JP2018530736A

JP2018530736A - マルチパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を採用して鉄鋼サンプル成分を検出する方法

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Publication number: JP2018530736A
Application number: JP2017566139A
Authority: JP
Inventors: スン、フイ; ファン、ツォンウェイ
Original assignee: アカデミーオブオプト−エレクトロニクス，チャイニーズアカデミーオブサイエンシズ
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2036-10-11
Also published as: WO2018035937A1; JP6616432B2; CN107782715B; EP3505912A4; US20190219511A1; EP3505912B1; CN107782715A; US10712281B2; EP3505912A1

Abstract

【課題】マルチパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を採用して鉄鋼サンプル成分を検出する方法を提供すること。
【解決手段】本発明はマルチパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を採用して鉄鋼サンプル成分を検出する方法、特にピコ秒及びナノ秒レーザーパルス幅を含むマルチパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を採用して鉄鋼サンプル成分を検出する方法に関し、レーザー誘起光源はナノ秒オーダ及びピコ秒オーダの超短パルスを含むレーザー光源であり、１つのパルスレーザーで２つのパルスレーザーであるナノ秒レーザー及びピコ秒レーザーを発生することができ、同じ出力及び合焦光路によってこの２つのパルスレーザーを被検出サンプルの同じ位置に合焦させ、第一ナノ秒レーザーパルスを利用してサンプルの表面を照射してプラズマを生成し、その後第二ピコ秒レーザーパルスを利用してプラズマを照射してスペクトル線発射を補強する。
【選択図】図１

Description

本発明は鉄鋼サンプル成分の検出分野に属し、マルチパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を採用して鉄鋼サンプル成分を検出する方法、特にピコ秒及びナノ秒レーザーパルス幅を含むマルチパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を採用して鉄鋼サンプル成分を検出する方法、及び鉄鋼サンプル成分をリアルタイムにオンラインで検出するためのレーザー誘起光源パルス幅がナノ秒及びピコ秒という２つの仕様を含むダブルパルスレーザー誘起プラズマスペクト分析機器に関する。

現在のダブルパルスＬＩＢＳ技術はいずれも２台のレーザー装置を採用し、電源遅延制御の方法によってダブルパルス誘起を実現し、このようにしてシステムのコストを増加し、またそれぞれ２方向のレーザーを合焦し、被検出サンプルの同一点に合焦することを確保しにくく、最大効率のダブルパルスプラズマ誘起を実現することができない。

レーザー誘起破壊分光技術（ＬａｓｅｒＩｎｄｕｃｅｄＢｒｅａｋｄｏｗｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＬＩＢＳ）はレーザーと材料との相互作用に基づいて発生した発光スペクトルの定量的分析技術であって、該方法は測定過程で数マイクログラムであればよく、したがって非破壊測定を実現することができる。サンプル前処理を必要とせずにいずれかの物理状態物質の元素分析を実現することができ、ＬＩＢＳ技術の応用範囲を非常に広くする。ＬＩＢＳ技術は光学技術応用であり、数十メートル箇所のサンプルを測定して分析することができ、その遠隔分析能力が危険、高温環境又は敵環境に非常に大きな吸引力を有する。ＬＩＢＳ技術を採用して成分分析を行い、過程全体が１０秒程度だけでよく、リアルタイム性及び高速性に非常に優れる。ＬＩＢＳ技術はスケーリングによって物質内の極微量を定量分析することができ、かつ検出限界及び精度が応用の需要を完全に満たす。

従来の検出技術に比べると、ＬＩＢＳ技術はオンライン原位置検出に関して技術的優位性を有するが、シングルパルスＬＩＢＳ技術の分析感度が高くないため、極微量元素の検出分野における応用が制約される。ＬＩＢＳは高電力レーザーと物質との相互作用に基づき、瞬時プラズマを生成し、プラズマの発光スペクトルを研究し、それによりサンプル成分の定性的分析及び定量的分析を実現する。しかしシングルパルスＬＩＢＳにより誘起されたプラズマ温度及び密度がいずれも比較的低く、形成された発光スペクトル強度が限られ、したがって分析感度が相対的に比較的低い。

ダブルパルスＬＩＢＳ技術は第１束のレーザーパルスを利用してサンプルの表面に照射してプラズマを生成し、その後第２束のレーザーパルスを利用してプラズマに照射してスペクトル線発射を補強し、材料アブレーションとプラズマ励起という２つの段階の分布最適化を実現し、したがってダブルパルスＬＩＢＳ技術は信号対雑音比を効果的に向上でき、分析感度を向上させる。現在のダブルパルスＬＩＢＳ技術はいずれも２台のレーザー装置を採用し、電源遅延制御の方法によってダブルパルス誘起を実現し、このようにしてシステムのコストを増加し、またそれぞれ２方向のレーザーを合焦し、被検出サンプルの同一点に合焦することを確保しにくく、最大効率のダブルパルスプラズマ誘起を実現することができない。

パルス幅の異なる超短パルスレーザーによる鉄鋼サンプルの検出結果及びダブルパルスＬＩＢＳ技術に対する分析を探索することにより、１つのパルスレーザー装置で２束のパルスレーザーを発生することができ、第１束のパルスレーザーがナノ秒レーザーであり、第２束のパルスレーザーがピコ秒レーザーであり、かつこの２束のパルスレーザーを被検出サンプルの同じ位置に合焦させ、第１束のナノ秒レーザーパルスを利用してサンプルの表面に照射してプラズマを生成し、その後第２束のピコ秒レーザーパルスを利用してプラズマに照射してスペクトル線発射を補強し、材料アブレーションとプラズマ励起という２つの段階の分布最適化を実現し、したがって信号対雑音比を効果的に向上でき、分析感度を向上させる。レーザーパルス幅がピコ秒及びナノ秒という２つの仕様を含むダブルパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を開発する。

現在のダブルパルスＬＩＢＳ技術はいずれも２台のナノ秒レーザー装置を採用し、電源遅延制御の方法によってダブルパルス誘起を実現し、このようにしてシステムのコストを増加し、またそれぞれ２方向のレーザーを合焦し、被検出サンプルの同一点に合焦することを確保しにくく、最大効率のダブルパルスプラズマ誘起を実現することができない。

従来の測定方法では以上の不足が存在するため、ここで鉄鋼サンプル成分を観測する新たなダブルパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を提案する。本発明は従来の全固体再生増幅ピコ秒レーザー装置をレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器の光源として利用し、再生増幅技術を使用することによってピコ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、Ｑスイッチ形態によってナノ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、それによりレーザーパルス幅がピコ秒及びナノ秒という２つの仕様を含むレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を実現し、鉄鋼サンプルに対する測定では、実験により従来のダブルパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器の効果より優れた第１束のナノ秒レーザー及び第２束のピコ秒レーザーを含むダブルパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を発見する。

本発明はレーザーパルス幅がピコ秒及びナノ秒という２つの仕様を含むダブルパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を実現することができ、１つのパルスレーザー装置で２つのパルスレーザーを発生することができ、第一パルスレーザーがナノ秒レーザーであり、第二パルスレーザーがピコ秒レーザーであり、同じ出力及び合焦光路により、この２つのパルスレーザーを被検出サンプルの同じ位置に合焦させるようにすることを確保することができ、第１束のナノ秒レーザーパルスを利用してサンプルの表面に照射してプラズマを生成し、その後第２束のピコ秒レーザーパルスを利用してプラズマに照射してスペクトル線発射を補強し、材料アブレーションとプラズマ励起という２つの段階の分布最適化を実現し、したがって信号対雑音比を効果的に向上でき、分析感度を向上させるという利点がある。このような利点の発生原因は全固体再生増幅ピコ秒レーザー装置をレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器の誘起光源とすることであり、再生増幅技術を使用することによってピコ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、Ｑスイッチ形態によってナノ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、それによりレーザーパルス幅がピコ秒及びナノ秒という２つの仕様を含むレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を実現し、同じ出力及び合焦光路により、この２つのパルスレーザーを被検出サンプルの同じ位置に合焦させるようにすることを確保することができる。本願は真空誘導炉に対するレーザー誘起プラズマスペクトル技術に基づく溶鋼成分の実用検出機器に応用することができる。

本発明のレーザー機器の構造を示す図である。本発明のレーザー機器の原理を示す図である。本発明のレーザー機器の実物を示す図である。本発明に係る方法を利用して実現する発生したシングルパルスレーザーで鉄鋼サンプルをアブレージョンしてレーザー誘起プラズマを利用して得られたスペクトルを観察することを示す図である。本発明に係る方法を利用して実現する発生したシングルパルスフェムト秒レーザーで鉄鋼サンプルをアブレージョンしてレーザー誘起プラズマを利用して得られたスペクトルを観察することを示す図である。

図１において：
１０はレーザー誘起光源である。
２０はエシェル格子分光器（echelle spectrometer）である。
３０は合焦システムである。
１１はレーザー装置である。
１２はエシェル格子分光器である。
１３は積分遅延検出システムである。
１４は検出点距離動的監視システムである。
１５はフィードバック調節制御システムである。
１６は光束品質監視調節システムである。
１７は光束折り曲げシステムである。
１８はサンプルである。
図２において：
１はピコ秒レーザー発振器であり、発生したピコ秒レーザーパルス幅が１０ピコ秒であり、繰り返し周波数が９０ＭＨｚであり、平均電力が９０ｍＷである。
２は磁気光アイソレータである。
３は光電スイッチである。
４は再生増幅器圧縮器である。

本発明の第一実施形態によれば、レーザー誘起プラズマスペクトル分析機器（すなわち、マルチパルスレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器）を提供し、該機器はレーザー装置、レーザー導入システム、スペクトル導出及び収集システム、分光システム及びスペクトル受信システムを含み、ここで、スペクトル導出及び収集システムがスペクトル導出サブシステム及びスペクトル収集サブシステムを含み、及び、ここでレーザー装置及びスペクトル受信システムが同一のパルス発生器により指令を送信して制御し、レーザー装置がレーザーを発射してレーザー導入システムによってサンプル箇所に合焦し、サンプルの表面にプラズマを形成させ、レーザー誘起スペクトルを生成してスペクトル導出サブシステムによって発生した蛍光をスペクトル収集サブシステムに導出し、収集したスペクトルに対する計算、処理及び分析によりサンプルに含まれた元素に対して定性的及び定量的検出を行い、ここで前記レーザー装置が全固体再生増幅ピコ秒レーザー装置であり、かつ再生増幅技術とＱスイッチ形態との切り替えにより、それぞれ再生増幅技術を使用してピコ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し又はＱスイッチ形態を使用することによってナノ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現する。このようにしてレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器のレーザーパルス幅が同時にピコ秒及びナノ秒という２つの仕様を含む（例えばパルス幅が８−１２ナノ秒、及び８−１２ピコ秒であり、例えば１０ナノ秒及び１０ピコ秒である）。

一般的には、再生増幅技術とはピコ秒種光源１の光束が磁気光アイソレータ２によって再生増幅器に注入され、レーザービームが再生増幅器内で往復し（例えば６０−２００回、好ましくは８０−１５０回であり、例えば約１００回である）、シングルパルスエネルギーが逐次最大値まで増幅され、そして磁気光アイソレータ２によって再生増幅器から放出され、ピコ秒パルス幅のレーザー出力を実現することである（すなわち、再生増幅技術を使用することによってピコ秒パルス幅のレーザー出力を実現する）。

一般的には、Ｑスイッチ形態とはメカニカルシャッタによって種光源を阻止し、同時に光電スイッチ３をＱスイッチ形態に作動させ、Ｑスイッチ形態によってナノ秒パルス幅のレーザー出力を実現することである。

好ましくは、レーザー導入システムのレーザー合焦が焦点距離可変形態であり、及びスペクトル収集サブシステムが焦点距離可変システムに設計される。

本発明の第二実施形態によれば、以上の第一実施形態による機器を採用して鉄鋼サンプル成分を検出する方法を提供し、前記方法は、

前記レーザー装置がＱスイッチ形態を使用することによってナノ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、出力されたナノ秒レーザーパルスをレーザー導入システムによってサンプル箇所に合焦させ、サンプルの表面にプラズマを形成させるステップ１）と、前記レーザー装置が再生増幅技術によってピコ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、出力されたピコ秒レーザーパルスをレーザー導入システムによってサンプル箇所に合焦させ、ナノ秒レーザーパルス照射から形成するプラズマによりスペクトル線発射を補強し、スペクトル線補強のレーザー誘起スペクトルを生成し、生成された誘起スペクトルがスペクトル導出サブシステムによって発生した蛍光をスペクトル収集サブシステムに導出するステップ２）と、収集したスペクトルに対する計算、処理及び分析により、サンプルに含まれた元素に対して定性的及び定量的検出を完成するステップ３）とを含む。

一般的には、上記方法では、該機器はレーザー、レーザー導入システム、スペクトル導出及び収集システム、分光システム及びスペクトル受信システムを含み、ここで、スペクトル導出及び収集システムがスペクトル導出サブシステム及びスペクトル収集サブシステムを含み、及び、ここでレーザー装置及びスペクトル受信システムが同一のパルス発生器により指令を送信して制御し、レーザー装置がレーザーを発射してレーザー導入システムによってサンプル箇所に合焦し、サンプルの表面にプラズマを形成させ、レーザー誘起スペクトルを生成してスペクトル導出サブシステムによって発生した蛍光をスペクトル収集サブシステムに導出し、収集したスペクトルに対する計算、処理及び分析によりサンプルに含まれた元素に対して定性的及び定量的検出を行い、ここで前記レーザー装置が全固体再生増幅ピコ秒レーザー装置であり、かつ再生増幅技術とＱスイッチ形態との切り替えにより、それぞれ再生増幅技術を使用してピコ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し又はＱスイッチ形態を使用することによってナノ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現する。

本発明の第三実施形態によれば、レーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を採用して鉄鋼サンプル成分を検出する方法を提供し、ここで該機器はレーザー装置、レーザー導入システム、スペクトル導出及び収集システム、分光システム及びスペクトル受信システムを含み、ここで、スペクトル導出及び収集システムがスペクトル導出サブシステム及びスペクトル収集サブシステムを含み、レーザー装置及びスペクトル受信システムが同一のパルス発生器により指令を送信して制御し、レーザー装置がレーザーを発射してレーザー導入システムによってサンプル箇所に合焦し、サンプルの表面にプラズマを形成させ、レーザー誘起スペクトルを生成してスペクトル導出サブシステムによって発生した蛍光をスペクトル収集サブシステムに導出し、収集したスペクトルに対する計算、処理及び分析によりサンプルに含まれた元素に対して定性的及び定量的検出を行い、ここで前記レーザー装置が全固体再生増幅ピコ秒レーザー装置であり、かつ再生増幅技術とＱスイッチ形態との切り替えにより、それぞれ再生増幅技術を使用してピコ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し又はＱスイッチ形態を使用することによってナノ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、前記方法は、

前記レーザー装置がＱスイッチ形態を使用することによってナノ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、出力されたナノ秒レーザーパルスをレーザー導入システムによってサンプル箇所に合焦させ、サンプルの表面にプラズマを形成させるステップ１）と、前記レーザーが再生増幅技術によってピコ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、出力されたピコ秒レーザーパルスをレーザー導入システムによってサンプル箇所に合焦させ、ナノ秒レーザーパルス照射から形成するプラズマによりスペクトル線発射を補強し、スペクトル線補強のレーザー誘起スペクトルを生成し、生成された誘起スペクトルがスペクトル導出サブシステムによって発生した蛍光をスペクトル収集サブシステムに導出するステップ２）と、収集したスペクトルに対する計算、処理及び分析により、サンプルに含まれた元素に対して定性的及び定量的検出を完成するステップ３）とを含む。

本願では、好ましくは、再生増幅技術とはピコ秒種光源の光束が磁気光アイソレータによって再生増幅器に注入され、レーザービームが再生増幅器内で往復し（例えば６０−２００回、例えば約１００回である）、シングルパルスエネルギーが逐次最大値まで増幅され、そして磁気光アイソレータによって再生増幅器から放出され、ピコ秒パルス幅のレーザー出力を実現することである（すなわち、再生増幅技術を使用することによってピコ秒パルス幅のレーザー出力を実現する）。

好ましくは、Ｑスイッチ形態とはメカニカルシャッタによって種光源を阻止し、同時に光電スイッチをＱスイッチ形態に作動させ、Ｑスイッチ形態によってナノ秒パルス幅のレーザー出力を実現することである。

好ましくは、出力されたナノ秒レーザーパルス及び出力されたピコ秒レーザーパルスは同じ出力及び合焦光路により、この２つのパルスレーザーを被検出サンプルの同じ位置に合焦させるようにすることを確保することができる。

好ましくは、レーザー装置は電子制御システムを使用することによって再生増幅技術とＱスイッチ形態との切り替えを実現し、前記電子制御システムは、主制御ユニット、ＬＤ駆動ユニット、温度制御ユニット、無線周波数制御ユニット及び外部制御ユニット（外部制御のことであり、一般的にはコンピュータである）である。

好ましくは、再生増幅全固体ピコ秒レーザー装置の作動形態は、ピコ秒種光源の光束が磁気光アイソレータによって再生増幅器に注入され、レーザービームが再生増幅器内で往復し、シングルパルスエネルギーが逐次最大値まで増幅され、そして磁気光アイソレータによって再生増幅器から放出され、再生増幅技術を使用することによってピコ秒パルス幅のレーザー出力を実現し、またメカニカルシャッタによって種光源を阻止し、同時に光電スイッチをＱスイッチ形態に作動させ、Ｑスイッチ形態によってナノ秒パルス幅のレーザー出力を実現し、それによりピコ秒及びナノ秒という２つの仕様のレーザーパルス幅を発生する。

一般的には、レーザーの電子制御ユニットは外トリガ制御機能、保護回路、温度警報機能を備える。

より詳しくは、レーザー誘起プラズマスペクトル分析機器であって、主にレーザー装置、レーザー導入システム、スペクトル導出及び収集システム、分光システム及びスペクトル受信システムという６つの部分を備え、ここでレーザー装置及びスペクトル受信システムが同一のパルス発生器により指令を送信して制御する。レーザー装置がレーザーを発射してレーザー導入システムによってサンプル箇所に合焦し、サンプルの表面にプラズマを形成させ、レーザー誘起スペクトルを生成して導出システムによって発生した蛍光をスペクトル収集システムに導出し、収集したスペクトルに対する計算、処理及び分析によりサンプルに含まれた元素に対して定性的及び定量的検出を行う。開発されたＬＩＰＳの主な構成部分はパルスレーザー装置、レーザー合焦及び信号光収集システム、分光器システム及びコンピュータシステムである。ここでレーザー合焦及び信号光収集システムはいずれも焦点距離可変システムに設計され、正確に測定を実現し、同時にコンピュータソフトウェアを開発する必要があり、ＬＩＰＳスペクトルの急速な分析を実現し、測定された鉄鋼のリアルタイム成分情報を取得する。システムの全体的模式図を図１に示す。

本願の発明者は全固体再生増幅ピコ秒レーザー装置を開発する。ピコ秒種光源は市販品であり、オーストリアＨＩＧＱ社製であり、発生したピコ秒レーザーパルス幅が１０ピコ秒であり、繰り返し周波数が９０ＭＨｚであり、平均電力が９０ｍＷである。ピコ秒種光源の光束が磁気光アイソレータによって再生増幅器に注入される。レーザービームが再生増幅器内で往復し（例えば６０−２００回、好ましくは８０−１５０回であり、例えば約１００回である）、シングルパルスエネルギーが逐次最大値まで増幅され、そして磁気光アイソレータによって再生増幅器から放出される。再生増幅技術を使用することによってピコ秒パルス幅のレーザー出力を実現する。またメカニカルシャッタによって種光源を阻止し、同時に光電スイッチをＱスイッチ形態に作動させ、Ｑスイッチ形態によってナノ秒パルス幅のレーザー出力を実現し、それによりレーザーパルス幅がピコ秒及びナノ秒という２つの仕様を含むレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を実現することができる。

電子制御ユニットは外トリガ制御機能、保護回路、温度警報などの機能を備える。その内部は主に主制御ユニット、ＬＤ駆動ユニット、温度制御ユニット、無線周波数制御ユニット及び外部制御ユニット（外部制御のことであり、一般的にはコンピュータである）などを備え、さらにレーザーポンプ電源及び制御システムを含み、作動電流、電圧表示、保護ロックアップ付帯などの機能が必要である。Ｑスイッチ電源は、出力パルス幅を制御し、パルスレーザー出力制御を行うために用いられ、同時に出力レーザーモードの制御を実現することができ、再生増幅技術を使用することによってピコ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、Ｑスイッチ形態によってナノ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現することを保証する。電子制御システムは集積度が高く、操作が簡単であり、性能が確実であるなどの利点を有し、同時に過電流、過電圧及び過熱保護などの機能を有する。

本発明は全固体再生増幅ピコ秒レーザー装置をレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器の誘起光源とし、再生増幅技術を使用することによってピコ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、Ｑスイッチ形態によってナノ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、それによりレーザーパルス幅がピコ秒及びナノ秒という２つの仕様を含むレーザー誘起光源を実現し、１つのパルスレーザー装置で２つのパルスレーザーを発生することができ、第一パルスレーザーがナノ秒レーザーであり、第二パルスレーザーがピコ秒レーザーであり、同じ出力及び合焦光路により、この２つのパルスレーザーを被検出サンプルの同じ位置に合焦させるようにすることを確保することができ、第一ナノ秒レーザーパルスを利用してサンプルの表面に照射してプラズマを生成し、その後第二ピコ秒レーザーパルスを利用してプラズマに照射してスペクトル線発射を補強し、材料アブレーションとプラズマ励起という２つの段階の分布最適化を実現し、したがって信号対雑音比を効果的に向上でき、分析感度を向上させる。

本願は鉄鋼サンプル成分を観測する新たなレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を提案する。レーザー誘起光源の発生が通常の１０から２０ナノ秒のパルスレーザーではなく、ナノ秒オーダ（例えば１０ナノ秒）及びピコ秒オーダ（例えば１０ピコ秒）の超短パルスを含むレーザー光源であり、１つのパルスレーザー装置で２つのパルスレーザーを発生することができ、第一パルスレーザーがナノ秒レーザーであり、第二パルスレーザーがピコ秒レーザーであり、同じ出力及び合焦光路により、この２つのパルスレーザーを被検出サンプルの同じ位置に合焦させるようにすることを確保することができ、第一ナノ秒レーザーパルスを利用してサンプルの表面に照射してプラズマを生成し、その後第二ピコ秒レーザーパルスを利用してプラズマに照射してスペクトル線発射を補強し、材料アブレーションとプラズマ励起という２つの段階の分布最適化を実現し、したがって信号対雑音比を効果的に向上でき、分析感度を向上させるということを特徴とする。本発明に係る方法を利用して実現し発生したシングルパルスレーザーで鉄鋼サンプルをアブレージョンしてレーザー誘起プラズマを利用して得られたスペクトルを観察し、結果を図５に示す。

本発明に基づいて実験装置を構築して実験検証を行い、実験検証結果を図１に示す。ここでは鉄鋼サンプル成分を観測する新たなレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を提案する。レーザー誘起光源の発生が通常の１０から２０ナノ秒のパルスレーザーではなく、１０ナノ秒及び１０ピコ秒の超短パルスを含むレーザー光源であり、１つのパルスレーザー装置で２つのパルスレーザーを発生することができ、第一パルスレーザーがナノ秒レーザーであり、第二パルスレーザーがピコ秒レーザーであり、かつこの２つのパルスレーザーを被検出サンプルの同じ位置に合焦させ、第一ナノ秒レーザーパルスを利用してサンプルの表面に照射してプラズマを生成し、その後第二ピコ秒レーザーパルスを利用してプラズマに照射してスペクトル線発射を補強し、材料アブレーションとプラズマ励起という２つの段階の分布最適化を実現し、したがって信号対雑音比を効果的に向上でき、分析感度を向上させることを特徴とする。図４は本発明に係る方法を利用して実現する発生したシングルパルスレーザーで鉄鋼サンプルをアブレージョンしてレーザー誘起プラズマを利用して得られたスペクトルを観察することを示す図であり、レーザー誘起光源に対応してシングルパルス幅が１０ナノ秒のスペクトル及び２つのパルス幅がそれぞれ１０ナノ秒及び１０ピコ秒のスペクトルの対比であり、スペクトル線補強の効果が十分に顕著であり、したがってより測定に有利である。

Claims

全固体再生増幅ピコ秒レーザー装置であって、かつ再生増幅技術とＱスイッチ形態との切り替えにより、それぞれ前記再生増幅技術を使用してピコ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し又は前記Ｑスイッチ形態を使用することによってナノ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現するレーザー装置、レーザー導入システム、スペクトル導出サブシステム及びスペクトル収集サブシステムを含むスペクトル導出及び収集システム、分光システム及びスペクトル受信システムを含み、
前記レーザー装置及び前記スペクトル受信システムが同一のパルス発生器により指令を送信して制御し、前記レーザー装置がレーザーを発射して前記レーザー導入システムによってサンプル箇所に合焦し、サンプルの表面にプラズマを形成させ、レーザー誘起スペクトルを生成して前記スペクトル導出サブシステムによって発生した蛍光を前記スペクトル収集サブシステムに導出し、収集したスペクトルに対する計算、処理及び分析を行うことによりサンプルに含まれた元素に対して定性的及び定量的検出を行うレーザー誘起プラズマスペクトル分析機器を採用して、
前記レーザー装置が前記Ｑスイッチ形態を使用することによってナノ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、出力されたナノ秒レーザーパルスを前記レーザー導入システムによってサンプル箇所に合焦させ、サンプルの表面にプラズマを形成させるステップ１）と、前記レーザー装置が前記再生増幅技術によってピコ秒パルス幅のレーザー誘起光源出力を実現し、出力されたピコ秒レーザーパルスを前記レーザー導入システムによってサンプル箇所に合焦させ、ナノ秒レーザーパルス照射から形成するプラズマによりスペクトル線発射を補強し、スペクトル線補強のレーザー誘起スペクトルを生成し、生成された誘起スペクトルが前記スペクトル導出サブシステムによって発生した蛍光をスペクトル収集サブシステムに導出するステップ２）と、収集したスペクトルに対する計算、処理及び分析により、サンプルに含まれた元素に対して定性的及び定量的検出を完成するステップ３）とを含む鉄鋼サンプル成分検出方法。
前記再生増幅技術とは、ピコ秒種光源の光束が磁気光アイソレータによって再生増幅器に注入され、レーザービームが前記再生増幅器内で往復し、シングルパルスエネルギーが逐次最大値まで増幅され、そして磁気光アイソレータによって前記再生増幅器から放出され、ピコ秒パルス幅のレーザー出力を実現する、請求項１に記載の方法。
前記Ｑスイッチ形態とは、メカニカルシャッタによって種光源を阻止し、同時に光電スイッチを前記Ｑスイッチ形態に作動させ、前記Ｑスイッチ形態によってナノ秒パルス幅のレーザー出力を実現する、請求項１又は２に記載の方法。
前記レーザー導入システムのレーザー合焦が焦点距離可変形態であり、及びスペクトル収集サブシステムが焦点距離可変システムに設計される、請求項１−３のいずれかに記載の方法。
出力されたナノ秒レーザーパルス及び出力されたピコ秒レーザーパルスがいずれも同じ出力及び合焦光路により、この２つのパルスレーザーを被検出サンプルの同じ位置に合焦させるようにすることを確保することができる、請求項１−３のいずれかに記載の方法。
前記レーザー装置は主制御ユニット、ＬＤ駆動ユニット、温度制御ユニット、無線周波数制御ユニット及び外部制御ユニットを含む電子制御システムを使用することによって前記再生増幅技術と前記Ｑスイッチ形態との切り替えを実現する、請求項１−５のいずれかに記載の方法。
全固体再生増幅ピコ秒レーザー装置の作動形態は、種光源光束が磁気光アイソレータによって再生増幅器に注入され、レーザービームが前記再生増幅器内で往復し、シングルパルスエネルギーが逐次最大値まで増幅され、そして磁気光アイソレータによって前記再生増幅器から放出され、前記再生増幅技術を使用することによってピコ秒パルス幅のレーザー出力を実現し、またメカニカルシャッタによって種光源を阻止し、同時に電気光学スイッチをＱスイッチモードに作動させ、前記Ｑスイッチ形態によってナノ秒パルス幅のレーザー出力を実現し、それによりピコ秒及びナノ秒という２つの仕様のレーザーパルス幅を生成することである、請求項１−６のいずれかに記載の方法。
レーザーの電子制御ユニットが外トリガ制御機能、保護回路、温度警報機能を備える、請求項６に記載の方法。