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为何及如何将氦氖激光器用于工业和科学应用

作者:Bill Schweber

投稿人:Digi-Key 北美编辑

激光器现已成为工业系统设计人员工具箱中不可或缺的一部分,因为这类器件支持广泛的应用——从微观测量和检测到大规模工业功能。氦氖 (HeNe) 气体激光器是工业和科学应用中使用最广泛的激光器之一,原因有很多,包括高性能、小尺寸、稳定性和高质量的光学输出。然而,为使激光器有效启动、持续工作并实现长寿命,设计人员必须选用与激光管匹配的合适高压电源。

本文先探讨激光和激光方案,再深入研究氦氖激光器,以及它为何得到如此广泛的使用。然后,本文探讨了成功应用此类激光器需要考虑的因素。示例器件来自 Excelitas Technologies 的 REO 系列氦氖激光器以及合适的电源。

什么是激光?

激光 (laser) 是 "light amplification through stimulated emission of radiation"(通过受激辐射光放大)的缩写。激光束输出的独有特性是:电磁能量和输出波的单色性好、相干性高,并且具有相位、时间和传播方向上的一致。无论激光输出是在光谱的可见光部分还是不可见光部分,都是如此。大多数激光器具有固定的输出波长 (λ),但有些激光器也可将波长设置为数个离散值之一。

1960 年 5 月,美国加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室的物理学家 Theodore H. Maiman 演示了世界上第一台激光器。他使用红宝石 (CrAlO3) 和摄影闪光灯作为激光泵源,产生了波长为 694 nm 的红光束。围绕着谁应该享有对激光概念的科学发现权和专利权,三位物理学家之间展开了长达 30 年的专利纠纷。

激光器工作原理

激光器有三个基本构件:

  • 激光材料,可以是固体、液体、气体或半导体,并且可以向所有方向发光
  • 将能量作用于激光材料的泵源,例如闪光灯、引起电子碰撞的电流,或来自另一激光器的辐射
  • 光学谐振腔,由反射器(一个全反射,另一个部分反射)组成,为光放大提供正反馈机制

产生激光的必不可少的条件是,将谐振腔内的大部分电子激发到较高能级,这称为粒子数反转。对电子来说,这是一个不稳定状态。因此,它们在此状态短暂停留后便通过两种方式衰变回原始能态:

  • 第一种是自发衰变,即电子回到基态,同时发射随机方向的光子
  • 第二种是受激衰变,即自发衰变电子发射的光子撞击其他受激电子,使其回到基态

这种受激跃迁会以光子的形式释放能量,并且受激发射光子与入射光子具有相同的相位、波长和传播方向。发射光子在光学谐振腔中往返传播,穿过全反射镜和部分反射镜之间的激光材料,这使得光能不断增大,直至累积到足够的能量,就会产生一束激光通过部分反射镜发射出来。

激光器的四种主要类型

第一台光学激光器是基于红宝石晶体,现在使用的激光器和材料则主要有四类:半导体二极管、气体、液体和固体。简而言之,其工作原理如下:

1)激光二极管:这是一种发光二极管 (LED),使用固态材料中的光学谐振腔来放大半导体能带隙所发出的光。通过改变所施加的电流、温度或磁场,可以将激光二极管调谐到不同的波长,而且输出可以是连续波 (CW),也可以是脉冲。

2) 气体激光器:使用充气管作为谐振腔。将电压(称为外部泵源)施加到放电管上,激发气体中的原子发生粒子数反转,即让电子从一个能级跃迁到某高能级,然后返回。由于反射镜的作用,光子在谐振腔的两端之间来回反弹,其数量在振荡作用下不断累积。此类激光器的发射光通常是连续波。

3) 液体或染料激光器:使用染料池悬浮液中的有机物作为激光介质。此类激光器之所以受欢迎,是因为可以通过改变染料的化学成分将其调谐到数个波长之一。

4) 固体自由电子激光器:此类激光器在光学谐振腔外施加蛇形的外部磁场,从而使电子束沿着谐振腔传播。磁场引起的电子运动方向改变会导致其发射光子。此类激光器可以产生的波长范围从微波到 X 射线。

当然,操作细节涉及高级量子物理学、材料学、电磁能量原理、电源和泵源。具体的发射光波长与激光器类型、激光材料以及激光器的激励或泵浦方式有关(表 1)。

多种激光器类型汇总表表 1:多种激光器类型汇总表显示了每种激光材料产生的光的具体波长。(表来源:美国科学家联合会)

对于激光系统设计人员而言,基本原理有助于他们理解相关参数及其含义和局限性,因而受到关注。

设计人员需重视的激光参数

同所有元器件一样,有一些主要参数用于确定基本选型和性能,另外还有许多次级和三级参数。对于激光器,首先要了解的参数是输出波长、输出功率、光束直径和光束发散度。此外,输出类型(脉冲或连续波)、能效、输出光束横截面形状(轮廓)、寿命、可控性和易用性也很重要。

请注意,取决于波长和激光器类型,激光器输出功率可以从几毫瓦 (mW) 到几千瓦 (kW) 不等。许多激光应用(例如小规模测试和测量仪器)仅需要几毫瓦,而金属切割和定向能武器则需要千瓦级的激光器。

同所有光功率测量方法一样,激光输出功率的精确量化非常复杂,美国国家标准技术研究院 (NIST) 的技术专家已为解决这一挑战付出了巨大努力。测量受到以下光能特性的影响:波长、功率水平、连续波还是脉冲,以及要测量的参数(例如平均功率、峰值功率、光谱和色散)(表 2)。

激光器光功率测量表表 2:测量激光器的光功率是一项重大挑战,根据波长和输出周期,需要使用不同的传感器和技术。(表来源:Coherent Inc.)

此外还要注意,为了防止损伤眼睛、皮肤和材料,几乎任何与激光、输出功率和波长有关的事项都会受到许多安全限制。这些复杂的限制和相关的激光器类别由全球不同国家和地区的监管机构规定。这是在项目中尽可能使用最低功率激光器的另一个很好的理由,也是激光器供应商为什么要提供阶梯式输出功率水平的理由。例如,REO 系列包括多款类似的氦氖激光器,输出功率分别为 0.8、1.0、1.5、2.0、3.0、5.0、10、12、15 和 25 mW,最大与最小功率之比超过 25:1。

氦氖激光器的应用、特性和操作

同所有元器件选型一样,没有单个“最佳”的激光器,因为不同应用需要不同的波长、功率水平和其他规格,往往取决于具体情况的物理因素。氦氖激光器通常非常适用于众多工业和测试项目,例如拉曼光谱分析——一种不需要与样品发生直接物理接触的无损光学检测技术。

这种光谱分析可对固体、粉末、液体和气体进行快速准确的化学分析,适用于材料分析、显微术、制药、法医鉴定、食品欺诈识别、化学过程监控和各种国土安全功能。对于这些应用,氦氖激光器有很多具吸引力的特性:稳定的输出波长和功率、λ = 632.8 nm(常常简化为 633 nm)的超级单色红光输出、窄光束、低发散度,以及不随距离和时间而变化的良好输出相干性和稳定性。

氦氖激光器由一根带有向内反射镜的空心玻璃管构成。管内填充 85-90% 的氦气和 10-15% 的氖气(实际激光介质),压力约为 1 Torr (0.02 lb/in2)。玻璃管中还有两面内向的反射镜,分别置于放电管两端,其中一面是高反射性平面镜,另一面则是凹面输出耦合镜,透射率约为 1%(图 1)。

氦氖激光器核心示意图图 1:氦氖激光器的核心是一根玻璃管,管内填充的大部分是氦气,另有少量氖气。玻璃管的后端内置一面全反射镜,而光束射出端设有一面透射率为 1% 的输出耦合镜。(图片来源:维基百科)

在泵浦过程中,对混合气体施加高压脉冲(约为 1000 V 至 1500 V DC,10 至 20 mA)进行放电。实际的激光来自 Ne 原子电子层能级之间的载流子退激发(例如从 3s 跃迁到 2p)。从 3s 跃迁到 2p 会产生 632.8 nm 的主输出。此外,还会发生其他能级跃迁,从而产生 543 nm、594 nm、612 nm 和 1523 nm 的输出,但 632.8 nm 输出最为有用。

氦氖激光器现已成为寻常产品

在激光器发展的早期,激光单元和电源常常是手工制作。而现在,激光器已是可立即获得的现成元器件,特别是氦氖气体激光器等广泛使用的产品。而且,这类器件的额定功率范围很广,Excelitas Technologies 的 REO 系列中的两款激光器就是例证。

第一个例子是 31007 型,它属于该系列功率范围的低端,能够提供 0.8 mW 功率(最小值),光束直径为 0.57 mm,光束发散度为 1.41 mrad(图 2)。这款激光管工作期间需要施加 1500 V/5.25 mA,长约为 178 mm,直径约为 44.5 mm,美国医疗器械和放射健康中心 (CDRH)/CE 安全等级为 IIIa/3R。

Excelitas 的 31007 型低功率氦氖激光器图片图 2:31007 型低功率氦氖激光器的最低功率达 0.8 mW,光束直径为 0.57 mm,光束发散度为 1.41 mrad。(图片来源:Excelitas Technologies)

30995 型位于 REO 系列功率范围的较高端,它是一款 17 mW(典型值)、25 mW(最大值)激光器,需要施加 3500 V/7 mA。激光管长约为 660 mm,光束宽度为 0.92 mm,发散度为 0.82 mrad。这款激光器具有更严格的 IIIb/3B CDRH/CE 安全等级。

选择可以胜任工作的最低功率激光器有很多原因。功率越低,意味着安全隐患越小、法规要求越低,而且激光管尺寸更小、成本更低、电源更小。

电源对氦氖激光器至关重要

电源对于激光器件的性能至关重要。对于氦氖激光器,激光管首先需要施加大约 10 kV DC(击穿电压)来启动激发过程。此外,还需要 1 至 3 kV DC 的稳态维持电压,以及低于 10 mA 的电流。尽管功率水平不算高(仅为 20 至 30 W),但很少有工程师有条件、受过培训或有时间为该电压设计合适的电源,尤其是考虑到安全和法规要求以及对爬电距离和电气间隙等因素的认证,另外还需考虑基本的电气和电磁 (EMI) 性能。

为什么启动电压比维持电压高?氦氖激光器是一种“负阻”元件,随着电流的增大,激光管两端的电压会降低。简单的霓虹灯灯泡也会出现同样的问题,例如享有盛名但现在已经过时的 NE-2“辉光管”灯泡。它的击穿或“起弧”电压约为 90 V(AC 或 DC),此后工作电压降至约 60 V。过去,为了提供较高启动电压,然后提供较低工作电压,设计人员采用的一种办法是使用约 220 kΩ 的串联镇流电阻器(图 3)。

氦氖激光管和霓虹灯示意图图 3:氦氖激光管和霓虹灯(例如此处所示的 NE-2)等负阻元件,需要添加镇流电阻器来适应启动阶段的较高电压/较小电流,以及随后维持阶段的较低电压/较大电流。(图片来源:Lewis Loflin/Bristol Watch)

但是,这种简单的解决方案不适用于商业应用中的氦氖激光管。首先是安全和法规要求。其次,电源必须与激光管正确匹配以获得最佳性能,而且启动电压必须保持在公差范围内。再次,电源输出电压和电流的稳定性对于维持激光器的稳定性至关重要。

出于这些原因,Excelitas Technologies 为较低功率氦氖激光器提供了满足技术和法规要求的即插即用型电源。例如,39783 电源采用 100 至 130 V AC 和 200 至 260 V AC(50 至 400 Hz)供电,提供 1500 至 2400 V 电压,启动电压高于 10 kV DC,工作电流为 5.25 mA(图 4)。严格的电流调节对于稳定的氦氖激光管性能很重要,因此 39783 将其保持在 ±0.05 mA。这款电源的基底面不大,只有 241 x 133 mm,高度为 54 mm。它还带有实体钥匙锁以确保安全性。

用于氦氖激光器的 Excelitas 39783 电源图片图 4:用于氦氖激光器的 39783 电源可为氦氖激光管的启动和持续工作阶段提供稳定受控的电压和电流,同时满足对千伏级电源的严格法规要求。(图片来源:Excelitas Technologies)

针对较大的氦氖激光管,Excelitas 推出了封装尺寸相同的 39786 电源。该电源提供 3200 至 3800 V 的更高输出,启动电压可达 12.5 kV 以上,提供高达 7.0 mA 的直流电流。

总结

激光器以多种形式出现在许多应用中。如果工业系统设计人员希望以合理的功率水平获得稳定的单色输出,氦氖气体激光器是一种颇具吸引力的选择。但是,如上所述,激光器必须与合适的电源结合使用才能满足性能、法规和安全方面的要求。

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关于此作者

Bill Schweber

Bill Schweber 是一名电子工程师,撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品特性说明。他担任过 EE Times 的多个特定主题网站的技术管理员,以及 EDN 的执行编辑和模拟技术编辑。

在 Analog Devices, Inc.(模拟和混合信号 IC 的领先供应商)工作期间,Bill 从事营销传播(公共关系),对技术公关职能的两个方面均很熟悉,即向媒体展示公司产品、业务事例并发布消息,同时接收此类信息。

担任 Analog 营销传播职位之前,Bill 在该公司颇受推崇的技术期刊担任副主编,并且还在公司的产品营销和应用工程部门工作过。在此之前,Bill 曾在 Instron Corp. 工作,从事材料测试机器控制的实际模拟和电源电路设计及系统集成。

他拥有电气工程硕士学位(马萨诸塞州立大学)和电气工程学士学位(哥伦比亚大学),是注册专业工程师,并持有高级业余无线电许可证。Bill 还规划、撰写并讲授了关于各种工程主题的在线课程,包括 MOSFET 基础知识、ADC 选择和驱动 LED。

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