LIBS에서 나노초 레이저의 응용, RealLight

LIBS에서 나노초 레이저의 응용

2026년 6월 26일

레이저 유도 파괴 분광법(LIBS)은 현장에서 신속하게 여러 원소를 동시에 검출하는 원자 방출 분석 기술이며, 그 성능은 여기 광원에 크게 좌우됩니다. 나노초 레이저는 높은 피크 출력, 소형 구조, 파장 선택성 및 높은 반복률 덕분에 LIBS 시스템의 가장 성숙하고 널리 사용되는 핵심 구성 요소가 되었습니다. 나노초 레이저의 핵심 특징은 다음과 같습니다.

파장: 일반적인 파장으로는 1064nm, 532nm, 355nm 등이 있습니다. 1064nm 파장의 레이저가 널리 사용되지만, 일부 시료는 특정 파장의 레이저를 더 잘 흡수할 수 있습니다. 이 경우, 주파수 배가 결정으로 생성된 532nm, 355nm 등의 다른 파장을 선택해야 할 수도 있습니다.

펄스 에너지: 펄스 에너지가 높을수록 시료를 더욱 효과적으로 기화시키고 이온화하여 더 강한 플라즈마 신호를 생성할 수 있습니다. 일반적으로 LIBS 응용 분야에서 펄스 에너지는 수십 mJ에서 수백 mJ 사이에서 선택할 수 있습니다.

반복률: 반복률은 단위 시간당 레이저 펄스 수를 결정합니다. 반복률이 높을수록 분석 속도가 향상되지만, 시료 표면이 과열되어 분석 결과에 영향을 미칠 수 있습니다. 일반적인 반복률 범위는 수 Hz에서 수백 Hz까지입니다.

펄스 지속 시간: 펄스 지속 시간이 짧을수록 피크 출력이 높아져 시료와의 상호작용이 향상되고 LIBS 분석이 용이해집니다. 일반적으로 3~10ns 정도의 펄스 지속 시간을 갖는 나노초 레이저가 선택됩니다.

빔 품질: 발산각이 낮은 빔과 같은 우수한 빔 품질은 레이저를 시료 표면에 더 잘 집속시켜 에너지 활용도와 분석 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

안정성: 레이저의 장기적인 안정성은 LIBS 응용 분야에서 매우 중요하며, 분석 결과의 반복성과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 출력과 에너지가 안정적인 레이저를 선택해야 하며, 다이오드 펌핑 방식으로 설계된 레이저와 같이 안정성이 우수하고 수명이 긴 레이저가 적합합니다.

Ⅰ. LIBS의 작동 원리

LIBS는 집속된 고에너지 펄스 레이저를 사용하여 시료 표면의 마이크로미터 크기 물질을 순간적으로 제거하여 최대 10⁴K의 온도로 플라즈마를 생성합니다. 플라즈마가 냉각되는 동안 원소의 특징적인 스펙트럼선이 방출되며, 이를 광대역 분광기로 수집하여 정성 또는 정량 분석을 수행합니다. 나노초 레이저(일반적으로 Nd:YAG, 펄스 폭 5-10ns, 단일 펄스 에너지 10-200mJ)의 최대 출력은 메가와트 수준에 달할 수 있어 금속, 광물, 토양, 액체, 심지어 생물학적 시료에서도 안정적으로 플라즈마를 생성하기에 충분합니다. 따라서 LIBS 산업화에 가장 적합한 광원입니다.

휴대용 및 이동식 LIBS 장비에 대한 국내 통합 수요에 대응하여, 리얼라이트 독자적으로 개발했습니다. PQE 시리즈 고에너지 고체 레이저이 제품은 LIBS 및 레이저 어블레이션에 특화된 설계로, PQE-1064-0.01-10 모델은 LIBS 광원의 핵심 사양인 1064nm 적외선 파장, 10Hz 반복률, 10mJ 이상의 단일 펄스 에너지, 3ns 미만의 펄스 폭을 완벽하게 충족합니다. 좁은 펄스 폭과 10mJ의 에너지 출력을 결합하여 초고출력 피크 파워를 구현함으로써 광석, 합금, 토양 등 다양한 고체 시료를 추가 에너지 증폭 모듈 없이 효율적으로 이온화할 수 있어 LIBS의 전체 광 경로 구조를 크게 단순화합니다.

Ⅱ. LIBS 시스템 구성

일반적인 나노초 LIBS 장치는 네 부분으로 구성됩니다.

1. 레이저 헤드 및 전원 공급 장치: 1064nm 기본 주파수 또는 주파수 배가에서 532/355/266nm 출력을 제공하며, 반복률은 10~100Hz이고 외부에서 트리거할 수 있습니다.

추천하는 가정용 휴대용 조명은 RealLight입니다. PQE 시리즈 고체 레이저반도체 펌프 결정이 통합된 마이크로칩 광 경로를 채택한 이 레이저 헤드는 크기가 83 × 30 × 22.1mm에 불과하며, 제어 보드는 45 × 39.6 × 110.3mm입니다. 분리형 구조로 휴대용 프로브 및 현장 테스트 케이스에 쉽게 내장할 수 있습니다. 전체 장비는 12VDC 저전압으로 구동되며 최대 전력 소비량은 20W에 불과하여 리튬 배터리로 작동하는 휴대용 장치에 적합합니다. 제어 인터페이스는 RS-232 직렬 포트와 다중 채널 I/O를 갖추고 있으며, 내부 및 외부 이중 트리거 모드를 지원하여 타이밍 동기화 모듈 및 스펙트럼 획득 시스템과 원활하게 연동되므로 장비 제조업체의 2차 개발 및 통합 난이도를 크게 줄여줍니다. 이 장비는 기존의 고에너지 레이저 수냉식 장치를 사용하지 않고 순수 공랭식으로 열을 방출하여 배관 및 냉각 장비가 필요 없습니다. 시스템 구조가 최소화되어 실외 및 차량 탑재와 같은 물 없는 작업 환경에 적합합니다.

PQE 시리즈 고에너지 고체 레이저의 기계 치수 도면

PQE 시리즈 고에너지 고체 레이저의 기계적 치수 도면

2. 광경로 및 초점: 석영 렌즈는 레이저 빔을 시료 표면에 집속하며, 초점 전력 밀도는 1 GW cm² 이상입니다. 동축 또는 비축 집광 렌즈는 플라즈마 광을 광섬유로 결합합니다.

PQE 레이저 빔의 수평 및 수직 1/e² 전체 각도 발산각은 모두 3mrad로, 뛰어난 빔 수렴성과 정밀한 초점 위치를 통해 LIBS 스펙트럼 획득 시 실험 오차를 줄입니다. 에너지의 RMS 변동은 3% 미만이며, 장시간 연속 샘플링 동안 펄스 에너지의 일관성이 높아 여러 차례 현장 검사에서 안정적이고 재현 가능한 데이터를 확보할 수 있습니다.

3. 타이밍 제어: 디지털 펄스 발생기는 레이저 Q-스위치를 분광기 게이트와 동기화하여 연속적인 배경 노이즈를 억제하고 신호 대 잡음비를 향상시킵니다.

4. 스펙트럼 검출: 다중 채널 체르니-터너 분광기(200-850 nm, 해상도 0.1 nm)를 게이트 제어 방식의 ICCD/CMOS와 함께 사용하여 밀리초 수준의 전체 스펙트럼 획득을 구현합니다.

전체 시스템은 5kg 미만의 휴대용 플랫폼에 통합될 수 있으며, 산업 현장의 복잡한 작업 환경에 맞춰 온라인 프로브로 확장할 수도 있습니다. 아래 그림을 참조하십시오.

PQE 시리즈 이 제품은 10~35℃의 표준 작동 온도와 -20~60℃의 보관 허용 온도를 갖추어 넓은 온도 범위에 적응할 수 있습니다. 고온 및 저온 환경에서도 장기간 실외 및 차량 내에서 사용 가능하며, 광경로에 어떠한 변화도 없어 LIBS 검출을 24시간 내내 안정적으로 수행할 수 있습니다.

PQE 시리즈 고에너지 고체 레이저

Ⅲ. LIBS에서 나노초 레이저의 장점

1. 높은 최대 출력, 플라즈마 안정성

나노초 펄스 폭과 밀리줄 수준의 에너지 조합을 통해 모든 고체 표면에서 고온, 고전자 밀도의 플라즈마를 형성할 수 있으며, 높은 신호 대 잡음비와 ppm 수준의 미량 원소 검출 한계를 달성할 수 있습니다. RealLight의 펄스 폭은 다음과 같습니다. PQE 시리즈 3ns 이내의 정밀도로 제어되며, 단일 펄스 에너지는 10mJ 이상으로 탁월한 피크 출력과 낮은 열영향부 어블레이션을 제공합니다. 강력한 플라즈마 신호를 안정적으로 여기시키고 시료 어블레이션 범위를 정밀하게 제어하여 높은 감도와 미세 손실 검출 요구 사항을 충족합니다.

2. 다중 파장 출력, 복잡한 기판에 적합

결정 주파수 배가 기술을 통해 동일한 레이저 헤드로 1064/532/355/266 nm 파장을 전환할 수 있습니다. 장파장은 반사율이 높은 금속에 적합하고, 단파장은 투명하거나 유기 재료에 대한 어블레이션 효율이 높아 기판 효과를 크게 줄여줍니다. 표준 모델은 다음과 같습니다. PQE 시리즈 레이저 1064nm 기본 주파수의 적외선 광원으로, 야금, 광물, 토양 등 주류 LIBS 검출 시나리오에 적합합니다.

3. 높은 반복률, 높은 분석 효율

10~100Hz의 펄스 주파수는 빠른 다중 지점 스캔 및 신호 평균화를 지원하며, 단일 샘플 검출 시간이 1초 미만으로 산업용 온라인 테스트의 100% 검출 주기 요구 사항을 충족합니다. PQE 시리즈 이 장비는 10Hz의 반복률을 가지며, 휴대용 LIBS 단일 지점 검출 및 다중 지점 스캐닝에 필요한 일반적인 요구 사항을 충족합니다.

4. 컴팩트한 구조로 현장 설치가 용이합니다.

최신 다이오드 펌프(DPSS) 설계 덕분에 이 레이저는 부피가 2리터 미만, 무게가 2kg 미만이며, 수냉식 냉각이 필요 없고 -10~50°C의 환경에서 안정적으로 작동할 수 있어 휴대용 LIBS 및 무인 항공기 플랫폼에 신뢰할 수 있는 광원을 제공합니다. PQE 시리즈 레이저 본 제품은 소형 공랭식 솔루션의 대표적인 제품으로, 마이크로칩 광 경로가 통합되어 기기 전체 부피를 크게 줄였습니다. 수냉식 연결이 필요 없고, 전력 소비가 적으며, 무게가 가벼워 휴대용 기기 및 현장 온라인 검출 장비와의 일괄 통합에 적합합니다.

5. 적당한 가격과 간단한 유지보수

나노초 레이저 기술은 성숙 단계에 접어들었으며, 단위당 가격은 펨토초 레이저의 10분의 1에 불과합니다. 플래시 또는 LD 펌프의 수명은 10⁹년 이상이며, 현장에서는 정기적인 렌즈 청소만 필요하므로 유지 보수 비용이 저렴합니다. PQE 시리즈 레이저 핵심 광학 부품은 자체 개발 및 생산되어 안정적인 공급망을 확보하고 대량 구매 시 상당한 비용 절감 효과를 제공합니다. 표준화된 레이저 헤드와 제어 보드 분리형 솔루션은 제조업체의 복잡한 광학 디버깅 작업을 없애 전체 개발 주기를 단축합니다. 이는 수입 마이크로 고에너지 Q-스위치 레이저를 대체할 수 있는 비용 효율적인 국내 솔루션입니다.

6. 미세 손상 감지를 통해 귀중한 샘플을 보호합니다.

직경 10~50µm, 깊이 10µm 미만의 단일 펄스 절개 구멍은 문화재, 생체 조직 및 전자 부품에 거의 손상을 주지 않아 '현장 그대로' 분석이 가능합니다. PQE 시리즈 3나노초 이내의 낮은 나노초 펄스 열 효과를 가지며, 제어 가능한 미세 영역 어블레이션이 가능하고, 문화재 및 정밀 부품의 비파괴 LIBS 분석에 적합합니다.

7. 우수한 안전성 및 규제 적응성

1064nm 근적외선 레이저는 눈에 비교적 안전하며 일반 석영 광섬유를 통해 전송할 수 있어 위험하거나 고온 환경에서도 산업 안전 규정을 준수하며 원격 측정이 용이합니다. PQE 시리즈 표준 1064nm 출력은 산업 현장의 안전 사용 기준을 충족합니다.

Ⅳ. 일반적인 적용 사례

야금 및 재활용: 휴대용 나노초 LIBS는 304/316 스테인리스강 등급 분류를 2초 이내에 완료할 수 있어 연간 처리 용량을 30% 증가시키고 오판결률을 2% 미만으로 낮출 수 있습니다.

온라인 석탄 감지: 벨트 위에 나노초 레이저를 통합하여 회분 및 황 함량 예측 오차를 0.5% 미만으로 줄임으로써 발전소의 연간 연료비 1천만 위안 이상 절감을 지원합니다.

토양 중금속 스크리닝: 차량 탑재형 나노초 LIBS 시스템은 하루 500개 이상의 지점을 검출할 수 있어 오염 부지 정화에 필요한 실시간 데이터를 제공합니다.

• 문화재 안료 분석: 266nm 나노초 레이저를 사용하여 벽화의 미세 손상 부위를 분석한 결과, 당나라 시대에 사용된 청금석과 공작석 안료를 성공적으로 식별하고 복원 재료 선택에 도움을 주었다.

Ⅴ、 요약

높은 피크 출력, 다양한 파장 옵션, 높은 반복률, 소형 구조 및 비용 효율성 등의 장점을 지닌 나노초 레이저는 LIBS 기술의 산업화, 현장 적용 및 휴대성을 위한 핵심 원동력이 되었습니다. 리얼라이트‘s PQE 시리즈 고에너지 고체 레이저본 제품은 국산 소형 고에너지 펄스 광원으로, 자체 개발한 집적 마이크로칩 수동 Q 스위칭 광 경로를 통해 매우 작은 크기에도 불구하고 10mJ 이상의 펄스 출력을 구현합니다. 좁은 펄스 폭, 공랭식(무수), 저전력 소비, 손쉬운 OEM 통합, 높은 가성비 등 5가지 특징을 갖추고 있습니다. 연구기관, 분석기기 제조업체, 환경시험 기업에서 휴대용 LIBS 분석기, 현장 레이저 검출 장비, 광학 시험 장비 개발에 선호하는 국산 광원입니다. 이중 펄스, 이미징 LIBS, 인공지능 알고리즘 등의 신기술이 접목됨에 따라 나노초 레이저는 야금, 전력, 환경, 문화재, 심우주 탐사 등 다양한 분야에서 대체 불가능한 역할을 수행하며, 신속하고 현장 분석이 가능한 다원소 분석을 위한 안정적이고 신뢰할 수 있는 광원을 제공할 것입니다.