В последние годы технология лазерно-индуцированной спектроскопии пробоя (LIBS) привлекает все больше внимания в промышленной сфере, особенно в области обнаружения алюминиевых сплавов и сподуменовой руды. Основные портативные LIBS-устройства по-прежнему являются зарубежной продукцией. В преддверии эры литиевых батарей, смогут ли отечественные производители приборов совершить прорыв в области портативных LIBS-устройств под влиянием нового спроса? Отрасль ждет результатов.

Технология твердотельных лазеров в портативных LIBS-устройствах всегда была узким местом в развитии LIBS-технологий. В настоящее время основными лазерами, используемыми для LIBS-тестирования, являются: твердотельные лазеры с импульсной накачкой (лабораторное применение), твердотельные лазеры с диодной накачкой (применение в портативных устройствах) и микрочиповые лазеры с узкой длительностью импульса и диодной накачкой (с относительно низкой энергией). Лазеры с диодной накачкой всегда были проблемой в промышленных приложениях из-за высокого энергопотребления, малого диапазона рабочих температур и сложности в контроле стабильности мощности.

В последнее время эрбиевый лазер на стекле с длиной волны 1535 нм широко используется в суровых условиях, например, в военной сфере, благодаря своим особым характеристикам. Одновременно с этим он привлек широкое внимание производителей портативных устройств LIBS и специалистов отрасли. Для проверки применимости эрбиевого лазера на стекле с длиной волны 1535 нм в области LIBS мы провели следующие эксперименты по проверке его применения.

1. Проверка характеристик лазерного возбуждения.

Рассмотрим в качестве примера лазер с длиной волны 1535 нм, длительностью импульса 7 нс, энергией 1 мДж и частотой повторения 10 Гц. Пиковая мощность лазера составляет 143,8 кВт. При выборе подходящей системы фокусировки пятно фокусируется до 100 мкм, пиковая плотность мощности составляет 1,82 ГВт/см², что соответствует условиям возбуждения LIBS.

       Типичное качество пучка в просвечивающей электронной микроскопии₀₀   

ширина импульса 7 нс

2. Сравнение эффектов возбуждения между лазерами с длиной волны 1064 нм и 1535 нм.

В этом эксперименте для возбуждения образцов латуни были выбраны четыре типа лазеров, и были проведены сравнения и анализ различий в спектральных данных LIBS, полученных с помощью различных лазеров.

Тестовая система

Для проведения теста были выбраны два лазера с длиной волны 1064 нм и два лазера с длиной волны 1535 нм. Основные параметры всех четырех лазеров следующие:  

1-1064 нм-10 Гц-10 мДж-10 нс Синий

2-1064 нм-1 кГц-120 мкДж-750 пс  Зеленый

3-1535 нм-1 кГц-40 мкДж-5 нс Красный

4-1535 нм-200 Гц-70 мкДж-5 нс Черный

Спектры возбуждения сравниваются следующим образом:

Спектры

Из тестовой диаграммы видно, что спектральные данные лазеров с длиной волны 1064 нм и 1535 нм в основном совпадают при возбуждении LIBS с высокой и низкой частотой повторения. Различий в эффектах возбуждения между лазерами с длиной волны 1535 нм и 1064 нм нет.

3. Исследование эффекта возбуждения лазером с длиной волны 1535 нм на рудах легких металлов.

Для проверки применимости длины волны 1535 нм в области легких металлов был использован лазер с длиной волны 1535 нм и энергией 1 мДж для тестирования образцов сподумена при частоте повторения 5 Гц. Тестовые спектры представлены ниже:

Тестовые спектры образцов сподумена, полученные с помощью лазера RealLight 1535 нм 1 мДж.

Из экспериментальных данных видно, что лазер с длиной волны 1535 нм эффективно возбуждает характерные спектральные линии элементов BE. Использование лазера с длиной волны 1535 нм позволяет определять состав руды.

Благодаря своему принципу действия и конструкции, эрбиевый стеклянный лазер имеет широкие перспективы применения в портативном оборудовании для LIBS-анализа.

Во-первых, благодаря относительно плоскому коэффициенту поглощения спектра поглощения эрбиевого стекла в диапазоне длин волн от 910 до 950 нм, этот лазер может работать в широком диапазоне температур (-40–65 ℃) без использования терморегулирования и обладает высокой стабильностью мощности.

Энергетическая стабильность < 1% (измеренное значение составляет 0,61%)

Во-вторых, лазер может быть изготовлен с использованием технологии полупроводниковой упаковки, при этом герметизация азотом предотвращает образование конденсата при низких температурах -40 ℃. Объем и вес лазера очень малы. Для типичного лазера мощностью 1 мДж вес лазерной головки не превышает 20 г. Лазер может быть оснащен фотодиодом для обнаружения света и запуска устройства сбора данных.

Лазер RealLight с длиной волны 1535 нм

Кроме того, поскольку лазеру не требуется использовать термоэлектрический контроль, общее энергопотребление системы чрезвычайно низкое. Размеры схемы могут составлять 20х40 мм, что подходит для длительного использования в полевых условиях.

Указанные характеристики в сочетании с тем фактом, что лазеры с длиной волны 1535 нм излучают в безопасном для глаз спектральном диапазоне, значительно снижают риски для безопасности лазерного излучения при использовании приборов. Портативные устройства LIBS, использующие эрбиевый стеклянный лазер с длиной волны 1535 нм в качестве источника света, привлекают внимание отечественных и зарубежных производителей оборудования.

Компания RealLight, основанная в 2010 году, является высокотехнологичным предприятием, специализирующимся на полупроводниковых лазерах, микрочиповых лазерах, лазерах с узкой шириной линии излучения, мощных твердотельных лазерах, технологиях лазерного обнаружения и применения. Мы будем оказывать поддержку пользователям в области применения LIBS.

Рекомендуются следующие два эрбиевых лазера на стекле: