBE元素の特性スペクトル線を効果的に励起できることがわかる。1535nmレーザーを用いることで、鉱石組成の検出が可能となる。
エルビウムガラスレーザーは、その原理と構造に基づき、携帯型LIBS装置において幅広い応用が期待できる。
まず、エルビウムガラスの吸収スペクトルは910nmから950nmの波長範囲において比較的平坦な吸収係数を持つため、このレーザーは温度制御を使用せずに広い温度範囲（-40～65℃）で動作でき、高い出力安定性を備えています。
エネルギー安定性＜1％（実測値は0.61％）
第二に、このレーザーは半導体パッケージング技術を用いて製造でき、窒素封止により-40℃の低温でも結露が発生しません。レーザーの体積と重量は非常に小さく、一般的な1mJレーザーの場合、レーザーヘッドの重量は20gを超えません。レーザーにはPD（フォトダイオード）を搭載でき、光を検出してデータ取得装置をトリガーすることができます。
RealLight社の1535nmレーザー
さらに、レーザーはTECによる温度制御を必要としないため、システム全体の消費電力は極めて低い。回路サイズは20×40mm以内で済むため、現場での長期使用に適している。
上記の特性に加え、1535nmレーザーは目に安全なスペクトル領域で発光するため、装置使用時のレーザー安全リスクを大幅に低減できます。1535nmエルビウムガラスレーザーを光源とするLIBSハンドヘルド装置は、国内外の機器メーカーから注目を集めています。
2010年に設立されたRealLightは、半導体レーザー、マイクロチップレーザー、狭線幅レーザー、高出力固体レーザー、レーザー検出および応用技術を専門とするハイテク企業です。当社はLIBS応用分野のユーザーをサポートいたします。
以下の2種類のエルビウムガラスレーザーが推奨されます。
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