Лазерно-индуцированная спектроскопия пробоя (ЛИСБ) — это быстрый, многоэлементный метод синхронного детектирования атомной эмиссии, проводимый непосредственно в процессе работы, и его эффективность во многом зависит от источника возбуждающего света. Наносекундные лазеры стали наиболее зрелым и популярным основным компонентом систем ЛИСБ благодаря высокой пиковой мощности, компактной структуре, селективности по длине волны и высокой частоте повторения импульсов. Их основные характеристики следующие.

Длина волны: К распространенным длинам волн относятся 1064 нм, 532 нм, 355 нм и т. д. Лазеры с длиной волны 1064 нм широко используются, но некоторые образцы могут иметь лучшее поглощение определенных длин волн лазера. В этом случае может потребоваться выбор других длин волн, таких как 532 нм, 355 нм и т. д., генерируемых кристаллами удвоения частоты.

Энергия импульса: Чем выше энергия импульса, тем эффективнее происходит испарение и ионизация образца, что приводит к генерации более сильных плазменных сигналов. В целом, в приложениях LIBS энергию импульса можно выбирать в диапазоне от десятков мДж до сотен мДж.

Частота повторения: Частота повторения определяет количество лазерных импульсов в единицу времени. Более высокая частота повторения может повысить скорость анализа, но также может привести к перегреву поверхности образца, что повлияет на результаты анализа. Обычно частота повторения находится в диапазоне от нескольких герц до нескольких сотен герц.

Длительность импульса: Более короткая длительность импульса позволяет генерировать более высокую пиковую мощность, тем самым усиливая взаимодействие с образцом и облегчая анализ методом LIBS. Как правило, выбираются наносекундные лазеры с длительностью импульса около 3-10 нс.

Качество лазерного луча: Хорошее качество луча, например, низкая расходимость, позволяет лучше сфокусировать лазер на поверхности образца, повысить эффективность использования энергии и точность анализа.

Стабильность: Долговременная стабильность лазеров имеет решающее значение для применения в LIBS, поскольку она напрямую влияет на повторяемость и надежность результатов анализа. Следует выбирать лазер со стабильной выходной мощностью и энергией, например, лазеры с диодной накачкой, которые обладают хорошей стабильностью и более длительным сроком службы.

I. Принцип работы LIBS

В LIBS используется сфокусированный высокоэнергетический импульсный лазер для мгновенной абляции веществ микрометрового размера на поверхности образца, образуя плазму с температурой до 10⁴ К; во время охлаждения плазмы испускаются характерные спектральные линии элементов, которые собираются и анализируются широкополосным спектрометром для качественного или количественного анализа. Пиковая мощность наносекундных лазеров (типичный Nd:YAG, длительность импульса 5-10 нс, энергия одиночного импульса 10-200 мДж) может достигать мегаваттного уровня, чего достаточно для стабильного возбуждения плазмы на металлах, минералах, почвах, жидкостях и даже биологических образцах. Это предпочтительный источник света для промышленного применения LIBS.

В ответ на внутренний спрос на портативные и ручные LIBS-устройства, Реальный свет разработал самостоятельно Высокоэнергетический твердотельный лазер серии PQEЭтот прибор, специально разработанный для LIBS и лазерной абляции, идеально соответствует основным характеристикам источника света LIBS: длина волны инфракрасного излучения 1064 нм, частота повторения 10 Гц, энергия одиночного импульса > 10 мДж, ширина импульса < 3 нс. Узкая ширина импульса в сочетании с выходной энергией в десять миллиджоулей позволяет достичь сверхвысокой пиковой мощности, что эффективно ионизирует различные твердые образцы, такие как руда, сплавы, почва и т. д., без необходимости использования дополнительных модулей усиления энергии, что значительно упрощает общую структуру оптического тракта LIBS.

II. Конфигурация системы LIBS.

Типичное устройство для наносекундной LIBS-спектроскопии состоит из четырех частей:

1. Лазерная головка и источник питания: Обеспечивает выходной сигнал 532/355/266 нм при основной частоте 1064 нм или удвоении частоты, с частотой повторения 10-100 Гц и может запускаться извне.

Рекомендуемое портативное решение для домашнего использования — это RealLight. Твердотельный лазер серии PQEВ конструкции используется полупроводниковый кристалл накачки, интегрированный в микрочип, в качестве оптического тракта. Размеры лазерной головки составляют всего 83 × 30 × 22,1 мм, а плата управления — 45 × 39,6 × 110,3 мм. Раздельная конструкция позволяет легко встраивать устройство в ручные зонды и полевые испытательные стенды; питание всего устройства осуществляется от низковольтного источника постоянного тока 12 В, максимальное энергопотребление составляет всего 20 Вт, что подходит для портативных устройств, работающих от литиевых батарей; интерфейс управления оснащен последовательным портом RS-232 и многоканальным вводом/выводом, поддерживающим два режима запуска — внутренний и внешний, и может беспрепятственно взаимодействовать с модулями синхронизации времени и системами спектрального анализа, что значительно упрощает вторичную разработку и интеграцию для производителей оборудования. Для отвода тепла используется исключительно воздушное охлаждение, что исключает необходимость в водопроводных трубах и холодильном оборудовании, характерных для традиционных высокоэнергетических лазеров. Конструкция системы минималистична и подходит для работы на открытом воздухе и в транспортных средствах в условиях, исключающих попадание воды.

Схема механических размеров твердотельного лазера высокой энергии серии PQE

2. Оптический путь и фокусировка: Кварцевые линзы фокусируют лазерный луч на поверхность образца, обеспечивая плотность мощности в фокусе более 1 ГВт·см²; коаксиальные или внеосевые собирающие линзы вводят плазменный свет в волокно.

Горизонтальный и вертикальный углы расходимости лазерного луча PQE, равные 1/e², составляют 3 мрад, что обеспечивает превосходную сходимость луча и точное положение точки фокусировки, уменьшая экспериментальные ошибки при получении спектров методом LIBS; среднеквадратичное отклонение энергии составляет менее 3%, а стабильность энергии импульса при длительном непрерывном отборе проб высока, что гарантирует стабильные и воспроизводимые данные при многократных проверках на месте.

3. Синхронизация: Цифровой генератор импульсов синхронизирует добротность лазерного модулятора со затвором спектрометра для подавления непрерывного фонового излучения и улучшения отношения сигнал/шум.

4. Спектральное детектирование: Многоканальный спектрометр Черни-Тернера (200-850 нм, разрешение 0,1 нм) используется совместно с управляемой затвором ICCD/CMOS-матрицей для достижения полноспектрального сбора данных на уровне миллисекунд.

Вся система может быть интегрирована в портативные платформы весом менее 5 кг, а также может быть расширена за счет онлайн-зондов для адаптации к сложным условиям работы на промышленных объектах. Как показано на рисунке ниже:

Серия PQE Обладает способностью адаптироваться к широкому диапазону температур, со стандартной рабочей температурой 10-35 ℃ и допустимой температурой хранения от -20 до 60 ℃. Выдерживает высокие и низкие температуры при длительном использовании на открытом воздухе и в транспортных средствах без каких-либо отклонений в оптическом пути, обеспечивая стабильное обнаружение LIBS 24/7.

Высокоэнергетический твердотельный лазер серии PQE

III. Преимущества наносекундных лазеров в LIBS.

1. Высокая пиковая мощность, стабильность плазмы.

Сочетание наносекундной длительности импульса и энергии на уровне миллиджоулей позволяет формировать высокотемпературную плазму с высокой плотностью электронов на любой твердой поверхности, обеспечивая высокое отношение сигнал/шум и пределы обнаружения следовых элементов на уровне частей на миллион (ppm). Длительность импульса RealLight серия PQE Контролируемая длительность импульса составляет 3 нс, энергия одиночного импульса — >10 мДж, пиковая мощность — выдающаяся, а зона абляции — низкая. Она способна стабильно возбуждать сильные плазменные сигналы и точно контролировать диапазон абляции образца, отвечая требованиям высокой чувствительности и обнаружения микропотерь.

2. Многоволновое излучение, подходящее для сложных подложек.

Благодаря удвоению частоты кристалла, одна и та же лазерная головка может переключаться между длинами волн 1064/532/355/266 нм. Длинные волны подходят для металлов с высокой отражательной способностью, в то время как короткие волны обладают более высокой эффективностью абляции для прозрачных или органических материалов, значительно уменьшая влияние подложки. Стандартная модель лазер серии PQE Это источник инфракрасного света с основной частотой 1064 нм, подходящий для распространенных сценариев обнаружения методом LIBS, таких как металлургия, минералогия и почвоведение.

3. Высокая частота повторения, высокая эффективность анализа.

Частота импульсов 10-100 Гц обеспечивает быстрое многоточечное сканирование и усреднение сигнала, при этом время обнаружения одного образца составляет менее 1 секунды, что соответствует требованиям к 100% циклу обнаружения в промышленном онлайн-тестировании. серия PQE Имеет частоту повторения 10 Гц, что соответствует стандартным требованиям портативных LIBS-устройств для обнаружения одной точки и многоточечного сканирования.

4. Компактная конструкция, легко устанавливается на месте.

Современная конструкция с диодной накачкой (DPSS) позволяет лазеру иметь объем <2 л и вес <2 кг без необходимости водяного охлаждения и стабильно работать в диапазоне температур от -10 до 50 °C, обеспечивая надежный источник света для портативных LIBS-лазерных систем и беспилотных летательных аппаратов. лазер серии PQE Это представитель миниатюрных решений с воздушным охлаждением, имеющий интегрированный микрочиповый оптический тракт, что значительно уменьшает общий объем устройства. Отсутствие необходимости в водяном охлаждении, низкое энергопотребление и малый вес делают его идеальным для пакетной интеграции с портативными ручными устройствами и полевыми приборами для оперативного обнаружения.

5. Умеренная стоимость и простота в обслуживании.

Технология наносекундных лазеров достаточно развита, а цена за единицу составляет лишь одну десятую от цены фемтосекундных лазеров; срок службы импульсной или лазерно-диодной накачки >10⁹, требуется лишь регулярная очистка линз на месте, а затраты на техническое обслуживание низкие. лазер серии PQE Основные оптические компоненты разрабатываются и производятся собственными силами, что обеспечивает стабильную цепочку поставок и значительные преимущества в стоимости при оптовых закупках. Стандартизированное решение, включающее лазерную головку и плату управления, не требует сложной оптической отладки со стороны производителей, что сокращает общий цикл разработки. Это экономически эффективное отечественное решение для замены импортных микро-лазер с высокой энергией и модуляцией добротности.

6. Обнаружение микроповреждений для защиты ценных образцов.

Абляционные ямки, созданные с помощью одного импульса, диаметром 10-50 мкм и глубиной <10 мкм, практически не повреждают культурные реликвии, биологические ткани и электронные компоненты, обеспечивая анализ «на месте, как есть». серия PQE Обладает низким наносекундным импульсным тепловым эффектом в пределах 3 нс, обеспечивает контролируемую абляцию микроплощадей и подходит для неразрушающего LIBS-анализа культурных реликвий и прецизионных компонентов.

7. Высокий уровень безопасности и адаптивность к нормативным требованиям.

Ближнеинфракрасный лазер с длиной волны 1064 нм относительно безопасен для глаз и может передаваться через обычное кварцевое волокно, что позволяет легко проводить дистанционные измерения в опасных или высокотемпературных средах в соответствии с правилами промышленной безопасности. серия PQE Стандартный выходной сигнал с длиной волны 1064 нм соответствует стандартам безопасности для использования на промышленных объектах.

IV. Типичные примеры применения

Металлургия и переработка: портативный наносекундный LIBS-детектор позволяет сортировать нержавеющую сталь марок 304/316 за 2 секунды, увеличивая годовую производительность на 30% и процент ошибок <2%.

Онлайн-обнаружение угля: интеграция наносекундных лазеров над конвейерной лентой позволяет прогнозировать содержание золы и серы с погрешностью менее 0,5%, что помогает электростанциям экономить более 10 миллионов юаней на топливных расходах ежегодно.

Анализ почвы на тяжелые металлы: установленная на транспортном средстве наносекундная LIBS-система может обнаруживать >500 точек в день, предоставляя данные в режиме реального времени для рекультивации загрязненных участков.

• Анализ пигментов культурных реликвий: для анализа микроповреждений на фресках использовался наносекундный лазер с длиной волны 266 нм, что позволило успешно идентифицировать пигменты лазурита и малахита, использовавшиеся в эпоху династии Тан, и определить наиболее подходящие материалы для реставрации.

V. Краткое содержание

Наносекундные лазеры, благодаря высокой пиковой мощности, множеству вариантов длин волн, высокой частоте повторения импульсов, компактной конструкции и экономической эффективности, стали основной движущей силой индустриализации, внедрения на местах и ​​портативности технологии LIBS. Реальный свет‘s Высокоэнергетический твердотельный лазер серии PQEЭтот миниатюрный высокоэнергетический импульсный источник света отечественного производства использует разработанную нами интегрированную микрочиповую оптическую схему с пассивным переключением добротности для достижения выходной энергии импульса >10 мДж в очень компактном корпусе. Он обладает пятью характеристиками: узкая ширина импульса, воздушное охлаждение и отсутствие воды, низкое энергопотребление, простота интеграции в OEM-системы и высокая экономическая эффективность. Он является предпочтительным источником света отечественного производства для научно-исследовательских институтов, производителей аналитических приборов и предприятий, занимающихся экологическим тестированием, при разработке портативных LIBS-анализаторов, полевого лазерного оборудования и оптических измерительных приборов. Благодаря интеграции новых технологий, таких как двухимпульсный лазер, визуализационный LIBS и алгоритмы искусственного интеллекта, наносекундные лазеры будут продолжать играть незаменимую роль в металлургии, энергетике, охране окружающей среды, изучении культурных ценностей, исследовании дальнего космоса и других областях, обеспечивая стабильный и надежный источник света для быстрого, локального и многоэлементного анализа.

Предупреждение: Часть информации в этой статье взята из интернета и предназначена для технических исследований и обсуждения. Она предназначена только для ознакомления и обучения. Просим сообщать о любых неточностях. По вопросам авторских прав обращайтесь к нам для проверки и удаления информации.