DE102008032532B4 - Method and device for preparatory laser material removal - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum präparierenden Lasermaterialabtrag zur Durchführung einer Laser-Emissionsspektrometrie, bei dem
- eine Oberfläche eines Objekts mit einem oder mehreren ersten Laserpulsen bestrahlt wird, um eine Oberflächenschicht zu entfernen, und
- unter der Oberflächenschicht freigelegtes, mittels der Laser-Emissionsspektrometrie zu analysierendes Material mit einem oder mehreren zweiten Laserpulsen bestrahlt wird, durch die das zu analysierende Material in den Plasmazustand überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren ersten und der eine oder die mehreren zweiten Laserpulse mit einem einzigen gepulsten Laser durch mehrfache Güteschaltung während eines durch eine Wiederholrate des Lasers vorgegebenen Pumpzyklus des gepulsten Lasers erzeugt werden, wobei die ersten Laserpulse mit einer längeren Laserpulsdauer als die zweiten Laserpulse eingestellt werden.
Method for preparatory laser material removal for carrying out laser emission spectrometry, in which
- a surface of an object is irradiated with one or more first laser pulses to remove a surface layer, and
- Material exposed under the surface layer to be analyzed using laser emission spectrometry is irradiated with one or more second laser pulses, through which the material to be analyzed is converted into the plasma state, characterized in that the one or more first and one or more several second laser pulses are generated with a single pulsed laser by multiple Q-switching during a pump cycle of the pulsed laser predetermined by a repetition rate of the laser, the first laser pulses being set with a longer laser pulse duration than the second laser pulses.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum präparierenden Lasermaterialabtrag von Feststoffen, insbesondere für die Durchführung der Laser-Emissionsspektrometrie (LIBS: Laser-Induced Breakdown Spectroscopy), wobei eine Oberfläche eines Objekts mit einem oder mehreren ersten Laserpulsen bestrahlt wird, um eine Oberflächenschicht zu entfernen, und unter der Oberflächenschicht freigelegtes Material mit einem oder mehreren zweiten Laserpulsen bestrahlt wird, durch die das Material in den Plasmazustand überführt wird.The present invention relates to a method and a device for the preparatory laser material removal of solids, in particular for carrying out laser emission spectrometry (LIBS: Laser-Induced Breakdown Spectroscopy), wherein a surface of an object is irradiated with one or more first laser pulses to form a surface layer to remove, and material exposed under the surface layer is irradiated with one or more second laser pulses, through which the material is converted into the plasma state.
Ein derartiges Verfahren lässt sich mit einer sich unmittelbar anschließenden quantitativen und/oder qualitativen Multi-Elementanalyse des unter der Oberflächenschicht freigelegten Festkörpermaterials mit Hilfe der Emissionsspektrometrie kombinieren. Hauptanwendungsgebiet ist die Materialanalyse, wie sie beispielsweise bei der Sortierung von Metallen, Erzen und Mineralien sowie bei der Verwechslungsprüfung von Halbzeugen und Produkten eingesetzt wird.Such a method can be combined with an immediately subsequent quantitative and/or qualitative multi-element analysis of the solid material exposed beneath the surface layer using emission spectrometry. The main area of application is material analysis, as used, for example, in the sorting of metals, ores and minerals as well as in the identification of semi-finished products and products.
Stand der TechnikState of the art
Die Laser-Emissionsspektrometrie ist ein berührungsloses Analyseverfahren zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Elementzusammensetzung eines Stoffes, bei dem durch Fokussierung eines gepulsten Laserstrahls auf ein Festkörperobjekt Material von der Objektoberfläche in den Plasmazustand überführt und die dabei entstehenden Element-spezifischen Emissionen mit Hilfe eines Spektrometers detektiert werden. Das Analyseergebnis wird bei Feststoffen maßgeblich von möglichen Oberflächenschichten beeinflusst, durch die das LIBS-Messergebnis nicht die zu bestimmende Probenzusammensetzung des Grundmaterials repräsentiert. Bei diesen Schichten kann es sich um Kontaminationen, wie z.B. Schmutz, Farbe, Lacke und/oder Oxid-, Korrosions- sowie Funktionsschichten handeln. Im Allgemeinen sind die mittleren Dicken dieser Schichten sowohl vom Festkörper als auch vom Messort abhängig.Laser emission spectrometry is a non-contact analysis method for the qualitative and quantitative determination of the elemental composition of a substance, in which material is transferred from the object surface to the plasma state by focusing a pulsed laser beam on a solid object and the resulting element-specific emissions are detected using a spectrometer . For solids, the analysis result is significantly influenced by possible surface layers, through which the LIBS measurement result does not represent the sample composition of the base material to be determined. These layers can be contamination such as dirt, paint, varnish and/or oxide, corrosion and functional layers. In general, the average thicknesses of these layers depend on both the solid and the measurement location.
Zur Erzeugung laserinduzierter Plasmen sind in der Regel Bestrahlungsstärken von mindestens der Größenordnung 109 W/cm2 erforderlich. Aufgrund der vergleichsweise geringen Anschaffungs- und Betriebskosten werden für die Laser-Emissionsspektrometrie typischerweise Blitzlampen- oder Dioden-gepumpte Festkörperlaser mit fester Wiederholrate vRep bevorzugt, wobei die typischen mittleren optischen Leistungen der emittierten Laserstrahlung zwischen 1 W und 100 W liegen. Die für die Laser-Emissionsspektrometrie erforderlichen hohen Bestrahlungsstärken werden durch elektrooptische Güteschaltungen (O-Switch) der Laserresonatoren erzeugt, so dass während einer Periodendauer T = 1/vRep, die durch einen Laserpumpzyklus vorgegeben ist, ein Puls mit einer Halbwertsbreite (FWHM: Full Width Half Maximum) von typischerweise zwischen τL = 1 ns und τL = 100 ns emittiert wird. Das Tastverhältnis δ (engl.: duty cycle) der Laserstrahlung, das bei rechteckig modulierten Pulsen das Verhältnis zwischen der zeitlichen Länge des Pulsdachs und der Periodendauer T darstellt, liegt bei gütegeschalteten Festkörperlasern mit Repetitionsraten zwischen vRep = 10 Hz und vRep = 100 kHz bei etwa 10-7 < δ < 10-3. Laserpulse mit hochfrequenten gütegeschalteten Festkörperlasern mit Wiederholungsraten von 1 kHz und darüber haben Pulsenergien von bis zu E = 20 mJ und werden bevorzugt bei LIBS-Anwendungen mit Arbeitsabständen d < 10 cm zwischen der Fokussierlinse und dem zu analysierenden Objekt eingesetzt. Blitzlampengepumpte Nd:YAG-Festkörperlaser mit Repetitionsraten vRep < 100 Hz können hingegen Laserpulse mit Energien von bis zu 1,5 J und Pulsspitzenleistungen von P > 1 MW pro Pumpzyklus emittieren und werden bei großen Arbeitsabständen mit d > 1 m bevorzugt eingesetzt.To generate laser-induced plasmas, irradiances of at least the order of magnitude 10 9 W/cm 2 are generally required. Due to the comparatively low acquisition and operating costs, flash lamp or diode-pumped solid-state lasers with a fixed repetition rate v Rep are typically preferred for laser emission spectrometry, with the typical average optical powers of the emitted laser radiation being between 1 W and 100 W. The high irradiance levels required for laser emission spectrometry are generated by electro-optical Q-switching (O-switch) of the laser resonators, so that during a period T = 1/v Rep , which is specified by a laser pump cycle, a pulse with a half-width (FWHM: Full Width Half Maximum) of typically between τ L = 1 ns and τ L = 100 ns. The duty cycle δ of the laser radiation, which in the case of rectangular modulated pulses represents the ratio between the temporal length of the pulse peak and the period length T, is in Q-switched solid-state lasers with repetition rates between v Rep = 10 Hz and v Rep = 100 kHz at about 10 -7 < δ < 10 -3 . Laser pulses with high-frequency Q-switched solid-state lasers with repetition rates of 1 kHz and above have pulse energies of up to E = 20 mJ and are preferably used in LIBS applications with working distances d < 10 cm between the focusing lens and the object to be analyzed. Flashlamp pumped Nd:YAG solid-state lasers with repetition rates v Rep < 100 Hz, on the other hand, can emit laser pulses with energies of up to 1.5 J and peak pulse powers of P > 1 MW per pump cycle and are preferred for use at large working distances of d > 1 m.
Während einer Periodendauer T, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als Pumpzyklus bezeichnet, kann die Güteschaltung eines Laserresonators auch zwei-, drei- oder mehrfach aktiviert werden (n = 2,3...), so dass mehr als ein 0-Switch-Laserpuls den Oszillator innerhalb eines Pumpzyklus verlässt. Die Gesamtheit der gütegeschalteten Laserpulse n, die während der Periodendauer T den Laserresonator verlassen, wird als Laserpulsgruppe (Laserburst) bezeichnet. Jeder Laserpuls innerhalb eines Laserbursts kann eine individuelle Pulsdauer τL,j besitzen, wobei j der Index des j-ten Pulses der Laserpulsgruppe ist. Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen j und j+1 in der Pulsgruppe wird mit Δtj bezeichnet. Die Summe dieser Interpulsabstände zwischen den gütegeschalteten Laserpulsen Δt1 + Δt2 + ... + Δtn-i ist stets kleiner als die Periodendauer T. Laserpulse aus zwei oder mehr synchron getakteten Oszillatoren oder Lasern können ebenfalls kollinear zu einer Laserpulsgruppe räumlich überlagert werden.During a period T, also referred to as a pump cycle in the present patent application, the Q-switching of a laser resonator can also be activated two, three or more times (n = 2.3...), so that more than one 0-switch laser pulse leaves the oscillator within a pump cycle. The totality of the Q-switched laser pulses n, which leave the laser resonator during the period T, is referred to as a laser pulse group (laser burst). Each laser pulse within a laser burst can have an individual pulse duration τ L,j , where j is the index of the jth pulse of the laser pulse group. The time interval between two consecutive laser pulses j and j+1 in the pulse group is denoted by Δt j . The sum of these interpulse distances between the Q-switched laser pulses Δt 1 + Δt 2 + ... + Δt ni is always smaller than the period T. Laser pulses from two or more synchronously clocked oscillators or lasers can also be spatially superimposed collinearly to form a laser pulse group.
Die Verwendung einer Laserpulsgruppe bestehend aus zwei kollinear propagierenden Q-Switch-Pulsen aus einem Laseroszillator bringt mehrere Vorteile mit sich. Im Vergleich zu einem gütegeschalteten Einzelpuls der Energie E während einer Periodendauer T steigert ein Doppelpuls mit der gleichen Gesamtenergie sowohl den Materialabtrag als auch die laserinduzierte Emission. Darüber hinaus kann durch den Einsatz von Laserpulsgruppen während eines Pumpzyklus auch die analytische Leistungsfähigkeit der Laser-Emissionsspektrometrie verbessert werden.The use of a laser pulse group consisting of two collinearly propagating Q-switch pulses from a laser oscillator has several advantages. Compared to a Q-switched single pulse of energy E during a period T, a double pulse with the same total energy increases both the material removal and the laser-induced emission. In addition, the use of laser pulse groups can During a pump cycle, the analytical performance of laser emission spectrometry can also be improved.
Das LIBS-Verfahren ermöglicht eine Oberflächenanalyse eines Feststoffs. Die qualitative sowie quantitative Bestimmung einer Probenzusammensetzung wird durch Oberflächenschichten oder -verschmutzungen beeinflusst, deren Dicke einige 100 pm übersteigen kann. Bei zu starken Kontaminationen oder Verschmutzungen der Oberfläche kann das spektrometrisch gewonnene Messergebnis daher nicht die Gesamtzusammensetzung des Grundmaterials repräsentativ wiedergeben. Zur Lösung dieser prinzipiellen Problemstellung kann bei der Verwendung von gütegeschalteten Lasern die für die LIBS-Messung angesetzte Anzahl N der Periodendauern, in denen jeweils eine Laserpulsgruppe bestehend aus n Laserpulsen den Laserresonator verlässt, in Reinigungspulsgruppen der Anzahl Npp und Analysepulsgruppen der Anzahl Nmp aufgeteilt werden, wobei lediglich letztere zur Analyseauswertung herangezogen werden. Die Messdaten der Reinigungs- oder Vorpulsgruppen werden in der Regel verworfen. Zur Durchdringung von störenden Oberflächenschichten werden je nach Anwendungsfall bis zu mehrere 100 bis 1000 Vorpulse eingesetzt.The LIBS method enables surface analysis of a solid. The qualitative and quantitative determination of a sample composition is influenced by surface layers or contamination, the thickness of which can exceed a few 100 pm. If the surface is excessively contaminated or dirty, the measurement result obtained spectrometrically cannot represent the overall composition of the base material. To solve this fundamental problem, when using Q-switched lasers, the number N of period durations used for the LIBS measurement, in which a laser pulse group consisting of n laser pulses leaves the laser resonator, can be divided into cleaning pulse groups of the number N pp and analysis pulse groups of the number N mp are used, with only the latter being used for analysis evaluation. The measurement data from the cleaning or pre-pulse groups are usually discarded. Depending on the application, up to several hundred to 1000 pre-pulses are used to penetrate disturbing surface layers.
Ein derartiges Verfahren offenbart beispielsweise die
Ein Problem dieser hohen Anzahl an Laserpulsen für die Analyse einer Messstelle ergibt sich jedoch dann, wenn sich die zu analysierenden Objekte relativ zur Fokuslage des Laserstrahls so schnell bewegen, dass sie sich für eine im Vergleich zur Dauer der Laserbursts zu kurze Zeit im Messbereich des Laserstrahls aufhalten. Zur Lösung einer derartigen Problematik zeigt die
Die
Die Überlagerung von mehreren gütegeschalteten Doppelpulslasern ohne bewegungssynchrone Nachführung der gepulsten Laserstrahlung weist neben der oben beschriebenen Problematik bei bewegten Objekten noch weitere Nachteile auf. So ist ein entsprechendes LIBS-System mit räumlicher Überlagerung von mehreren Lasersystemen aufgrund der mehrfachen Anschaffungs- und Betriebskosten für viele industrielle Anwendungen nicht wirtschaftlich. Die Gewährleistung der räumlichen Überlagerung sowie der entsprechenden Langzeitstabilität der Laserbursts aus mehreren gütegeschalteten Lasern stellt hohe technische Anforderungen an die Laserstrahlquelle und die Überlagerungsoptik.The superimposition of several Q-switched double-pulse lasers without movement-synchronous tracking of the pulsed laser radiation has further disadvantages in addition to the problems described above with moving objects. A corresponding LIBS system with spatial overlay of several laser systems is not economical for many industrial applications due to the multiple acquisition and operating costs. Ensuring the spatial overlay and the corresponding long-term stability of the laser bursts from several Q-switched lasers places high technical demands on the laser beam source and the overlay optics.
Für eine Reihe von industriellen Anwendungen, wie beispielsweise der Stahl- oder Aluminiumschrottsortierung, werden zur Erreichung wirtschaftlicher Durchsatzraten Transportgeschwindigkeiten von 3 m/s und mehr vorgegeben. Für derart hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen einer Messposition und der Fokuslage des gepulsten Laserstrahls ist ein lateraler Versatz der Wechselwirkungszonen aufeinanderfolgender Laserpulse mit dem Festkörpermaterial nicht mehr vernachlässigbar. Dies gilt insbesondere dann, wenn deutlich kleinere Laserstrahldurchmesser als 2 bis 3 mm eingesetzt werden und der dadurch verringerte räumliche Überlappgrad der jeweiligen Wechselwirkungszonen die Vorteile eines Laserbursts hinsichtlich besserem Materialabtrag und höherer Plasmaemission zunichte machen, so dass der Einsatz von Laserpulsgruppen nicht mehr zweckmäßig ist.For a number of industrial applications, such as steel or aluminum scrap sorting, transport speeds of 3 m/s and more are specified to achieve economical throughput rates. For such high relative speeds between a measuring position and the focal position of the pulsed laser beam, a lateral offset of the interaction zones of successive laser pulses with the solid-state material is no longer negligible. This is particularly true when significantly smaller laser beam diameters than 2 to 3 mm are used and the resulting reduced degree of spatial overlap of the respective interaction zones negates the advantages of a laser burst in terms of better material removal and higher plasma emission, so that the use of laser pulse groups is no longer practical.
Eine Nachführung des Laserstrahls mit der Bewegung des Objekts erfordert jedoch eine entsprechende Nachführungseinrichtung sowie eine geeignete Messtechnik, die den Einsatz eines derartigen Systems wieder verteuern.However, tracking the laser beam with the movement of the object requires a corresponding tracking device and suitable measurement technology, which again makes the use of such a system more expensive.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum präparierenden Lasermaterialabtrag anzugeben, die sich zur Durchführung der Laser-Emissionsspektrometrie an bewegten Objekten eignen und kostengünstiger umsetzbar sind und/oder eine erhöhte Analysegenauigkeit ermöglichen.The object of the present invention is to provide a method and a device for preparatory laser material removal, which are suitable for carrying out laser emission spectrometry on moving objects and can be implemented more cost-effectively and/or enable increased analysis accuracy.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The task is solved with the method and the device according to
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum präparierenden Lasermaterialabtrag wird eine Oberfläche des zu analysierenden Objekts mit einem oder mehreren ersten Laserpulsen bestrahlt, um eine für die Analyse störende Oberflächenschicht zu entfernen. Unter der Oberflächenschicht freigelegtes Material wird dann mit einem oder mehreren zweiten Laserpulsen bestrahlt, durch die das Material in den Plasmazustand überführt wird, um beispielsweise Laser-Emissionsspektrometrie durchführen zu können. Bei dem Verfahren werden die ein oder mehreren ersten und zweiten Laserpulse mit dem gleichen gepulsten Laser durch mehrfache Güteschaltung während eines Pumpzyklus dieses Lasers erzeugt, wobei die Laserpulsdauern der ersten Laserpulse länger als die Laserpulsdauern der zweiten Laserpulse eingestellt werden.In the proposed method for preparatory laser material removal, a surface of the object to be analyzed is irradiated with one or more first laser pulses in order to remove a surface layer that interferes with the analysis. Material exposed beneath the surface layer is then irradiated with one or more second laser pulses, through which the material is converted into the plasma state in order to be able to carry out laser emission spectrometry, for example. In the method, the one or more first and second laser pulses are generated with the same pulsed laser by multiple Q-switching during a pump cycle of this laser, with the laser pulse durations of the first laser pulses being set longer than the laser pulse durations of the second laser pulses.
Bei dem Verfahren wird somit ein Lasersystem mit nur einem Laserresonator eingesetzt. Innerhalb der durch die Wiederholrate des Lasers vorgegebenen Periodendauer T, die dem Pumpzyklus entspricht, werden aus diesem Laserresonator gütegeschaltete Laserpulse, Laserpulsgruppen oder Laserbursts emittiert. Die Gesamtemission während eines Pumpzyklus setzt sich dabei aus zwei Teilen zusammen, einem Teil mit einem oder mehreren ersten Laserpulsen, im Folgenden auch als Reinigungsteil bezeichnet, und einem sich anschließenden Teil mit einem oder mehreren zweiten Laserpulsen, im Folgenden auch als Analyseteil bezeichnet. Diese beiden Anteile, der Reinigungsteil und der Analyseteil, werden durch geeignete Gütemodulation mit einem Gütemodulator im Resonator des Lasers erzeugt. Über die Steilheit der Flanke der Güteschaltung lassen sich die Pulsdauern der erzeugten Laserpulse so einstellen, dass die ersten Laserpulse längere Laserpulsdauern aufweisen als die zweiten Laserpulse. Geeignete Gütemodulatoren, insbesondere elektrooptische Modulatoren sowie deren Ansteuerung sind dem Fachmann bekannt.The method therefore uses a laser system with only one laser resonator. Within the period T specified by the repetition rate of the laser, which corresponds to the pump cycle, Q-switched laser pulses, laser pulse groups or laser bursts are emitted from this laser resonator. The total emission during a pump cycle is made up of two parts, a part with one or more first laser pulses, hereinafter also referred to as the cleaning part, and a subsequent part with one or more second laser pulses, hereinafter also referred to as the analysis part. These two parts, the cleaning part and the analysis part, are generated by suitable quality modulation with a quality modulator in the laser resonator. The pulse durations of the generated laser pulses can be adjusted via the steepness of the edge of the Q-switching so that the first laser pulses have longer laser pulse durations than the second laser pulses. Suitable quality modulators, in particular electro-optical modulators, and their control are known to those skilled in the art.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren setzt sich somit die Laseremission während eines Pumpzyklus und die damit auf das Objekt auftreffende Strahlung aus zwei Anteilen zusammen, dem Reinigungsteil und dem anschließenden Analyseteil, die durch gütegeschaltete Pulsmodulationen während der durch die Wiederholrate des Lasers vorgegebenen Periodendauer aus einem einzigen Laserresonator emittiert werden. Somit erfolgen die Abtragung der unerwünschten Oberflächenschicht und die anschließende Überführung des zu analysierenden Materials in den Plasmazustand während eines einzigen Pumpzyklus mit einem einzigen Laser. Dies ermöglicht Materialanalysen, bei denen die Analysedauer aufgrund von zeitlichen Restriktionen auf beispielsweise Sekundenbruchteile limitiert ist. In einem solchen Fall können mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der weiter unten noch beschriebenen Vorrichtung potentielle Kontaminations- oder Oberflächenschichten hinreichend schnell abgetragen werden, so dass der zweite Teil der Laseremission zur spektroskopischen Analyse mit dem Grundmaterial wechselwirken kann. Das Verfahren und die Vorrichtung bieten sich hierbei beispielsweise für die Online-Sortierung von Metallen, Erzen und Mineralien sowie die Verwechslungsprüfung von Halbzeugen und Produkten an.In the proposed method, the laser emission during a pump cycle and the radiation that hits the object are composed of two parts, the cleaning part and the subsequent analysis part, which is emitted from a single laser resonator by Q-switched pulse modulations during the period specified by the repetition rate of the laser become. Thus, the removal of the unwanted surface layer and the subsequent transfer of the material to be analyzed into the plasma state take place during a single pump cycle with a single laser. This enables material analyzes in which the analysis time is limited to, for example, fractions of a second due to time restrictions. In such a case, with the proposed method and the device described below, potential contamination or surface layers can be removed sufficiently quickly so that the second part of the laser emission can interact with the base material for spectroscopic analysis. The method and the device are suitable, for example, for the online sorting of metals, ores and minerals as well as the mix-up check of semi-finished products and products.
Die Energie und Pulsdauer der ein oder mehreren ersten Laserpulse wird dabei so gewählt, dass sich diese Pulsgruppe als Reinigungspulse oder Reinigungsburst zur Abtragung der Oberflächenschicht eignet. Vorzugsweise wird hierfür die erste Laserpulsdauer im Mikrosekundenbereich gewählt. Die Nutzung einer Laserpulsgruppe ermöglicht eine höhere Abtrageffizienz, gemessen als abgetragenes Volumen pro Laserburst, als die Nutzung nur eines einzelnen Reinigungspulses. Die zweite Pulsgruppe besteht aus einem oder mehreren gütegeschalteten Laserpulsen, die vorzugsweise mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich und mit Energien, die Bestrahlungsstärken von ≥ 108 W/cm2 erlauben, erzeugt werden. Diese zweiten Laserpulse eignen sich somit zur Erzeugung eines laserinduzierten Plasmas für die Laser-Emissionsspektrometrie. Mit der räumlichen und zeitlichen Kombination dieser beiden Pulsgruppen in einem aus einem Resonator ausgekoppelten Laserburst bzw. einer entsprechenden Laseremission werden die Vorteile eines Laserpulszuges mit Mikrosekundenpulsen für den Materialabtrag mit denen eines gütegeschalteten Laserbursts mit Nanosekundenpulsen für die Emissionsspektrometrie vereint. Dadurch wird eine schnellere und effizientere Durchdringung von Oberflächenschichten und damit eine zügigere LIBS-Messung erreicht als es nach dem Stand der Technik möglich ist.The energy and pulse duration of the one or more first laser pulses are selected so that this group of pulses is suitable as a cleaning pulse or cleaning burst for removing the surface layer. For this purpose, the first laser pulse duration is preferably selected in the microsecond range. The use of a laser pulse group enables a higher removal efficiency, measured as ablated Volume per laser burst than using just a single cleaning pulse. The second pulse group consists of one or more Q-switched laser pulses, which are preferably generated with pulse durations in the nanosecond range and with energies that allow irradiance levels of ≥ 10 8 W/cm 2 . These second laser pulses are therefore suitable for generating a laser-induced plasma for laser emission spectrometry. With the spatial and temporal combination of these two pulse groups in a laser burst coupled out of a resonator or a corresponding laser emission, the advantages of a laser pulse train with microsecond pulses for material removal are combined with those of a Q-switched laser burst with nanosecond pulses for emission spectrometry. This achieves faster and more efficient penetration of surface layers and thus a quicker LIBS measurement than is possible with the state of the art.
Durch die Emission beider Pulsgruppen während eines Pumpzyklus aus dem selben Resonator ist insbesondere eine Überlagerung von zwei Lasern nicht mehr erforderlich. Dies macht die Laser-Emissionsspektrometrie für eine Reihe von Anwendungen attraktiver und konkurrenzfähiger im Vergleich zu alternativen Methoden, die mehrere Lasersysteme oder eine aufwendige Mess- und Nachfiihrungstechnik erfordern.Due to the emission of both pulse groups during a pump cycle from the same resonator, superposition of two lasers is no longer necessary. This makes laser emission spectrometry more attractive and competitive for a range of applications compared to alternative methods that require multiple laser systems or complex measurement and tracking technology.
Bei einer zeitlichen oder räumlichen Limitierung der LIBS-Messung können mit dem vorgestellten Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung auch bewegte und zugleich beschichtete Objekte hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung schneller analysiert werden. Insbesondere bei Objekten, bei denen das Zusammenspiel zwischen Limitierung der Messzeit, des räumlichen Zugangs zur Messposition und Oberflächenbeschichtung eine hinreichend korrekte Analyse trotz Überlagerung mehrerer gütegeschalteter Festkörperlaserpulse und einer bewegungssynchronen Laserstrahlführung bisher verhindert, kann durch die Verwendung des beschriebenen Verfahrens die Analyserichtigkeit signifikant verbessert werden. Schließlich können mit dem vorgestellten Verfahren Tiefenprofilanalysen mit kürzeren Messzeiten im Vergleich zu herkömmlichen LIBS-Verfahren durchgeführt werden, da die eingesetzte Laserstrahlung aufgrund des größeren Materialabtrags pro Zeiteinheit tiefer in das zu analysierende Grundmaterial eindringt. Selbstverständlich lassen sich das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung bei Bedarf auch mit einer entsprechend ausgelegten Strahlnachführungseinheit kombinieren.If the LIBS measurement is limited in time or space, the presented method and the associated device can also be used to analyze moving and coated objects more quickly with regard to their chemical composition. Particularly in the case of objects for which the interaction between the limitation of the measurement time, the spatial access to the measurement position and the surface coating has previously prevented a sufficiently correct analysis despite the superimposition of several Q-switched solid-state laser pulses and a movement-synchronous laser beam guidance, the accuracy of the analysis can be significantly improved by using the method described. Finally, with the method presented, depth profile analyzes can be carried out with shorter measurement times compared to conventional LIBS methods, since the laser radiation used penetrates deeper into the base material to be analyzed due to the greater material removal per unit of time. Of course, the proposed method and the associated device can also be combined with an appropriately designed beam tracking unit if necessary.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung werden die ein oder mehreren ersten Laserpulse mit einer mittleren Leistung erzeugt, die kleiner als die mittlere Leistung der ein oder mehreren zweiten Laserpulse ist, und ein Verhältnis der Gesamtdauer t1 des Reinigungsteils zur Gesamtdauer t2 des Analyseteils eingestellt, bei dem gilt: t1 > 5*t2. Zusätzlich wird vorteilhaft eine Gesamtdauer t1 des Reinigungsteils von > 10 ps und ein zeitlicher Abstand tA von > 50 ps zwischen dem letzten Laserpuls der ersten Laserpulse und dem ersten Laserpuls der zweiten Laserpulse eingestellt. Mit diesen Parametern werden optimale Ergebnisse beim Laserabtrag und der nachfolgenden Analyse erzielt.In a very advantageous embodiment, the one or more first laser pulses are generated with an average power that is smaller than the average power of the one or more second laser pulses, and a ratio of the total duration t 1 of the cleaning part to the total duration t 2 of the analysis part is set The following applies: t 1 > 5*t 2 . In addition, a total duration t 1 of the cleaning part of >10 ps and a time interval t A of >50 ps between the last laser pulse of the first laser pulses and the first laser pulse of the second laser pulses are advantageously set. These parameters achieve optimal results during laser ablation and subsequent analysis.
Die Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens weist einen Laser mit wenigstens einem aktiven Medium und einem Gütemodulator in einem Laserresonator, eine Pumpeinrichtung zum optischen Pumpen des aktiven Mediums und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Pumpeinrichtung und des Gütemodulators auf. Die Steuereinrichtung steuert den Gütemodulator so an, dass durch die Gütemodulation während eines Pumpzyklus ein oder mehrere erste Laserpulse mit ersten Laserpulsdauern und daran anschließend ein oder mehrere zweite Laserpulse mit zweiten Laserpulsdauern erzeugt werden, die kürzer als die ersten Laserpulsdauern sind. Die Laserpulsdauern und Energien der ersten Laserpulse werden dabei so gewählt, dass sich mit ihnen eine Oberflächenschicht eines mit den Laserpulsen bestrahlten Objekts entfernen lässt, während die Laserpulsdauern und Energien der zweiten Laserpulse so gewählt werden, dass mit ihnen unter der Oberflächenschicht freigelegtes Material in den Plasmazustand überführt werden kann.The device for carrying out the proposed method has a laser with at least one active medium and a quality modulator in a laser resonator, a pump device for optically pumping the active medium and a control device for controlling the pump device and the quality modulator. The control device controls the quality modulator in such a way that one or more first laser pulses with first laser pulse durations and then one or more second laser pulses with second laser pulse durations that are shorter than the first laser pulse durations are generated by the quality modulation during a pump cycle. The laser pulse durations and energies of the first laser pulses are chosen so that they can be used to remove a surface layer of an object irradiated with the laser pulses, while the laser pulse durations and energies of the second laser pulses are chosen so that they can transform material exposed under the surface layer into the plasma state can be transferred.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 in schematischer Darstellung die geometrischen Verhältnisse bei der Erzeugung eines laserinduzierten Plasmas; -
2 eine schematische Darstellung der mit dem vorliegenden Verfahren erzeugten ersten und zweiten Laserpulse bzw. Laserpulsgruppen; -
3 ein Beispiel für die mittlere Tiefe und den mittleren Durchmesser eines mit dem Reinigungsteil der Laseremission erzeugten Kraters in Abhängigkeit von der Objektposition; und -
4 ein Beispiel für den Aufbau der vorgeschlagenen Vorrichtung in schematischer Darstellung.
-
1 a schematic representation of the geometric conditions in the generation of a laser-induced plasma; -
2 a schematic representation of the first and second laser pulses or laser pulse groups generated with the present method; -
3 an example of the average depth and diameter of a crater created with the cleaning part of the laser emission depending on the object position; and -
4 an example of the structure of the proposed device in a schematic representation.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of carrying out the invention
Die Emission des entstehenden laserinduzierten Plasmas am Durchstoßungspunkt 6 wird von der Empfangsoptik der Detektoreinheit 9 gesammelt und in ein Spektrometer geführt. Die Detektoreinheit des Spektrometers bestimmt hierbei in einem definierten Zeitfenster die zeitintegrierte Emission der betrachteten Spektrallinien. Für jedes Analytelement wird in Bezug zum anregenden Laserpuls mit Hilfe einer Kalibrierfunktion aus den abschnittsweise zeitlich integrierten Emissionen der betrachteten Spektrallinien die Konzentration des Analyten in der Probe bestimmt. Hierzu ist es bekannt, die Eingangsgröße der Kalibrierfunktion aus dem Verhältnis der Emission einer betrachteten Analytlinie zu der Emission einer Referenzlinie eines dominanten Matrixelements oder zu einer Kombination der Emissionen anderer Spektrallinien bzw. eines für die Gesamtemission des Plasmas repräsentativen Messsignals zu berechnen. Die Laser-Emissionsspektrometrie kann wahlweise mit fester oder mit variabler Brennweite der Fokussieroptik durchgeführt werden.The emission of the resulting laser-induced plasma at the
Beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lässt sich ein derartiger Aufbau ebenfalls für die Laser-Emissionsspektrometrie im Rahmen einer Multi-Element-Analyse einsetzen. Hierbei wird ein Lasersystem mit nur einem Resonator verwendet. Innerhalb der durch die Wiederholrate des Lasers vorgegebenen Periodendauer T werden aus diesem Resonator gütegeschaltete Laserpulsgruppen bzw. Laserbursts emittiert. Die Gesamtemission besteht aus einem Reinigungsteil und einem Analyseteil, die jeweils für sich wiederum aus einer Reihe von Laserpulsen bestehen können. Dies ist in
Die Größen P1 = Ei/ti und P2 = E2/t2 stellen jeweils die mittlere Leistung des Reinigungsteils 10 bzw. des Analyseteils 11 dar. Die mittlere Leistung P1 und die zeitliche Gesamtdauer t1 des Reinigungsteils werden innerhalb der oben aufgeführten Parameter durch einen Parametersatz (p1,...,pw, pw+1,...pz) vorgegeben. Die Parameter p1 bis pw sind abtragsprozess-, geometrie- oder werkstoffspezifisch, pw+1 bis pz dagegen laserspezifisch. Hierzu zählen z.B. die Abtragstiefe pro Laserpulsgruppe, das Aspektverhältnis von Abtragstiefe zu Kraterdurchmesser, die Lage der Strahltaille, Absorptionseigenschaften des jeweiligen Werkstoffs sowie die mittlere Laserleistung, die Bestrahlungsstärke und die Strahldivergenz.The variables P 1 = E i /t i and P 2 = E 2 /t 2 each represent the average power of the cleaning
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass der durch den Ablationsprozess im ersten Teilburst, d.h. mit dem Reinigungsteil, erzeugte Krater eine größere potentielle Wechselwirkungsfläche für die Analyse mit dem zweiten Teilburst, d.h. dem Analyseteil, in der Gesamtlaserpulsgruppe bietet. Während der ersten Pulsgruppe wird nicht nur das unter der Oberflächenschicht befindliche Grundmaterial freigelegt, sondern auch Material aus dem erzeugten Kratervolumen lateral abtransportiert. Durch die Erzeugung eines solchen Kraterkranzes kann die Wechselwirkungsfläche mit repräsentativerem Festkörpermaterial vergrößert werden. Schließlich können die LIBS-Signale des Analyseteils durch die erzeugte Kratergeometrie positiv beeinflusst und verstärkt werden.A further advantage of the method is that the crater created by the ablation process in the first partial burst, i.e. with the cleaning part, offers a larger potential interaction surface for analysis with the second partial burst, i.e. the analysis part, in the overall laser pulse group. During the first pulse group, not only is the base material located beneath the surface layer exposed, but material is also transported laterally from the created crater volume. By creating such a crater ring, the interaction surface with more representative solid material can be increased. Finally, the LIBS signals of the analysis part can be positively influenced and amplified by the generated crater geometry.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung erlauben eine Emissionsspektralanalyse mit laserinduzierten Plasmen an ruhenden und bewegten Messobjekten. Aufgrund der Kombinierbarkeit von Ablations- und Analyselaserpulsgruppen innerhalb eines Laserbursts werden die Vorteile von Laserpulszügen mit denen eines gütegeschalteten O-Switch-Bursts mit Pulsdauern von typischerweise 10 ns vereint. Durch diesen Ansatz ist es möglich, Festkörper, die mit einer Oberflächenschicht überdeckt sind, durch einen Laserstrahl für eine Spektralanalyse des Grundmaterials schneller und effizienter zu durchdringen und anschließend zu analysieren. Das bisher nach dem Stand der Technik eingesetzte Verfahren, mehrere gütegeschaltete Laserpulse zur Oberflächenreinigung und anschließende Analyse zu überlagern, wird insbesondere dadurch verbessert, dass die gesamte für die Materialbearbeitung und -analyse notwendige Laserstrahlung aus einem einzigen Laserresonator emittiert wird. Neben technologischen Vorteilen spiegelt sich dieser Vorteil vor allem auch in niedrigeren Anschaffungs- und Betriebskosten wieder. Desweiteren kann durch das beschriebene Verfahren das Potential der berührungslosen Multi-Element-Laser-Emissionsspektrometrie stärker ausgeschöpft werden, so dass diese Analysemethode im Hinblick auf industrielle Applikationen konkurrenzfähiger wird. Aufgrund einer effizienteren Probenpräparation bei ruhenden und bewegten Messobjekten und einer besseren Durchdringung von Kontaminationsschichten wird eine große Zeitersparnis für die laserspektroskopische Analyse ermöglicht. Im Hinblick auf Sortieranwendungen, die auf der Laser-Emissionsspektrometrie basieren, bedeutet dies in Kombination mit einer optionalen Laserstrahlführungseinheit (Scanner) höhere Identifikationsraten bei gleicher Messrate und damit höhere Durchsätze. Weitere Vorteile hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der LIBS-Analyse ergeben sich aufgrund der potentiellen Vergrößerung der Wechselwirkungsfläche zwischen Laserstrahl und Messobjekt sowie der Verstärkung des laserinduzierten Plasmas aufgrund von Mehrfachreflexionen und der höheren Absorption der Laserstrahlung aufgrund des höheren Einfallswinkels zwischen Propagationsrichtung und lokaler Oberflächenneigung.The proposed method and the proposed device allow emission spectral analysis with laser-induced plasmas on stationary and moving measurement objects. Due to the ability to combine ablation and analysis laser pulse groups within a laser burst, the advantages of laser pulse trains are combined with those of a Q-switched O-switch burst with pulse durations of typically 10 ns. This approach makes it possible to penetrate solid bodies that are covered with a surface layer more quickly and efficiently with a laser beam for spectral analysis of the base material and then analyze them. The method previously used according to the state of the art of superimposing several Q-switched laser pulses for surface cleaning and subsequent analysis is improved in particular in that all of the laser radiation necessary for material processing and analysis is emitted from a single laser resonator. In addition to technological advantages, this advantage is primarily reflected in lower acquisition and operating costs. Furthermore, the described method can make greater use of the potential of non-contact multi-element laser emission spectrometry, making this analysis method more competitive with regard to industrial applications. Due to more efficient sample preparation for stationary and moving measurement objects and better penetration of contamination layers, a large amount of time is saved for laser spectroscopic analysis. With regard to sorting applications based on laser emission spectrometry, in combination with an optional laser beam guidance unit (scanner), this means higher identification rates at the same measurement rate and thus higher throughputs. Further advantages in terms of the performance of LIBS analysis arise due to the potential increase in the interaction area between the laser beam and the measurement object as well as the amplification of the laser-induced plasma due to multiple reflections and the higher absorption of the laser radiation due to the higher angle of incidence between the propagation direction and the local surface inclination.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- FokussieroptikFocusing optics
- 22
- Laserstrahllaser beam
- 33
- PropagationsachsePropagation axis
- 44
- OberflächenelementSurface element
- 55
- Normale des OberflächenelementsNormal of the surface element
- 66
- DurchstoßungspunktPenetration point
- 77
- Projektionprojection
- 88th
- Fokusebenefocal plane
- 99
- DetektoreinheitDetector unit
- 1010
- ReinigungsteilCleaning part
- 1111
- AnalyseteilAnalysis part
- 2121
- linker Resonatorspiegelleft resonator mirror
- 2222
- rechter Resonatorspiegelright resonator mirror
- 2323
- aktives Mediumactive medium
- 2424
- GüteschaltungQ-switching
- 2525
- optische Achseoptical axis
- 2626
- LasernetzteilLaser power supply
- 2727
- Steuer-PCControl PC
- 2828
- MessaufbauMeasurement setup
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-
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