為何及如何將氦氖雷射器用於工業和科學應用

2020-09-28 電子發燒友網

雷射器現已成為工業系統設計人員工具箱中不可或缺的一部分,因為這類器件支持廣泛的應用——從微觀測量和檢測到大規模工業功能。氦氖 (HeNe) 氣體雷射器是工業和科學應用中使用最廣泛的雷射器之一,原因有很多,包括高性能、小尺寸、穩定性和高質量的光學輸出。然而,為使雷射器有效啟動、持續工作並實現長壽命,設計人員必須選用與雷射管匹配的合適高壓電源。

本文先探討雷射和雷射方案,再深入研究氦氖雷射器,以及它為何得到如此廣泛的使用。然後,本文探討了成功應用此類雷射器需要考慮的因素。示例器件來自 Excelitas Technologies 的 REO 系列氦氖雷射器以及合適的電源。

什麼是雷射?

雷射 (laser) 是 "light amplification through stimulated emission of radiation"(通過受激輻射光放大)的縮寫。雷射束輸出的獨有特性是:電磁能量和輸出波的單色性好、相干性高,並且具有相位、時間和傳播方向上的一致。無論雷射輸出是在光譜的可見光部分還是不可見光部分,都是如此。大多數雷射器具有固定的輸出波長 (λ),但有些雷射器也可將波長設置為數個離散值之一。

1960 年 5 月,美國加利福尼亞州馬裡布的休斯研究實驗室的物理學家 Theodore H. Maiman 演示了世界上第一臺雷射器。他使用紅寶石 (CrAlO3) 和攝影閃光燈作為雷射泵源,產生了波長為 694 nm 的紅光束。圍繞著誰應該享有對雷射概念的科學發現權和專利權,三位物理學家之間展開了長達 30 年的專利糾紛。

雷射器工作原理

雷射器有三個基本構件:

  • 雷射材料,可以是固體、液體、氣體或半導體,並且可以向所有方向發光

  • 將能量作用於雷射材料的泵源,例如閃光燈、引起電子碰撞的電流,或來自另一雷射器的輻射

  • 光學諧振腔,由反射器(一個全反射,另一個部分反射)組成,為光放大提供正反饋機制


產生雷射的必不可少的條件是,將諧振腔內的大部分電子激發到較高能級,這稱為粒子數反轉。對電子來說,這是一個不穩定狀態。因此,它們在此狀態短暫停留後便通過兩種方式衰變回原始能態:

  • 第一種是自發衰變,即電子回到基態,同時發射隨機方向的光子

  • 第二種是受激衰變,即自發衰變電子發射的光子撞擊其他受激電子,使其回到基態

這種受激躍遷會以光子的形式釋放能量,並且受激發射光子與入射光子具有相同的相位、波長和傳播方向。發射光子在光學諧振腔中往返傳播,穿過全反射鏡和部分反射鏡之間的雷射材料,這使得光能不斷增大,直至累積到足夠的能量,就會產生一束雷射通過部分反射鏡發射出來。

雷射器的四種主要類型

第一臺光學雷射器是基於紅寶石晶體,現在使用的雷射器和材料則主要有四類:半導體二極體、氣體、液體和固體。簡而言之,其工作原理如下:

1)雷射二極體:這是一種發光二極體 (LED),使用固態材料中的光學諧振腔來放大半導體能帶隙所發出的光。通過改變所施加的電流、溫度或磁場,可以將雷射二極體調諧到不同的波長,而且輸出可以是連續波 (CW),也可以是脈衝。

2) 氣體雷射器:使用充氣管作為諧振腔。將電壓(稱為外部泵源)施加到放電管上,激發氣體中的原子發生粒子數反轉,即讓電子從一個能級躍遷到某高能級,然後返回。由於反射鏡的作用,光子在諧振腔的兩端之間來回反彈,其數量在振蕩作用下不斷累積。此類雷射器的發射光通常是連續波。

3) 液體或染料雷射器:使用染料池懸浮液中的有機物作為雷射介質。此類雷射器之所以受歡迎,是因為可以通過改變染料的化學成分將其調諧到數個波長之一。

4) 固體自由電子雷射器:此類雷射器在光學諧振腔外施加蛇形的外部磁場,從而使電子束沿著諧振腔傳播。磁場引起的電子運動方向改變會導致其發射光子。此類雷射器可以產生的波長範圍從微波到 X 射線。

當然,操作細節涉及高級量子物理學、材料學、電磁能量原理、電源和泵源。具體的發射光波長與雷射器類型、雷射材料以及雷射器的激勵或泵浦方式有關(表 1)。

對於雷射系統設計人員而言,基本原理有助於他們理解相關參數及其含義和局限性,因而受到關注。

設計人員需重視的雷射參數

同所有元器件一樣,有一些主要參數用於確定基本選型和性能,另外還有許多次級和三級參數。對於雷射器,首先要了解的參數是輸出波長、輸出功率、光束直徑和光束髮散度。此外,輸出類型(脈衝或連續波)、能效、輸出光束橫截面形狀(輪廓)、壽命、可控性和易用性也很重要。

請注意,取決于波長和雷射器類型,雷射器輸出功率可以從幾毫瓦 (mW) 到幾千瓦 (kW) 不等。許多雷射應用(例如小規模測試和測量儀器)僅需要幾毫瓦,而金屬切割和定向能武器則需要千瓦級的雷射器。

同所有光功率測量方法一樣,雷射輸出功率的精確量化非常複雜,美國國家標準技術研究院 (NIST) 的技術專家已為解決這一挑戰付出了巨大努力。測量受到以下光能特性的影響:波長、功率水平、連續波還是脈衝,以及要測量的參數(例如平均功率、峰值功率、光譜和色散)(表 2)。

此外還要注意,為了防止損傷眼睛、皮膚和材料,幾乎任何與雷射、輸出功率和波長有關的事項都會受到許多安全限制。這些複雜的限制和相關的雷射器類別由全球不同國家和地區的監管機構規定。這是在項目中儘可能使用最低功率雷射器的另一個很好的理由,也是雷射器供應商為什麼要提供階梯式輸出功率水平的理由。例如,REO 系列包括多款類似的氦氖雷射器,輸出功率分別為 0.8、1.0、1.5、2.0、3.0、5.0、10、12、15 和 25 mW,最大與最小功率之比超過 25:1。

氦氖雷射器的應用、特性和操作

同所有元器件選型一樣,沒有單個「最佳」的雷射器,因為不同應用需要不同的波長、功率水平和其他規格,往往取決於具體情況的物理因素。氦氖雷射器通常非常適用於眾多工業和測試項目,例如拉曼光譜分析——一種不需要與樣品發生直接物理接觸的無損光學檢測技術。

這種光譜分析可對固體、粉末、液體和氣體進行快速準確的化學分析,適用於材料分析、顯微術、製藥、法醫鑑定、食品欺詐識別、化學過程監控和各種國土安全功能。對於這些應用,氦氖雷射器有很多具吸引力的特性:穩定的輸出波長和功率、λ = 632.8 nm(常常簡化為 633 nm)的超級單色紅光輸出、窄光束、低發散度,以及不隨距離和時間而變化的良好輸出相干性和穩定性。

氦氖雷射器由一根帶有向內反射鏡的空心玻璃管構成。管內填充 85-90% 的氦氣和 10-15% 的氖氣(實際雷射介質),壓力約為 1 Torr (0.02 lb/in2)。玻璃管中還有兩面內向的反射鏡,分別置於放電管兩端,其中一面是高反射性平面鏡,另一面則是凹面輸出耦合鏡,透射率約為 1%(圖 1)。

在泵浦過程中,對混合氣體施加高壓脈衝(約為 1000 V 至 1500 V DC,10 至 20 mA)進行放電。實際的雷射來自 Ne 原子電子層能級之間的載流子退激發(例如從 3s 躍遷到 2p)。從 3s 躍遷到 2p 會產生 632.8 nm 的主輸出。此外,還會發生其他能級躍遷,從而產生 543 nm、594 nm、612 nm 和 1523 nm 的輸出,但 632.8 nm 輸出最為有用。

氦氖雷射器現已成為尋常產品

在雷射器發展的早期,雷射單元和電源常常是手工製作。而現在,雷射器已是可立即獲得的現成元器件,特別是氦氖氣體雷射器等廣泛使用的產品。而且,這類器件的額定功率範圍很廣,Excelitas Technologies 的 REO 系列中的兩款雷射器就是例證。

第一個例子是 31007 型,它屬於該系列功率範圍的低端,能夠提供 0.8 mW 功率(最小值),光束直徑為 0.57 mm,光束髮散度為 1.41 mrad(圖 2)。這款雷射管工作期間需要施加 1500 V/5.25 mA,長約為 178 mm,直徑約為 44.5 mm,美國醫療器械和放射健康中心 (CDRH)/CE 安全等級為 IIIa/3R。

30995 型位於 REO 系列功率範圍的較高端,它是一款 17 mW(典型值)、25 mW(最大值)雷射器,需要施加 3500 V/7 mA。雷射管長約為 660 mm,光束寬度為 0.92 mm,發散度為 0.82 mrad。這款雷射器具有更嚴格的 IIIb/3B CDRH/CE 安全等級。

選擇可以勝任工作的最低功率雷射器有很多原因。功率越低,意味著安全隱患越小、法規要求越低,而且雷射管尺寸更小、成本更低、電源更小。

電源對氦氖雷射器至關重要

電源對於雷射器件的性能至關重要。對於氦氖雷射器,雷射管首先需要施加大約 10 kV DC(擊穿電壓)來啟動激發過程。此外,還需要 1 至 3 kV DC 的穩態維持電壓,以及低於 10 mA 的電流。儘管功率水平不算高(僅為 20 至 30 W),但很少有工程師有條件、受過培訓或有時間為該電壓設計合適的電源,尤其是考慮到安全和法規要求以及對爬電距離和電氣間隙等因素的認證,另外還需考慮基本的電氣和電磁 (EMI) 性能。

為什麼啟動電壓比維持電壓高?氦氖雷射器是一種「負阻」元件,隨著電流的增大,雷射管兩端的電壓會降低。簡單的霓虹燈燈泡也會出現同樣的問題,例如享有盛名但現在已經過時的 NE-2「輝光管」燈泡。它的擊穿或「起弧」電壓約為 90 V(AC 或 DC),此後工作電壓降至約 60 V。過去,為了提供較高啟動電壓,然後提供較低工作電壓,設計人員採用的一種辦法是使用約 220 kΩ 的串聯鎮流電阻器(圖 3)。

但是,這種簡單的解決方案不適用於商業應用中的氦氖雷射管。首先是安全和法規要求。其次,電源必須與雷射管正確匹配以獲得最佳性能,而且啟動電壓必須保持在公差範圍內。再次,電源輸出電壓和電流的穩定性對於維持雷射器的穩定性至關重要。

出於這些原因,Excelitas Technologies 為較低功率氦氖雷射器提供了滿足技術和法規要求的即插即用型電源。例如,39783 電源採用 100 至 130 V AC 和 200 至 260 V AC(50 至 400 Hz)供電,提供 1500 至 2400 V 電壓,啟動電壓高於 10 kV DC,工作電流為 5.25 mA(圖 4)。嚴格的電流調節對於穩定的氦氖雷射管性能很重要,因此 39783 將其保持在 ±0.05 mA。這款電源的基底面不大,只有 241 x 133 mm,高度為 54 mm。它還帶有實體鑰匙鎖以確保安全性。

針對較大的氦氖雷射管,Excelitas 推出了封裝尺寸相同的 39786 電源。該電源提供 3200 至 3800 V 的更高輸出,啟動電壓可達 12.5 kV 以上,提供高達 7.0 mA 的直流電流。

總結

雷射器以多種形式出現在許多應用中。如果工業系統設計人員希望以合理的功率水平獲得穩定的單色輸出,氦氖氣體雷射器是一種頗具吸引力的選擇。但是,如上所述,雷射器必須與合適的電源結合使用才能滿足性能、法規和安全方面的要求。

作者:Bill Schweber

來源:Digi-Key

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