光譜指紋與光譜指紋采集者-LIBS技術與調Q納秒激光器
光譜指紋與光譜指紋采集者-LIBS技術與調Q納秒激光器
激光誘導擊穿光譜(LIBS)是一種成熟的分析原子發(fā)射光譜技術，可用于各種樣品的元素分析。憑借其精準的檢測水平，廣泛應用于各行各業(yè)，包括食品行業(yè)、土壤分析、合金分析等等。
其原理為LIBS通過直接測量樣品燒蝕產生的等離子體發(fā)射來分析樣品，提供一個即時的光譜指紋，代表其元素組成。
在2017年，S. Moncayo1[1]等人采用一種基于激光誘導擊破光譜(LIBS)的快速、低成本的牛奶摻假質量控制、溯源和檢測方法。研究了三聚氰胺摻假嬰幼兒奶粉中三聚氰胺含量的定量分析。討論了利用LIBS技術結合化學計量分析在食品工業(yè)中進行乳制品質量控制的潛在用途。
在此研究中，LIBS技術使用調Q Nd:YAG激光器，工作波長為1064 nm，脈沖持續(xù)時間為4 ns，樣品放置在X-Y-Z手動微量定位器上，用100mm焦距透鏡將激光束聚焦在顆粒表面，產生直徑為170µm的光斑。使用光譜儀進行分析，光譜范圍為190 ~ 450 nm(光譜分辨率為0.1 nm)。激光脈沖能量固定為100 mJ，重復頻率為1 Hz。激光脈沖后延遲2.5µs獲得LIBS光譜。圖1所示 LIBS光譜檢測了其中所含元素。
圖1 [1] LIBS定量檢測在230 ~ 450 nm區(qū)域光譜分析
在2017年，Hira Shakeel[2]等人采用標定自由激光誘導擊穿光譜(CF-LIBS)對標準鋁硅合金進行了定量分析。利用Nd:YAG激光器的基頻(1064nm)產生等離子體，并在3.5us探測器柵極延遲下記錄了發(fā)射光譜。發(fā)射光譜定性分析證實合金中存在Mg、Al、Si、Ti、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Sn和Pb。利用等離子體溫度和各元素的自吸收校正發(fā)射譜線測定了合金中各元素的濃度。
實驗采用調Q Nd:YAG激光器，工作波長為1064 nm，能量為30-200mJ，脈沖持續(xù)時間為9 ns，重復頻率為10 Hz，在樣品表面產生等離子體。激光脈沖能量由Nd: YAG激光系統(tǒng)中的內置設備改變，并使用能量計在63%的穩(wěn)定度內進行監(jiān)測。圖2所示 LIBS光譜。
圖2 [2] 合金樣品在230 ~ 290 nm區(qū)域時單脈沖LIBS光譜分析
在2009年，S. Pandhija[3]等人采用激光誘導擊穿光譜(LIBS)和免校準LIBS (CF-LIBS)技術對環(huán)境樣品中Cd、Co、Pb、Zn、Cr等有毒重金屬元素進行了檢測和定量。記錄了不同濃度有毒元素(Cd、Zn)的標準土壤樣品的LIBS光譜。
實驗裝置由調Q Nd:YAG激光器、光譜儀、光纖束、透鏡、平移臺和計算機組成。采集門延遲為1.5µs，在200-350 nm的光譜范圍內記錄了土壤顆粒的LIBS光譜。圖3所示的LIBS光譜清楚地顯示了大量元素的存在，即Si、Ti、Al、Fe、K、Mg、Ca、Cd、Co、Cr、Mn、P、Sn、Sr、V、W、Na、Pb、Cu等。
圖3[3] 土壤樣品在200 ~ 350 nm區(qū)域的光譜顯示重金屬譜線
LIBS技術通過采集待測樣品的光譜指紋，分析其元素組成；you秀的分析方法，離不開you秀的激光器設備，昊量光電推出調Q納秒激光器適用但不局限于激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術。
下面對納秒激光器產品進行詳細的介紹：
1.Q1激光器
Q1激光器，其中主要特點為重復頻率可調0-10/20/50Hz，激光在10Hz脈沖重復率下可產生高達40mJ的脈沖能量，在50 Hz脈沖重復頻率下可產生高達10 mJ的脈沖能量。激光器可以配置為分別從 Nd：YLF 或 Nd：YAG 激光晶體發(fā)射1053nm或1064 nm 波長。Q1激光器搭配H1倍頻器搭配可產生波段為526.5/532nm,351/355nm，263/266nm,211/213nm單波段光源。
圖4為Q1激光器與Q1激光器搭配H1倍頻器圖片示例。
由于Nd：YLF晶體的熱特性，在1053 nm處，激光器可以從單次脈沖到zui大脈沖重復率工作，而不會對光束發(fā)散度或輪廓產生顯著變化。激光束的低發(fā)散度允許使用可選的 H1系列諧波發(fā)生器模塊有效地轉換為諧波波長。Q1是一款緊湊、節(jié)能、二極管泵浦、風冷、調Q激光器，專為需要高峰值功率脈沖的廣泛應用而設計。
2.Q2/Q2HE激光器
Q2激光器，其中主要特點:重復頻率固定為10Hz/20Hz/33.3Hz/100Hz/200Hz,激光在10Hz脈沖重復率下可產生高達80mJ的脈沖能量，在100 Hz脈沖重復頻率下可產生高達10 mJ的脈沖能量。Q2激光器搭配Hsmart倍頻器搭配可產生波段為526.5/532nm,351/355nm，263/266nm,211/213nm單波段光源。
Q2HE激光器，其中主要特點：重復頻率固定為10Hz/20Hz/50Hz/100Hz,能夠產生比Q2更高的能量，具有高達120 mJ 脈沖能量和/或高達5 W平均輸出功率的高質量激光束。Q2HE激光器搭配H-SMART倍頻器搭配可產生波段為526.5/532nm,351/355nm，263/266nm,211/213nm單波段光源。
圖5為Q2激光器與Q2HE激光器圖片示例。
Q2系列二極管泵浦，完全風冷，調Q激光器設計用于需要高峰值功率脈沖的廣泛應用。內置同步脈沖發(fā)生器，并具有短腔配置，與標準配置相比，在短腔配置中脈沖持續(xù)時間可以減少50%。脈沖能量高達60mj時，脈沖峰值功率可達30mw以上。
3. Q-Double/Q-Sparkle/Q-Shift激光器
Q-Double激光器，它的主要特點為：產生具有可變時間間隔的兩個脈沖。它的目標應用是PIV(粒子圖像測速)，LIBS(激光誘導擊穿光譜)。在10 Hz脈沖重復頻率下，激光器的總脈沖能量可配置為高達160 mJ，在100 Hz重復頻率下產生高達40 mJ的脈沖能量。脈沖持續(xù)時間為 5-10 ns，時間間隔10 ns – 100 ms。Q-DOUBLE兼容H-SMART倍頻器。
圖6為Q-Double激光器與Q-Double激光器部分參數(shù)圖片示例。
Q-Sparkle激光器，它的主要特點為：專為需要亞納秒或納秒脈沖應用而設計，在1064 nm處高達 20 mJ 的脈沖能量，高達 20 MW 的峰值功率。
其中，無Q-開關 Q-SPARK 版本可配置為產生短至750 ps且脈沖能量超過5 mJ的脈沖。E-O Q開關版本可提供高達20 mJ的激光，通過內置Web服務器通過以太網端口進行監(jiān)控和控制。提供API以與用戶設備集成。
圖7為Q-Sparkle激光器與Q-Sparkle激光器部分參數(shù)圖片示例。
Q-Shift激光器,它的主要特點為：Q-SHIFT是一系列調Q激光器，具有內置的非線性波長轉換臺，可以產生傳統(tǒng)固態(tài)激光器無法獲得的波長。
圖8為Q-Shift激光器1163nm波段與1177nm波段部分參數(shù)圖片示例。
圖9為Q-Shift激光器1300nm波段與1377nm波段部分參數(shù)圖片示例。
圖10為Q-Shift激光器1551±1nm波段與1571±1nm波段部分參數(shù)圖片示例。
當Q-SHIFT激光器與我們的可連接SHG或獨立的H-SMART諧波發(fā)生器結合使用時，可提供可見波長（藍色，黃色和紅色）的高峰值強度脈沖。可產生波段為581.5/588.5nm,388/392nm,291/294nm;650/658.5nm,433/439nm,325/329nm;775.5/785.5nm;517/524nm;388/393nm。
4. Q-tune/Q-tune G/Q-tune HR/Q-tune IR激光器
Q-TUNE系列激光器，它的主要特點為使用光學參量振蕩器（OPO）產生可調波長，線寬窄至6 cm-1。可選的二次諧波發(fā)生器將調諧范圍擴展到 210-410 nm，線寬窄至12 cm-1。所有激光電子設備都集成到Q-TUNE的外殼中，唯yi的外部模塊是電源適配器，提供12 VDC, 20 - 50 W功率(取決于型號)。
除了可調諧的波長輸出外，Q-TUNE還提供旁路端口，用于訪問泵浦激光束�？筛鶕�(jù)要求提供的可選擴展，用于監(jiān)測OPO波長和線寬的緊湊型光譜儀。
表2為Q-Shift激光器1551±1nm波段與1571±1nm波段部分參數(shù)示例。
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Q-tune |
Q-tune G |
Q-tune HR |
Q-tune IR |
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Wavelength,nm OPO SH extension |
410-2300nm 210-410nm |
680-2300nm |
750-1800nm 1600-3200nm |
1380-4500nm |
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Build-in pump laser wavelength |
1064 or 1053 nm |
1064 or 1053 nm |
1064 or 1053 nm |
1064 or 1053 nm |
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Pulse repetition rate |
10 Hz、33Hz、100Hz |
10 Hz、33Hz、100Hz |
1-10 kHz、10-100kHz |
10 Hz、33Hz、100Hz |
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Pulse energy |
＞8 mJ |
＞2 mJ |
＞50 uJ |
＞1 mJ |
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Pulse duration |
< 5 ns |
< 4 ns |
5-7 ns |
3-4 ns |
5.調Q納秒激光器的獨特優(yōu)勢
昊量光電推出Nd:YAG和Nd:YLF風冷、無水調Q納秒激光器，可以在平均功率高達5 W的情況下產生每脈沖能量高達120 mJ的納秒脈沖。氣冷、無水且經濟高效的解決方案，適用于廣泛的應用，包括LIBS、LIDAR、TOFS、微機械加工等。
應用領域包括：
激光誘導熒光(LIBS)
激光打標激光燒蝕
光聲成像屏幕修復飛行時間光譜(TOFS)
光致發(fā)光(LIF)
閃光光解質譜激光解離(MALDI)
激光脈沖沉積(PLD)
遙感(LIDAR)
參考文獻
[1] Moncayo S, Manzoor S, Rosales J D, et al. Qualitative and quantitative analysis of milk for the detection of adulteration by Laser Induced Breakdown spectroscopy (LIBS)[J]. Food chemistry, 2017, 232: 322-328.
[2]Shakeel H, Haq S U, Aisha G, et al. Quantitative analysis of Al-Si alloy using calibration free laser induced breakdown spectroscopy (CF-LIBS)[J]. Physics of Plasmas, 2017, 24(6).
[3] Pandhija S, Rai N K, Rai A K, et al. Contaminant concentration in environmental samples using LIBS and CF-LIBS[J]. Applied Physics B, 2010, 98: 231-241.
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