DE102005000840A1 - Elemental analysis of materials by laser emission spectrometry, involves directing laser beam by optical beam-shaping element towards material sample and in material sample, and inducing plasma by laser beam - Google Patents
Elemental analysis of materials by laser emission spectrometry, involves directing laser beam by optical beam-shaping element towards material sample and in material sample, and inducing plasma by laser beam Download PDFInfo
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Abstract
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Elementanalyse von Materialien mittels Laser-Emissionsspektrometrie, bei dem mit einem Laserstrahl ein Plasma in einer Materialprobe angeregt und eine vom Plasma ausgehende optische Emission erfasst und spektral ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Laserquelle zur Emission eines Laserstrahls, einem optischen Strahlformungselement, durch das der Laserstrahl auf ein Messvolumen gerichtet ist, und einer spektral sensitiven Erfassungseinheit zur Erfassung von aus dem Messvolumen austretender optischer Strahlung.The The present invention relates to a method for elemental analysis of materials by laser emission spectrometry, when using a laser beam, a plasma in a material sample excited and detected by the plasma outgoing optical emission and spectrally evaluated. The invention also relates to a Device for carrying out the Method, comprising a laser source for emitting a laser beam, an optical beam-shaping element through which the laser beam directed to a measurement volume, and a spectrally sensitive Detecting unit for detecting emerging from the measuring volume optical radiation.
Die Laser-Emissionsspektrometrie wird zur Analyse fester, flüssiger oder gasförmiger Materialien eingesetzt. Sie ermöglicht die Bestimmung der chemischen Elementzusammensetzung oder den Nachweis bestimmter Elemente im Material nach vorheriger Kalibrierung mit Referenzproben bekannter Zusammensetzung.The Laser emission spectrometry is used for analysis of solid, liquid or gaseous Materials used. It allows the determination of the chemical elemental composition or the detection certain elements in the material after prior calibration with Reference samples of known composition.
Bei der Laser-Emissionsspektrometrie wird ein Laserstrahl in der Regel mit einer Fokussierlinse gebündelt und auf die Materialprobe gerichtet. Im Falle einer Festkörperprobe ablatiert der gebündelte Laserstrahl eine kleine Menge, typischerweise einige ng bis μg, des Probenmaterials und überführt dieses in den Plasmazustand. Die im Plasma angeregten Atome und Moleküle emittieren Strahlung, die sich aus elementspezifischer Linienstrahlung und nicht elementspezifischer Untergrundstrahlung zusammensetzt. Die Plasmastrahlung wird einem Spektrometer zugeführt. Je nach Spektrometer- und Detektortyp werden entweder quasi-kontinuierliche Spektren der Plasmastrahlung aufgezeichnet, wie dies bspw. bei Czerny-Turner-Spektrometern oder Echelle-Spektrometern mit CCD-Detektoren der Fall ist, oder diskrete vorinstallierte Detektoren erfassen die Strahlung von einzelnen für die Analyse herangezogenen Spektral- bzw. Emissionslinien, wie dies bspw. bei Einsatz eines Pasche-Runge-Spektrometers mit Fotomultipliern der Fall ist. Jeder Spektrallinie lässt sich durch Vergleich mit tabellierten Werten ein Strahlungsübergang eines Elements und damit das chemische Element zuordnen, dessen Atome oder Moleküle die detektierte Strahlung emittieren.at The laser emission spectrometry is usually a laser beam bundled with a focusing lens and aimed at the material sample. In the case of a solid sample the bundled laser beam ablates a small amount, typically a few ng to μg, of the sample material and converts it into the plasma state. The atoms and molecules excited in the plasma emit Radiation resulting from element specific line radiation and not element-specific background radiation composed. The Plasma radiation is supplied to a spectrometer. Depending on the spectrometer and detector type are either quasi-continuous spectra of the Plasma radiation recorded, as for example in Czerny-Turner spectrometers or Echelle spectrometers with CCD detectors the case is, or detect discrete pre-installed detectors the radiation of individual for the analysis used spectral or emission lines, as this For example, when using a Pasche-Runge spectrometer with Fotomultipliern the Case is. Each spectral line can be by comparison with tabulated values, a radiation transition of an element and thus to assign the chemical element whose Atoms or molecules emit the detected radiation.
Für die Auswertung wird entweder die Intensität der erfassten Spektrallinie oder das Integral über die Spektrallinie, d. h. die Fläche unter der Spektrallinie, als Maß für die Konzentration des entsprechenden Elementes in der Materialprobe herangezogen. Sofern die Untergrundstrahlung einen wesentlichen Anteil am Signal darstellt, wird dieser Anteil, wenn durch das Spektrometer möglich, separat bestimmt und vom Signal subtrahiert. Zum Ausgleich nicht kontrollierbarer Schwankungen und Fluktuationen des eingesetzten Lasers, des Plasmas und der Detektionsanordnung wird die ermittelte Linienintensität oder das Linienintegral des nachzuweisenden Analyts häufig auf die Linienintensität bzw. das Linienintegral eines sich mit nahezu konstanter Konzentration in der Materialprobe befindlichen Analyts (auch als Referenzanalyt oder interner Standard bezeichnet) bezogen. Schwankungen, die sich proportional auf beide Analytlinien auswirken, haben dann keine Auswirkung auf den Quotienten der beiden Größen, so dass dieser referenzierte Wert ein besseres Maß für die Analytkonzentration darstellt. Dies wird als Referenzierung oder auch als Standardisierung bezeichnet.For the evaluation is either the intensity the detected spectral line or the integral across the spectral line, d. H. the area below the spectral line, as a measure of the concentration of the corresponding element in the material sample. Provided the background radiation is a significant part of the signal, this fraction, if possible through the spectrometer, becomes separate determined and subtracted from the signal. To compensate uncontrollable Fluctuations and fluctuations of the laser used, the plasma and the detection arrangement becomes the detected line intensity or Line integral of the analyte to be detected often on the line intensity or the Line integral of a nearly constant concentration in the material sample of the analyte (also as a reference analyte or internal standard). Fluctuations that are have a proportional effect on both analyte lines, then have no effect on the quotient of the two sizes, so that this referenced value provides a better measure of analyte concentration. This is called referencing or standardization.
Zur Bestimmung der Konzentration eines Elements muss das Verfahren zunächst mit Referenzproben bekannter Zusammensetzung kalibriert werden. Zur Erstellung der Kalibrierkurven werden die Referenzproben gemessen und die Intensität der Elementlinie über der Konzentration aufgetragen. Bei der Messung einer unbekannten Materialprobe kann dann die Konzentration aus der gemessenen Intensität der Elementlinie anhand der Kalibrierkurve ermittelt werden.to Determining the concentration of an element, the procedure must first with Reference samples of known composition are calibrated. to Creation of the calibration curves, the reference samples are measured and the intensity the element line over applied to the concentration. When measuring an unknown Material sample can then be the concentration from the measured intensity of the element line be determined by the calibration curve.
Dieses bekannte Verfahren kann zur Elementanalyse von festen, flüssigen und gasförmigen Materialien einschließlich Aerosolen eingesetzt werden. Bei einer typischen Ausgestaltung wird ein gepulst angeregter und in der Regel auch gütegeschalteter Festkörperlaser eingesetzt, der Laserstrahlung mit einer Energie von typisch 1–1200 mJ bei einem typischen Strahldurchmesser im Bereich von 4–10 mm emittiert. Die Repetitionsrate der mit diesem Festkörperlaser erzeugten Laserpulse liegt bei diesen Laserenergien im Bereich von 1–1000 Hz, die Laserpulsdauer im Bereich von 5–100 ns. In der Standardkonfiguration wird die Laserstrahlung mit einer einzelnen makroskopischen Fokussierlinse auf das Messvolumen gebündelt und die emittierte Plasmastrahlung direkt oder über eine optische Faser zum Spektrometer geführt. Um die gesamte Laserleistung zu erfassen, muss der Linsendurchmesser größer als der Strahldurchmesser des Laserstrahls gewählt werden. Typische Durchmesser der eingesetzten Linsen liegen im Bereich von 10–50 mm. Beispiele für die Laser-Emissionsspektrometrie an Gasen und Aerosolen mit einer derartigen Standardkonfiguration finden sich bspw. in D. K. Ottesen et al., „Real-Time Laser Spark Spectroscopy of Particulates in Combustion Environments", Applied Spectroscopy, Volume 43, Number 6, 1989, Seiten 967–976.This known method can be used for elemental analysis of solid, liquid and gaseous materials including Aerosols are used. In a typical embodiment a pulsed excited and usually Q-switched solid-state laser used, the laser radiation with an energy of typically 1-1200 mJ emitted at a typical beam diameter in the range of 4-10 mm. The repetition rate of the laser pulses generated by this solid-state laser With these laser energies, the laser pulse duration is in the range of 1-1000 Hz in the range of 5-100 ns. In the standard configuration, the laser radiation with a single macroscopic focusing lens focused on the measuring volume and the emitted plasma radiation directly or via an optical fiber for Spectrometer led. To capture the total laser power, the lens diameter must be greater than the beam diameter of the laser beam can be selected. Typical diameter The lenses used are in the range of 10-50 mm. Examples of laser emission spectrometry of gases and aerosols with such a standard configuration are found, for example, in D.K. Ottesen et al., "Real-Time Laser Spark Spectroscopy of Particulates in Combustion Environments ", Applied Spectroscopy, Volume 43, Number 6, 1989, pages 967-976.
Die Größe des Messvolumens ergibt sich aus dem Fokussierbereich der Linse, bei festen, stark absorbierenden Materialproben im Wesentlichen aus dem Fokusdurchmesser. Die Fokusdurchmesser liegen in der Regel im Bereich von 0,01–1 mm.The size of the measuring volume results from the focusing range of the lens, with strong, strong absorbent material samples substantially from the focus diameter. The focus diameters are usually in the range of 0.01-1 mm.
Zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit werden an einem Messort zeitlich nacheinander mehrere Laserpulse eingestrahlt und die Intensitäten der jeweils erfassten Elementlinien gemittelt. Diese Messfolge wird bei festen Proben an z. B. 3–10 Messorten bzw. bei flüssigen oder gasförmigen Proben nach jeweils entsprechend häufigem Austausch des Probenvolumens wiederholt. Der Mittelwert der Messwerte an den 3–10 Messorten wird berechnet und mit dieser mittleren Intensität der Elementlinie die Elementkonzentration aus der Kalibrierkurve ermittelt.to Improvement of the reproducibility become temporally at a measuring place successively irradiated several laser pulses and the intensities of the each detected element lines averaged. This measurement sequence will for solid samples at z. B. 3-10 locations or in liquid or gaseous Samples after respectively frequent replacement of the sample volume repeated. The mean value of the measured values at the 3-10 measuring locations is calculated and with this average intensity of the element line the element concentration determined from the calibration curve.
Bei Festproben mit örtlich ungleichmäßiger Elementverteilung hängt das Analyseergebnis allerdings von der Elementverteilung ab und kann stark schwanken. Die Bestimmung der mittleren Elementzusammensetzung ist dann mit den bekannten Verfahren nur mit einer geringeren Genauigkeit möglich, so dass es mitunter starke Abweichungen von der tatsächlichen mittleren Elementverteilung geben kann. Durch Erhöhung der Anzahl der Messorte ließe sich zwar eine Erhöhung der Genauigkeit erreichen. Allerdings widerspricht dies dem Ziel und Vorteil der Laser-Emissionsspektrometrie bei vielen Anwendungen, bei denen die Analyse möglichst schnell erfolgen soll.at Festivals with local uneven distribution of elements that depends Analysis result, however, depends on the element distribution and can vary greatly. The determination of the average elemental composition is then with the known methods only with a lower accuracy possible, so that there are sometimes strong deviations from the actual can give average element distribution. By increasing the Number of measuring locations could be though an increase reach the accuracy. However, this contradicts the goal and advantage of laser emission spectrometry in many applications, where possible the analysis should be done quickly.
In der Aerosolanalytik ist die Partikeldichte oft so gering, dass sich nur relativ selten ein Aerosolpartikel zum Zeitpunkt des eingestrahlten Laserpulses im Fokussierbereich befindet. Das Messergebnis ist daher auch hier aufgrund des vergleichsweise geringen Fokusvolumens starken Schwankungen unterworfen. Eine Vergrößerung des Fokusdurchmessers ist nur begrenzt möglich, da dadurch die Leistungsdichte im Fokusbereich zu stark abnimmt und keine ausreichende Anregung der Atome im Plasma mehr erfolgt. Eine Erhöhung der Laserenergie erfordert auf der anderen Seite in der Regel Lasersysteme mit größerem Bauvolumen, das für kompakte Analysegeräte und erst recht für mobile Geräte unerwünscht ist.In In aerosol analysis, the particle density is often so low that only relatively rarely an aerosol particle at the time of irradiation Laser pulse is located in the focusing area. The result is therefore here too strong due to the relatively low focus volume Subject to fluctuations. An enlargement of the focus diameter is limited, As a result, the power density in the focus area decreases too much and there is no longer sufficient excitation of the atoms in the plasma. An increase Laser energy on the other hand usually requires laser systems larger volume, that for compact analyzers and certainly for mobile devices undesirable is.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Elementanalyse von Materialien mittels Laser-Emissionsspektrometrie anzugeben, mit denen eine mittlere Elementkonzentration einer Materialprobe schneller und genauer bestimmt werden kann, als dies nach dem genannten Stand der Technik möglich ist.The The object of the present invention is a method and a device for elemental analysis of materials by means of Laser-induced breakdown spectroscopy indicate that a mean element concentration of a material sample faster and can be determined more precisely than this according to the cited state the technology is possible.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The Task is with the method and the device according to claims 1 and 9, respectively solved. Advantageous embodiments of the method and the device are the subject of the dependent claims or can be the following description and the embodiments remove.
Bei dem vorliegenden Verfahren wird in bekannter Weise mit einem Laserstrahl ein Plasma in einer Materialprobe angeregt und eine vom Plasma ausgehende optische Emission erfasst und spektral ausgewertet. Die Erfassung und Auswertung kann dabei in gleicher Weise wie bei den im einleitenden Teil der Beschreibung erläuterten Stand der Technik erfolgen. Beim vorliegenden Verfahren wird der Laserstrahl durch ein optisches Strahlformungselement auf die Materialprobe gerichtet, das auf oder in der Materialprobe eine Verteilung einer Leistungsdichte über einen Strahlquerschnitt des Laserstrahls mit einer Vielzahl von Intensitätsspitzen erzeugt. Die Materialprobe kann dabei ein Festkörper, eine Flüssigkeit oder auch ein Gas mit Aerosolen sein.at the present method is in a known manner with a laser beam a plasma excited in a material sample and one emanating from the plasma recorded optical emission and spectrally evaluated. The capture and evaluation can be done in the same way as in the introductory part explained the description State of the art done. In the present method, the Laser beam through an optical beam shaping element on the material sample directed on or in the material sample a distribution of a Power density over a beam cross section of the laser beam with a plurality of intensity peaks generated. The material sample can be a solid, a liquid or also be a gas with aerosols.
Die Formung des Laserstrahls durch das optische Strahlformungselement, insbesondere ein mikrostrukturiertes – vorzugsweise monolithisches – optisches Element, ermöglicht im Fall einer festen oder flüssigen Probe die Erfassung eines größeren Bereichs der Probenoberfläche bzw. im Fall der Aerosolanalytik die Erfassung eines größeren Probenvolumens. Dies wird durch die Leistungsdichteverteilung mit einer Vielzahl von Intensitätsspitzen über dem Strahlquerschnitt erreicht, wobei in jeder der Intensitätsspitzen eine für die Plasmaanregung ausreichende Leistungsdichte vorliegt.The Shaping of the laser beam by the optical beam shaping element, in particular a microstructured - preferably monolithic - optical Element, enabled in the case of a solid or liquid Probe the detection of a larger area the sample surface or in the case of aerosol analysis, the detection of a larger sample volume. This is done by the power density distribution with a variety of intensity peaks above the Beam cross section achieved, wherein in each of the intensity peaks one for the plasma excitation is sufficient power density.
Im Gegensatz zur bekannten Bündelung des Laserstrahls mit einer makroskopischen Fokussierlinse, bei der das angeregte Plasmavolumen auf den Fokusbereich beschränkt ist, lässt sich mit dem vorliegenden Strahlformungselement ein wesentlich größerer Bereich anregen. Das erzeugte Plasma erstreckt sich aufgrund der eng beieinander liegenden Intensitätsspitzen über den gesamten Strahlquerschnitt, so dass die emittierte optische Strahlung einen Mittelwert über diesen Bereich darstellt. Durch das deutlich größere laser-ablatierte Probenvolumen im Falle einer Festkörperprobe bzw. das größere plasmaangeregte Probenvolumen im Falle einer Flüssigkeit oder eines Aerosole beinhaltenden Gases lässt sich damit bei gleicher Messzeit zuverlässiger ein repräsentativer Analysenwert für die örtlich gemittelte chemische Elementzusammensetzung ermitteln. Im Vergleich zu bekannten Verfahren der Laser-Emissionsspektrometrie, die die Probe abrastern und anschließend einen Mittelwert berechnen, ermöglicht das vorgeschlagene Messverfahren kürzere Messzeiten und ist einfacher aufzubauen. Weiterhin können Laser mit relativ geringer Repetitionsrate eingesetzt werden. Auch dies ermöglicht einen einfacheren Aufbau mobiler Geräte.In contrast to the known bundling of the laser beam with a macroscopic focusing lens, in which the excited plasma volume is limited to the focus area, a much larger area can be excited with the present beam-shaping element. The generated plasma extends over the entire beam cross-section due to the closely spaced intensity peaks, so that the emitted optical radiation represents an average over this range. As a result of the significantly larger laser-ablated sample volume in the case of a solid sample or the larger plasma-stimulated sample volume in the case of a liquid or aerosol-containing gas, a representative analysis value for the locally averaged chemical element composition can be more reliably determined with the same measuring time. Compared to known methods of laser emission spectrometry, which scan the sample and then calculate an average value, the proposed measurement method allows shorter ones Measuring times and is easier to build. Furthermore, lasers with a relatively low repetition rate can be used. This also allows a simpler design of mobile devices.
Durch die mit dem Strahlformungselement erhaltene Verteilung der Leistungsdichte wird eine annähernd scheibenförmige Ausdehnung des Plasmas erreicht. Daraus resultieren weitere Vorteile wie eine effizientere Plasmaanregung durch geringere Wärme- und Strahlungsverluste des Plasmas sowie eine Strukturierung des sich scheibenförmig ausbildenden Plasmas mit Öffnungen zur Abströmung von Materialdampf. Die scheibenförmige Plasmaausbildung ist aufgrund der im Querschnitt länglichen Geometrie im Gegensatz zur kuppelförmigen Plasmaausbildung beim Stand der Technik günstiger für die Abbildung der Plasmastrahlung auf den Eintrittsspalt eines Spektrometers. Damit kann die Plasmastrahlung effizienter in das Spektrometer eingekoppelt werden.By the power density distribution obtained with the beam-shaping element will be an approximate discoid Expansion of the plasma reached. This results in further advantages as a more efficient plasma excitation by lower heat and Radiation losses of the plasma and a structuring of itself disc-shaped forming plasma with openings to the outflow of material vapor. The disc-shaped Plasma formation is due to the elongated in cross section Geometry in contrast to the dome - shaped plasma formation in the State of the art cheaper for the Illustration of the plasma radiation on the entrance slit of a spectrometer. This allows the plasma radiation to be more efficiently coupled into the spectrometer become.
Die vorliegende Vorrichtung umfasst in bekannter Weise eine Laserquelle zur Emission eines Laserstrahls, der, ggf. über ein oder mehrere Strahlablenkelemente, auf ein Messvolumen gerichtet ist, sowie eine spektral sensititve Erfassungseinheit, bspw. ein Spektrometer, zur Erfassung von aus dem Messvolumen austretender optischer Strahlung. Der Laserstrahl ist bei der vorliegenden Vorrichtung durch ein Strahlformungselement auf das Messvolumen gerichtet, das so ausgebildet ist, dass es im Messvolumen eine Verteilung der Leistungsdichte über einen Strahlquerschnitt des Laserstrahls mit einer Vielzahl von Intensitätsspitzen erzeugt. Unter Intensitätsspitzen sind hierbei selbstverständlich auch im Maximum abgeflachte Strukturen zu verstehen.The The present device comprises a laser source in a known manner for emitting a laser beam which, if necessary via one or more beam deflection elements, directed to a measurement volume, as well as a spectral sensititve Detection unit, for example. A spectrometer, for the detection of the measuring volume exiting optical radiation. The laser beam is in the present device by a beam-shaping element directed to the measuring volume, which is designed to be in the measuring volume a distribution of power density across a beam cross section of the laser beam is generated with a plurality of intensity peaks. Under intensity peaks are a matter of course also to understand in the maximum flattened structures.
Das Verfahren und die vorliegende Vorrichtung weisen besondere Vorteile bei Anwendungen auf, in denen die Elementverteilung in der zu analysierenden Materialprobe nicht gleichmäßig ist und ein repräsentativer Mittelwert der Elementzusammensetzung der Materialprobe möglichst schnell und mit geringem apparativen Aufwand bestimmt werden soll. Typische Dimensionen von Festproben liegen im Bereich von 10–100 mm. Anwendungsbeispiele sind die Analytik von Schlacken- und Metallproben in der Metallerzeugung, die Analytik in der Glas- und Keramikherstellung oder die direkte Aerosolanalytik.The Methods and the present device have particular advantages in applications where the element distribution in the analyzed Material sample is not uniform and a more representative Average of the elemental composition of the material sample as possible should be determined quickly and with little equipment. Typical dimensions of solid samples are in the range of 10-100 mm. Application examples are the analysis of slag and metal samples in metal production, analytics in glass and ceramic production or direct aerosol analysis.
So werden z. B. in der Metallerzeugung während der Produktion Schlacken- und Metallproben entnommen, um die Zusammensetzung der Zwischen- und Endprodukte zu überprüfen. In der Stahlherstellung ist der flüssige Stahl oft mit einer Schlackenschicht bedeckt. Die Zusammensetzung der Schlacke ist ein wichtiger Indikator für den Prozessablauf. Zur Kontrolle wird daher mit einer Sonde eine Probe gezogen und nach der Erstarrung analysiert. Die Probenentnahme führt zu Schlackeproben, die eine mitunter stark ungleichmäßige Elementverteilung aufweisen. Eine schnelle Analyse gemäß dem vorliegenden Verfahren ermöglicht noch eine Korrektur etwaiger Abweichungen im Prozessablauf.So be z. In metal production during production slag and metal samples to determine the composition of the intermediate and final products. In steelmaking is the liquid one Steel often covered with a layer of slag. The composition slag is an important indicator of the process. For control Therefore, a sample is taken with a probe and after solidification analyzed. The sampling leads to slag samples, which sometimes has a very uneven distribution of elements exhibit. A quick analysis according to the present method allows still a correction of any deviations in the process flow.
In der Aerosolanalytik kann mit dem vorliegenden Verfahren eine direkte Analyse der Aerosolpartikel und der Gaszusammensetzung erfolgen. Das Verfahren kann in der Luft- oder Abgasüberwachung sowie in der allgemeinen Gasanalytik eingesetzt werden, um die Elementzusammensetzung zu bestimmen. Analoges gilt für Schwebstoffe in einer Flüssigkeit. Der Einsatz des vorliegenden Verfahrens bietet sich sowohl in stationären Analysegeräten, in denen die Proben zum Gerät gebracht werden, als auch in mobilen Geräten zur Vorort-Messung an.In The aerosol analysis can with the present method a direct Analysis of the aerosol particles and the gas composition take place. The method can be used in air or exhaust gas monitoring as well as in general Gas analysis can be used to increase the elemental composition determine. The same applies to Suspended matter in a liquid. The use of the present method is useful both in stationary analyzers, in which the samples to the device as well as in mobile devices for on-site measurement.
Das beim vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung eingesetzte Strahlformungselement ist vorzugsweise ein refraktives oder diffraktives optisches Element. Es kann bspw. als Mikrolinsenarray oder auch als Lochblendenarray mit eng beieinander liegenden Aperturen ausgebildet sein. Beispiele für ein derartiges optisches Strahlformungselement können den nachfolgenden Ausführungsbeispielen entnommen werden. Sowohl die Laserquelle als auch die spektral selektive Erfassungseinheit können beim vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung in gleicher weise realisiert werden, wie dies aus dem Stand der Technik zur Laser-Emissionsspektrometrie bekannt ist. Das gilt mit Ausnahme des vorliegenden Strahlformungselementes auch für die Strahlführung des Laserstrahls sowie der optischen Emission des erzeugten Plasmas. Auch hierfür finden sich nachfolgend Beispiele.The used in the present method and apparatus Beam-shaping element is preferably a refractive or diffractive optical element. It may, for example, as a microlens array or else be designed as a pinhole array with closely spaced apertures. examples for Such an optical beam-shaping element can be used in the following exemplary embodiments be removed. Both the laser source and the spectrally selective Capture unit can in the present method and the associated device in the same be realized, as is known from the prior art Laser emission spectrometry is known. This applies with the exception the present beam-shaping element also for the beam guidance of Laser beam and the optical emission of the generated plasma. Also therefor you will find examples below.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of drawings
Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The present methods as well as the associated device are hereafter without restriction of the claims predetermined protection range based on embodiments in combination closer with the drawings explained. Hereby show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention
Über einen
bedarfsweise eingefügten
Umlenkspiegel
Die
emittierte Plasmastrahlung
In
einer alternativen Ausführungsform,
die in
Die
Formung des Laserstrahls
Neben
dieser Ausführungsform
als refraktives Mikrolinsenarray ist eine alternative Ausführungsform
des Strahlformungselementes
Eine
weitere Ausführungsform
für das
Strahlformungselement
Alternativ kommen auch bekannte diffraktive mikrostrukturierte optische Elemente in Frage, die lithographisch erzeugte Strukturen enthalten, um die gewünschte Intensitätsverteilung zur generieren.alternative Also known diffractive microstructured optical elements come in question, which contain lithographically generated structures to the desired intensity distribution to generate.
Eine
weitere Ausführungsform
des Strahlformungselementes
Typische
Strukturdurchmesser dl des mikrostrukturierten
optischen Strahlformungselements sind 0,1 bis 3 mm. Dies entspricht
zum Beispiel dem Durchmesser dl der Mikrolinsen
im Fall eines refraktiven Mikrolinsenarrays, siehe
In einem anderen Zahlenbeispiel mit einem Strahldurchmesser d2 = 10 mm und einem Linsendurchmesser d1 = 0,4 mm werden etwa 490 Linsen bestrahlt und tragen zur Strahlformung bei.In another numerical example with a beam diameter d 2 = 10 mm and a lens diameter d 1 = 0.4 mm, about 490 lenses are irradiated and contribute to the beam shaping.
Im Fall der Lochmaske oder eines Kapillararrays sind Loch- bzw. Kapillardurchmesser im Bereich 0,001 bis 1 mm vorteilhaft.in the Case of the shadow mask or a capillary array are hole or capillary diameter in the range 0.001 to 1 mm advantageous.
Das
Plasma
Eine
weitere Möglichkeit
der zusätzlichen Laserablation
und örtlichen
Mittelung ist der kontinuierliche Vorschub bzw. die kontinuierliche
Rotation der Probe
- 11
- Laserlaser
- 22
- Laserstrahllaser beam
- 33
- Aufweitungsoptikexpansion optics
- 44
- Laserstrahl mit vergrößertem Querschnittlaser beam with enlarged cross-section
- 55
- Umlenkspiegeldeflecting
- 66
- optisches Strahlformungselementoptical Beam shaping element
- 77
- umgeformter Laserstrahlreshaped laser beam
- 88th
- Plasmaplasma
- 99
- Materialprobematerial sample
- 1010
- Abbildungsoptikimaging optics
- 1111
- Spektrometerspectrometer
- 1212
- Steuerleitungencontrol lines
- 1313
- Steuer- und AuswerteeinheitTax- and evaluation unit
- 1414
- Plasmastrahlungplasma radiation
- 1515
- Analysatoranalyzer
- 1616
- bestrahlter bzw. ablatierter Bereichirradiated or ablated area
- 16'16 '
- Messbereich gemäß Stand der Technikmeasuring range as per stand of the technique
- 1717
- Abbildungsoptikimaging optics
- 1818
- Abbildungsoptikimaging optics
- 1919
- in Rückrichtung emittierte Plasmastrahlungin reverse direction emitted plasma radiation
- 2020
- Mikrolinsemicrolens
- 2121
- Planarlinseplanar lens
- 2222
- Loch einer Lochmaskehole a shadow mask
- 2323
- Kapillarecapillary
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