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186 KAPITEL 7. LASERPLASMEN UND SPEKTROSKOPIE
7 Laserplasmen und Spektroskopie
7.1 DIE LASERABLATION UND PLASMAERZEUGUNG
Wir hatten bereits in den Anfangskapiteln darüber gesprochen, daß sich gepulste Laser gut
zur gezielten Ablation von Material eignen und daß schon der Rubinlaser im Jahr 1963 zu
diesem Zweck benutzt wurde. Die Laserablation (LA) ist um so effizienter und die Abtragung
um so sauberer, je höher die Photonenenergie des verwendeten Lichts und je kürzer die
Pulslänge ist. Während infrarote ns Pulse eher zu einem Aufschmelzen der Probe und diffusen
Kratern führen, können mit dem UV Licht feine Strukturen sauber erzeugt werden. Als Laser
eignen sich im Prinzip alle gepulsten Systeme mit Pulsenergien von mindestens 10 mJ, also
z.B der Stickstoff-Laser (§ 3.7), der Kohlendioxid-Laser (§ 5.5), der Rubin Laser, oder auch
der Titan:Saphir Laser (§ 8.4). Die gängigsten Typen sind allerdings zur Zeit wegen seiner Robustheit
der Nd:YAG-Laser (§ 5.2) (1064 nm) ggf. mit Frequenzvervielfachung (SHG: 532 nm,
THG: 355 nm und FHG: 266 nm) und wegen der Vorteile der UV-Ablation der Excimer-Laser
(§ 3.8: ArF: 193 nm, F2: 157 nm). UV Licht bietet zudem den Vorteil besserer Fokusierbarkeit,
also kleineren Fokusradius’ r0 gemäß der Beugungsbegrenzung
r0 = λf
πR
(7.1)
R Strahlradius, λ Wellenlänge und f Brennweite der Linse. Auch Ultrakurzpulssysteme finden
trotz höherer Kosten eine zunehmende Verbreitung. Statt großer flacher Krater bei Langpulslasern
entstehen kleine, scharf begrenzte ’ Löcher‘.
Analytische Methoden für die diese Art des ’ sampling‘ angewendet wird sind z.B. die
AES (Atom Emissions Spektroskopie), die ICP MS (Inductively- coupled-plasma massspectrometry),
MALDI (siehe § 6.3), und natürlich die Spektroskopie im Ablationsplasma
selbst, die LIBS (Laser-induzierte Breakdown spectroscopy: § 7.3). Bei der Laserablation
erübrigt sich in den meisten Fällen eine Probenvorbereitung, und es sind Materialien zugänglich,
die chemisch schwer handhabbar oder sehr gefährlich sind. Z.B. ist mit der LIBS eine
berührungslose Elementspeziation radioaktiven Materials möglich, ohne dieses aus Sicherheitsbehältern
bzw. sogenannten ’ heißen Boxenlinien‘ ausschleusen zu müssen. Außerdem
kann durch feine Fokussierung des Lasers eine räumliche Auflösung der ’ Probennahme‘ im
µm Bereich erzielt werden.