DE102022112765B4

DE102022112765B4 - Detektionseinheit zur spektralen Analyse eines laserinduzierten Plasmas und laserinduziertes Plasmaspektrometer

Info

Publication number: DE102022112765B4
Application number: DE102022112765.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kunz; Mischa Ounanian
Original assignee: Quantolux GmbH
Current assignee: Quantolux GmbH
Priority date: 2022-05-20
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2042-05-21
Also published as: DE102022112765A1

Abstract

Es wird eine Detektionseinheit (21) für ein Spektrometersystem (1) zur Spektralanalyse (LIBS) eines von einem laserinduzierten Plasma (3) emittierten Plasmalichts (3A), wobei das Plasma (3) mit einem sich entlang einer Strahlachse (5A) ausbreitenden Laserstrahl (5) auf einer Oberfläche (7A) einer Probe (7) erzeugt wird. Die Detektionseinheit (21) umfasst eine Objektivhalterung (23) und mehrere von der Objektivhalterung (23) gehaltene Objektive (25A, 25B, 25C, 25D). Jedem der Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) ist ein Detektionskegel (35) zugeordnet, der in einem Überlappungsbereich (37) mit dem Laserstrahl (5) einen Plasmadetektionsbereich (39) ausbildet, aus dem im Fall eines im Plasmadetektionsbereich (39) vorliegenden Plasmas (3) ein Messanteil (33) des Plasmalichts (3A) vom Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) erfasst wird. Die Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) sind derart in der Objektivhalterung (23) angeordnet und ausgerichtet, dass die Plasmadetektionsbereiche (39) entlang der Strahlachse (5A) versetzt angeordnet sind und zusammen einen Sichtbereich (41) der Detektionseinheit (21) ausbilden. Die mithilfe des multifokalen Detektionskonzepts erhöhte Tiefenschärfte kann den Messvorgang der Spektralanalyse verkürzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme zur laserinduzierten Plasmaspektroskopie, insbesondere eine Detektionseinheit zur spektralen Analyse eines laserinduzierten Plasmas. Ferner betrifft die Erfindung ein Spektrometersystem, insbesondere mit einem mehrere Lichtleitfasern umfassenden Lichtleitsystem.
Laserinduzierte Plasmaspektroskopie - auch als LIBS (laser induced breakdown spectroscopy) oder LIPS (laser induced plasma spectroscopy) bezeichnet - wird zur Bestimmung einer elementspezifischen Zusammensetzung einer Probe mithilfe eines Plasmas eingesetzt. Das Plasma wird mit hochintensiver, fokussierter Laserstrahlung an der Oberfläche der Probe erzeugt. Vom Plasma emittiertes Licht wird detektiert und spektral ausgewertet, um auf eine elementare Zusammensetzung der Probe zurückzuschließen.
Aus dem Stand der Technik sind LIBS-Systeme bekannt, die für eine korrekte Fokussierung der Laserstrahlung auf die Oberfläche ein Höhenprofil der Probe vermessen und entsprechend das Spektrometer im Abstand anpassen. Eine automatische Fokussiervorrichtung ist z. B. in CN 107783242 A offenbart. Ferner sind portable Geräte mit z. B. einem oder mehreren Spektrometern bekannt, siehe z. B. US 11,085,882 B1 . US 11,085,882 B1 offenbart tragbare Geräte zur Analyse der Elementzusammensetzung von Materialien in u.a. fester Phase durch laserinduzierte Ablationsspektroskopie. Der optische Pfad eines einzelnen gepulsten Laserstrahls im Gerät ist auf eine Position gerichtet, die von der Phase des Probenmaterials abhängt. Es kann ein breites Spektrum physikalischer und chemischer Eigenschaften von flüssigen Materialien analysiert werden. Mit Hilfe eines beweglichen x-y-z-Tisches wird eine große Anzahl von Stellen innerhalb von Festphasenproben analysiert. Die Ergebnisse werden in einer chemischen Karte dargestellt.
Vorteile von LIBS, und allgemein von einer laserbasierten optischen Emissionsspektroskopie, umfassen die kontaktfreie Analyse, die bei einem Abstand zur Probe von z. B. 100 mm, 200 mm oder 500 mm erfolgt und frei von ionisierender Strahlung ist. Beispielhafte Anwendungsbereiche einer der hierin offenbarten und auf LIBS basierenden Materialidentifikation umfassen eine Analyse von homogenen und heterogenen Proben an einer stationären Anlage oder eine Analyse durchlaufender Proben, beispielsweise eine (online) Metallanalytik von auf einem Förderband transportierten Proben. So kann die Materialidentifikation als Vorbereitungsschritt bei einer Materialsortierung eingesetzt werden. Die schnelle Auswertbarkeit der detektierten Spektren kann z. B. bei Förderband-Anlagen Vorschubgeschwindigkeiten von einigen m/s erlauben. LIBS-Systeme können aufgrund der kontaktfreien Analyse hinsichtlich industrieller Arbeitsumgebungen unempfindlich und fehlerresistent ausgebildet werden.
US 9,383,260 B1 offenbart ein Verfahren für die laserinduzierte Ablationsspektroskopie. Dabei wird eine Analyseprobenstelle in ausgewählte Koordinatenpositionen für die Laserablation bewegt. Das von einer durch Laserablation erzeugten Plasmafahne emittierte Licht wird in einem Lichtleitfaserbündel gesammelt, das einen ersten Teil des Lichts zu einem Breitbandspektrometer und einen zweiten Teil des Lichts zu einem Spektrometer mit hoher Dispersion leitet. Die Emissionen einer Plasmafahne können somit gleichzeitig mit mehreren Spektrometern mit unterschiedlichen und/oder ergänzenden Fähigkeiten analysiert werden.
DE 10 2013 209 104 A1 offenbart eine Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse von lichtemittierenden Proben. Die Vorrichtung umfasst eine Teilchenstrahlquelle, die einen auf die Probe gerichteten Primärteilchenstrahl erzeugt, wodurch Photonen aus der Probe durch Lumineszenz freigesetzt werden können. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl von bevorzugt auf einem Segment einer Kugelfläche angeordneten Lichtaufnahmeelementen, die geeignet sind, die aus der Probe frei gesetzten Photonen im jeweils zugeordneten Raumwinkelbereich winkelaufgelöst aufzufangen. Eine Ortsauflösung wird durch Führen des Primärteilchenstrahls sequentiell über die Oberfläche der Probe erreicht. Die Vorrichtung kann weiterhin ein Analysesystem mit mehreren Auswerteeinheiten, die von den Lichtaufnahmeelement aufgefangene Photonen spektral analysieren, umfassen.
US 2016/0252398 A1 offenbart einen LIBS-Analysator mit einem Laser, der ein Plasma an einem Brennpunkt auf der Probe erzeugt, und einem Spektrometer, das ein Ausgangsspektrum erzeugt. Ferner ist ein Detektor so positioniert, dass er die vom Laser erzeugte und von der Probe vom Brennpunkt reflektierte Vorfeuerungsstrahlung geringer Intensität erfasst.
Allgemein ist die vorliegende Offenbarung darauf gerichtet, zumindest zum Teil einen oder mehrere Aspekte von bekannten LIBS-basierten Systemen zu verbessern. Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einsatz von LIBS mit einer einfachen Handhabung von Proben zu ermöglichen. Insbesondere ist eine schnelle und zuverlässige Analyse von Proben mit strukturiertem undefinierten (und damit unbekannten) Oberflächenverlauf wesentlich für die Integration von LIBS in industrielle Arbeitsabläufe. Einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, im Rahmen von LIBS ausreichend starke Detektionssignale bereitzustellen, insbesondere auch bei der Analyse von Proben mit einem strukturierten undefinierten Oberflächenverlauf. Einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System, insbesondere für LIBS, anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik insbesondere mit Blick auf Proben mit strukturiertem undefinierten Oberflächenverlauf behebt. Einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichtleitsystem für ein LIBS-System anzugeben, das eine einfache Weiterleitung von Plasmalicht zu einem optischen Spektrometer ermöglicht.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Detektionseinheit nach Anspruch 1 und durch ein Spektrometersystem nach Anspruch 11. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt umfasst eine Detektionseinheit für ein Spektrometersystem zur Spektralanalyse eines von einem laserinduzierten Plasma emittierten Plasmalichts, wobei das Plasma mit einem sich entlang einer Strahlachse ausbreitenden Laserstrahl auf einer Oberfläche einer Probe erzeugt wird (und wobei insbesondere eine spektrale Aufspaltung des Plasmalichts für die Spektralanalyse in einem optischen Spektrometer erfolgt), eine Objektivhalterung und mehrere von der Objektivhalterung gehaltene Objektive. Jedem der Objektive ist ein Detektionskegel zugeordnet, der in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl einen Plasmadetektionsbereich ausbildet, aus dem im Fall eines im Plasmadetektionsbereich vorliegenden Plasmas ein Messanteil des Plasmalichts vom Objektiv erfasst wird. Mit anderen Worten liegen Spitzen der Detektionskegel kurz hinter der Laserachse, wodurch die Detektionskegel ein mögliches Plasma im Plasmadetektionsbereich „umarmen“. Die Objektive sind derart in der Objektivhalterung angeordnet und ausgerichtet, dass die Plasmadetektionsbereiche entlang der Strahlachse versetzt angeordnet sind und zusammen einen Sichtbereich der Detektionseinheit ausbilden.
Allgemein ist der Sichtbereich der Detektionseinheit ein Bereich entlang der Strahlachse, aus dem die Detektionseinheit Plasmalicht in Form von Messanteilen einzelner Objektive erfassen kann. Die Detektionseinheit kann insbesondere zwei bis 25, beispielsweise vier, fünf, acht, neun oder 15 Objektive umfassen.
In einem weiteren Aspekt weist ein Spektrometersystem zur Spektralanalyse eines von einem laserinduzierten Plasma emittierten Plasmalichts eine Laserstrahlquelle zur Abgabe eines, insbesondere gepulsten, Laserstrahls auf, wobei das Plasma mit dem sich entlang einer Strahlachse ausbreitenden Laserstrahl auf einer Oberfläche einer Probe erzeugt wird. Ferner umfasst das Spektrometersystem eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls auf die Oberfläche der Probe, eine hierin offenbarte Detektionseinheit, und ein optisches Spektrometer zur Spektralanalyse von einem von der Detektionseinheit erfassten Plasmalicht. Plasmadetektionsbereiche der Detektionseinheit sind in einem Abschnitt entlang der Strahlachse angeordnet. Ferner sind die Laserstrahlquelle und die Fokussieroptik dazu ausgebildet, dass bei Positionierung der Oberfläche der Probe in jedem der Plasmadetektionsbereiche ein Plasma erzeugt wird. Hierzu sind zum Beispiel Strahlparameter des Laserstrahls, umfassend insbesondere Pulsdauer und Pulsenergie eines gepulsten Laserstrahls, in Abhängigkeit des Materials der Probe entsprechend eingestellt bzw. einstellbar.
In einigen Weiterbildungen können die Plasmadetektionsbereiche sich entlang der Strahlachse teilweise überlappen, ineinander übergehen oder voneinander beabstandet sein. Alternativ oder zusätzlich können sich die Plasmadetektionsbereiche entlang der Strahlachse jeweils über 0,1 mm bis 15 mm (beispielsweise 0,1 mm bis 10 mm) und/oder über 1/10 bis 1/4 des Sichtbereichs erstrecken. Alternativ oder zusätzlich kann die Objektivhaltung eine optische Durchgangsöffnung bereitstellt, durch die die Strahlachse verläuft, wobei eine Lage der Strahlachse insbesondere mittig in der optischen Durchgangsöffnung festgelegt sein kann. Die Objektivhalterung kann insbesondere eine Halterungsplatte aufweisen, in der mehrere Objektivhalterungsöffnungen zur Aufnahme der Objektive und die optische Durchgangsöffnung für den Laserstrahl vorgesehen sind. Die Objektivhalterungsöffnungen können um die optische Durchgangsöffnung herum, und insbesondere um die optische Durchgangsöffnung azimutal verteilt, angeordnet sein. Die Objektivhalterungsöffnungen können als Durchgangsöffnungen oder Aussparungen ausgebildet sein, wobei allgemein auf einer Seite der Halterungsplatte Aperturen der Objektive der Detektionseinheit zur Lichtaufnahme und auf der anderen Seite Lichtausgänge der Objektive zur Einkopplung von Licht in Lichtleitsystem angeordnet sein können.
In einigen Weiterbildungen kann sich jeder der Detektionskegel (ausgehend von der Apertur eines zugehörigen Objektivs) entlang einer Beobachtungsachse erstrecken, die unter einem Beobachtungswinkel im Bereich von ca. 0° bis ca. 90° zur Strahlachse verläuft. Die Beobachtungswinkel können insbesondere gleich sein, nicht mehr als 3° voneinander abweichen oder in einem Winkelbereich von 45° verteilt sein. Die Objektivhalterung kann insbesondere eine Halterungsplatte aufweisen, in der eine optische Durchgangsöffnung für den Laserstrahl vorgesehen ist, wobei sich die Strahlachse orthogonal zur Halterungsplatte erstreckt. Mindestens einer der Detektionskegel kann sich (ausgehend von der Apertur eines zugehörigen Objektivs) entlang einer Beobachtungsachse erstrecken, die unter einem Beobachtungswinkel in einem Bereich von ca. 0° bis ca. 90°, insbesondere in einem Bereich von ca. 3° bis ca. 60°, beispielsweise im Bereich von ca. 5° bis ca. 25°, zur Strahlachse verläuft.
In einigen Weiterbildungen können die Objektive azimutal (insbesondere azimutal bezüglich der Strahlachse) beabstandet um die Strahlachse angeordnet sein. Die Objektive können insbesondere azimutal gleichverteilt um die Strahlachse angeordnet sein. Mit anderen Worten können Beobachtungsachsen der Objektive ausgehend vom jeweiligen Zentrum der Apertur eines Objektivs in Richtung Strahlachse verlaufen und entsprechend Ebenen definieren, die durch die Strahlachse und die jeweilige Beobachtungsachse verlaufen. Jeder der Ebenen kann ein spezifischer azimutale Winkel bezüglich der Strahlachse zugeordnet sein. Bei vier azimutal gleichverteilten Objektiven unterscheiden sich die azimutalen Winkel benachbarter Objektive beispielsweise um 90°.
In einigen Weiterbildungen kann die Detektionseinheit ferner ein optisches Lichtleitsystem umfassen, das mehrere optische Eingängen und einen optischen Ausgang aufweist. Jeder der optischen Eingänge kann optisch mit einem der Objektive verbunden und zur Aufnahme des mit dem zugeordneten Objektiv erfassten Messanteils ausgebildet sein. Der optische Ausgang kann zur Abgabe der mit den Objektiven erfassten Messanteile ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann der optische Ausgang des Lichtleitsystems als ein gemeinsamer funktioneller Ausgang zur Abgabe der mit dem Objektiven erfassten Messanteile ausgebildet sein.
In einigen Weiterbildungen kann optische Lichtleitsystem mehrere Lichtleitfasern aufweisen. Jeweils eine Lichteintrittsfläche einer der Lichtleitfasern kann einen der optischen Eingänge ausbilden und das dem optischen Eingang zugeordnete Objektiv kann dazu ausgebildet und angeordnet (insbesondere ausgerichtet) sein, den Plasmadetektionsbereich des zugeordneten Objektivs auf die Lichteintrittsfläche abzubilden. Die Lichtaustrittsflächen der Lichtleitfasern können den optische Ausgang bilden, wobei die Lichtaustrittsflächen insbesondere aneinander angrenzend oder beabstandet, aufgereiht angeordnet sein können. Ferner können die Lichtaustrittsflächen, insbesondere entsprechend der Abfolge der Plasmadetektionsbereiche im Sichtbereich, aufgereiht angeordnet sein. In einigen Weiterbildungen können die Lichtleitfasern ausgangsseitig linear, insbesondere zur Ausrichtung entlang eines Eintrittsspalt eines optischen Spektrometers, in dem beispielsweise eine spektrale Aufspaltung des Plasmalichts für die Spektralanalyse von einem von der Detektionseinheit erfassten Plasmalicht erfolgt, aufgereiht sein. Insbesondere kann ausgangsseitig eine parallele Faserorientierung zur gleichgerichteten Abgabe der Messanteile vorliegen.
In einigen Weiterbildungen kann eine Lichtführungszone einer Lichtleitfaser einen Durchmesser z. B. im Bereich von ca. 100 µm bis ca. 1.000 µm (oder mehr), insbesondere im Bereich von ca. 100 µm bis ca. 300 µm, im Bereich von ca. 150 µm bis ca. 250 µm oder im Bereich von ca. 750 µm bis ca. 850 µm, aufweisen.
In einigen Ausführungsformen des Spektrometers kann dieses ein optisches Lichtleitsystem umfassen, das zum Weiterleiten von mit der Detektionseinheit erfassten Messanteilen des Plasmalichts an das optische Spektrometer ausgebildet ist und mehrere optische Eingänge und einen optischen Ausgang umfasst. Jeder der optischen Eingänge kann optisch einem der Objektive zugeordnet und zur Aufnahme des mit dem zugeordneten Objektiv erfassten Messanteils ausgebildet sein. Der optische Ausgang kann zur Einkopplung von mit den Objektiven erfassten Messanteilen in das optische Spektrometer ausgebildet sein. Insbesondere kann mindestens eines der Objektive derart ausgebildet und in der Objektivhalterung angeordnet sein, dass ein Messanteil des Plasmalichts, der im Detektionskegel des Objektivs erfasst wird, auf den dem Objektiv zugeordneten optischen Eingang abgebildet wird.
In einigen Weiterbildungen kann jedem der aus dem optischen Lichtleitsystem austretenden Messanteile eine Strahlachse zugeordnet sein, und die Strahlachsen können parallel zueinander oder nicht mehr als unter einem Winkel von bis zu ca. 1° oder bis zu ca. 3° zueinander verlaufen.
In einigen Weiterbildungen kann das optische Spektrometer eine Eintrittsapertur, insbesondere einen Eintrittsspalt, ein dispersives optisches Element, insbesondere ein Gitter, Prisma oder Gitterprisma, und einen Detektor umfassen, wobei die Messanteile durch die Eintrittsapertur in das optische Spektrometer eingekoppelt werden können und über das dispersive optische Element spektral aufgelöst zu dem Detektor geführt werden können, um eine den Objektiven der Detektionseinheit zugeordnete spektrale Verteilung auszugeben.
Beispiele für erfindungsgemäß zu untersuchende Proben/Materialien umfassen homogene und inhomogene Materialien, die insbesondere durch eine ungleichmäßige, nicht-einheitlich räumliche Oberflächenkontur gekennzeichnet sind. Mögliche Proben/zu untersuchende Materialien umfassen Feststoffe, Pulver oder Granulate wie Metalle, Glas, Sand, Salz, Mineralien, Schlacke, Gestein, Mehl, Zucker, (landwirtschaftliche) Bodenproben, Gips, Ton, Kalk, Mergel, Zement, Kohle, Koks, Erz, Emulsionen, Schlämme und insbesondere auch dick/zäh-flüssige Proben wie Schmelzen, z. B. von Glas, Aluminium, Eisen und Roheisen, Salz, usw.
Im Rahmen der hierin offenbarten Objektive erstreckt sich ein detektierbares Volumen von der Objektivapparatur (allgemein umfasst ein Objektiv ein oder mehrere fokussierende optische Elemente, wie eine fokussierende Linse oder ein fokussierender Spiegel, sowie optional defokussierende optische Elemente, wie eine defokussierende Linse oder ein defokussierender Spiegel, die in einem Gehäuse gehalten sind) in Richtung des zu erfassenden Plasmas. Das mit einem Objektiv detektierbare Volumen wird hierin als Detektionskegel bezeichnet (und ist auch als „Lichtkegel“ eines Objektivs bekannt). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung entspricht ein Detektionskegel somit allgemein einem Volumen, aus dem Licht von einem Objektiv erfasst und zu einem optischen Spektrometer weitergeleitet werden kann. Im Fall einer runden Objektivapertur ist das detektierbare Volumen kegelförmig im engeren Sinne, d. h. mit einem kreisförmigen Querschnitt, ausgebildet. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Detektionskegel auch eine Kegelgeometrie, die von der Rotationssymmetrie abweicht und somit keine runde Querschnittsgeometrie aufweist. Die Achse des Detektionskegels wird hierin auch als Beobachtungsachse bezeichnet und definiert allgemein eine Beobachtungsrichtung des Objektivs.
Bei LIBS stellt ein Überlappungsbereich des Detektionskegels mit dem Laserstrahl einen Plasmadetektionsbereich eines Objektivs dar. Der Detektionskegel erstreckt sich üblicherweise über das Plasma, das vom Laserstrahl im Bereich der Strahlachse des Laserstrahls erzeugt wird, und geht damit über die Strahlachse hinaus, um im Bereich des Plasmas einen an die Größe des Plasmas angepassten Querschnitt zur Detektion eines möglichst großen Messanteils des Plasmalichts aufzuweisen.
Mit anderen Worten kann jedes Objektiv Plasmalicht eines Plasmas in einem vorgegebenen Raumwinkel bezogen auf einen Fokuspunkt des Objektivs erfassen. Voraussetzung ist, dass das Plasma im, den Raumwinkel des erfassbaren Lichts definierenden, Detektionskegel/Lichtkegel des Objektivs liegt, bevorzugt am spitzen Ende des Detektionskegels/Lichtkegels. Mögliche Ausmaße des Querschnitts des Detektionskegels an der Position des zu detektierenden Plasmas können derart sein, dass sich an der Position des zu detektierenden Plasmas eine Länge in Ausbreitungsrichtung des Detektionskegels ergibt, die z. B. im Bereich von 10 % bis 25 % der Länge des von der Detektionseinheit bereitzustellenden Sichtbereichs (in Ausbreitungsrichtung) umfasst und beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm oder z. B. bis 15 mm liegen kann.
Im Rahmen der hierin offenbarten LIBS werden Proben untersucht, die auf der Seite des auftreffenden Laserstrahls eine dreidimensionale Kontur aufweisen, sodass - bei der Durchführung der Messung an verschiedenen Oberflächenbereichen - eine Oberfläche der Probe in Richtung der Strahlachse des Laserstrahls nicht an einem festen Ort liegt, auf den der Laserstrahl fokussiert werden könnte. Die dreidimensionale Form der Probe bewirkt, dass sich auch das Plasma nicht an einem festen Ort in Richtung der Strahlachse ausbildet, sondern in seiner Position entlang der Strahlachse des Laserstrahls variieren kann. Das Ausmaß der möglichen Variation des Orts eines für die spektrale Analyse nutzbaren Plasmas (hierin auch als Plasmazündbereich („laser induced plasma excitation area“) bezeichnet) hängt - neben dem Verlauf der Oberfläche der Probe in Richtung der Strahlachse und der Einkoppelfähigkeit (Absorption) des Materials - von der Fokussierung des Laserstrahls, und insbesondere vom Intensitätsverlauf des Laserstrahls im Fokusbereich, ab. Bei entsprechenden Strahlparametern (Fokusdurchmesser und Fokuslänge) und Laserparametern (Laserleistung, Laserpulsenergie, Laserpulsdauer...) kann sich der mögliche Plasmazündbereich in Richtung der Strahlachse über Bruchteile eines Millimeters bis zu einigen Millimetern (z. B. 2 mm bis 4 mm) oder auch bis zu einigen 10 cm, z. B. bis zu 20 cm, erstrecken.
In einigen Ausführungsformen kann eine Umsetzung des multifokalen Konzepts folgende Vorteile aufweisen. Hinsichtlich der Detektion von Plasmalicht wird eine Tiefenschärfe, hier im Sinne eines erfassbaren Tiefenbereichs entlang der Laserausbreitungsrichtung, gegeben durch die Anordnung der Objektive, deutlich vergrößert. Dadurch wird eine Untersuchung von Proben mit ungleichmäßiger Oberflächenform ermöglicht bzw. erleichtert. Auf diese Weise wird das Erfassen von Plasmalicht über den Zündbereich hinweg unabhängig von einer mechanischen Bewegung der Detektionseinheit oder der Probe in Laserstrahlrichtung. Es ergibt sich eine größere Toleranz bezüglich der Lage der Probe/Probenoberfläche und damit der Oberflächengeometrie der Probe. Ferner kann eine Probenvorbereitung wie Glattstreichen eines Pulvers oder Glattpressen einer Oberfläche entfallen.
Beim Design einer Detektionsvorrichtung kann über die optische Auslegung eines einzelnen Objektivs die Tiefenschärfe erhöht werden. Eine durch die optische Auslegung eines einzelnen Objektivs bewirkte größere Tiefenschärfe kann eine Vergrößerung des Abstands zur Probe bedingen, wodurch die Menge an vom Objektiv erfassten Licht verkleinert wird (Verkleinerung des Raumwinkels/Lichtkegels des Objektivs). Um dies zu kompensieren, kann ein Objektiv mit größerer Apertur (größerem Lichtkegel) verwendet werden.
Im Unterschied zu derartigen Designs/optischen Auslegungen von Objektiven bewirkt das erfinderische multifokale Konzept eine sich über einen größeren Bereich erstreckende Tiefenschärfe durch den Einsatz mehrerer Objektive mit versetzten Plasmadetektionsbereichen. Die versetzten Plasmadetektionsbereiche bewirken, dass Plasmalicht aus einem größeren Tiefenbereich erfassbar wird. Eine Veränderung des Abstands ist nicht notwendig, sodass die Menge des jeweils erfassten Lichts erhalten bleibt.
U.a. aufgrund einer größeren Toleranz hinsichtlich des Orts, an dem ein zu erfassendes Plasma erzeugt wird, kann mit dem hierin vorgeschlagenen multifokalen Detektionsansatz eine im Wesentlichen probenvorbereitungsfreie Analyse von (homogenen und heterogenen) Proben an einer stationären Anlage oder eine Analyse von durchlaufenden Proben durchgeführt werden.
In einigen Ausführungsformen des multifokalen Konzepts kann - auch bei einer stärker strukturierten dreidimensionalen Oberflächenform einer Probe - eine spektrometrische Untersuchung ohne oder, wenn überhaupt, mit einer nur rudimentären, dem Messvorgang vorausgehenden Höheneinstellung erfolgen.
In einigen Ausführungsformen kann eine Umsetzung des multilateralen Konzepts folgende Vorteile aufweisen. Eine gleichzeitige Betrachtung eines Plasmas kann aus unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen erfolgen, wobei die Summe aller „Beobachtungsrichtungen“ als Ergebnis ein gemeinsames spektrales optisches (Ausgangs-)Messsignal bilden. Auch wenn eine der Beobachtungsrichtungen aufgrund der Oberflächenform der Probe oder einem anderen Hindernis geblockt wird, kann noch ein ausreichender Messanteil für die spektrale Analyse zur Verfügung stehen.
In einigen Ausführungsformen des optischen Lichtleitsystems kann die Kombination von n>1 Fasern (z. B. n=2, 3, 4 ...10...15) auf einen (funktionellen) Faserausgang eine vorteilhafte Einspeisung mehrerer Objektive in ein optisches Spektrometer erlauben. Vorteile einer derartigen n-fachen Betrachtung zeigen sich bei der Umsetzung des multifokalen Konzepts sowie des multilateralen Konzepts.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

1 eine schematische Übersicht eines LIBS-Systems,
2 eine Skizze zur Verdeutlichung des multifokalen Konzepts,
3 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften LIBS-Messkopfs,
4A und 4B eine Aufsicht auf eine erste beispielhafte Halterungsplatte und eine perspektivische Ansicht einer Detektionseinheit (multifokales Konzept),
5A und 5B eine Aufsicht auf eine zweite beispielhafte Halterungsplatte und eine perspektivische Ansicht einer Detektionseinheit (multifokales Konzept),
6A und 6B eine Aufsicht auf eine beispielhafte Halterungsplatte und eine perspektivische Ansicht einer Detektionseinheit (multilaterales Konzept),
7A bis 7E schematische Skizzen zur Verdeutlichung eines beispielhaften mehrere Lichtleitfasern umfassenden Lichtleitsystems,
8A bis 8C schematische Skizzen zur Verdeutlichung einer Einkopplung des Lichtleitsystems aus 6 in ein optisches Spektrometer,
9A und 9B eine Illustration beispielhafter spektrale Intensitätsverläufe mit zugehöriger Messkonstellation (multifokales Konzept, Plasma in einem Plasmadetektionsbereich),
10A und 10B eine Illustration beispielhafter spektrale Intensitätsverläufe mit zugehöriger Messkonstellation (multifokales Konzept, Plasma innerhalb zweier Plasmadetektionsbereichen),
11A und 11B eine Illustration beispielhafter spektrale Intensitätsverläufe mit zugehöriger Messkonstellation (multilaterales Konzept, ohne Abschattung),
12A und 12B eine Illustration beispielhafter spektrale Intensitätsverläufe mit zugehöriger Messkonstellation (multilaterales Konzept, mit Abschattung),
13A bis 13C schematische Illustrationen industrieller Anwendungen am Beispiel des multifokalen Konzepts und
14A bis 14C zwei Flussdiagramme und eine Skizze zur Erläuterung von beispielhaften Messvorgängen.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass der Einsatz von mehreren Objektiven in Kombination mit einem optischen Spektrometer eine Erweiterung des erfassbaren Raumwinkelanteils bei der LIBS ermöglicht. Bei entsprechender Anordnung und Ausrichtung der Objektive kann ein erfasster Tiefenschärfebereich entlang der Strahlachse vergrößert werden (multifokales Konzept). Alternativ oder zusätzlich kann auch der Anteil des erfassten Plasmalichts, das von einem Plasma an einem Ort emittiert wird, vergrößert werden (multilaterales Konzept).
Die Erfinder haben erkannt, dass es mithilfe der hierin vorgeschlagenen Konzepte möglich ist, Plasmalicht über einen Sichtbereich entlang der Strahlachse zu erfassen, der länger ist als dieser mit nur einem einzelnen Objektiv unter vergleichbaren Bedingungen gegeben ist. Im Sichtbereich kann die Detektionseinheit eine Tiefenschärfe entlang eines laserseitig bereitgestellten Zündbereichs bereitstellen, die eine Toleranz hinsichtlich der Position der Probe und damit der Position des Plasmas auf der Oberfläche der Probe bewirkt. Anstelle eines Höhenausgleichs gemäß Stand der Technik durch ein mechanisches Verfahren der Detektionseinheit bzw. der Probe (oder ein mechanisches Anpassen der Probenoberfläche an einen Fokuspunkt/an einen punktförmigen Zündbereich) setzt das multifokale Konzept mehrere Plasmadetektionsbereiche ein, die entlang des laserseitig bereitgestellten Zündbereichs angeordnet sind.
Hierin wird ein Plasmadetektionsbereich bestimmt durch eine Beobachtungsachse und einen Raumwinkel, die einem Objektiv zugeordnet sind. Um insbesondere für mehrere Objektive vergleichbare Bedingungen zum Erfassen von Plasmalicht bereitzustellen (oder z. B. im Sinne eines symmetrisch umgesetzten Aufbaus einer Detektionseinheit), können die Beobachtungsachsen der verschiedenen Objektive unter einem im Wesentlichen gleichen Beobachtungswinkel auf die Strahlachse gerichtet werden, allerdings im Fall des multifokalen Konzepts in Richtung der Strahlachse versetzt.
Durch die gemäß dem hierin offenbarten multifokalen Konzept entlang der Strahlachse bereitgestellte Tiefenschärfe kann (ohne Nachpositionieren oder Regeln des Spektrometersystems) für Abschnitte des Oberflächenverlaufs der Probe im entsprechend abgedeckten Tiefenschärfenbereich Plasmalicht erfasst werden, das dann spektral aufgelöst in einem (gemeinsamen) optischen Spektrometer vermessen werden kann. Der erfassbare Signalbeitrag kann somit erhöht werden, wodurch der Messvorgang weniger Zeit benötigen kann, als wenn nur ein Objektiv zur Detektion in einem Plasmadetektionsbereich/an einer Position in Ausbreitungsrichtung eingesetzt wird.
Die Erfinder haben ferner beobachtet, dass beim Einsatz eines einzigen Objektivs zumindest vorübergehend eine räumliche Abschattung eines Detektionskegels und des in diesem zu erfassenden Plasmas vorliegen kann. Die Abschattung wird z. B. durch den Oberflächenverlauf der Probe im Raum hervorgerufen, wie er in der Umgebung des Plasmas vorliegt. Die Erfinder haben nun erkannt, dass es mithilfe mehrerer Objektive möglich wird, Plasmalicht, das in verschiedene Richtungen emittiert wird, zu erfassen und mit einem (gemeinsamen) optischen Spektrometer zu analysieren. Dadurch kann der Einfluss von Abschattungseffekten abgeschwächt werden.
Um vergleichbare Signalinformation aus jedem der Objektive zu erhalten, können in einer Ausführungsform möglichst gleiche (z. B. im Wesentlichen identische) Beobachtungswinkel der Objektive in Bezug zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls vorgesehen werden. Bei einem räumlich größer ausgedehnten Plasma kann dies zusätzlich vermeiden, dass unterschiedliche Plasmabereiche mit möglicherweise unterschiedlichen spektralen Anteilen zu einem Signal zusammengefasst werden.
Die Erfinder haben ferner erkannt, dass in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Lichtleitfaserbündel dazu eingesetzt werden kann, die Messanteile der verschiedenen Objektive zusammenzuführen und gemeinsam - an einem funktionellen Faserausgang des Lichtleitfaserbündels - durch einen Spalt eines optischen Spektrometers zur spektralen Analyse in das optische Spektrometer einzukoppeln. Dazu nehmen die Lichtleitfasern im Betrieb an einem Ende jeweils den Messanteil eines der Objektive auf. Am anderen Ende werden die Lichtleitfasern in einem optischen Stecker zusammengeführt und gehalten und bilden den gemeinsamen funktionellen Faserausgang. Bevorzugt geben die Lichtleitfasern die Messanteile zumindest zu großen Teilen auf die gleichen Zonen des Detektors ab, um möglichst hohe Signalstärken zu erreichen. Beispielsweise können die Lichtleitfasern ihre Messanteile am funktionellen Faserausgang in die gleiche Richtung abgeben. In einigen Ausführungsformen können dafür die Enden der Lichtleitfasern gleich ausgerichtet sein, insbesondere möglichst parallel verlaufen. Ferner können die Lichtleitfasern beispielsweise linear aufgereiht und im eingebauten Zustand entlang des Spalts ausgerichtet werden. Um einen möglichst lokalisierten Ort des funktionellen Faserausgangs und damit der Einkopplung der Messanteile in das optische Spektrometer zu erreichen, können die Lichtleitfasern im optischen Stecker nahe aneinander, bevorzugt direkt nebeneinander, verlaufen.
In einigen Ausführungsformen können die Enden der Lichtleitfasern im optischen Stecker unter Winkeln zueinander verlaufen, wobei die Winkel auf die Geometrie des Spektrometers (optischen Wege im Spektrometer) derart abgestimmt sind, dass die Messanteile der Objektive am Detektor des optischen Spektrometers zusätzlich möglichst in ihren Maxima - z. B. in Richtung der linearen Aufreihung - übereinander gelegt werden.
Nachfolgend werden in Verbindung mit den Figuren beispielhaft die verschiedenen erfinderischen Konzepte erläutert.
1 zeigt eine schematische Übersicht eines Spektrometersystems 1 (LIBS-System) zur Spektralanalyse eines von einem laserinduzierten Plasma 3 (schematisch als gefüllter Kreis angedeutet) emittierten Plasmalichts 3A. Detektierbares Plasmalicht 3A liegt beispielsweise im Wellenlängenbereich von UV-Licht, sichtbarem Licht, nahem Infrarotlicht und/oder Infrarotlicht; insbesondere kann zu detektierendes Plasmalicht im Spektralbereich von ca. 190 nm bis ca. 920 nm liegen. Bei LIBS wird das Plasma 3 mit einem Laserstrahl 5 auf einer Oberfläche 7A einer Probe 7 erzeugt.
Zur Erzeugung des, z. B. gepulsten, Laserstrahls 5 umfasst das Spektrometersystem 1 eine Laserstrahlquelle 9. Die Laserstrahlquelle 9 ist dazu ausgebildet, für die Plasmaerzeugung benötigte Laserstrahlparameter bereitzustellen; beispielhafte Laserstrahlparameter für die Materialanalyse von Mineralien, Salzen, Fe- und NE-Metallen, o.ä. umfassen z. B. Laserpulsenergien im Bereich von <1 mJ bis >100 mJ, Laserpulsdauern im Bereich von <1ns bis >100 ns und eine zentrale Laserwellenlänge z. B. im Infrarot (IR)-Bereich (beispielsweise um 1064 nm), im Ultravioletten (UV)-Bereich oder in einem Wellenlängenbereich dazwischen oder in mehreren Wellenlängenbereichen, d.h. z. B. in einer Kombination aus mehreren Wellenlängen, sowie feste oder einstellbare Repetitionsraten oder Laserpulsburst-Einstellungen. Der Laserstrahl 5 wird z. B. über eine Lichtleitfaser 9A (optional optisch aktiv, wie spektral verbreiternd oder verstärkend) einer Fokussieroptik 11 zugeführt und von dieser auf die Oberfläche 7A der Probe 7 fokussiert. Die Fokussieroptik 11 kann insbesondere als eine Laserkopfkomponente mit Fokussierfunktion wie eine insbesondere auf das Spektrum oder die Pulsdauer oder die Pulsenergie einwirkende aktive Laserkomponente mit Fokussierfunktion ausgebildet sein. Die Ausbreitung des Laserstrahls 5 zwischen Fokussieroptik 11 und Probe 7 erfolgt entlang einer Strahlachse 5A. Beispielhafte Fokusdurchmesser (1/e²-Strahldurchmesser in der Strahltaille) im Bereich von <50 µm bis >250 µm und beispielhafte Fokuslängen (z. B. doppelte Rayleigh-Länge) liegen im Bereich von <5 mm bis >1.000 mm.
Laserparameter können insbesondere derart eingestellt/gewählt werden, dass sich ein Bereich, in dem Plasmaerzeugung stattfinden kann (auch als möglicher Zündbereich bezeichnet), beispielsweise über eine Länge im Bereich von ca. 0,2 mm bis ca. 50 mm, beispielsweise über eine Länge von 2 mm, 5 mm, 20 mm, 200 mm oder 500 mm, entlang der Strahlachse 5A erstreckt.
1 zeigt schematisch eine entlang der Strahlachse 5A langgezogene Fokuszone 11A, wie sie im Bereich der Oberfläche 7A der Probe 7 ausgebildet wird. Das Plasma 3 bildet sich aufgrund der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material an der Oberfläche der Probe 7A aus. Bei LIBS liegen übliche Ausmaße (gemittelter Durchmesser) eines Plasmas 3 im Bereich von z. B. 0,1 mm bis 5 mm (abhängig von Probenmaterial und Laserparameter).
Das Spektrometersystem 1 umfasst ferner ein optisches Spektrometer 13 zur Spektralanalyse des Plasmalichts 3A. Das optische Spektrometer 13 ist in 1 beispielhaft als Gitterspektrometer dargestellt. Allgemein umfasst das Spektrometer 13 mindestens ein dispersives Element 13A, z. B. ein Gitter, ein Prisma oder ein Gitterprisma, und einen pixelbasierten Detektor 13B, auf den das Plasmalicht spektral aufgeweitet auftrifft. Den Pixeln des Detektors 13B sind spektrale Komponenten des zu analysierenden Plasmalichts 3A zugeordnet. Der Detektor 13B gibt Intensitätswerte der bestrahlten Pixel an eine Auswerteeinheit 15, üblicherweise ein Computer mit einem Prozessor und einem Speicher, aus. Die Auswerteeinheit 15 gibt eine gemessene spektrale Verteilung 17 aus und vergleicht diese beispielsweise mit abgelegten Vergleichsspektren, um dem Plasmalicht 3A und damit der untersuchten Probe 3 die zum Plasmalicht 3A beitragenden Elemente zuzuordnen und als Ergebnis der spektralen Untersuchung auszugeben.
Im Spektrometer 13 ist ein (spektralabhängiger) Strahleingang für das zu analysierende Plasmalicht durch eine Eintrittsapertur 19, üblicherweise ein Eintrittsspalt 19A, festgelegt.
Das Spektrometersystem 1 umfasst ferner eine Detektionseinheit 21 mit einer Objektivhalterung 23 und mehreren Objektiven 25A, 25B, 25C, die von der Objektivhalterung 23 gehalten werden. Beispielhaft werden in den Figuren drei Objektive gezeigt, zwei in der Bildebene und eines dahinterliegend. Die hierin offenbarten Konzepte werden mit mehr als einem Objektiv in der Objektivhalterung 23 umgesetzt. Die Anzahl der verwendeten Objektive kann in Abhängigkeit räumlicher und optischer Parameter sowie Parameter des Materials der zu untersuchenden Probe ausgewählt werden; sie liegt z. B. im Bereich von 2 bis 20, beispielsweise bei 4, 5, 8, 9 oder 15 Objektiven.
Das Spektrometersystem 1, insbesondere die Detektionseinheit 21, umfasst ferner ein optisches Lichtleitsystem 27, das die Objektive 25A, 25B, 25C mit dem Spektrometer 13 optisch verbindet. Das Lichtleitsystem 27 stellt mehrere optische Eingänge 29, die jeweils optisch einem der Objektive 25A, 25B, 25C zugeordnet sind, und einen (den Objektiven gemeinsamen, funktionellen) optischen Ausgang 31, der optisch der Eintrittsapertur 19 zugeordnet ist, bereit.
Jedes der Objektive 25A, 25B, 25C ist zum Erfassen eines Messanteils 33 des Plasmalichts 3A eingerichtet und umfasst mindestens ein fokussierendes optisches Element (wie eine üblicherweise in einem lichtdichten Gehäuse angeordnete Sammellinse oder einen konkaven Spiegel). Jedem der Objektive 25A, 25B, 25C ist ein Detektionskegel 35 zugeordnet. Die Strahlachse 5A verläuft durch die Detektionskegel 35, wobei die Detektionskegel 35 im Bereich des Laserstrahls 5 eine eingestellte Mindestgröße aufweisen. Jeder der Detektionskegel 35 umfasst in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl 5 einen Plasmadetektionsbereich 39, der dem entsprechenden Objektiv 25A, 25B, 25C zugeordnet ist. Beispielsweise weisen die Detektionskegel 35 eine Länge von einer Eintrittsapertur eines Objektivs zum Laserstrahl im Bereich von 100 mm bis 500 mm auf. Beispielhaft wird in 1 das Plasma 3 im Plasmadetektionsbereich 39 des Objektivs 25B erzeugt, sodass der zugehörige Messanteil 33 des Plasmalichts 3A vom Objektiv 25B erfasst und auf den zugeordneten optischen Eingang 29 des Lichtleitsystems 27 abgebildet wird. Von einem oder mehreren Objektiven erfasste Messanteile 33 werden vom optischen Lichtleitsystem 27 zum gemeinsamen optischen Ausgang 31 geleitet und durch die Eintrittsapertur 19 in das optische Spektrometer 13 zur spektralen Analyse eingekoppelt.
1 zeigt beispielhaft drei Objektive 25A, 25B, 25C, die (azimutal verteilt) um die Strahlachse 5A angeordnet sind. Die Objektive 25A und 25B liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Strahlachse 5A und sind somit von gegenüberliegenden Seiten auf die Strahlachse 5A gerichtet. Das Objektiv 25C ist von hinten auf die Strahlachse 5A gerichtet. Ein weiteres Objektiv (in 1 nicht gezeigt) kann beispielsweise von vorne auf die Strahlachse 5A gerichtet sein oder mithilfe eines Strahlteilers entlang der Strahlachse 5A auf die Fokuszone 11A gerichtet sein. Zur Verdeutlichung sind in 1 die Detektionskegel 35 konisch auf die Strahlachse 5A zulaufend gestrichelt angedeutet, wobei die Fokuszone 11A, das Plasma 3 und die Plasmadetektionsbereiche 39 zur Verdeutlichung im Vergleich zu den Detektionskegeln 35 übergroß dargestellt sind.
2 zeigt eine Halterungsplatte 23A der Detektionseinheit 21 des LIBS-Systems zur Verdeutlichung der Anordnung und Ausrichtung der Objektive 25A, 25B, 25C. Zur ortsfesten Montage der Objektive weist die Halterungsplatte 23A Objektivhalterungsöffnungen zur Aufnahme der Objektive 25A, 25B, 25C auf. Die Objektivhalterungsöffnungen sind jeweils in einem radialen Abstand zur Strahlachse 5A angeordnet und für eine schräge Ausrichtung der Objektive 25A, 25B, 25C auf die Strahlachse 5A ausgebildet. Zur Verdeutlichung der schrägen Ausrichtung sind Beobachtungsachsen 35A der Objektive 25A, 25B, 25C dargestellt. Im gezeigten Beispiel verlaufen die Beobachtungsachsen 35A unter einem Beobachtungswinkel α zur Strahlachse 5A.
Zur Verwirklichung des multifokalen Konzepts sind die Objektive 25A, 25B, 25C derart in der Halterungsplatte 23A befestigt (allgemein in der Halterung 23 angeordnet und ausgerichtet), dass die Plasmadetektionsbereiche 39 entlang der Strahlachse 5A versetzt angeordnet sind. Insbesondere bei vergleichbaren Beobachtungswinkeln α kann der Versatz in Richtung der Strahlachse 5A durch Variation des radialen Abstands der Objektive 25A, 25B, 25C von der Strahlachse 5A (optional mit variierendem Einschub) erreicht werden. Beispielhaft sind unterschiedliche radiale Abstände R1 und R2 für die Objektive 25A und 25B in 2 angedeutet. Alternativ kann (optional bei einem vergleichbaren radialen Abstand) der Beobachtungswinkel zumindest einiger der Objektive an den gewünschten Versatz der Plasmadetektionsbereiche 39 in Richtung der Strahlachse 5A angepasst werden (siehe z. B. 5B). Mischformen in der Konfiguration sind ebenfalls möglich.
Allgemein kann der Beobachtungswinkel α im Bereich von 0° (über Strahlteiler entlang des Laserstrahls) bis 90° (Beobachtung orthogonal zum Laserstrahl) liegen. Die im Rahmen der Offenbarung beispielhaft gezeigten Beobachtungswinkel α liegen im Bereich von 3° bis 60°, beispielsweise im Bereich von 5° bis 25°. Die Beobachtungsachsen 35A benachbarter Objektive 25A, 25B, 25C laufen von verschiedenen azimutalen Richtungen her auf die Strahlachse 5A zu (azimutaler Winkel in der Ebene senkrecht zur Strahlachse 5A). Im in 2 gezeigten Fall sind die Beobachtungswinkel α für alle Objektive vergleichbar und weichen nicht mehr als z. B. 5° oder 1° voneinander ab (Abweichung gegeben z. B. durch erlaubte Fertigungstoleranzen der Objektivhalterungsöffnungen und Objektive). Jedoch variieren in der Anordnung der 2 die radialen Abstände zur Strahlachse 5A. Entsprechend können vergleichbare Spektren von den Plasmadetektionsbereichen 39 der verschiedenen Objektive für eine Probe bei verschiedenen Lagen der Oberfläche der Probe entlang der Strahlachse 5A (entsprechend unterschiedlichen Messkonstellationen im Rahmen eines Messvorgangs) aufgenommen werden, zum Beispiel vom Objektiv 25B bei einem Oberflächenverlauf gemäß der durchgezogenen Linie (Oberfläche 7A der Probe 7 aus 1) oder vom Objektiv 25A im Fall eines Oberflächenverlaufs gemäß der strichpunktierten Linie 7A' oder vom Objektiv 25C im Fall eines Oberflächenverlaufs gemäß der gestrichelten Linie 7A''.
Wie in 2 angedeutet bilden die Plasmadetektionsbereiche 39 zusammen einen Sichtbereich 41 der Detektionseinheit 21 aus. Der Sichtbereich 41 erstreckt sich entlang der Strahlachse 5A im Bereich der Fokuszone 11A.
Jedem der Plasmadetektionsbereiche 39 wird eine Messtiefe entlang der Strahlachse 5A zugeordnet. Die Messtiefe entspricht in 2 z. B. einem Durchmesser der Kreise, die die Plasmadetektionsbereiche 39 verdeutlichen. Für ein Objektiv ist die Messtiefe ein spezifisches Merkmal, das gegeben ist durch optische Parameter wie Fokuslänge und Apertur des Objektivs sowie durch die Anordnung und Ausrichtung des Objektivs (z. B. geometrische Lageparameter des Objektivs bezüglich der Strahlachse 5A - Abstand und Winkel). Beispielsweise können sich die Plasmadetektionsbereiche 39 entlang der Strahlachse 5A jeweils über eine Messtiefe von ca. 0,1 mm bis ca. 15 mm, insbesondere über eine Messtiefe von ca. 0,5 mm bis ca. 10 mm oder von ca. 0,5 mm bis ca. 5 mm. In einigen Ausführungsformen können sich die Plasmadetektionsbereiche 39 entlang der Strahlachse 5A über 1/10 bis 1/4 des Sichtbereichs 41 erstrecken. In 2 sind die beim multifokalen Konzept versetzt angeordneten Plasmadetektionsbereiche 39 entlang der Strahlachse 5A beispielhaft in einem Abstand D in der Größenordnung der Messtiefe (hier ca. dem Doppelten des Durchmessers der Plasmadetektionsbereiche 39) beabstandet angeordnet. Alternativ können die Plasmadetektionsbereiche 39 aneinander angrenzen oder sich teilweise (beispielsweise im Bereich von 10 % der Messtiefe) überlappen. Auf diese Weise können die Objektive Plasmalicht aus unterschiedlichen Abschnitten des Sichtbereichs 41 entlang der Strahlachse 5A detektieren. (Im Unterschied hierzu decken Plasmadetektionsbereiche beim multilateralen Konzept im Wesentlichen den gleichen Abschnitt entlang der Strahlachse 5A ab, sodass die Objektive Plasmalicht aus diesem gleichen Abschnitt detektieren. Siehe hierzu beispielsweise 11B mit zugehöriger Beschreibung.)
Ferner erkennt man in 2 ein optionales Schutzfenster 43A, das im Bereich einer optischen Durchgangsöffnung 43 in der Halterungsplatte 23A vorgesehen werden kann, um den Laserstrahl durch die Halterung 23 und an den Objektiven 25A, 25B, 25C vorbei auf die Probe 7 richten zu können.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften LIBS-Messkopfs 51, der über eine Lichtleitfaser 9A mit einer Laserstrahlquelle verbunden ist. Die Halterung 23 des LIBS-Messkopfs 51 umfasst eine Längsträgerplatte 23B, an der eingangsseitig eine Befestigung für die Lichtleitfaser 9A und die Fokussieroptik 11 (Laserkopf mit Strahlformung) vorgesehen ist. An der Längsträgerplatte 23B ist ferner das optische Spektrometer 13 befestigt sowie die Halterungsplatte 23A für die vier Objektive 25A, 25B, 25C, 25D (allgemein eine n>1-fache Eintrittsoptik) vorgesehen. Die Objektive 25A, 25B, 25C, 25D sind dazu eingerichtet, von Plasmadetektionsbereichen 39, die entlang der Strahlachse 5A versetzt zueinander angeordnet sind, Messanteile von Plasmalicht zu erfassen und über das Lichtleitsystem 27 (beispielsweise ein Faserbündel mit n> 1 Eingängen und einem funktionellen Ausgang - „n-auf-1 - Faserbündel“) dem Spektrometer 13 zur spektralen Analyse zuzuführen. Beispielhaft sind in 3 zwei Lichtleitfasern 45 des Lichtleitsystems 27 dargestellt, die die Objektive 25B und 25C mit dem gemeinsamen Spektrometer 13 optisch verbinden. Mit dem Lichtleitsystem 27 können die Messanteile im Spektrometer 13 (oder optional vor Einkopplung in das Spektrometer 13) für einen Messvorgang kombiniert werden.
Die n-fache Betrachtung des Sichtbereichs mit mehreren (in 3 vier) Objektiven erlaubt eine deutliche Vergrößerung der Tiefenschärfe, gegeben durch die Aneinanderreihung der Plasmadetektionsbereiche der Objektive. Dadurch wird es möglich, auch in der Oberfläche strukturierte, ungleichmäßige Proben effizient zu analysieren. Ferner findet eine Betrachtung der Probe aus unterschiedlichen Winkeln statt, wodurch Abschattungseffekte reduziert werden können. Die erfassten Messanteile werden an einem gemeinsamen Ausgang des Lichtleitsystems zusammengeführt (Summe aller Beobachtungen) und einer gemeinsamen spektralen Analyse zugeführt.
Ein n-auf-1-Faserbündel erlaubt eine Einspeisung mehrerer Objektive in ein Spektrometer, wobei mehrere n-auf-1-Bündel für die Einspeisung in mehrere Spektrometer verwendet werden können.
Die beispielhafte Implementierung des multifokalen Konzepts in der in 2 gezeigten Detektionseinheit wird anhand der 4A und 4B weiter verdeutlicht. 4A zeigt eine Aufsicht auf die Halterungsplatte 23A. Die optische Durchgangsöffnung 43 im Zentrum ermöglicht den Durchtritt des Laserstrahls (Laserstrahlachse 5A). Vier Objektivhalterungsöffnungen 53A, 53B, 53C, 53D sind azimutal um die Durchgangsöffnung 43 mit variierenden radialen Abständen zur Strahlachse 5A angeordnet. Sie sind azimutal gleich verteilt, sodass sich je zwei Objektivhalterungsöffnungen paarweise gegenüber liegen. In der perspektivischen Ansicht der 4B sind vier identische Objektive 25A, 25B, 25C, 25D in die Objektivhalterungsöffnungen 53A, 53B, 53C, 53D eingesetzt. Die Objektive 25A, 25B, 25C, 25D wurden unterschiedlich weit in die Objektivhalterungsöffnungen 53A, 53B, 53C, 53D eingeführt, sodass je nach radialem Abstand die zugehörigen Plasmadetektionsbereiche 39 nebeneinander in Richtung der Strahlachse angeordnet sind und so den durch die Tiefenschärfe gegebenen Sichtbereich 41 der Detektionseinheit 21 ausbilden.
Eine alternative Implementierung des multifokalen Konzepts wird in den 5A und 5B verdeutlicht. In der Aufsicht auf die Halterungsplatte 23A erkennt man vier Objektivhalterungsöffnungen 55A, 55B, 55C, 55D, die symmetrisch im gleichen radialen Abstand zur Durchgangsöffnung 43 und um diese beispielhaft gleich verteilt angeordnet sind. Wie in der perspektivischen Ansicht der 5B angedeutet ist, wird der Versatz der Plasmadetektionsbereiche 39 in Richtung der Strahlachse 5A durch unterschiedliche Beobachtungswinkel der eingesetzten Objektive 25A, 25B, 25C, 25D bewirkt. Beispielsweise können die Beobachtungswinkel bei einem radialen Abstand von 30 mm im Bereich von 3° bis 15° liegen, sodass sich der Sichtbereich 41 in einem Abstand von ca. 100 mm von der Halterungsplatte 23A ausbildet. Bei unterschiedlichen Beobachtungswinkel (und optional Betrachtungshöhen) können bei einem großvolumigen Plasma die detektierten spektralen Verteilungen variieren. Insbesondere jedoch bei einem kleinvolumigen Plasma, wie es meist für die LIBS erzeugt wird, sind diese Unterschiede in der spektralen Verteilung vernachlässigbar, da im Wesentlichen das gesamte Plasma in einem Plasmadetektionsbereich 39 liegt.
Eine beispielhafte Implementierung des multilateralen Konzepts wird in den 6A und 6B verdeutlicht. In der Aufsicht der 6A auf eine beispielhafte Halterungsplatte 23A` einer Objektivhalterung 23' erkennt man, ähnlich wie in 5A, vier Objektivhalterungsöffnungen 57A', 57B', 57C', 57D', die in der Halterungsplatte 23A' vorgesehen sind. Die Objektivhalterungsöffnungen 57A', 57B', 57C', 57D' sind symmetrisch im gleichen radialen Abstand zur Durchgangsöffnung 43 angeordnet. Im Fall der 6A sind sie beispielhaft gleichverteilt angeordnet, d. h., sie liegen sich paarweise gegenüber. Die Objektivhaltung stellt ferner eine optische Durchgangsöffnung 43 bereit, durch die die Strahlachse 5A verläuft. Insbesondere wurde eine Lage der Strahlachse 5A mittig in der optischen Durchgangsöffnung 43 gelegt.
Wie in 6B gezeigt, werden Objektive 25A', 25B', 25C', 25D' in den Objektivhalterungsöffnungen 57A', 57B', 57C', 57D' der Objektivhalterung 23' gehalten. Im Unterschied zur Ausrichtung der Objektive 25A, 25B, 25C, 25D in 5B sind im Rahmen des multilateralen Konzepts die Objektive 25A, 25B', 25C', 25D' unter einem im Wesentlichen identischen Beobachtungswinkel auf die Strahlachse gerichtet, sodass sie einen gemeinsamen Plasmadetektionsbereich 59 ausbilden. Jedem der Objektive 25A', 25B', 25C', 25D' ist ein Detektionskegel 35' zugeordnet, wobei die Objektive 25A', 25B', 25C', 25D' derart in der Objektivhalterung angeordnet und ausgerichtet sind, dass die Detektionskegel 35' in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl einen gemeinsamen Plasmadetektionsbereich 59 ausbilden. D. h., im Fall eines im Plasmadetektionsbereich 59 vorliegenden Plasmas ist von jedem der vier Objektive 25A', 25B', 25C', 25D` ein Messanteil des Plasmalichts erfassbar, wobei die Detektionskegel 35' in unterschiedliche Raumwinkel emittierte Messanteile des Plasmalichts des Plasmas erfassen. Jeder der Detektionskegel 35` erstreckt sich entlang einer Beobachtungsachse 35A`, die unter einem Beobachtungswinkel im Bereich bis 90° (Beobachtung orthogonal zum Laserstrahl) zur Strahlachse 5A verläuft. Die im Rahmen der Offenbarung beispielhaft gezeigten Beobachtungswinkel liegen im Bereich von 1° bis 60°. Die Beobachtungswinkel sind im Wesentlichen gleich (innerhalb beispielsweise 1° oder 2° z. B. fertigungsbedingter Toleranz) oder können voneinander abweichen, beispielsweise um aus unterschiedlichen Richtungen zu beobachten (Beobachtungswinkelunterschiede bis zu 90° beispielsweise bis zu 45°).
Man erkennt in 6B, dass die Beobachtungsachsen 35A' benachbarter Objektive 25A', 25B', 25C', 25D' azimutal beabstandet um die Strahlachse angeordnet sind. So liegen die die Beobachtungsachsen 35A' der Objektive 25A', 25B', 25C', 25D' beispielsweise auf einer Kegeloberfläche.
Weitere Erläuterungen zum multilateralen Konzept folgen in Zusammenhang mit den 11A bis 12B.
In den hierin vorgeschlagenen Spektrometersystemen zur multifokalen und/oder multilateralen Beobachtung wird allgemein ein Lichtleitsystem verwendet, um Messanteile des erfassten Plasmalichts von der Detektionseinheit zum optischen Spektrometer zu führen. Neben dem nachfolgend in Zusammenhang mit den 7A bis 7E sowie 8A bis 8C erläuterten, auf mehreren Lichtleitfasern basierenden Lichtleitsystemen können die Messanteile ferner beispielsweise über ein Freistrahl-System unter Einsatz von zum Beispiel Spiegeln und Linsen von den Objektiven zur Eingangsapertur des optischen Spektrometers geführt werden. Alternativ können Lichtleitsysteme zum Beispiel auf mehreren Lichtleitfasern basieren, die ausgangsseitig zu einer Faser zusammengeführt werden.
Die schematischen Skizzen der 7A bis 7E verdeutlichen ein beispielhaftes Lichtleitsystem 27 mit mehreren Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D, die dazu ausgebildet sind, in lichtführenden Bereichen die Messanteile des erfassten Plasmalichts zum optischen Spektrometer zu führen. Beispielhafte Lichtleitfasern sind auf die zu führenden Spektralbereiche (UV, VIS, IR, NIR) angepasst und können beispielsweise folgende Arten von Lichtleitfasern umfassen: Stufenindexfasern, Gradientenindexfasern, Hohlkernfasern, Photonic-crystal-Fasern sowie single-Mode-Fasern oder multi-Mode-Fasern. Durchmesser der lichtführenden Bereiche liegen z. B. im Bereich von 100 µm bis 1.000 µm, insbesondere im Bereich um 800 µm. Zugeordnete Lichteintrittsflächen/ Lichtaustrittsflächen haben vergleichbare Ausmaße. Ferner sind Variationen im Durchmesser eines lichtführenden Bereichs zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche möglich, wie nachfolgend an einem Beispiel erläutert wird.
Jede der Lichtleitfasern ist eingangsseitig in einem optischen Eingangsstecker 61A, beispielsweise in einem SMA-Stecker, fixiert (7B und 7C). Die lichtführenden Bereiche der Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D weisen eingangsseitig jeweils eine Lichteintrittsfläche 63 auf. Beispielhaft ist in 7C in einer Frontansicht des Eingangssteckers 61A die Lichteintrittsfläche 63 zentriert in einer rotationssymmetrischen Ferrule 64 angedeutet. Jede der Lichteintrittsflächen 63 bildet einen der optischen Eingänge 29 des Lichtleitsystems 27. Der Eingangsstecker 61A kann an einem der Objektive der Detektionseinheit derart montiert werden, dass einer der Messanteile in den lichtführenden Bereich eingekoppelt wird. Dazu wird die Lichteintrittsfläche 63 so positioniert, dass ein Objektiv, das aus dem Plasmadetektionsbereich in Richtung des Objektivs emittiertes (d. h., sich im Detektionskegel ausbreitendes) Plasmalicht erfasst, dieses auf die Lichteintrittsfläche 63 abbildet, so dass es von der Lichtleitfaser weitergeleitet werden kann.
Wie in 7A gezeigt können die Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D ausgangsseitig zu einem Faserbündelabschnitt 65 zusammengefasst werden.
Ausgangsseitig werden die Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D, die im multifokalen Konzept sowie im multilateralen Konzept jeweils einem Objektiv zugeordnet werden, in einem (gemeinsamen) Ausgangsstecker 61B gefasst (7D und 7E). Die lichtführenden Bereiche der Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D weisen ausgangsseitig jeweils eine Lichtaustrittsfläche 67A, 67B, 67C, 67D auf. Die Lichtaustrittsflächen 67A, 67B, 67C, 67D bilden den optischen (funktionellen) Ausgang 31 des Lichtleitsystems 27. Wie in 7E gezeigt, werden die Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D im Ausgangsstecker 61B weitgehend parallel zu einander verlaufend in einer Ferrule 69 gefasst. Beispielsweise werden in der Ferrule 69 Faseraufnahmeöffnungen vorgesehen, die parallel zueinander verlaufen und an den Außendurchmesser der Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D angepasst sind. Vorzugsweise werden die Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D derart angeordnet, dass die Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D aneinander angrenzend oder mit einem Zwischenabstand von wenigen Prozent, z. B. 10 %, 20 %, 30 % oder 100 %, eines Durchmessers der Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D, in der Ferrule 69 fixiert sind. Wie in der Frontansicht des Ausgangssteckers 61B in 7E gezeigt wird, können die Lichtaustrittsflächen 67A, 67B, 67C, 67D beispielsweise nebeneinander (linear) aufgereiht angeordnet werden, um den optischen Ausgang 31 geometrisch für eine effiziente Einkopplung an eine spaltförmige Eintrittsapertur des optischen Spektrometers anzupassen.
Die 8A bis 8C zeigen, wie der Ausgangsstecker 61B für eine effiziente Lichteinkopplung der Messanteile am optischen Spektrometer 13 montiert werden kann. Beispielhaft sind wie in 7E die Lichtaustrittsflächen 67A, 67B, 67C, 67D linear aufgereiht und entlang einer in Y-Richtung verlaufenden Eintrittsspaltöffnung 71 ausgerichtet. Entsprechend ist eine Position der Einkopplung in X-Richtung durch eine Breite der Eintrittsspaltöffnung 71 gegeben. Die Position der Einkopplung in Y-Richtung wird durch die in Y-Richtung übereinander liegenden Lichtaustrittsflächen 67A, 67B, 67C, 67D gegeben. Je näher die Lichtaustrittsflächen 67A, 67B, 67C, 67D beieinander liegen, desto mehr überlappen sich die optischen Wege der Messanteile im optischen Spektrometer und führen zu gleichlokalisierten Signalbeiträgen auf dem Detektor.
In einigen Ausführungsformen entspricht die Reihenfolge der Lichtaustrittsflächen 67A, 67B, 67C, 67D der Abfolge der Plasmadetektionsbereiche 39 im Sichtbereich 41. Dadurch werden die zentral liegenden Plasmadetektionsbereiche 39 optimal in das optische Spektrometer eingekoppelt, sodass die zugehörigen Messanteile am effizientesten zur spektralen Analyse beitragen. Bezugnehmend auf die Beispiele zum multifokalen Konzept in 4B und 5B können die mittleren Lichtleitfasern im Ausgangsstecker auch für die mittleren Plasmadetektionsbereiche 39 verwendet werden. Bezugnehmend auf das Beispiel zum multilateralen Konzept der 6B ist die Summe der Messanteile aller jeweils beitragenden Lichtleitfasern ausschlaggebend, wobei je nach Oberflächenverlauf jeweils andere Lichtleitfasern beitragen, sodass eine entsprechende Abfolge im Allgemeinen wohl weniger bis keinen Effekt haben wird.
In einer schematisierten Aufsicht auf einen Schnitt durch die „oberste“ Lichtleitfaser 45D (8A), einer schematisierten Seiteneinsicht eines Schnitts durch die vier aufgereihten Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D (8B) und einer Ansicht der Lichtaustrittsflächen 67A, 67B, 67C, 67D der Lichtleitfasern im montierten Zustand (8C) wird die Einkopplung durch eine Eintrittsspaltöffnung 71 in ein optisches Spektrometer verdeutlicht. In 8A erkennt man die in der Ferrule 69 gehaltene Lichtleitfaser 45D. Im Inneren der Lichtleitfaser 45D erstreckt sich der lichtführende Bereich 73D (schematisch angedeutet), der in der Lichtaustrittsfläche 67D mündet. Aus dieser tritt der Messanteil des erfassten Plasmalichts aus und passiert die längliche Eintrittsspaltöffnung 71 (Spaltbreite z. B. 10µm). Punktiert ist in 8A eine mögliche Strahldivergenz in X-Richtung aufgrund der Spaltöffnung 71 angedeutet.
In der Schnittansicht der 8B erkennt man die vier in Y-Richtung übereinander in der Ferrule 69 angeordneten Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D, jeweils mit einem zentral verlaufenden lichtführenden Bereich; angedeutet ist der lichtführende Bereich 73D für die Lichtleitfaser 45D. Ferner erkennt man (Messanteil-) Strahlachsen 75A, 75B, 75C, 75D, entlang denen die Messanteile des Plasmalichts aus den Lichtleitfasern 45A, 45B, 45C, 45D abgegeben werden. Die Strahlachsen 75A, 75B, 75C, 75D verlaufen beispielhaft parallel zueinander. Dies bewirkt, dass die Messanteile im Wesentlichen in die gleiche Richtung und mit vergleichbaren Divergenzen in Y-Richtung durch die Eintrittsspaltöffnung 71 treten und somit als quasi ein Lichtstrahl auf das dispersive Element und den Detektor zur spektralen Analyse treffen.
In 8C erkennt man schematisch die Eintrittsspaltöffnung 71 in einer Innenwand 77 des Gehäuses des Spektrometers. Im gezeigten Beispiel sind die Lichtleitfasern (mit parallelen Faserorientierungen) linear aufgereiht, wobei die Aufreihung entlang einer Längsachse der Eintrittsspaltöffnung 71 (hier entlang der Y-Richtung) vorliegt. Der Durchmesser der Lichtaustrittsflächen 67A, 67B, 67C, 67D ist üblicherweise größer oder liegt im Bereich einer Breite der Eintrittsspaltöffnung 71. Ferner ist in 8C der Ausgangsstecker 61B (außerhalb des Gehäuses) schematisiert angedeutet.
Bezugnehmend auf die 9A bis 10B wird das multifokale Konzept anhand beispielhafter Messkonstellationen und Messspektren erläutert.
9A zeigt zwei Messspektren im Wellenlängenbereich von ca. 250 nm bis ca. 500 nm und 9B verdeutlicht beispielhaft die Konstellation bei der LIBS-Messung mit dem Spektrometersystem 1 aus 1. Mit dem Laserstrahl wird das Plasma 3 auf der Oberfläche der Probe 7 erzeugt. Die Detektionseinheit 23 des Spektrometersystems 1 ist derart eingestellt, dass die Messdetektionsbereiche der einzelnen Objektive nicht überlappen. Man erkennt, dass ein Messdetektionsbereich 83A des Objektivs 25A im Inneren der Probe 7 liegt (und entsprechend das Objektiv 25A „nur“ die Probenoberfläche in einiger Entfernung zum Plasma beobachtet), der Messdetektionsbereich 83B des Objektivs 25B auf der Oberfläche der Probe 7 liegt (und das Objektiv 25B entsprechend die Probenoberfläche im Bereich der Plasmaausbildung beobachtet und damit direkt in das Plasma schaut), und der Messdetektionsbereich 83C des Objektivs 25C nicht mit der Probe 7 überlappt (und entsprechend das Objektiv 25C über das Plasma hinwegschaut und ebenfalls „nur“ die Probenoberfläche in einiger Entfernung zum Plasma beobachtet).
Im dargestellten Fall ist das erzeugte Plasma 3 in seiner Ausdehnung vergleichbar mit der Ausdehnung der Messdetektionsbereiche der Objektive, sodass das Plasma 3 im Wesentlichen nur im Messdetektionsbereich 83B vorliegt und entsprechend nur in den Detektionskegel des Objektivs 25B Licht emittiert. Dies erkennt man auch an den Messspektren, die zur Verdeutlichung selektiv für die Messanteile der Objektive 25A und 25B in 9A gezeigt sind. Der Messanteil des Objektivs 25A führt zu kaum Signalbeiträgen. Entsprechend führt der Messanteil zu einem Messspektrum mit sehr geringen Intensitäten I (gestrichelte Linie 81A). Es wird angemerkt, dass sich für das Objektiv 25C ein Messspektrum ähnlich dem des Objektivs 25A ergeben würde. Davon abweichend führt der Messanteil des Objektivs 25B zu einer spezifischen Signalverteilung mit signifikanten Intensitäten I bei spezifischen Wellenlängen λ im Messspektrum (gepunktete Linie 81B). Diese lassen eine Zuordnung der elementaren Komponenten der Probe 7 ermitteln. Es wird angemerkt, dass um die Messanteile selektiv erfassen und darstellen zu können, jeweils nur das zu vermessende Objektiv mit dem Spektrometer optisch zu verbinden ist.
Werden erfindungsgemäß alle Objektive mit dem Spektrometer zur Verwirklichung des multifokalen Konzepts optisch verbunden, wird im vorliegenden Fall der 9B das Summensignal in etwa dem Messanteil des Objektivs 25B entsprechen (gepunktete Linie 81B), da zum Zeitpunkt der Messung in 9B die Messdetektionsbereiche 83A, 83C des Objektivs 25A und des Objektivs 25C in der Probe 7 bzw. vor der Probe 7 liegen. Dadurch erfasst im Wesentlichen nur das Objektiv 25A einen Messanteil des Plasmas 3.
10A zeigt drei Messspektren im Wellenlängenbereich von ca. 250 nm bis ca. 500 nm und 10B verdeutlicht beispielhaft die Konstellation bei einer LIBS-Messung, bei der die Detektionseinheit 23 des Spektrometersystems derart eingestellt ist, dass benachbarte Messdetektionsbereiche der einzelnen Objektive zu einem Teil überlappen. Man erkennt, dass der Messdetektionsbereich 87A des Objektivs 25A und der Messdetektionsbereich 87B des Objektivs 25B nahe der Oberfläche der Probe 7 liegen, wobei der Messdetektionsbereich 87C des Objektivs 25C etwas weiter entfernt vor der Probe 7 liegt. Mit dem Laserstrahl wird das Plasma 3 auf der Oberfläche der Probe 7 erzeugt. Das Plasma 3 erstreckt sich im Beispiel der 10B über die Messdetektionsbereich 87A, 87B des Objektivs 25A und des Objektivs 25B.
Die Situation der sich ergebenden Messspektren ist in 10A gezeigt, wobei auch hier die Messspektren für das Objektiv 25A und das Objektiv 25B zur Verdeutlichung selektiv dargestellt sind. Der Messanteil des Objektivs 25C führt zu kaum Signalbeiträgen und ist in 10A nicht gezeigt. Man erkennt, dass das Plasma 3 vergleichbar mit dem Messdetektionsbereich 87A und dem Messdetektionsbereich 87B überlappt. Entsprechend führen die Messanteile des Objektivs 25A und des Objektivs 25B zu vergleichbaren Messspektren mit signifikanten Intensitäten I bei spezifischen Wellenlängen λ im Messspektrum (gestrichelte Linie 89A, gepunktete Linie 89B). Es wird angemerkt, dass um die Messanteile selektiv erfassen und darstellen zu können, jeweils nur das zu vermessende Objektiv mit dem Spektrometer optisch zu verbinden ist.
Werden erfindungsgemäß alle Objektive mit dem Spektrometer zur Verwirklichung des multilateralen Konzepts optisch verbunden, ergibt sich in der beispielhaften Konstellation der 10B ein kombiniertes Summensignal (durchgezogene Linie 91), indem die signifikanten Intensitäten I bei spezifischen Wellenlängen λ gut auflösbar sind.
Bezugnehmend auf die 11A bis 12B wird das multilaterale Konzept anhand beispielhafter Messdaten erläutert, wobei 11B den Vorteil eines größeren erfassten Raumwinkelbereichs und 12B den Vorteil bei eintretenden Abschattungen aufgrund der multilateralen Beobachtung aufzeigt.
11A zeigt drei Messspektren im Wellenlängenbereich von ca. 250 nm bis ca. 500 nm und 11B verdeutlicht beispielhaft die Konstellation bei einer LIBS-Messung, bei der - wie in 6B gezeigt - die Detektionseinheit 23 des Spektrometersystems derart eingestellt ist, dass die Messdetektionsbereiche der einzelnen Objektive aufeinander fallen und einen gemeinsamen Messdetektionsbereich 59 ausbilden. Dabei wird der Messdetektionsbereich 59 mit den verschiedenen Objektiven aus verschiedenen Raumrichtungen erfasst. Man erkennt, dass der Messdetektionsbereich 59 nahe der Oberfläche der Probe 7 liegt. Mit dem Laserstrahl wird das Plasma 3 auf der Oberfläche der Probe 7 im Bereich des Messdetektionsbereichs 59 erzeugt.
Die Situation der sich ergebenden Messspektren ist in 11A gezeigt, wobei auch beispielhaft die (vergleichbaren) Messspektren (gestrichelte Linie 93A, gepunktete Linie 93B) für das Objektiv 25A und das Objektiv 25B zur Verdeutlichung selektiv dargestellt sind. Der Messanteil des Objektivs 25C führt zu einem vergleichbaren Signalbeitrag und ist nicht gezeigt. Es wird angemerkt, dass um die Messanteile selektiv erfassen und darstellen zu können, jeweils nur das zu vermessende Objektiv mit dem Spektrometer optisch zu verbinden ist.
Werden erfindungsgemäß alle Objektive mit dem Spektrometer zur Verwirklichung des multifokalen Konzepts optisch verbunden, ergibt sich im vorliegenden Fall der 10B ein kombiniertes Summensignal (durchgezogene Linie 95), indem die signifikanten Intensitäten I bei spezifischen Wellenlängen λ gut auflösbar sind.
12A zeigt zwei Messspektren im Wellenlängenbereich von ca. 250 nm bis ca. 500 nm und 12B verdeutlicht beispielhaft die Konstellation bei einer LIBS-Messung, bei der die Geometrie der Probe 7 alle Objektive bis auf eines (hier das objektiv 25B) abschattet. Die Detektionseinheit 23 des Spektrometersystems ist gemäß des multilateralen Konzepts derart eingestellt, dass die Messdetektionsbereiche der einzelnen Objektive aufeinander fallen und den gemeinsamen Messdetektionsbereich 59 ausbilden. Dabei wird der Messdetektionsbereich 59 mit den verschiedenen Objektiven aus verschiedenen Raumrichtungen erfasst. Mit dem Laserstrahl wird das Plasma 3 auf der Oberfläche der Probe 7 im Bereich des Messdetektionsbereichs 59 erzeugt.
Man erkennt, dass der Messdetektionsbereich 59 nahe der Oberfläche der Probe 7 liegt, jedoch befindet sich Material der Probe 7 zwischen dem Plasma 3 und den Objektiven 25A, 25C. Entsprechend wird Plasmalicht, welches in Richtung der Objektive 25A, 25C emittiert wird, von der Probe 7 abgeschirmt und es kann entsprechend von den Objektiven 25A, 25C nicht erfasst werden.
Dies erkennt man auch an den Messspektren, die zur Verdeutlichung selektiv für die Messanteile der Objektive 25A und 25B in 12A gezeigt sind. Der Messanteil des Objektivs 25A führt zu kaum Signalbeiträgen. Entsprechend führt der Messanteil zu einem Messspektrum mit sehr geringen Intensitäten I (gestrichelte Linie 97A). Es wird angemerkt, dass sich für das Objektiv 25C ein Messspektrum ähnlich dem des Objektivs 25A ergeben würde. Jedoch führt der Messanteil des Objektivs 25B zu einer spezifischen Signalverteilung mit signifikanten Intensitäten I bei spezifischen Wellenlängen λ im Messspektrum (gepunktete Linie 97B). Diese lassen eine Zuordnung der elementaren Komponenten der Probe 7 trotz der abgeschirmten Objektive 25B, 25C ermitteln. Es wird angemerkt, dass um die Messanteile selektiv erfassen und darstellen zu können, jeweils nur das zu vermessende Objektiv mit dem Spektrometer optisch zu verbinden ist.
Werden erfindungsgemäß alle Objektive mit dem Spektrometer zur Verwirklichung des multilateralen Konzepts optisch verbunden, wird im vorliegenden Fall der 12B das Summensignal in etwa dem Messanteil des Objektivs 25B entsprechen (gepunktete Linie 97B), da nur das Objektiv 25A einen Messanteil des Plasmas 3 erfassen kann.
Es ist zu ergänzen, dass jeweils Untergruppen von Objektiven einem eigenen optischen Spektrometer zugeordnet werden können, wobei die Spektrometer (und optional die Lichtleitsysteme) beispielsweise an unterschiedliche zu analysierende Spektralbereiche angepasst sind. Beispielsweise können je vier Objektive Messanteile einem optischen Spektrometer im UV-Bereich und je vier Objektive Messanteile einem optischen Spektrometer im NIR-Bereich über jeweils eigene Lichtleitsysteme zuführen. Alternativ oder ergänzend können Messanteile eines Objektivs beispielsweise in zwei Lichtwege aufgeteilt werden, sodass bei vier Objektiven beispielsweise acht Lichtleitfasern eingesetzt werden, von denen vier Lichtleitfasern einen funktionellen Ausgang für ein optisches Spektrometer im UV-Bereich und vier Lichtleitfasern einen funktionellen Ausgang für ein optisches Spektrometer im NIR-Bereich ausbilden.
Die hierin vorgestellten multifokalen und multilateralen Konzepte der Anordnungen von Objektiven in einer Detektionseinheit eines Spektrometersystems zeigen ihre Vorteile insbesondere beim Erfassen von Emissionsspektren eines zu analysierenden bewegten Objekts (Probe) mit einem in Strahlachse modellierten Oberflächenverlauf. Im Vergleich mit einer räumlich kleiner ausgedehnten Fokuszone erhöht sich durch den in Richtung der Strahlachse erweiterten Sichtbereich der Anteil von Oberflächenabschnitten der Probe, bei denen zum einen ein Plasma erzeugt wird und zum anderen Messanteile dieses Plasmas von der Detektionseinheit erfasst werden können. Entsprechend liegt die Menge an erfassten Daten, die für eine Analyse des Materials benötigt wird, schneller vor. Eine schnelle Analyse der Materialzusammensetzung ist in verschiedenen Anwendungen von Vorteil.
Beispielhaft werden in den 13A bis 13C industrielle Anwendungen schematisch am Beispiel des multifokalen Konzepts gezeigt, wobei bei diesen industriellen Anwendungen auch das multilaterale Konzept entsprechend eingesetzt werden kann.
13A zeigt eine stationäre Anlage mit einem Spektrometersystem 101. Der Laserstrahl 5 des Spektrometersystems 101 ist von oben (in 13A entlang der Z-Achse) auf ein Probengefäß 103 (z. B. ein Probenteller oder eine Probenschale mit beispielsweise runder oder rechteckiger Grundform) gerichtet, in dem eine zu untersuchende Probe 105 zur Untersuchung bereitgestellt wird. Die Detektionseinheit 23 des Spektrometersystems 101 ist bezüglich des Probengefäßes 103 derart angeordnet, dass sich ein Sichtbereich 41 der Detektionseinheit 23 des Spektrometersystems 101 (siehe auch 2) in einer, beispielsweise fest eingestellten, Höhe (Abstand in Z-Richtung) oberhalb des Bodens (Probengefäßbodenfläche 103A) des Probengefäßes 103 erstreckt und somit eine Detektion von Messanteilen in einem vorbestimmten Z-Bereich ermöglicht.
Beispielhaft besteht die Probe 105 aus gebrochenen Probenstücken 105A. Die Probenstücke 105A bilden einen in Z-Richtung variierenden Oberflächenverlauf aus, der allgemein undefinierten, d. h. nicht festgelegt, ist. Entsprechend umfasst der Oberflächenverlauf viele Messoberflächenbereiche, bei denen die Oberflächen im vorbestimmten Z-Werte-Bereich des Sichtbereichs 41 liegen. Wird auf diesen Oberflächenbereichen ein Plasma erzeugt, liegt das Plasma im Sichtbereich 41 der Detektionseinheit 23, sodass entsprechend Plasmalicht erfasst werden kann.
Der Laserstrahl 5 tastet die Probe 105 entlang einer (einstellbaren) Trajektorie ab, beispielsweise indem das Probengefäß 103 in der X-Y-Ebene rotiert wird (angedeutet durch den Pfeil 107) oder durch ein eindimensionales oder zweidimensionales (beispielsweise lineares, reihenförmiges oder rasterförmiges) Abtasten mittels linearer Verschiebung in der X-Y-Ebene, oder einer Kombination von Schwenkbewegung, Translationsbewegung und/oder Rotationsbewegung, sodass die Trajektorie viele Messabschnitte (Trajektorienabschnitte) umfasst. Den Messabschnitten sind Messoberflächenbereichen zugeordnet, in denen eine Detektion von Plasmalicht stattfinden kann. Die Detektionseinheit 23 erfasst immer dann Plasmalicht, wenn der Laserstrahl 5 auf diesen Messoberflächenbereichen entlang der Messabschnitte ein Plasma erzeugt. Je größer sich der Sichtbereich 41 in Z-Richtung erstreckt, desto größer ist der Anteil der Messoberflächenbereiche an der gesamten Oberfläche und entsprechend größer ist der Anteil der Messabschnitte an der Trajektorie. Somit kann das multifokale Konzept die Datenerfassung für die spektrale Analyse beschleunigen.
Ferner erkennt man, dass bei beispielsweise grobkörnigen Probenstücken 105A auf dem Probengefäß 103 Abschattungseffekte eintreten können. D. h., nicht unter jedem Beobachtungswinkel kann ein Plasma auch detektiert werden. Das hierin offenbarte multilaterale Konzept (nicht explizit in 13A gezeigt, aber leicht auf diese industrielle Anwendung übertragbar) stellt ebenfalls mehrere Beobachtungsrichtungen bereit, sodass es trotz einer eventuellen Abschattung möglich ist, ein Messanteil mit zumindest einem von mehreren vorgesehenen Objektiven zu erfassen. Somit kann das multilaterale Konzept die Datenerfassung für die spektrale Analyse beschleunigen.
13B zeigt eine Anlage 111 zum LIBS-basierten Sortieren von Stücken aus unterschiedlichen Materialien. Beispielhaft ist der Sortiervorgang für zwei Materialsorten dargestellt; zum Beispiel sollen Stücke 113A aus Kupfer und Stücke 113B aus Messing auf zwei Sammelstellen 115A, 115B verteilt werden. Die Anlage 111 umfasst ein Spektrometersystem 117A und eine Trenneinrichtung 117B, die beispielsweise mithilfe eines aktivierbaren Luftstrompulses 119 die Stücke 113A aus Kupfer aus einem kontinuierlichen Strom von Stücken herauslöst. Hierzu verwendet die Trenneinrichtung 117 Informationen über die Materialzusammensetzung der vorbeigeführten Stücke, die mithilfe des Spektrometersystems 117A erfasst werden. Allerdings ist die Lage der Stücke bezüglich des Sichtbereichs des Spektrometersystems 117A unter Umständen nicht eindeutig definiert, sodass das multifokale Konzept und/oder das multilaterale Konzept hinsichtlich der Erfassung von Messanteilen Vorteile aufweisen kann.
Eine kurze Detektionszeit, die mithilfe der hierin offenbarten multifokalen und/oder multilateralen Konzepte erreicht werden kann, erlaubt es, die Stücke 113A, 113B hinsichtlich der Materialzusammensetzung auch bei kleinen Stücken und damit kurzen möglichen Messstrecken pro Stück, sowie hohen Passiergeschwindigkeiten und damit einer geringen Anzahl an überhaupt erfassbaren Messspektren von geeignet gelegenen Oberflächenabschnitten zu erkennen und so ein schnelles und/oder hochpräzises Sortierverfahren umzusetzen.
13C zeigt eine Anlage 121 zur Bestimmung der Zusammensetzung von Schlacken. Beispielhaft kann eine passende Qualität der Schlacke für den Straßenbau durch Selektion mit LIBS erfasst werden. Die Anlage 121 weist ein Spektrometersystem 123 und eine Förderbandanlage 125 auf. Zu analysierenden Schlacke 127 wird auf einem Förderband 125A der Förderbandanlage 125 am Spektrometersystem 123 vorbeigeführt, wobei der Laserstrahl des Spektrometersystems 123 auf das Förderband 125A gerichtet ist und der Sichtbereich 41 des Spektrometersystems 123 mit einem Abstand zum und oberhalb des Förderbands 125A positioniert ist. Angesichts der variierenden Größe und Form der Schlacke-Stücke bezüglich des Sichtbereichs des Spektrometersystems 123 erlaubt es das multifokale Konzept und/oder das multilaterale Konzept, Messanteile vorteilhaft zu erfassen.
Eine kurze Detektionszeit, die mithilfe der hierin offenbarten multifokalen und/oder multilateralen Konzepte erreicht werden kann, erlaubt es, die Schlacke 127 hinsichtlich der Materialzusammensetzung auch bei einer hohen Passiergeschwindigkeit zu erkennen und so eine schnelle und/oder hochpräzise Qualitätsüberprüfung umzusetzen.
Allgemein wird der Fachmann anerkennen, dass eine Ausrichtung des Laserstrahls bezüglich einer Oberfläche einer Probe (z. B. bezüglich einer Normalenrichtung der Oberfläche am Ort des erzeugten Plasmas) oder bezüglich einer Auflagefläche, beispielsweise einer Normalenrichtung einer Bodenfläche eines Probengefäßes oder eines Förderbands in einem Winkelbereich von 0° (Einfall parallel zur Normalenrichtung) bis 90° (seitlicher Einfall) wählbar ist, wobei bezüglich etwaiger Abschattungseffekte ein Winkelbereich von 0° bis 80°, insbesondere von 0° bis 60°, Vorteile aufweisen kann. Ferner wird der Fachmann anerkennen, dass eine Ausrichtung des Laserstrahls bezüglich einer Bewegungsrichtung der Probe (z. B. eine Linearbewegung oder eine Rotationsbewegung der Probe) in einem Winkelbereich von 0° (Einfall entgegen der Bewegungsrichtung) über 90° (seitlicher Einfall) bis 180° (Einfall in Bewegungsrichtung) wählbar ist.
Nachfolgend wird ein Messablauf gemäß dem multifokalen Konzept beispielhaft für zwei Messpunkte bezugnehmend auf die 14A und 14B zusammengefasst:
Bereitstellen (Schritt 131) einer Detektionseinheit, die mithilfe mehrerer, entsprechend dem multifokalen Konzept ausgerichteter Objektive einen erweiterten Sichtbereich zur Detektion von Plasmalicht bereitstellt.
Positionieren (Schritt 133) eines ersten Oberflächenbereichs einer, beispielsweise auf einem Probengefäß gelagerten, Probe im Sichtbereich der Detektionseinheit.
Einstrahlen (Schritt 135) eines Laserstrahls zu Erzeugung eines ersten Plasmas auf dem ersten Oberflächenbereich, wobei Plasmalicht gemäß einem Material der Probe vom ersten Plasma emittiert wird.
Erfassen (Schritt 137) eines ersten Messanteils des Plasmalichts mithilfe der Detektionseinheit und Weiterleiten des ersten Messanteils des Plasmalichts zu einem optischen Spektrometer.
Bewegen (Schritt 139) der Probe relativ zum Sichtbereich, insbesondere im Rahmen einer kontinuierlichen Relativbewegung zwischen Probe und Detektionseinheit, beispielsweise mithilfe eines Rotationsantriebs und eines Schwenkantriebs des Probengefäßes, sodass ein zweiter Oberflächenbereich der Probe im Sichtbereich positioniert ist.
Wiederholen der Schritte des Einstrahlens (135) und des Erfassens (Schritt 137) für den zweiten Oberflächenbereich, sodass ein zweiter Messanteil des Plasmalicht eines zweiten Plasmas zum optischen Spektrometer weitergeleitet wird.
Basierend auf dem ersten Messanteil und dem zweiten Messanteil, Ausgeben (Schritt 141) eines kumulierten optischen Spektrums an einer Recheneinheit und Durchführen einer spektralen Analyse des kumulierten optischen Spektrums zu Bestimmung und Ausgabe der elementaren Zusammensetzung der Probe. Im Rahmen eines Messvorgangs können solange Spektren von verschiedenen Messkonstellation für eine Probe gesammelt werden, und insbesondere unter Nutzung von einem Filteralgorithmus ausgewertet werden, bis eine erforderliche Qualität hinsichtlich der ausgegebenen Analyse erreicht ist.
14B zeigt eine Probe 7, die mit einer (relativen) Geschwindigkeit v an einem gepulsten Laserstrahl 5 eines Spektrometersystems 1 vorbei bewegt wird. Die Probe 7 weist ein strukturiertes Oberflächenprofil auf, das sich nur teilweise im Sichtbereich 41 des Spektrometersystems 1 (gegeben durch die Plasmadetektionsbereiche 39) erstreckt. Aufgrund des gepulsten Laserstrahls 5 wurde eine Sequenz von Plasmen auf der Oberfläche der Probe 7 erzeugt und das Plasmalicht entsprechend detektiert und spektral analysiert. Beispielhaft sind ein letztes Plasma 3 sowie die Positionen der vorausgehend erzeugten Plasmen (Kreise) entlang der Oberfläche der Probe 7 angedeutet.
Nachfolgend wird ein Messablauf gemäß dem multilateralen Konzept beispielhaft für zwei Messpunkte bezugnehmend auf 14C zusammengefasst:
Bereitstellen (Schritt 151) einer Detektionseinheit, die mithilfe mehrerer, entsprechend dem multilateralen Konzept ausgerichteter Objektive einen erweiterten Raumwinkelbereich zur Detektion von Plasmalicht bereitstellt.
Positionieren (Schritt 153) eines ersten Oberflächenbereichs einer, beispielsweise auf einem Probengefäß gelagerten, Probe im Sichtbereich der Detektionseinheit.
Einstrahlen (Schritt 155) eines Laserstrahls zu Erzeugung eines ersten Plasmas auf dem ersten Oberflächenbereich, wobei Plasmalicht gemäß einem Material der Probe vom ersten Plasma emittiert wird.
Erfassen (Schritt 157) eines ersten Messanteils des Plasmalichts mithilfe einer ersten Untergruppe von Objektiven der Detektionseinheit und Weiterleiten des ersten Messanteils des Plasmalichts zu einem optischen Spektrometer.
Bewegen (Schritt 159) der Probe relativ zum Sichtbereich, insbesondere im Rahmen einer kontinuierlichen Relativbewegung zwischen Probe und Detektionseinheit, beispielsweise mithilfe eines Rotationsantriebs und eines Schwenkantriebs des Probengefäßes, sodass ein zweiter Oberflächenbereich der Probe im Sichtbereich positioniert ist.
Wiederholen der Schritte des Einstrahlens (155) und des Erfassens (Schritt 157) für den zweiten Oberflächenbereich, wobei aufgrund der Geometrie der Probe ein zweiter Messanteil eines Plasmalichts eines zweiten Plasmas mithilfe einer zweiten Untergruppe von Objektiven der Detektionseinheit, die sich von der ersten Untergruppe von Objektiven der Detektionseinheit unterscheidet, erfasst wird, sodass der zweite Messanteil zum optischen Spektrometer weitergeleitet wird.
Basierend auf dem ersten Messanteil und dem zweiten Messanteil, Ausgeben (Schritt 161) eines kumulierten optischen Spektrums an einer Recheneinheit und Durchführen einer spektralen Analyse des kumulierten optischen Spektrums zu Bestimmung und Ausgabe der elementaren Zusammensetzung der Probe. Im Rahmen eines Messvorgangs können solange Spektren von verschiedenen Messkonstellation für eine Probe gesammelt werden, und insbesondere unter Nutzung von einem Filteralgorithmus ausgewertet werden, bis eine erforderliche Qualität hinsichtlich der ausgegebenen Analyse erreicht ist.
Die beiden oben beispielhaft beschriebenen Messabläufe sind nicht auf die Detektion von zwei Plasmen und entsprechend zwei Messanteile begrenzt, sondern erfolgen beispielsweise kontinuierlich für eine Vielzahl von erzeugten Plasmen/Messanteilen, solange sich die Oberfläche der Probe im Sichtbereich erstreckt, und wird, sollte sich die Oberfläche aus dem Sichtbereich heraus bewegen, fortgesetzt, sobald die Oberfläche wieder in den Sichtbereich eintritt.
Nachfolgend werden einige Aspekte eines Lichtleitsystems zusammengefasst, wie es z. B. bei einer Umsetzung des multifokalen Konzepts oder des multilateralen Konzepts verwendet werden kann.
Aspekt A1. Lichtleitsystem (27) mit mehrere Lichtleitfasern (45A, 45B, 45C, 45D), die mehrere optische Eingängen (29) zur Aufnahme von Licht, insbesondere von Messanteilen (33) von Plasmalicht, und einen optischen Ausgang (31) zur Abgabe des Lichts, insbesondere der erfassten Messanteilen (33) in ein optisches Spektrometer (13), umfassen, wobei erste Enden der Lichtleitfasern (45A, 45B, 45C, 45D) jeweils in einem Stecker (61A) gehalten werden und jeweils eine Lichteintrittsfläche (63) als optischen Eingang (29) umfassen und zweite Enden der Lichtleitfasern (45A, 45B, 45C, 45D) jeweils eine Lichtaustrittsflächen (67A, 67B, 67C, 67D) umfassen und in einem Stecker (61B) gemeinsam gehalten wer-den, wobei die Lichtaustrittsflächen (67A, 67B, 67C, 67D) den optische Ausgang (31) bilden.
Aspekt A2. Lichtleitsystem (27) nach Aspekt A1, wobei die Lichtleitfasern (45A, 45B, 45C, 45D) ausgangsseitig linear aufgereiht sind und im Wesentlichen parallelen Faserorientierungen aufweisen, sodass die Lichtaustrittsflächen (67A, 67B, 67C, 67D) nebeneinander angeordnet sind.
Aspekt A3. Lichtleitsystem (27) nach Aspekt A1 oder Aspekt A2, wobei ausgangsseitig dem Licht, insbesondere jedem der aus dem optischen Lichtleitsystem (27) austretenden Messanteilen (33), eine Strahlachse (75A, 75B, 75C, 75D) zugeordnet ist und die Lichtleitfasern (45A, 45B, 45C, 45D) derartig angeordnet sind, dass die Strahlachsen (75A, 75B, 75C, 75D) parallel zueinander oder nicht mehr als unter einem Winkel von bis zu 1° oder bis 3° zueinander verlaufen.
Aspekt A4. Spektrometersystem (1) zur Spektralanalyse eines von einem laserinduzierten Plasma (3) emittierten Plasmalichts (3A) mit
einer Laserstrahlquelle (9) zur Abgabe eines, insbesondere gepulsten, Laserstrahls (5), wobei das Plasma (3) mit dem sich entlang einer Strahlachse (5A) ausbreitenden Laserstrahl (5) auf einer Oberfläche (7A) einer Probe (7) erzeugt wird,
einer Fokussieroptik (11) zur Fokussierung des Laserstrahls (5) auf die Oberfläche (7A) der Probe (7), insbesondere einer Laserkopfkomponente mit Fokussierfunktion wie eine insbesondere auf das Spektrum oder die Pulsdauer oder die Pulsenergie einwirkende aktive Laserkomponente mit Fokussierfunktion,
einer Detektionseinheit (21) mit mehreren Objektiven und einem Lichtleitsystem (27) nach einem der Aspekte A1 bis A3, wobei jedes der Objektive ausgebildet ist, einen Messanteil (33) des Plasmalichts (3A) aus objektiv-spezifischen oder aus einem gemeinsamen Plasmadetektionsbereich (59) zu erfassen und an einen der optischen Eingängen (29) in das Lichtleitsystem (27) einzukoppeln, und
einem optischen Spektrometer (13) zur Spektralanalyse der mit den Objektiven erfassten Messanteile (33) des Plasmalichts (3A), wobei das optische Spektrometer (13) zur Aufnahme der Messanteile (33) mit dem optischen Ausgang (31) des Lichtleitsystems (27) optisch verbunden ist.
Nachfolgend werden einige Aspekte des multilateralen Konzepts zusammengefasst.
Aspekt B1. Detektionseinheit (21) für ein Spektrometersystem (1) zur Spektralanalyse eines von einem laserinduzierten Plasma (3) emittierten Plasmalichts (3A), wobei das Plasma (3) mit einem sich entlang einer Strahlachse (5A) ausbreitenden Laserstrahl (5) auf einer Oberfläche (7A) einer Probe (7) erzeugt wird (und wobei insbesondere eine spektrale Aufspaltung des Plasmalichts (3A) für die Spektralanalyse in einem optischen Spektrometer (13) erfolgt), umfassend:

- eine Objektivhalterung (23'),
- mehrere von der Objektivhalterung (23') gehaltene Objektive (25A', 25B', 25C', 25D'), wobei jedem der Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') ein Detektionskegel (35`) zugeordnet ist und die Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') derart in der Objektivhalterung (23') angeordnet und ausgerichtet sind, dass die Detektionskegel (35`) in einem Überlappungsbereich mit dem Laserstrahl (5) einen gemeinsamen Plasmadetektionsbereich (59) ausbilden, aus dem im Fall eines im Plasmadetektionsbereich (59) vorliegenden Plasmas (3) von jedem der Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') ein Messanteil (33) des Plasmalichts (3A) erfassbar ist.

Aspekt B2. Detektionseinheit (21 ') nach Aspekt B1, wobei die Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') derart in der Objektivhalterung (23') angeordnet und ausgerichtet sind, dass die Detektionskegel (35`) in unterschiedliche Raumwinkel emittierte Messanteile (33) des Plasmalichts (3A) eines Plasmas (3) erfassen und/oder
wobei die Objektivhaltung (23') eine optische Durchgangsöffnung (43) bereitstellt, durch die die Strahlachse (5A) verläuft, wobei eine Lage der Strahlachse (5A) insbesondere mittig in der optischen Durchgangsöffnung (43) festgelegt ist, und
wobei die Objektivhalterung (23') insbesondere eine Halterungsplatte (23A') aufweist, in der mehrere Objektivhalterungsöffnungen (57A', 57B', 57C', 57D') zur Aufnahme der Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') und die optische Durchgangsöffnung (43) für den Laserstrahl (5) vorgesehen sind, und wobei die Objektivhalterungsöffnungen (57A', 57B', 57C', 57D') um die optische Durchgangsöffnung (43) herum angeordnet sind, und insbesondere um die optische Durchgangsöffnung (43) azimutal verteilt sind.
Aspekt B3. Detektionseinheit (21') nach Aspekt B1 oder B2, wobei jeder der Detektionskegel (35`) sich entlang einer Beobachtungsachse (35A') erstreckt, die unter einem Beobachtungswinkel (α) im Bereich von 0° bis 90° zur Strahlachse (5A) verläuft, wobei die Beobachtungswinkel (α) insbesondere gleich sind, nicht mehr als 3° voneinander abweichen oder in einem Winkelbereich von 45° verteilt sind, und/oder wobei die Objektivhalterung (23`) insbesondere eine Halterungsplatte (23A') aufweist, in der eine optische Durchgangsöffnung (43) für den Laserstrahl (5) vorgesehen ist, wobei die Strahlachse (5A) sich orthogonal zur Halterungsplatte (23A') und mindestens einer der Detektionskegel (35`) sich entlang einer Beobachtungsachse erstreckt, die unter einem Beobachtungswinkel (α) im Bereich von 0° bis 90°, insbesondere 3° bis 60°, beispielsweise im Bereich von 5° bis 25°, zur Strahlachse (5A) verläuft.
Aspekt B4. Detektionseinheit (21') nach einem der Aspekte B1 bis B3, wobei benachbarte Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') azimutal beabstandet um die Strahlachse (5A) angeordnet sind und/oder die Beobachtungsachsen (35A') der Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') auf einer Kegeloberfläche um die Strahlachse (5A) liegen.
Aspekt B5. Detektionseinheit (21') nach einem der Aspekte B1 bis B4, wobei die Detektionseinheit (21) zwei bis 25, bevorzugt vier, Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') umfasst und/oder
wobei die Objektive (25A, 25B', 25C', 25D') azimutal gleichverteilt um die Strahlachse (5A) angeordnet sind.
Aspekt B6. Detektionseinheit (21) nach einem der Aspekte B1 bis B5, ferner mit einem optischen Lichtleitsystem (27) umfassend
mehrere optische Eingängen (29), wobei jeder der optischen Eingänge (29) optisch mit einem der Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') verbunden und zur Aufnahme des mit dem zugeordneten Objektiv (25A', 25B', 25C', 25D') erfassten Messanteils (33) ausgebildet ist, und
einen optischen Ausgang (31) zur Abgabe der mit den Objektiven (25A', 25B', 25C', 25D') erfassten Messanteile (33).
Aspekt B7. Detektionseinheit (21) nach Aspekt B6, wobei das optische Lichtleitsystem (27) mehrere Lichtleitfasern (45) aufweist und wobei jeweils eine Lichteintrittsfläche (63) einer der Lichtleitfasern (45) einen der optischen Eingänge (29) ausbildet und das dem optischen Eingang (29) zugeordnete Objektiv (25A', 25B', 25C', 25D') den Plasmadetektionsbereich (39) auf die Lichteintrittsfläche (63) abbildet.
Aspekt B8. Detektionseinheit (21) nach Aspekt B7, wobei Lichtaustrittsflächen (67A, 67B, 67C, 67D) der Lichtleitfasern (45) den optische Ausgang (31) bilden und die Lichtaustrittsflächen (67A, 67B, 67C, 67D), insbesondere aneinander angrenzend oder beabstandet, aufgereiht angeordnet sind.
Aspekt B9. Detektionseinheit (21) nach Aspekt B7 oder B8, wobei Lichtaustrittsflächen (67A, 67B, 67C, 67D) der Lichtleitfasern (45) aufgereiht angeordnet sind und/oder
wobei die Lichtleitfasern (45) ausgangsseitig linear aufgereiht sind, insbesondere zur Ausrichtung entlang eines Eintrittsspalt (19A) eines optischen Spektrometers (13), in dem insbesondere eine spektrale Aufspaltung des Plasmalichts (3A) für die Spektralanalyse von einem von der Detektionseinheit (21) erfassten Plasmalicht (3A) erfolgt, und/oder mit parallelen Faserorientierungen angeordnet sind.
Aspekt B10. Spektrometersystem (1) zur Spektralanalyse eines von einem laserinduzierten Plasma (3) emittierten Plasmalichts (3A) mit
einer Laserstrahlquelle (9) zur Abgabe eines, insbesondere gepulsten, Laserstrahls (5), wobei das Plasma (3) mit dem sich entlang einer Strahlachse (5A) ausbreitenden Laserstrahl (5) auf einer Oberfläche (7A) einer Probe (7) erzeugt wird,
einer Fokussieroptik (11) zur Fokussierung des Laserstrahls (5) auf die Oberfläche (7A) der Probe (7),
einer Detektionseinheit (21) nach einem der vorhergehenden Aspekte, und einem optischen Spektrometer (13) zur Spektralanalyse von einem von der Detektionseinheit (21) erfassten Plasmalicht (3A),
wobei

- der Plasmadetektionsbereich (59) der Detektionseinheit (21) in einem Abschnitt entlang der Strahlachse (5A) angeordnet ist und
- die Laserstrahlquelle (9) und die Fokussieroptik (11) derart ausgebildet sind, und insbesondere Strahlparameter des Laserstrahls (5), umfassend insbesondere Pulsdauer und Pulsenergie eines gepulsten Laserstrahls, in Abhängigkeit des Materials der Probe (7) derart eingestellt sind, dass bei Positionierung der Oberfläche (7A) der Probe (7) im Plasmadetektionsbereiche (59) ein Plasma erzeugt wird.

Aspekt B11. Spektrometersystem (1) nach Aspekt B10, wobei die Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') und entsprechend die Detektionskegel (35`) derart räumlich angeordnet sind, dass bei einer Abschattung von mindestens einem der Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') der Messanteil (33') des Plasmalichts (3A) mit einem anderen der Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') erfassbar ist.
Aspekt B12. Spektrometersystem (1) nach Aspekt B10 oder B11, ferner mit einem optischen Lichtleitsystem (27), das zum Weiterleiten von mit der Detektionseinheit (21) erfassten Messanteilen des Plasmalichts (3A) an das optische Spektrometer (13) ausgebildet ist und mehrere optische Eingängen (29) und einen optischen Ausgang (31) umfasst,
wobei jeder der optischen Eingänge (29) optisch einem der Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') zugeordnet und zur Aufnahme des mit dem zugeordneten Objektiv (25A', 25B', 25C', 25D') erfassten Messanteils ausgebildet ist, und
der optische Ausgang (31) zur Einkopplung von mit den Objektiven (25A', 25B', 25C', 25D') erfassten Messanteilen in das optische Spektrometer (13) ausgebildet ist.
Aspekt B13. Spektrometersystem (1) nach Aspekt B12, wobei jedes der Objektive (25A', 25B', 25C', 25D') derart ausgebildet und in der Objektivhalterung (23') angeordnet ist, dass der Messanteil, der im Detektionskegel (35') eines der Objektiv (25A', 25B', 25C', 25D') erfasst wird, auf den dem Objektiv (25A', 25B', 25C') zugeordneten optischen Eingang (29) abgebildet wird.
Aspekt B14. Spektrometersystem (1) nach einem der Aspekte B10 bis B13, wobei jedem der aus dem optischen Lichtleitsystem (27) austretenden Messanteile (33) eine Strahlachse (75A, 75B, 75C, 75D) zugeordnet ist, und die Strahlachsen (75A, 75B, 75C, 75D) parallel zueinander oder nicht mehr als unter einem Winkel von bis zu 1° oder bis zu 3° zueinander verlaufen.
Aspekt B15. Spektrometersystem (1) nach einem der Aspekte B11 bis B14, wobei das optische Spektrometer (13) eine Eintrittsapertur (19), insbesondere einen Eintrittsspalt (19A), ein dispersives optisches Element (13A), insbesondere ein Gitter, Prisma oder Gitterprisman (Grisma), und einen Detektor (13B) umfasst, und
wobei die Messanteile (33) durch die Eintrittsapertur (19) in das optische Spektrometer (13) eingekoppelt werden und über das dispersive optische Element (13A) spektral aufgelöst zu dem Detektor (13B) geführt werden, um eine allen Objektiven (25A', 25B', 25C', 25D') der Detektionseinheit (21) zugeordnete spektrale Verteilung (17) auszugeben.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Detektionseinheit (21) für ein Spektrometersystem (1) zur Spektralanalyse eines von einem laserinduzierten Plasma (3) emittierten Plasmalichts (3A), wobei das Plasma (3) mit einem sich entlang einer Strahlachse (5A) ausbreitenden Laserstrahl (5) auf einer Oberfläche (7A) einer Probe (7) erzeugt wird, umfassend: - eine Objektivhalterung (23), - mehrere von der Objektivhalterung (23) gehaltene Objektive (25A, 25B, 25C, 25D), wobei jedem der Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) ein Detektionskegel (35) zugeordnet ist, der in einem Überlappungsbereich (37) mit dem Laserstrahl (5) einen Plasmadetektionsbereich (39) ausbildet, aus dem im Fall eines im Plasmadetektionsbereich (39) vorliegenden Plasmas (3) ein Messanteil (33) des Plasmalichts (3A) vom Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) erfasst wird, und die Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) derart in der Objektivhalterung (23) angeordnet und ausgerichtet sind, dass die Plasmadetektionsbereiche (39) entlang der Strahlachse (5A) versetzt angeordnet sind und zusammen einen Sichtbereich (41) der Detektionseinheit (21) ausbilden.
Detektionseinheit (21) nach Anspruch 1, wobei die Plasmadetektionsbereiche (39) - sich entlang der Strahlachse (5A) teilweise überlappen, ineinander übergehen oder voneinander beabstandet sind und/oder - sich entlang der Strahlachse (5A) jeweils über 0,1 mm bis 15 mm und/oder über 1/10 bis 1/4 des Sichtbereichs (41) erstrecken und/oder wobei die Objektivhalterung (23) eine optische Durchgangsöffnung (43) bereitstellt, durch die die Strahlachse (5A) verläuft, wobei eine Lage der Strahlachse (5A) insbesondere mittig in der optischen Durchgangsöffnung (43) festgelegt ist, und wobei die Objektivhalterung (23) insbesondere eine Halterungsplatte (23A) aufweist, in der mehrere Objektivhalterungsöffnungen zur Aufnahme der Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) und die optische Durchgangsöffnung (43) für den Laserstrahl (5) vorgesehen sind, und wobei die Objektivhalterungsöffnungen um die optische Durchgangsöffnung (43) herum, und insbesondere um die optische Durchgangsöffnung (43) azimutal verteilt, angeordnet sind.
Detektionseinheit (21) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der Detektionskegel (35) sich entlang einer Beobachtungsachse (35A) erstreckt, die unter einem Beobachtungswinkel (α) im Bereich von 0° bis 90° zur Strahlachse (5A) verläuft, wobei die Beobachtungswinkel (α) insbesondere gleich sind, nicht mehr als 3° voneinander abweichen oder in einem Winkelbereich von 45° verteilt sind, und/oder wobei die Objektivhalterung (23) insbesondere eine Halterungsplatte (23A) aufweist, in der eine optische Durchgangsöffnung (43) für den Laserstrahl (5) vorgesehen ist, wobei die Strahlachse (5A) sich orthogonal zur Halterungsplatte (23A) und mindestens einer der Detektionskegel (35) sich entlang einer Beobachtungsachse (35A) erstreckt, die unter einem Beobachtungswinkel (α) im Bereich von 0° bis 90°, insbesondere 3° bis 60°, beispielsweise im Bereich von 5° bis 25°, zur Strahlachse (5A) verläuft.
Detektionseinheit (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) azimutal beabstandet um die Strahlachse (5A) angeordnet sind und/oder wobei die Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) azimutal gleichverteilt um die Strahlachse (5A) angeordnet sind.
Detektionseinheit (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Detektionseinheit (21) zwei bis 25, insbesondere vier, Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) umfasst.
Detektionseinheit (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit einem optischen Lichtleitsystem (27) umfassend mehrere optische Eingängen (29), wobei jeder der optischen Eingänge (29) optisch mit einem der Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) verbunden und zur Aufnahme des mit dem zugeordneten Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) erfassten Messanteils (33) ausgebildet ist, und einen optischen Ausgang (31), der zur Abgabe der mit den Objektiven (25A, 25B, 25C, 25D) erfassten Messanteile (33) ausgebildet ist.
Detektionseinheit (21) nach Anspruch 6, wobei das optische Lichtleitsystem (27) mehrere Lichtleitfasern (45) aufweist und wobei jeweils eine Lichteintrittsfläche (63) einer der Lichtleitfasern (45) einen der optischen Eingänge (29) ausbildet und das dem optischen Eingang (29) zugeordnete Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) dazu ausgebildet und angeordnet ist, den Plasmadetektionsbereich (39) des zugeordneten Objektivs (25A, 25B, 25C, 25D) auf die Lichteintrittsfläche (63) abzubilden.
Detektionseinheit (21) nach Anspruch 7, wobei Lichtaustrittsflächen (51A, 51B, 51C, 51D) der Lichtleitfasern (45) den optische Ausgang (31) bilden und die Lichtaustrittsflächen (51A, 51B, 51C, 51D), insbesondere aneinander angrenzend oder beabstandet, aufgereiht angeordnet sind.
Detektionseinheit (21) nach Anspruch 7 oder 8, wobei Lichtaustrittsflächen (67A, 67B, 67C, 67D) der Lichtleitfasern (45), insbesondere entsprechend der Abfolge der Plasmadetektionsbereiche (39) im Sichtbereich (33), aufgereiht angeordnet sind und/oder wobei die Lichtleitfasern (45) ausgangsseitig linear aufgereiht, insbesondere zur Ausrichtung entlang eines Eintrittsspalt (19A) eines optischen Spektrometers (13), in dem insbesondere eine spektrale Aufspaltung des Plasmalichts (3A) für die Spektralanalyse von einem von der Detektionseinheit (21) erfassten Plasmalicht (3A) erfolgt, und/oder mit parallelen Faserorientierungen angeordnet sind.
Detektionseinheit (21) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei eine Lichtführungszone einer Lichtleitfaser einen Durchmesser im Bereich von 100 µm bis 1.000 µm, insbesondere im Bereich von 100 µm bis 300 µm, im Bereich von 150 µm bis 250 µm oder im Bereich von 750 µm bis 850 µm, aufweisen.
Spektrometersystem (1) zur Spektralanalyse eines von einem laserinduzierten Plasma (3) emittierten Plasmalichts (3A) mit einer Laserstrahlquelle (9) zur Abgabe eines, insbesondere gepulsten, Laserstrahls (5), wobei das Plasma (3) mit dem sich entlang einer Strahlachse (5A) ausbreitenden Laserstrahl (5) auf einer Oberfläche (7A) einer Probe (7) erzeugt wird, einer Fokussieroptik (11) zur Fokussierung des Laserstrahls (5) auf die Oberfläche (7A) der Probe (7), einer Detektionseinheit (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und einem optischen Spektrometer (13) zur Spektralanalyse von einem von der Detektionseinheit (21) erfassten Plasmalicht (3A), wobei - Plasmadetektionsbereiche (39) der Detektionseinheit (21) in einem Abschnitt entlang der Strahlachse (5A) angeordnet sind und - die Laserstrahlquelle (9) und die Fokussieroptik (11) derart ausgebildet sind, dass bei Positionierung der Oberfläche (7A) der Probe (7) in jedem der Plasmadetektionsbereiche (39) ein Plasma erzeugt wird.
Spektrometersystem (1) nach Anspruch 11, ferner mit einem optischen Lichtleitsystem (27), das zum Weiterleiten von mit der Detektionseinheit (21) erfassten Messanteilen des Plasmalichts (3A) an das optische Spektrometer (13) ausgebildet ist und mehrere optische Eingängen (29) und einen optischen Ausgang (31) umfasst, wobei jeder der optischen Eingänge (29) optisch einem der Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) zugeordnet und zur Aufnahme des mit dem zugeordneten Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) erfassten Messanteils (33) ausgebildet ist, und der optischen Ausgang (31) zur Einkopplung von mit den Objektiven (25A, 25B, 25C, 25D) erfassten Messanteilen (33) in das optische Spektrometer (13) ausgebildet ist.
Spektrometersystem (1) nach Anspruch 12, wobei mindestens eines der Objektive (25A, 25B, 25C, 25D) derart ausgebildet und in der Objektivhalterung (23) angeordnet ist, dass ein Messanteil (33) des Plasmalichts (3A), der im Detektionskegel des Objektivs (25A, 25B, 25C, 25D) erfasst wird, auf den dem Objektiv (25A, 25B, 25C, 25D) zugeordneten optischen Eingang (29) abgebildet wird.
Spektrometersystem (1) nach Anspruch 12 oder 13, wobei jedem der aus dem optischen Lichtleitsystem (27) austretenden Messanteile (33) eine Strahlachse (75A, 75B, 75C, 75D) zugeordnet ist, und die Strahlachsen (75A, 75B, 75C, 75D) parallel zueinander sind oder nicht mehr als unter einem Winkel von bis zu 1° oder bis zu 3° zueinander verlaufen.
Spektrometersystem (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das optische Spektrometer (13) eine Eintrittsapertur (19), insbesondere einen Eintrittsspalt (19A), ein dispersives optisches Element (13A), insbesondere ein Gitter, Prisma oder Gitterprisma, und einen Detektor (13B) umfasst, und wobei die Messanteile (33) durch die Eintrittsapertur (19) in das optische Spektrometer (13) eingekoppelt werden und über das dispersive optische Element (13A) spektral aufgelöst zu dem Detektor (13B) geführt werden, um eine den Objektiven (25A, 25B, 25C, 25D) der Detektionseinheit (21) zugeordnete spektrale Verteilung (17) auszugeben.