CC BY
495
УДК 621.373.826
РАЗРАБОТКА МАКЕТА ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНО-ИСКРОВОЙ ЭМИССИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Вячеслав Федорович Лебедев
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 190005, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1, кандидат технических наук, доцент кафедры лазерной техники, тел. (911)909-55-71, e-mail: [email protected]
Павел Сергеевич Макарчук
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 190005, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1, инженер ИЛТТ; ООО «Научно-производственное предприятие "Лазерные системы"», 198515, Россия, г. Санкт-Петербург, п. Стрельна, ул. Связи, 34, лит., инженер, тел. (931)305-40-97, e-mail: [email protected]
Определены габаритные размеры и продемонстрирована работоспособность макета лазерной системы для анализа и автоматического распознавания веществ методом ЛИЭС (LIBS) на дистанциях не менее 5 метров.
Ключевые слова: ЛИЭС, дистанционный анализ, искровая эмиссионная спектроскопия, автоматическое распознавание материалов.
DEVELOPMENT OF REMOTE LASER SYSTEM LAYOUT ANALYSIS METHOD OF LASER SPARK EMISSION SPECTROSCOPY
Vyacheslav F. Lebedev
Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D.F. Ustinov, 190005, Russia, St. Petersburg, 1 Krasnoarmeyskaya 1-st St., Ph. D., Prof. of Department Laser Technology, tel. (911)909-55-71, e-mail: [email protected]
Pavel S. Makarchuk
Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D.F. Ustinov, 190005, Russia, St. Petersburg, 1 Krasnoarmeyskaya 1-st St., engineer; Laser Systems LLC, 198515, Russia, St. Petersburg, Strelna, 34A, Svyazi str., engineer, tel. (931)305-40-97, e-mail: [email protected]
Dimensions were defined and operability was demonstrated of a laser system model for analysis and automatic material identification by remote LIBS method at distances of at least 5 meters.
Key words: laser-induced breakdown spectroscopy, remote LIBS.
Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС) как сложившийся спектроскопический метод многоэлементного анализа состава исследуемого образца любого агрегатного состояния, включая объекты живой и неживой природы, сочетает в себе ряд принципиальных особенностей и преимуществ, в силу наличия которых обладает широчайшим спектром практических применений [1].
В подавляющем количестве опубликованных работ по дистанционной ЛИЭС в качестве источника излучения используются импульсные коммерческие Кё-УЛО лазеры с ламповой накачкой, работающие в режиме активной модуляции добротности. Режимы двухимпульсного воздействия на мишень, как правило [2], реализуются путем увеличения количества лазеров в системе.
На сегодняшний день востребованным направлением исследований и разработок, включая метод ЛИЭС, является обнаружение и идентификация бесконтактным способом на различных дистанциях, малых примесей различных опасных веществ, в том числе взрывчатых и токсичных [3,4].
В настоящей работе продемонстрированы возможности дистанционного анализа различных металлических материалов и ружейного пороха на расстояниях от 1 до 5 метров, а также автоматического распознавания материалов методом ЛИЭС. Судя по имеющимся у нас данным, подобных исследований и на таких дистанциях в России не проводилось.
Реализованная в данной работе лазерная система для измерений методом ЛИЭС функционально включает в себя несколько подсистем: доставки излучения, сбора излучения и регистрации спектра, записи и обработки спектра (рис. 1). Основной подсистемой, увеличивающей как стоимость, так и габариты всей системы с возрастанием дистанции (свыше 30 метров), являются телескопические системы фокусировки лазерного излучения на мишень и сбора излучения плазмы. В настоящей работе применены раздельные системы доставки и сбора излучения, соразмерные с лазерным излучателем, позволившие собрать компактную установку для измерений методом ЛИЭС на расстояниях не менее 5 метров.
Рис. 1. Структурная схема и макет стенда для измерений методом ЛИЭС
131
Твердотельные лазеры с диодной накачкой, реализующие обращение волнового фронта внутри активного элемента с применением схемы многопетлевого резонатора, позволяют добиться высокой плотности мощности на мишени на значительном расстоянии до объекта воздействия, при сохранении малых габаритов всей установки [5]. В экспериментах использовался подобного типа Nd YAG
лазер собственной разработки с качеством пучка М = 1.25. Реализо-вывалась импульсная лазерная генерация с частотой следования импульсов до 10 Гц в режиме пассивной модуляции добротности с использованием затвора LiF:F2-. Энергия лазерного излучения в моноимпульсном режиме длительностью 12 нс составляла 30 мДж.
В системе доставки лазерного излучения применялся телескопический расширитель пучка 10BE03 (Standa) с переменным увеличением до 12Х и линза с фокусным расстоянием 500 cм. В подсистеме сбора излучения и регистрации спектра - детектируемое излучение плазмы собиралось линзой с фокусным расстоянием 40 см и направлялось в блок коллимационной линзы, соединенный оптическим волокном диаметром 600 мкм со скоростным спектрометром Avantes-2048-USB2, имеющим спектральное разрешение 2.5 нм.
В проведенных сериях экспериментов варьировались дистанции до мишени, типы образов и режимы работы лазера. Расшифровка спектров производилась с помощью баз данных NIST и опубликованных данных.
На рис. 2 представлены временные зависимости спектров алюминиевого сплава на дистанции 313 см. Видно, что информативность спектров (количество полос излучения, принадлежащих данному материалу) «горячей» плазмы выше, чем у линейчатых спектров. На вставке рисунка приведены полученные данные по изменению интенсивности спектра в зависимости от расстояния.
Рис. 2. Спектры образца алюминиевого сплава в зависимости от времени задержки для дистанции 313 см (слева). На вставке - время жизни информативных пиков спектра алюминиевого сплава от дистанции
Резкое увеличение интенсивности спектра достигалось при переходе от моноимпульсного режима работы лазера к цугу, состоящему из двух импульсов. При этом оказалось, что в отличие от известных двухимпульсных схем ЛИЭС, когда с целью усиления интенсивности информативных пиков спектра [2] второй импульс осуществляет дополнительный подогрев плазмы, образованный предшествующим импульсом, в нашем случае временное расстояние между импульсами превышало время жизни информативных пиков.
Пример спектров дымного ружейного пороха (образец в виде насыпки порошка из гранул) при возрастающих временах задержки между импульсом лазерного излучения и началом регистрации спектра излучения плазмы приведен на рис. 3. Как и в случае образца алюминиевого сплава видно, что информативность спектра резко возрастает на начальном этапе «остывания» плазмы. Приведенные на рисунке столь высокие абсолютные времена задержек (порядка 500 мкс) обусловлены большим интервалом между управляющим сигналом от спектрометра на запуск лазера и импульсом лазерной генерации (примерно в 480 мкс).
Рис. 3. Спектры образца ружейного пороха для дистанции 60 см в зависимости от времени задержки
Эксперименты показали, что предельное расстояние в реализованной схеме измерений не было достигнуто и может быть увеличено, по нашим оценкам, на 3-5 метров.
В настоящей работе также успешно реализовано автоматическое дистанционное распознавание металлических образцов с помощью методики и программного обеспечения (ПО), детально описанных в работе [6]. Начиная с запуска лазера управляющим импульсом от спектрометра, ПО позволяло в режиме реального времени изменять настройки измерений спектрометра. В процессе измерений в рабочей области окна программы выводился спектр излучения плазмы, захваченный после каждого импульса лазера, а также отображались рассчитанные с помощью разработанной методики интегральные величины спектра для материалов, имеющихся в динамической пользовательской базе данных. Как итог анализа - в окне выводился тип материала (верхняя часть рис. 1). Верное распознавание материалов (сталь или алюминиевый сплав) происходило даже при наличии широкополосного бесструктурного излучения «горячей плазмы», то есть в ситуации, когда спектр еще не являлся линейчатым.
В результате проведенных исследований получены значения интенсивно-стей спектров и оценки времен жизни плазмы для исследуемых мишеней стали, алюминия, латуни, дымного пороха на различных дистанциях. Определены габаритные параметры системы дистанционного анализа методом лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии и сделан вывод о возможности проведения исследований на больших расстояниях. Продемонстрирована работоспособность лазерной системы в режиме автоматического распознавания металлов.
Работа выполнена при финансовой поддержке ПЧ ГЗ № 9.1354.2014/К Минобрнауки России.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Cremers D., Rosemarie C. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy - Capabilities and Limitations // Applied Spectroscopy Reviews, 44, 2009 - P. 457-506.
2. Hahn D., Omenetto N. LIBS: Review of Instrumental and Methodological Approaches to Material Analysis and Applications to Different Fields // Appl. Spectrosc. 66, 2012 - P. 347-419.
3. Скворцов Л.А. Лазерные методы обнаружения следов взрывчатых веществ на поверхностях удаленных объектов // Квантовая электроника, том 42, номер 1, 2012 - C.1-11.
4. John J. Brady at all. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: A Review of Applied Explosive Detection // ARL-TR-6649.Adelphi, MD 20783-1197 - 2013.
5. Pogoda A. P., Lebedev V. F., Makarchuk P. S., Smetanin S. N., Boreysho A. S. All-solidstate Nd:YAG lasers with self-pumped multiwave-mixing phase conjugate cavities // Optical Memory, 10/2013; 22(4), 2013 - P. 267-271.
6. Lebedev V. F., Shestakov A. A. Fast LIBS identification of solids during the laser ablation process // Proc. SPIE 7822, Laser Optics 2010, 78220V - 2011.
© В. Ф. Лебедев, П. С. Макарчук, 2015
