최근 레이저 유도 파괴 분광법(LIBS) 기술은 산업 현장, 특히 알루미늄 합금 검출 및 스포듀민 광석 검출 분야에서 주목받고 있습니다. 휴대용 LIBS 장비 분야의 주류는 여전히 해외 제품입니다. 리튬 배터리 시대가 도래함에 따라, 국내 계측기 제조업체들이 새로운 수요에 발맞춰 휴대용 LIBS 분야에서 획기적인 발전을 이룰 수 있을지 업계의 관심이 집중되고 있습니다.

휴대용 LIBS 장비에 사용되는 고체 레이저 기술은 LIBS 기술의 병목 현상으로 항상 작용해 왔습니다. 현재 LIBS 검사에 주로 사용되는 레이저는 플래시램프 펌핑 고체 레이저(실험실용), 다이오드 스택 펌핑 고체 레이저(휴대용 장비용), 그리고 다이오드 펌핑 협대역 펄스 폭 마이크로칩 레이저(상대적으로 낮은 에너지)입니다. 특히 다이오드 스택 펌핑 레이저는 높은 전력 소모, 좁은 작동 온도 범위, 그리고 전력 안정성 제어의 어려움 때문에 산업 현장에서 오랫동안 문제점으로 지적되어 왔습니다.

최근 에르븀 유리 1535nm 레이저는 특수한 성능으로 인해 군사 분야 등 극한 환경에서 널리 사용되고 있습니다. 동시에 LIBS 휴대용 기기 제조업체와 업계 종사자들의 관심도 크게 받고 있습니다. 본 연구에서는 LIBS 분야에서 1535nm 에르븀 유리 레이저의 응용 성능을 검증하기 위해 다음과 같은 응용 검증 실험을 수행했습니다.

1. 레이저 여기 성능 검증

펄스 폭 7ns, 에너지 1mJ, 반복률 10Hz인 1535nm 레이저를 예로 들면, 레이저의 최대 출력은 143.8kW입니다. 적절한 집속 시스템을 선택하면 스폿 크기가 100μm로 집속되고, 최대 출력 밀도는 1.82GW/cm²가 되어 LIBS 여기 조건을 충족합니다.

       일반적인 빔 품질 TEM₀₀   

7ns 펄스 폭

2. 1064nm 레이저와 1535nm 레이저의 여기 효과 비교

본 실험에서는 황동 시료에 레이저를 조사하기 위해 네 가지 종류의 레이저를 선택하였고, 각 레이저에 따른 LIBS 스펙트럼 데이터의 차이를 비교 분석하였다.

테스트 시스템

본 실험에는 1064nm 레이저 2개와 1535nm 레이저 2개가 사용되었습니다. 네 가지 레이저의 주요 매개변수는 다음과 같습니다.  

1-1064nm-10Hz-10mj-10ns  파란색

2-1064nm-1kHz-120μJ-750ps 녹색

3-1535nm-1kHz-40μJ-5ns  빨간색

4-1535nm-200Hz-70μJ-5ns 검정색

여기 스펙트럼은 다음과 같이 비교됩니다.

스펙트라

실험 결과 도표에서 볼 수 있듯이, 1064nm 레이저와 1535nm 레이저는 높은 반복률과 낮은 반복률로 LIBS를 여기시켰을 때 기본적으로 스펙트럼 데이터가 일치합니다. 1535nm 레이저와 1064nm 레이저의 여기 효과에는 차이가 없습니다.

3. 1535nm 레이저의 경금속 광석에 대한 여기 효과 테스트

경금속 분야에서 1535nm 파장의 적용 가능성을 검증하기 위해 1535nm, 1mJ 출력의 레이저를 5Hz 반복률로 스포듀멘 시료에 조사하였다. 측정된 스펙트럼은 다음과 같다.

RealLight의 1535nm 1mJ 레이저를 사용한 스포듀멘 샘플의 테스트 스펙트럼

실험 데이터에서 알 수 있듯이 1535nm 레이저는 BE 원소의 특성 스펙트럼선을 효과적으로 여기시킬 수 있습니다. 1535nm 레이저를 사용하면 광석 성분을 검출할 수 있습니다.

에르븀 유리 레이저는 그 원리와 구조를 바탕으로 휴대용 LIBS 장비에 폭넓게 응용될 가능성이 있다.

첫째, 에르븀 유리의 흡수 스펙트럼이 910nm에서 950nm 사이의 파장 범위에서 비교적 평탄한 흡수 계수를 가지므로, 이 레이저는 온도 제어 없이도 넓은 온도 범위(-40~65℃)에서 작동할 수 있으며 높은 출력 안정성을 갖습니다.

에너지 안정성 < 1% (측정값 0.61%)

둘째로, 레이저는 반도체 패키징 기술을 사용하여 제작할 수 있으며, 질소 밀봉으로 -40℃의 저온에서도 결로 현상이 발생하지 않습니다. 따라서 레이저의 부피와 무게가 매우 작습니다. 일반적인 1mJ 레이저의 경우, 레이저 헤드의 무게는 20g을 넘지 않습니다. 또한, 레이저에는 광검출기(PD)를 장착하여 빛을 감지하고 데이터 수집 장치를 작동시킬 수 있습니다.

RealLight의 1535nm 레이저

또한, 이 레이저는 TEC 온도 제어가 필요 없으므로 시스템 전체의 전력 소비량이 매우 낮습니다. 회로 크기는 20x40mm 이내로 제작 가능하여 현장에서 장기간 사용하기에 적합합니다.

위와 같은 특징과 1535nm 레이저가 눈에 안전한 스펙트럼 영역에서 빛을 방출한다는 사실이 결합되어 기기 사용 시 레이저 안전 위험을 크게 줄여줍니다. 1535nm 에르븀 유리 레이저를 광원으로 사용하는 휴대용 LIBS 장비는 국내외 장비 제조업체들의 주목을 받고 있습니다.

2010년에 설립된 RealLight는 반도체 레이저, 마이크로칩 레이저, 좁은 선폭 레이저, 고출력 고체 레이저, 레이저 검출 및 응용 기술을 전문으로 하는 하이테크 기업입니다. 당사는 LIBS 응용 분야 사용자에게 필요한 지원을 제공합니다.

다음 두 가지 에르븀 유리 레이저를 추천합니다.