DE102005000840B4 - Method and device for elemental analysis by laser emission spectrometry - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Elementanalyse von Materialien mittels Laser-Emissionsspektrometrie, bei dem mit einem Laserstrahl (2, 4, 7) ein Plasma (8) in einer Materialprobe (9) angeregt und eine vom Plasma (8) ausgehende optische Emission (14, 19) erfasst und spektral ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2, 4, 7) durch ein optisches Strahlformungselement (6) auf die Materialprobe (9) gerichtet wird, das auf oder in der Materialprobe (9) eine Verteilung einer Leistungsdichte über einen Strahlquerschnitt des Laserstrahls (7) mit einer Vielzahl von Intensitätsspitzen erzeugt.method for elemental analysis of materials by laser emission spectrometry, in which with a laser beam (2, 4, 7) a plasma (8) in one Material sample (9) excited and one of the plasma (8) outgoing optical Emission (14, 19) is detected and spectrally evaluated, thereby characterized in that the laser beam (2, 4, 7) by an optical Beam shaping element (6) is directed to the material sample (9), on or in the material sample (9), a distribution of power density over one Beam cross section of the laser beam (7) with a plurality of intensity peaks generated.

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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.

Stand der TechnikState of the art

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 on the measurement volume bundled 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 for the Laser emission spectrometry of gases and aerosols with such Standard configuration can be 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 at 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 becomes 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 DE 694 28 328 T2 beschreibt ein Verfahren zur Elementaranalyse durch optische Emissionsspektroskopie in einem durch Laser in Anwesenheit von Argon erweckten Plasma (LIBS-Verfahren). Bei diesem Verfahren wird mit einem Laserstrahl ein Plasma in einer Materialprobe angeregt und eine vom Plasma ausgehende optische Emission erfasst und spektral ausgewertet.The DE 694 28 328 T2 describes a method for elemental analysis by optical emission spectroscopy in a plasma excited by laser in the presence of argon (LIBS method). In this method, a plasma is excited in a material sample with a laser beam and an optical emission emanating from the plasma is detected and evaluated spectrally.

Die DE 196 53 413 A1 beschreibt ein Rastermikroskop, bei der eine Probe in mehreren Probenpunkten gleichzeitig optisch angeregt wird. Hierzu wird ein Laserstrahl durch mehrere nebeneinander angeordnete Mikrolinsen in mehrere Teilstrahlen aufgespaltet, um Fluoreszenzlichtmessungen an festen oder flüssigen Proben mit dem Rastermikroskop durchzuführen. Die Probe wird dabei ortsaufgelöst abgerastert, um ein möglichst hoch aufgelöstes 2D-Bild zu erhalten.The DE 196 53 413 A1 describes a scanning microscope in which a sample is optically excited in several sample points simultaneously. For this purpose, a laser beam is split into several sub-beams by a plurality of juxtaposed microlenses to perform fluorescence light measurements on solid or liquid samples with the scanning microscope. The sample is scanned spatially resolved in order to obtain a high-resolution 2D image.

Die DE 101 26 083 A1 befasst sich mit der Verwendung von optischen Diffraktionselementen in Nachweisverfahren. Sie beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung von lumineszierenden Molekülen durch optische Anregung in konfokalen Messvolumina unter Verwendung eines diffraktiven optischen Elements. Mit diesem diffraktiven optischen Element wird das hindurch tretende Licht in multiple Foki aufgespaltet. Das Verfahren eignet sich besonders zur Einzelmolekülbestimmung, beispielsweise durch Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie oder durch dynamische Lichtstreuung.The DE 101 26 083 A1 deals with the use of optical diffraction elements in detection methods. It describes a method for the determination of luminescent molecules by optical excitation in confocal measurement volumes using a diffractive optical element. With this diffractive optical element, the light passing through is split into multiple foci. The method is particularly suitable for single molecule determination, for example by fluorescence correlation spectroscopy or by dynamic light scattering.

Die DE 100 50 540 A1 beschreibt ein Verfahren zur flächigen Anregung von Strahlungsemission in einer Ebene, bei der mehrere gepulste Laserstrahlen mit einer Fokussiereinrichtung in ein Objekt fokussiert werden und in ihren Fokalvolumina durch nichtlineare Effekte Strahlungsemission anregen. Zur Vermeidung von Interferenzen zwischen den einzelnen Strahlen durchlaufen die Strahlen das Objekt mit einer geringen Zeitverzögerung.The DE 100 50 540 A1 describes a method for the planar excitation of radiation emission in a plane in which a plurality of pulsed laser beams are focused with a focusing device into an object and excite radiation emission in their focal volumes by non-linear effects. To avoid interference between the individual beams, the beams pass through the object with a small time delay.

Die DE 38 20 862 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontaktlosen Untersuchung von Oberflächen und inneren Strukturen eines festen Prüfkörpers. Hierzu wird gegen den Prüfkörper ein Einzelpuls eines gebündelten Laserstrahls gerichtet und die Wirkung der dabei örtlich und seitlich induzierten Prüfkörpertemperatur als vom Körper ausgehende Infrarotstrahlung gemessen. Der Einzelimpuls des Laserstrahls wird dabei in eine Vielzahl von Teilstrahlen zerlegt, deren gleichzeitig auf den Prüfkörper geworfene Abbildungen in einem Feld oder einer Linie zusammengefasst sind, mit dem der Prüfkörper abgetastet wird.The DE 38 20 862 A1 describes a method and apparatus for contactless inspection of surfaces and internal structures of a solid specimen. For this purpose, a single pulse of a collimated laser beam is directed against the specimen and measured the effect of locally and laterally induced specimen temperature as emanating from the body infrared radiation. The single pulse of the laser beam is thereby decomposed into a plurality of sub-beams, whose simultaneously thrown on the specimen figures are summarized in a field or a line with which the specimen is scanned.

Die DE 199 04 592 A1 beschreibt eine optische Vorrichtung, insbesondere eines Rastermikroskops, die einen Laser sowie mindestens eine optische Anordnung zur Teilung des Laserstrahls in Teilstrahlen aufweist, die aus einem oder mehreren teildurchlässigen Spiegeln und mindestens einem hochreflektierenden Spiegel aufgebaut ist.The DE 199 04 592 A1 describes an optical device, in particular a scanning microscope, which has a laser and at least one optical arrangement for dividing the laser beam into partial beams, which is constructed from one or more semipermeable mirrors and at least one highly reflecting mirror.

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 object of the present invention is to provide a method and a device for elemental analysis of materials by means of laser emission spectrometry, with which a mean element concentration of a material sample can be determined faster and more accurately than is possible according to the cited prior art is.

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 the Contrary to the known bundling of the laser beam with a macroscopic focusing lens, in which the excited plasma volume is restricted to the focus area, let yourself with the present beam-forming a much larger area stimulate. The generated plasma extends due to the close proximity lying intensity peaks on the entire beam cross-section, so that the emitted optical radiation an average over represents this area. Due to the significantly larger laser-ablated sample volume in the Case of a solid sample or the larger plasma-excited Sample volume in the case of a liquid or an aerosol-containing gas can thus be the same Measuring time more reliable a representative Analytical value for the locally averaged Determine chemical element composition. Compared to known ones Method of laser emission spectrometry, which scan the sample and then calculate an average, allows the proposed measurement method has shorter measurement times and is easier build. Furthermore you can Lasers are used with relatively low repetition rate. Also this makes possible a simpler structure 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. applications are the analysis of slag and metal samples in metal production, the analytics in the glass and ceramic production or the direct Aerosol analytics.

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 z. For example, in metal production during production slag and metal samples are taken to check the composition of the intermediate and final products. In steelmaking, the liquid steel is often covered with a layer of slag. The composition of the slag is an important indicator of the process. To control, therefore, with a probe a Sample drawn and analyzed after solidification. The sampling leads to slag samples, which have a sometimes very uneven distribution of elements. A quick analysis according to the present method still allows 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 Manner 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 ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The present methods and the associated device are described below of exemplary embodiments explained in more detail in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 ein erstes Beispiel für den Aufbau einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; 1 a first example of the construction of a device according to the present invention;

2 ein zweites Beispiel für den Aufbau einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; 2 a second example of the construction of a device according to the present invention;

3 zwei Beispiele für die Ausgestaltung des optischen Strahlformungselementes; 3 two examples of the design of the optical beam-shaping element;

4 ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung des Strahlformungselementes; 4 another example of the design of the beam-shaping element;

5 ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung des Strahlformungselementes; 5 another example of the design of the beam-shaping element;

6 ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung des Strahlformungselementes; 6 another example of the design of the beam-shaping element;

7 ein Beispiel für den nach Durchgang durch das Strahlformungselement bestrahlten Bereich einer Probenoberfläche in Seitenansicht und Draufsicht; 7 an example of the area of a sample surface irradiated after passage through the beam-shaping element in side view and top view;

8 ein Beispiel für Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls vor dem Strahlformungselement und auf der Probenoberfläche sowie die durch die Bestrahlung resultiertende Struktur der Probenoberfläche im Querschnitt; 8th an example of power density distribution of the laser beam in front of the beam-shaping element and on the sample surface and the structure of the sample surface resulting from the irradiation in cross-section;

9 Beispiele für ablatierte Bereiche der Oberfläche einer Festprobe in Draufsicht; und 9 Examples of ablated areas of the surface of a solid sample in plan view; and

10 ein weiteres Beispiel für den Aufbau einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. 10 another example of the construction of a device according to the present invention.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

1 zeigt ein erstes Beispiel für den schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Laser 1 emittiert einen Laserstrahl 2 mit einem Strahldurchmesser dl. Bei diesem Laser 1 kann es sich z. B. um einen gepulsten, gütegeschalteten Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder einer Wellenlänge von 532 nm, 355 nm oder 266 nm nach Frequenzvervielfachung handeln. Das Strahlprofil, d. h. die Leistungsdichteverteilung über den Querschnitt des Laserstrahls, ist in der Regel gaußförmig oder tophat-förmig. Im Fall eines Multimode-Lasers ist das Strahlprofil bereits nahezu tophat-förmig. Für Laser mit gaußförmigem Strahlprofil kann bei Bedarf das Profil durch eine zusätzliche Optik in ein Tophat-Profil transformiert werden. Mit einer bedarfsweise eingefügten Aufweitungsoptik 3 (oder einer Verkleinerungsoptik) kann der Laserstrahl 2 auf einen Laserstrahl 4 mit einem Durchmesser d2 aufgeweitet (bzw. verkleinert) werden. 1 shows a first example of the schematic structure of an apparatus according to the present invention. A laser 1 emits a laser beam 2 with a beam diameter d l . In this laser 1 can it be z. Example, to a pulsed, Q-switched Nd: YAG laser with a wavelength of 1064 nm or a wavelength of 532 nm, 355 nm or 266 nm after frequency trading act. The beam profile, ie the power density distribution over the cross section of the laser beam, is usually Gaussian or tophat-shaped. In the case of a multimode laser, the beam profile is already nearly tophat-shaped. For lasers with a Gaussian beam profile, the profile can be transformed into a tophat profile by additional optics if required. With an expansion optics inserted as needed 3 (or a reduction optics), the laser beam 2 on a laser beam 4 be widened (or reduced) with a diameter d 2 .

Über einen bedarfsweise eingefügten Umlenkspiegel 5 wird der Laserstrahl 4 auf das monolithische, mikrostrukturierte optische Strahlformungselement 6 eingestrahlt. Beim Durchtritt durch dieses Strahlformungselement 6 wird der Laserstrahl 4 in einen Laserstrahl 7 mit geänderter Leistungsdichteverteilung über den Strahlquerschnitt umgeformt. Der Laserstrahl 7 erzeugt an der Oberfläche der Materialprobe 9 ein Plasma 8 für die Laser-Emissionsspektrometrie. In 1 ist schematisch eine feste oder flüssige Materialprobe 9 dargestellt. In der Aerosolanalytik wird das Plasma in der Gasatmosphäre mit den Aerosolpartikeln erzeugt.About a if necessary inserted deflecting mirror 5 becomes the laser beam 4 to the monolithic, microstructured optical beam shaping element 6 irradiated. When passing through this beam-shaping element 6 becomes the laser beam 4 in a laser beam 7 Formed with modified power density distribution across the beam cross section. The laser beam 7 generated at the surface of the material sample 9 a plasma 8th for laser emission spectrometry. In 1 is schematically a solid or liquid material sample 9 shown. In aerosol analysis, the plasma is generated in the gas atmosphere with the aerosol particles.

Die emittierte Plasmastrahlung 14 wird direkt oder über eine bedarfsweise eingesetzte Abbildungsoptik 10, die im einfachsten Fall aus einer Linse oder einem Spiegel besteht, in ein Spektrometer 11 eingekoppelt. Die vom Spektrometer 11 registrierten Spektren bzw. die spektralen Signale der Spektrometerdetektoren werden mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 13 ausgewertet. Die Steuer- und Auswerteeinheit 13 umfasst auch eine Elektronikeinheit, die über die Steuerleitungen 12 die zeitliche Steuerung von Laser 1 und Spektrometer 11 übernimmt. Bedarfsweise kann im Fall einer festen oder flüssigen Materialprobe 9 auch eine Analyse der vom Laserstrahl 7 ablatierten Probenpartikel in einem Analysator 15, z. B. einem Massenspektrometer, insbesondere einem Time-of-Flight-Spektrometer (TOF), erfolgen.The emitted plasma radiation 14 is directly or via an image-applied optics as needed 10 that in the simplest case of a lens or a mirror, into a spectrometer 11 coupled. The from the spectrometer 11 Registered spectra and the spectral signals of the spectrometer detectors are with a control and evaluation 13 evaluated. The control and evaluation unit 13 Also includes an electronics unit, via the control lines 12 the timing of laser 1 and spectrometer 11 takes over. If necessary, in the case of a solid or liquid material sample 9 also an analysis of the laser beam 7 ablated sample particles in an analyzer 15 , z. As a mass spectrometer, in particular a time-of-flight spectrometer (TOF), take place.

In einer alternativen Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, kann der durch das mikrostrukturierte optische Strahlformungselement 6 geformte Laserstrahl 7 zusätzlich durch eine makroskopische Abbildungsoptik 18 abgebildet werden, um die Strahl verteilung auf der Materialprobe 9 insgesamt zu vergrößern oder verkleinern.In an alternative embodiment, the in 2 can be represented by the microstructured optical beam shaping element 6 shaped laser beam 7 additionally by a macroscopic imaging optics 18 be imaged to the beam distribution on the material sample 9 overall to enlarge or reduce.

Die Formung des Laserstrahls 2/4 durch ein monolithisches mikrostrukturiertes optisches Strahlformungselement 6 ermöglicht im Fall einer festen oder flüssigen Materialprobe 9 die Erfassung eines größeren Bereichs der Probenoberfläche bzw. im Fall der Aerosolanalytik die Erfassung eines größeren Probenvolumens.The shaping of the laser beam 2/4 by a monolithic microstructured optical beam shaping element 6 allows in case of a solid or liquid material sample 9 the detection of a larger area of the sample surface or, in the case of aerosol analysis, the acquisition of a larger sample volume.

3 zeigt eine mögliche Ausführungsform des mikrostrukturierten optischen Strahlformungselements 6 als refraktives Mikrolinsenarray. 3a zeigt einen Querschnitt und die 3b und 3c zeigen eine Aufsicht aus Blickrichtung A (siehe 3a) auf das Mikrolinsenarray. In 3b ist eine rechteckförmige und in 3c eine hexagonale Anordnung der runden Mikrolinsen 20 gezeigt. Möglich sind auch Mikrolinsen mit hexagonalem Umfang, die eine noch dichtere Packung der Linsen ermöglichen. Die Brennweite der Mikrolinsen 20 liegt vorteilhafterweise im Bereich 5 bis 50 mm, wenn keine weitere Abbildung vorgenommen wird. Wenn eine weitere Abbildung gemäß der Ausgestaltung der 2 vorgenommen wird, sind auch kürzere oder längere Brennweiten möglich. 3 shows a possible embodiment of the microstructured optical beam shaping element 6 as a refractive microlens array. 3a shows a cross section and the 3b and 3c show a plan view from the direction A (see 3a ) on the microlens array. In 3b is a rectangular and in 3c a hexagonal arrangement of the round microlenses 20 shown. Also possible are microlenses with hexagonal circumference, which allow an even denser packing of the lenses. The focal length of the microlenses 20 is advantageously in the range 5 to 50 mm, if no further mapping is made. If another illustration according to the embodiment of 2 is made, shorter or longer focal lengths are possible.

Neben dieser Ausführungsform als refraktives Mikrolinsenarray ist eine alternative Ausführungsform des Strahlformungselementes 6 ein Planarlinsenarray, das durch Ionenaustausch im Glas strukturiert ist und durch den erzeugten Brechungsgradienten (im Englischen auch: graded-index lens, GRIN lens) eine Fokussierung erzielt. 4 zeigt ein derartiges Array aus Planarlinsen 21.In addition to this embodiment as a refractive microlens array is an alternative embodiment of the beam-shaping element 6 a planarlinsenarray, which is structured by ion exchange in the glass and by the generated refractive gradients (in English: graded-index lens, GRIN lens) achieved a focus. 4 shows such an array of planar lenses 21 ,

Eine weitere Ausführungsform für das Strahlformungselement 6 ist ein diffraktives mikrostrukturiertes optisches Element. Dieses kann beispielsweise als Lochmaske mit dem Lochdurchmesser dl und dem Lochabstand da ausgebildet sein (vgl. 5), deren Löcher 22 so eng benachbart sind, dass sich die Beugungsfelder der einzelnen Löcher 22 zum Gesamtstrahl überlappen, der die vorliegende Leistungsdichteverteilung aufweist.Another embodiment for the beam-shaping element 6 is a diffractive microstructured optical element. This can for example be formed as a shadow mask with the hole diameter d l and the hole spacing there (see. 5 ), whose holes 22 are so closely adjacent that the diffraction fields of the individual holes 22 overlap to the total beam having the present power density distribution.

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 6 ist ein Kapillararray mit einem Kapillardurchmesser dl, einem Abstand da der Kapillaren 23 und einer Länge lKA, siehe 6. Alternativ zum Kapillararray kann das Strahlformungselement auch durch ein Faserbündel gebildet sein. Die Kapillaren 23 bzw. Fasern müssen auch hier so eng benachbart sein, dass sich die Beugungsfelder der einzelnen Kapillaren 23 bzw. Fasern zum Gesamtstrahl überlappen, der die vorliegende Leistungsdichteverteilung aufweist. Zusätzlich kann eine weitere Abbildung durch eine Abbildungsoptik 18 wie in 2 erfolgen.Another embodiment of the beam-shaping element 6 is a capillary array with a capillary diameter d l , a distance d a of the capillaries 23 and a length l KA , see 6 , As an alternative to the capillary array, the beam-shaping element can also be formed by a fiber bundle. The capillaries 23 Here, too, fibers must be so closely adjacent that the diffraction fields of the individual capillaries 23 or overlap fibers to the total beam having the present power density distribution. In addition, a further imaging by an imaging optics 18 as in 2 respectively.

7a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 mit dem mikrostrukturierten optischen Strahlfomungselement 6, hier in der Ausführungsform eines refraktiven Mikrolinsenarrays, dem umgeformten Laserstrahl 7, dem Plasma 8 und einer festen Materialprobe 9. Die Aufsicht aus Richtung A auf die Materialprobe 9 in 7b zeigt, dass der Bereich 16 der Probe bestrahlt wird. Im Fall eines runden Laserstrahlquerschnitts ist dies ein kreisförmiger Bereich mit einem Durchmesser d3 = x2 – X1, wobei x1 und x2 die Begrenzung des Laserstrahls in x-Richtung bezeichnen. 7a shows an enlarged section 1 with the microstructured optical Strahlfomungselement 6 here in the embodiment of a refractive microlens array, the reshaped laser beam 7 , the plasma 8th and a solid material sample 9 , The supervision from direction A on the material sample 9 in 7b shows that the area 16 the sample is irradiated. In the case of a round laser beam cross section, this is a circular area with a diameter d 3 = x 2 -X 1 , where x 1 and x 2 denote the boundary of the laser beam in the x direction.

8a zeigt einen Schnitt entlang B (siehe 7a) durch das Strahlprofil vor der Strahlformung durch das mikrostrukturierte optische Strahlfomungselement 6. Dargestellt ist die Situation mit einem idealen tophatförmigen Laserstrahlprofil. Der Strahldurchmesser beträgt d2 = x2' – x1'. Die Intensität I2 ist zu gering, um eine ausreichende Plasmaanregung des Probenmaterials zu erzielen. 8a shows a section along B (see 7a ) by the beam profile prior to beam shaping by the microstructured optical beam shaping element 6 , Shown is the situation with an ideal tophat shaped laser beam profile. The beam diameter is d 2 = x 2 '- x 1 '. The intensity I 2 is too low to achieve sufficient plasma excitation of the sample material.

8b zeigt einen Schnitt entlang C (siehe 7a) durch das Strahlprofil nach der Strahlformung durch das mikrostrukturierte optische Strahlfomungselement 6. Das Bild zeigt die Laserintensität bzw. die örtliche Bestrahlungsstärke der Probe. Die Maximalintensität I3 ist deutlich erhöht gegenüber dem Wert I2 in 8a. Die Minimalintensität I1 ist deutlich geringer als I3, jedoch durch Beugungseffekte und Lücken des mikrostrukturierten optischen Strahlformungselements 6 von endlicher Größe. Dies sorgt für eine Grundanregung des Materials, so dass ein besserer Startprozess für das Plasma besteht. Durch diese Strukturierung des laserinduzierten Plasmas wird neben der örtlichen Mittelung eine effizientere Anregung erzielt, da die relativen Wärme- und Strahlungsverluste des Plasmas an die Umgebung geringer sind als im Fall eines eng begrenzten Plasmas einer makroskopischen Fokussierlinse. 8b shows a section along C (see 7a ) through the beam profile after beam shaping by the microstructured optical beam shaping element 6 , The picture shows the laser intensity or the local irradiance of the sample. The maximum intensity I 3 is significantly increased compared to the value I 2 in 8a , The minimum intensity I 1 is significantly lower than I 3 , but by diffraction effects and gaps of the microstructured optical beam shaping element 6 of finite size. This provides a basic excitation of the material, so that there is a better startup process for the plasma. Through this structuring of the laser-induced In addition to local averaging, more efficient excitation is achieved with plasma, since the relative heat and radiation losses of the plasma to the environment are less than in the case of a narrow plasma of a macroscopic focusing lens.

8c zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Probe entlang D (siehe 7b) für den Fall einer Festprobe. Die Koordinate z0 stellt die unbestrahlte Probenoberfläche dar. Sofern die Materialfluidik das Profil nicht verwischt, erfolgt an Stellen mit erhöhter Bestrahlungsstärke I3 ein erhöhter Materialabtrag bis zur Tiefe z2 während an Stellen der Bestrahlungsstärke I1 ein geringerer Abtrag bis zur Tiefe z1 vorliegt. 8c schematically shows a section through a sample along D (see 7b ) in the case of a festive test. Coordinate z 0 represents the unirradiated sample surface. If the material fluidity does not blur the profile, an increased removal of material up to the depth z 2 takes place at locations with increased irradiance I 3, while a lesser removal up to the depth z 1 is present at locations of the irradiance I 1 ,

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 3a. So werden beispielsweise bei einem Strahldurchmesser des Laserstrahls 4 von d2 = 6 mm und einem Durchmesser der Mikrolinsen von d1 = 1 mm etwa 28 Mikrolinsen gleichzeitig bestrahlt und tragen zur Strahlformung bei. Die örtliche Mittelung erfolgt dann etwa über den Durchmesser d3 ≈ 6 mm, sofern keine weitere Abbildung erfolgt. Mit zusätzlicher Abbildung nach 2 kann der Durchmesser d3 entsprechend verringert oder vergrößert werden.Typical structure diameters d l of the microstructured optical beam shaping element are 0.1 to 3 mm. This corresponds, for example, to the diameter d 1 of the microlenses in the case of a refractive microlens array, see 3a , For example, at a beam diameter of the laser beam 4 of d 2 = 6 mm and a diameter of the microlenses of d 1 = 1 mm approximately 28 microlenses simultaneously irradiated and contribute to beam shaping. The local averaging then takes place approximately over the diameter d 3 ≈ 6 mm, if no further mapping takes place. With additional picture after 2 the diameter d 3 can be reduced or increased accordingly.

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 8 erstreckt sich über den Bereich 16 der Probe, so dass die emittiere Strahlung einen Mittelwert über diesen Bereich darstellt. Bei Bedarf können mehrere Laserpulse in zeitlicher Abfolge auf den Bereich 16 eingestrahlt werden. Soll eine örtliche Mittelung über einen größeren Bereich als über den Bereich 16 erfolgen, kann an weiteren Positionen der Probe gemessen werden wie in 9a dargestellt. Zum Vergleich sind die wesentlich kleineren Messbereiche 16' dargestellt, wie sie bei einer Bestrahlung nach dem Stand der Technik vorliegen.The plasma 8th extends over the area 16 of the sample, so that the emitted radiation represents an average over this range. If necessary, several laser pulses can be applied to the area in chronological order 16 be irradiated. Should a local averaging over a larger area than over the area 16 can be measured at further positions of the sample as in 9a shown. For comparison, the much smaller measuring ranges 16 ' represented as they are in a radiation according to the prior art.

Eine weitere Möglichkeit der zusätzlichen Laserablation und örtlichen Mittelung ist der kontinuierliche Vorschub bzw. die kontinuierliche Rotation der Materialprobe 9 derart, dass überlappende Bereiche 16 erzielt werden wie in 9b dargestellt. Vorteil gegenüber scannenden Verfahren mit konventioneller Fokussierung ist auch hier das bei gleicher Messzeit erfasste größere Probenvolumen.Another possibility of additional laser ablation and local averaging is the continuous advancement or continuous rotation of the material sample 9 such that overlapping areas 16 be achieved as in 9b shown. The advantage over scanning methods with conventional focusing is the larger sample volume recorded with the same measuring time.

10 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Detektion der in Rückrichtung zum Laserstrahl 7 emittierten Plasmastrahlung 19 durch den als dichroitischen Spiegel ausgeführten Umlenkspiegel 5 erfolgt. In diesem Fall muss das monolithische mikrostrukturierte Strahlformungselement 6 auch für die zu detektierenden Wellenlängenbereiche der Plasmastrahlung transparent sein. Die Einkopplung in das Spektrometer 11 erfolgt über die Abbildungsoptik 17, z. B. eine oder mehrere Linsen oder einen Spiegel. 10 shows an embodiment in which the detection of the backward to the laser beam 7 emitted plasma radiation 19 through the deflection mirror designed as a dichroic mirror 5 he follows. In this case, the monolithic microstructured beam-shaping element 6 also be transparent to the wavelength ranges of the plasma radiation to be detected. The coupling into the spectrometer 11 takes place via the imaging optics 17 , z. B. one or more lenses or a mirror.

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

Claims (15)

Verfahren zur Elementanalyse von Materialien mittels Laser-Emissionsspektrometrie, bei dem mit einem Laserstrahl (2, 4, 7) ein Plasma (8) in einer Materialprobe (9) angeregt und eine vom Plasma (8) ausgehende optische Emission (14, 19) erfasst und spektral ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2, 4, 7) durch ein optisches Strahlformungselement (6) auf die Materialprobe (9) gerichtet wird, das auf oder in der Materialprobe (9) eine Verteilung einer Leistungsdichte über einen Strahlquerschnitt des Laserstrahls (7) mit einer Vielzahl von Intensitätsspitzen erzeugt.Method for elemental analysis of materials by means of laser emission spectrometry, in which a laser beam ( 2 . 4 . 7 ) a plasma ( 8th ) in a material sample ( 9 ) and one of the plasma ( 8th ) outgoing optical emission ( 14 . 19 ) and spectrally evaluated, characterized in that the laser beam ( 2 . 4 . 7 ) by an optical beam-shaping element ( 6 ) on the material sample ( 9 ), which is on or in the material sample ( 9 ) a distribution of a power density over a beam cross section of the laser beam ( 7 ) is generated with a plurality of intensity peaks. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mikrostrukturiertes optisches Element als Strahlformungselement (6) eingesetzt wird.A method according to claim 1, characterized in that a microstructured optical element as a beam-shaping element ( 6 ) is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein refraktives oder diffraktives optisches Element als Strahlformungselement (6) eingesetzt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that a refractive or diffractive optical element is used as beam-shaping element ( 6 ) is used. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrolinsenarray oder Planarlinsenarray als Strahlformungselement (6) eingesetzt wird.Method according to Claim 3, characterized in that a microlens array or a planar lens array is used as beam-shaping element ( 6 ) is used. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lochmaske mit einer Vielzahl von Aperturen (22) als Strahlformungselement (6) eingesetzt wird.A method according to claim 3, characterized in that a shadow mask having a plurality of apertures ( 22 ) as a beam-shaping element ( 6 ) is used. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kapillararray oder ein Faserbündel als Strahlformungselement (6) eingesetzt wird.A method according to claim 3, characterized in that a capillary array or a fiber bundle as a beam-shaping element ( 6 ) is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (7) nach der Strahlformung durch das Strahlformungselement (6) zusätzlich durch eine vergrößernde oder verkleinernde makroskopische Abbildungsoptik (18) auf die Materialprobe (9) abgebildet wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the laser beam ( 7 ) after beam shaping by the beam-shaping element ( 6 ) additionally by enlarging or reducing macroscopic imaging optics ( 18 ) on the material sample ( 9 ) is displayed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer flüssigen oder festen Materialprobe (9) durch den Laserstrahl (7) ablatierte Probenpartikel zusätzlich in einem Massenspektrometer analysiert werden.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that in a liquid or solid material sample ( 9 ) by the laser beam ( 7 ) Ablated sample particles are additionally analyzed in a mass spectrometer. Vorrichtung zur Elementanalyse von Materialien mittels Laser-Emissionsspektrometrie nach einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 8, mit – einer Laserquelle (1) zur Emission eines Laserstrahls, – einem optischen Strahlformungselement (6), durch das der Laserstrahl auf ein Messvolumen gerichtet ist, und – einer spektral sensitiven Erfassungseinheit (11) zur Erfassung von aus dem Messvolumen austretender optischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlfomungselement (6) so ausgebildet ist, dass es im Messvolumen eine Verteilung einer Leistungsdichte über einen Strahlquerschnitt des Laserstrahls mit einer Vielzahl von Intensitätsspitzen erzeugt.Device for elemental analysis of materials by laser emission spectrometry according to one of the methods of claims 1 to 8, comprising - a laser source ( 1 ) for emitting a laser beam, - an optical beam-shaping element ( 6 ), by which the laser beam is directed to a measuring volume, and - a spectrally sensitive detection unit ( 11 ) for detecting optical radiation emerging from the measuring volume, characterized in that the beam-shaping element ( 6 ) is designed so that it generates a distribution of power density over a beam cross section of the laser beam with a plurality of intensity peaks in the measurement volume. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement (6) ein mikrostrukturiertes optisches Element ist.Apparatus according to claim 9, characterized in that the beam-shaping element ( 6 ) is a microstructured optical element. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement (6) ein refraktives oder diffraktives optisches Element istApparatus according to claim 9 or 10, characterized in that the beam-shaping element ( 6 ) is a refractive or diffractive optical element Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement (6) ein Mikrolinsenarray oder Planarlinsenarray ist.Apparatus according to claim 11, characterized in that the beam-shaping element ( 6 ) is a microlens array or a planar lens array. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement (6) eine Lochmaske mit einer Vielzahl von Aperturen (22) ist.Apparatus according to claim 11, characterized in that the beam-shaping element ( 6 ) a shadow mask with a plurality of apertures ( 22 ). Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement (6) ein Kapillararray oder ein Faserbündel ist.Apparatus according to claim 11, characterized in that the beam-shaping element ( 6 ) is a capillary array or a fiber bundle. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strahlformungselement (6) und dem Messvolumen eine vergrößernde oder verkleinernde makroskopische Abbildungsoptik (18) angeordnet ist.Device according to one of claims 9 to 14, characterized in that between the beam-shaping element ( 6 ) and the measuring volume an enlarging or reducing macroscopic imaging optics ( 18 ) is arranged.
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