Kvantitatívna analýza materiálov kombináciou LIBSu a morfológie plazmy

Abstract

Žijeme v dobe charakterizovanej závisloťou na technológiach, kde prvková analýza materiálov hrá kľúčovú rolu v pochopení a riadení ich vlastností. Spektroskopia laserom budeného plazmatu (LIBS) je rozšírená metóda na určovanie zloženia a koncentrácie prvkov. S rastúcim počtom jej aplikácií sa však prejavujú obmedzenia súvisiace s interakciou lasera s materiálom a správaním plazmy. Ide najmä o komplexnosť procesu ablácie a expanzie plazmy, ktorá spôsobuje variabilitu v spektre. Táto bakalárska práca sa zameriava na doplnkovú metódu normalizácie založenú na morfológii plazmy. Pomocou vysokorýchlostného snímania boli extrahované morfologické prvky, najmä plocha plazmy, ktoré následne slúžili na normalizáciu intenzít v LIBS meraniach spektier. Bola vykonaná porovnávacia kalibračná analýza oxidov Fe2O3, TiO2 a MgO pri rôznych laserových energiách a tlakoch v interakčnej komore, vrátane podmienok simulujúcich povrch Marsu. Výsledky ukazujú, že obrazom podporená normalizácia zlepšuje stabilitu kalibrácie najmä pri atmosférickom a strednom tlaku, no jej prínos klesá pri nízkych tlakoch alebo slabých signáloch. Zistenia poukazujú na potenciál morfologických prvkov ako korekčných faktorov v LIBS analýze, no najmä tam, kde to podmienky prostredia umožňujú.

We live in an era defined by technological dependence, where elemental analysis is fundamental to understanding and controlling material properties. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is a widely used technique for determining elemental composition and concentration. However, as its application range expands, limitations linked to laser–matter interaction and plasma dynamics become increasingly relevant. Specifically, the complexity of laser ablation and plasma plume behavior introduces variability in the spectral signal. This bachelor thesis explores a supplementary normalization method based on plasma plume morphology. High-speed imaging was employed to extract morphological features, primarily plume area, which were then used to normalize LIBS intensities. A comparative calibration analysis was carried out for Fe2O3, TiO2, and MgO under varying laser energies and ambient pressures, including simulated Martian conditions. The results indicate that image-assisted normalization enhances calibration stability under certain conditions, particularly at atmospheric and moderate pressures, while its impact decreases in low-pressure or weak-signal scenarios. These findings indicate that morphological features hold potential as normalization proxies in LIBS, particularly in settings where improved calibration consistency is achievable.