A espectroscopia de emissão atômica induzida por laser (LIBS) é uma técnica de análise de emissão atômica in situ, rápida e com detecção síncrona de múltiplos elementos, cujo desempenho depende em grande parte da fonte de luz de excitação. Os lasers de nanossegundos tornaram-se o componente principal mais consolidado e popular dos sistemas LIBS devido à sua alta potência de pico, estrutura compacta, seletividade de comprimento de onda e alta taxa de repetição. Suas principais características são as seguintes:

Comprimento de onda: Os comprimentos de onda comuns incluem 1064 nm, 532 nm, 355 nm, etc. Os lasers com comprimento de onda de 1064 nm são amplamente utilizados, mas algumas amostras podem apresentar melhor absorção em comprimentos de onda específicos. Nesse caso, pode ser necessário escolher outros comprimentos de onda, como 532 nm, 355 nm, etc., gerados por cristais de duplicação de frequência.

Energia do pulso: Quanto maior a energia do pulso, mais eficazmente ele vaporiza e ioniza a amostra, gerando sinais de plasma mais fortes. De modo geral, a energia do pulso em aplicações LIBS pode ser selecionada entre dezenas de mJ e centenas de mJ.

Taxa de repetição: A taxa de repetição determina o número de pulsos de laser por unidade de tempo. Uma taxa de repetição mais alta pode melhorar a velocidade de análise, mas também pode causar o superaquecimento da superfície da amostra, afetando os resultados da análise. A faixa comum de taxa de repetição varia de alguns Hz a várias centenas de Hz.

Duração do pulso: Uma duração de pulso mais curta pode gerar maior potência de pico, aumentando assim a interação com a amostra e facilitando a análise LIBS. Geralmente, lasers de nanossegundos com durações de pulso em torno de 3 a 10 ns são os mais utilizados.

Qualidade do feixe: Uma boa qualidade de feixe, como feixes com baixa divergência, permite focar melhor o laser na superfície da amostra, melhorando a utilização de energia e a precisão da análise.

Estabilidade: A estabilidade a longo prazo dos lasers é crucial para aplicações LIBS, pois afeta diretamente a repetibilidade e a confiabilidade dos resultados das análises. Deve-se selecionar um laser com potência e energia de saída estáveis, como alguns lasers projetados com bombeamento por diodo, que apresentam boa estabilidade e maior vida útil.

I. Princípio de funcionamento do LIBS

A técnica LIBS utiliza um laser pulsado de alta energia e focalizado para ablacionar instantaneamente substâncias de tamanho micrométrico na superfície da amostra, formando um plasma com temperatura de até 10⁴ K. Durante o resfriamento do plasma, linhas espectrais características dos elementos são emitidas, as quais são coletadas e analisadas por um espectrômetro de banda larga para análises qualitativas ou quantitativas. A potência de pico dos lasers de nanossegundos (típico Nd:YAG, largura de pulso de 5 a 10 ns, energia de pulso único de 10 a 200 mJ) pode atingir o nível de megawatts, o que é suficiente para excitar de forma estável o plasma em metais, minerais, solos, líquidos e até mesmo amostras biológicas. Essa é a fonte de luz preferida para a industrialização da técnica LIBS.

Em resposta à demanda de integração doméstica de dispositivos LIBS portáteis e de mão, RealLight desenvolveu de forma independente o Laser de estado sólido de alta energia da série PQE, especificamente projetado para LIBS e ablação a laser. Este modelo PQE-1064-0.01-10 atende perfeitamente às especificações principais de uma fonte de luz LIBS: comprimento de onda infravermelho de 1064 nm, taxa de repetição de 10 Hz, energia de pulso único > 10 mJ, largura de pulso < 3 ns. A estreita largura de pulso, combinada com a saída de energia de dez milijoules, permite alcançar uma potência de pico ultra-alta, que pode ionizar eficientemente diversas amostras sólidas, como minério, liga metálica, solo, etc., sem a necessidade de módulos adicionais de amplificação de energia, simplificando consideravelmente a estrutura geral do caminho óptico do LIBS.

II. Configuração do sistema LIBS

Um dispositivo LIBS típico de nanossegundos consiste em quatro partes:

1. Cabeçote laser e fonte de alimentação: Fornece saída de 532/355/266 nm com frequência fundamental de 1064 nm ou duplicação de frequência, com taxa de repetição de 10 a 100 Hz, e pode ser acionado externamente.

A solução portátil doméstica recomendada é o RealLight. laser de estado sólido da série PQEO laser adota um caminho óptico integrado em microchip com cristal de bombeamento semicondutor. O cabeçote do laser mede apenas 83 × 30 × 22,1 mm e é combinado com uma placa de controle de 45 × 39,6 × 110,3 mm. A estrutura dividida facilita a incorporação em sondas portáteis e cases de teste de campo. Todo o equipamento é alimentado por baixa tensão de 12 VCC, com consumo máximo de energia de apenas 20 W, sendo adequado para dispositivos portáteis alimentados por baterias de lítio. A interface de controle possui porta serial RS-232 e E/S multicanal, suportando modos de disparo duplo interno e externo, e pode se integrar perfeitamente com módulos de sincronização de tempo e sistemas de aquisição espectral, reduzindo significativamente a dificuldade de desenvolvimento e integração secundários para fabricantes de equipamentos. O equipamento utiliza resfriamento a ar para dissipação de calor, abandonando as tradicionais unidades de resfriamento a água para lasers de alta energia e eliminando a necessidade de tubulações e equipamentos de refrigeração. A construção do sistema é minimalista e adequada para condições de trabalho externas e em veículos, sem a necessidade de água.

Diagrama dimensional mecânico do laser de estado sólido de alta energia da série PQE

2. Trajetória óptica e focalização: Lentes de quartzo focalizam o feixe de laser na superfície da amostra, com uma densidade de potência focal superior a 1 GW cm ²; lentes de coleta coaxiais ou fora do eixo acoplam a luz do plasma na fibra.

Os ângulos de divergência horizontal e vertical de 1/e² do feixe laser PQE são ambos de 3 mrad, com excelente convergência do feixe e posição precisa do ponto de foco, reduzindo os erros experimentais na aquisição espectral LIBS; a flutuação RMS de energia é inferior a 3% e a consistência da energia do pulso durante a amostragem contínua de longo prazo é alta, garantindo dados estáveis ​​e reproduzíveis de múltiplas inspeções no local.

3. Controle de temporização: O gerador de pulsos digital sincroniza o Q-switch do laser com o gate do espectrômetro para suprimir o ruído de fundo contínuo e melhorar a relação sinal-ruído.

4. Detecção espectral: Um espectrômetro Czerny-Turner multicanal (200-850 nm, resolução de 0,1 nm) é usado em conjunto com um ICCD/CMOS controlado por porta para obter a aquisição de espectro completo em nível de milissegundos.

Todo o sistema pode ser integrado em plataformas portáteis com peso inferior a 5 kg e também pode ser expandido para sondas online, adaptando-se às complexas condições de trabalho em ambientes industriais. Conforme ilustrado na figura abaixo:

A série PQE Possui a capacidade de se adaptar a uma ampla faixa de temperatura, com uma temperatura operacional padrão de 10 a 35 °C e uma tolerância de armazenamento de -20 a 60 °C. Pode suportar temperaturas altas e baixas para uso prolongado em ambientes externos e veículos sem qualquer desvio no caminho óptico, garantindo a detecção estável de LIBS 24 horas por dia, 7 dias por semana.

Laser de estado sólido de alta energia da série PQE

III. As vantagens dos lasers de nanossegundos em LIBS

1. Alta potência de pico, estabilidade do plasma

A combinação de pulsos com largura de nanossegundos e energia em nível de milijoules permite a formação de plasmas de alta temperatura e alta densidade eletrônica em qualquer superfície sólida, com alta relação sinal-ruído e limites de detecção de elementos traço tão baixos quanto ppm. A largura de pulso do RealLight Série PQE O controle é feito em até 3 ns, com uma energia de pulso único superior a 10 mJ, excelente potência de pico e baixa ablação na zona afetada pelo calor. Ele pode excitar de forma estável sinais de plasma fortes e controlar com precisão a faixa de ablação da amostra, atendendo aos requisitos de alta sensibilidade e detecção de microperdas.

2. Saída multi-comprimento de onda, adequada para substratos complexos.

Por meio da duplicação da frequência do cristal, a mesma cabeça de laser pode alternar entre 1064/532/355/266 nm. Comprimentos de onda longos são adequados para metais altamente refletivos, enquanto comprimentos de onda curtos apresentam maior eficiência de ablação para materiais transparentes ou orgânicos, reduzindo significativamente os efeitos do substrato. O modelo padrão de Laser da série PQE É uma fonte de luz infravermelha com frequência fundamental de 1064 nm, adequada para os principais cenários de detecção LIBS, como metalurgia, minerais e solo.

3. Alta taxa de repetição, alta eficiência de análise

A frequência de pulso de 10 a 100 Hz permite varreduras multiponto rápidas e média de sinais, com um tempo de detecção de amostra única inferior a 1 segundo, atendendo aos requisitos de ciclo de detecção de 100% dos testes industriais online. Série PQE Possui uma taxa de repetição de 10Hz, atendendo aos requisitos convencionais de detecção de ponto único e varredura multiponto em LIBS portátil.

4. Estrutura compacta, fácil de instalar no local.

O design moderno com bombeamento por diodo (DPSS) permite que o laser tenha um volume de <2 L e um peso de <2 kg, sem a necessidade de refrigeração a água, e possa operar de forma estável em um ambiente de -10 a 50 °C, fornecendo uma fonte de luz confiável para LIBS portáteis e plataformas de veículos aéreos não tripulados. Laser da série PQE É um representante das soluções miniaturizadas de refrigeração a ar, com um caminho óptico integrado em microchip que reduz significativamente o volume total do equipamento. Não necessita de refrigeração a água, apresenta baixo consumo de energia e é leve, tornando-o ideal para integração em lote com dispositivos portáteis e instrumentos de detecção em campo.

5. Custo moderado e manutenção simples.

A tecnologia de laser de nanossegundos está madura e o preço por unidade é apenas um décimo do laser de femtosegundos; a vida útil da bomba de flash ou LD é superior a 10⁹, sendo necessária apenas a limpeza regular das lentes no local, com baixos custos de manutenção. Laser da série PQE Os principais componentes ópticos são desenvolvidos e produzidos internamente, com uma cadeia de suprimentos estável e vantagens significativas de custo em compras em grande escala. A solução padronizada de cabeçote laser + placa de controle não exige depuração óptica complexa por parte dos fabricantes, reduzindo o ciclo geral de desenvolvimento. Trata-se de uma solução nacional com excelente custo-benefício para substituir lasers Q-switched de alta energia importados.

6. Detecção de microdanos para proteger amostras preciosas.

As cavidades de ablação por pulso único, com diâmetro de 10 a 50 µm e profundidade < 10 µm, praticamente não causam danos a relíquias culturais, tecidos biológicos e componentes eletrônicos, permitindo uma análise "in situ, tal como está". Série PQE Possui baixo efeito térmico de pulso de nanossegundos em até 3 ns, ablação controlável de microáreas e é adequado para análise LIBS não destrutiva de relíquias culturais e componentes de precisão.

7. Boa adaptabilidade em termos de segurança e regulamentação.

O laser de infravermelho próximo de 1064 nm é relativamente seguro para os olhos e pode ser conduzido através de fibra de quartzo comum, facilitando medições remotas em ambientes perigosos ou de alta temperatura, em conformidade com as normas de segurança industrial. Série PQE A emissão padrão de 1064nm atende aos padrões de segurança para uso em instalações industriais.

IV. Casos típicos de aplicação

Metalurgia e Reciclagem: O LIBS portátil de nanossegundos pode concluir a triagem de aço inoxidável 304/316 em 2 segundos, aumentando a capacidade de processamento anual em 30% e reduzindo a taxa de erros de classificação para <2%.

Detecção online de carvão: Integrando lasers de nanossegundos acima da correia transportadora, com erros de previsão de teor de cinzas e enxofre inferiores a 0,5%, ajudando as usinas termelétricas a economizar mais de 10 milhões de yuans em custos de combustível anualmente.

Análise de metais pesados ​​no solo: O sistema LIBS de nanossegundos montado em veículo pode detectar mais de 500 pontos por dia, fornecendo dados em tempo real para a remediação de áreas contaminadas.

• Análise de pigmentos em relíquias culturais: um laser de nanossegundos de 266 nm foi utilizado para analisar microdanos em murais, identificando com sucesso os pigmentos de lápis-lazúli e malaquita usados ​​na Dinastia Tang e orientando a seleção de materiais de restauração.

V. Resumo

Os lasers de nanossegundos, com sua alta potência de pico, opções de múltiplos comprimentos de onda, alta taxa de repetição, estrutura compacta e vantagens de custo, tornaram-se a principal força motriz para a industrialização, implementação em campo e portabilidade da tecnologia LIBS. RealLight‘s Laser de estado sólido de alta energia da série PQEComo uma fonte de luz pulsada de alta energia em miniatura, produzida internamente, utiliza um caminho óptico de comutação Q passiva integrado em microchip, desenvolvido internamente, para atingir uma saída de pulso superior a 10 mJ em um corpo muito pequeno. Possui cinco características: largura de pulso estreita, resfriamento a ar e sem água, baixo consumo de energia, fácil integração OEM e alta relação custo-benefício. É a fonte de luz preferida, produzida internamente, por institutos de pesquisa, fabricantes de instrumentos analíticos e empresas de testes ambientais para o desenvolvimento de analisadores LIBS portáteis, equipamentos de detecção a laser de campo e instrumentos de teste óptico. Com a integração de novas tecnologias, como pulso duplo, LIBS de imagem e algoritmos de inteligência artificial, os lasers de nanossegundos continuarão a desempenhar um papel insubstituível em metalurgia, energia, meio ambiente, patrimônio cultural, exploração espacial profunda e outras áreas, fornecendo garantias de fonte de luz estável e confiável para análises rápidas, in situ e multielementares.

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