Varför och hur man använder HeNe-lasrar för industriella och vetenskapliga tillämpningar

Lasrar är nu en oumbärlig del av den industriella systemkonstruktörens verktygslåda, eftersom de är inblandade i tillämpningar inom allt från mätning och avkänning på mikronivå till storskaliga industriella funktioner. En av de mest använda lasrarna för industriella och vetenskapliga tillämpningar är en gaslaser med helium-neon (HeNe). Skälen är många och goda: hög prestanda, liten storlek, stabilitet och optisk utsignal av hög kvalitet. Konstruktörer måste dock matcha laserröret med en lämplig högspänningsförsörjning för effektiv laserstart, kontinuerlig drift och lång livslängd.

Denna artikel diskuterar lasrar och laseralternativ innan vi tittar närmare på HeNe-lasern och varför den används så ofta. Den går sedan igenom faktorer att överväga för en framgångsrik tillämpning av denna klass av laserapparater från Excelitas TechnologiesREO-familj av HeNe-lasrar och lämpliga strömförsörjningar.

Vad är lasrar?

Laser är en akronym av "light amplification through stimulated emission of radiation". De unika egenskaperna för laserstrålen är att den elektromagnetiska energin och utgångsvågorna är monokromatiska, sammanhängande och i linje med varandra i fas, tid och rum. Detta gäller oavsett om laserutgången är i den synliga eller osynliga delen av det optiska spektrat. De flesta lasrar har en fast utgångsvåglängd (λ), men vissa kan ställas in till ett av flera diskreta värden på våglängder.

Den första lasern demonstrerades av Theodore H. Maiman, en fysiker vid Hughes Research Laboratories i Malibu, Kalifornien, i maj 1960. Han använde rubin (CrAlO3) och fotografiska blixtlampor som laserns "pump" för att producera en röd ljusstråle med en våglängd på 694 nanometer (nm). Frågan om vem som skulle få den vetenskapliga äran för laserns uppkomst samt royalty-rättigheter har varit föremål för en 30-årig patenttvist mellan tre fysiker.

Hur lasrar fungerar

Lasrar har tre grundläggande byggstenar:

• Själva lasermaterialet, vilket kan vara ett solitt ämne, vätska, gas eller halvledare och som kan avge ljus i alla riktningar
• En pumpkälla som tillför energi till lasermaterialet, som en blixtlampa, en elektrisk ström för att orsaka elektronkollisioner eller strålning från en annan laser
• Ett optiskt hålrum bestående av reflektorer - en helt reflekterande och den andra delvis reflekterande - som ger den positiva återkopplingsmekanismen för ljusförstärkning

För att en laserstråle ska uppstå är det nödvändigt att excitera en majoritet av elektronerna inuti håligheten till en högre energinivå, kallad populationsinversion. Detta är ett instabilt tillstånd för elektronerna, så de stannar i detta tillstånd en kort tid och faller sedan tillbaka till sitt ursprungliga energitillstånd på två sätt:

• För det första sker spontant fall, eftersom elektronerna helt enkelt faller tillbaka till sitt grundtillstånd medan de avger slumpmässigt riktade fotoner
• För det andra stimuleras sönderfall där fotonerna från spontana sönderfallande elektroner träffar andra exciterade elektroner, vilket får dem att falla till sitt grundtillstånd

Denna stimulerade övergång frigör energi i form av fotoner, som färdas i fas och med samma våglängd och i samma riktning som den infallande fotonen. De emitterade fotonerna rör sig fram och tillbaka i det optiska hålrummet genom lasermaterialet mellan den helt reflekterande spegeln och den delvis reflekterande spegeln. Denna ljusenergi förstärks tills tillräcklig energi byggs upp för att en laserstråle ska utsändas genom den delvis reflekterande spegeln.

De fyra huvudtyperna av lasrar

Medan den första optiska lasern byggde på en rubinkristall, finns det nu fyra viktiga lasertyper och -material som används: halvledardiod, gas, vätska och fast material. Kort sagt och avsevärt förenklat fungerar de enligt följande:

1: Laserdioden: Detta är en lysdiod (LED) som använder ett optiskt hålrum i halvledarmaterial för att förstärka ljuset som emitteras från energibandgapet som finns i halvledare. Laserdioden kan ställas in på olika våglängder genom att variera den applicerade strömmen, temperaturen eller magnetfältet och utgången kan vara en kontinuerlig våg (CW) eller pulserad.

2) Gaslasrar: Dessa använder ett gasfyllt rör för håligheten. En spänning (kallad extern pumpkälla) appliceras på röret för att excitera atomerna i gasen till populationsinversion då elektroner rör sig från ett energitillstånd till ett högre och tillbaka. Fotonerna studsar fram och tillbaka mellan hålighetens ändar på grund av speglarna, och deras antal byggs upp i en oscillerande verkan. Ljuset från denna typ av laser är normalt en kontinuerlig våg.

3) Vätske- eller färgämneslasrar: Dessa använder ett aktivt material i en vätskeuppslamning i en färgcell som lasermedium. Dessa lasrar är populära eftersom de kan ställas in på en av flera våglängder genom att ändra färgämnets kemiska sammansättning.

4) Solid frielektronlaser: Detta använder en elektronstråle som färdas i ett optiskt hålrum som är inbäddat i ett spiralformat yttre magnetfält. Elektronernas riktningsförändring på grund av magnetfältet får dem att avge fotoner. Denna laser kan generera våglängder från mikrovågs- till röntgenspektrat.

Naturligtvis involverar detaljerna i driften avancerad kvantfysik, materialvetenskap, elektromagnetiska energiprinciper, strömförsörjning och pumpkällor. Den specifika våglängden som emitteras är en funktion av lasertyp, material och hur lasern exciteras eller pumpas (tabell 1).

Tabell 1: En sammanfattning av de olika lasertyperna visar den specifika våglängden för ljuset som produceras av varje lasermaterial. (Tabellkälla: Federation of American Scientists)

För konstruktörer av laserbaserade system är de underliggande principerna intressanta i den mån de bidrar till att få en förståelse för relaterade parametrar, deras implikationer och deras begränsningar.

Kritiska laserparametrar för konstruktörer

Som med alla komponenter finns det några toppnivåparametrar som definierar grundläggande val och prestanda, samt många andra- och tredjenivåparametrar. För lasrar är parametrarna man först tittar på utgångsvåglängd, uteffekt, stråldiameter och stråldivergens (spridning). Viktigt är också utgångstyp (puls eller kontinuerlig), effektivitet, utstrålningens tvärsnittsform (profil), livslängd, kontrollerbarhet och användarvänlighet.

Observera att laseruteffekten kan variera från milliwatt (mW) till kilowatt (kW), beroende på våglängd och lasertyp. Många lasertillämpningar som småskaliga test- och mätinstrument behöver bara några milliwatt, medan kilowatt-lasrar används för metallskärning och riktade energivapen.

Som med alla mätningar av optisk effekt är det komplicerat att kvantifiera laseruteffekt och göra det exakt, och teknologer vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har ägnat stor möda åt utmaningen. Mätningen påverkas av egenskaperna hos den optiska energin: våglängd, effektnivå, kontinuerlig eller puls, och av vilken parameter som mäts, såsom medeleffekt, toppeffekt, spektrum och dispersion) (Tabell 2).

Tabell 2: Mätning av optisk lasereffekt är en stor utmaning, och olika sensorer och tekniker krävs beroende på strålens våglängd och periodtid. (Tabellkälla: Coherent Inc.)

Tänk också på att nästan allt som har att göra med lasrar, uteffekt och våglängd är föremål för många säkerhetsbegränsningar för att förhindra ögon-, hud- och materialskador. Dessa komplicerade begränsningar och tillhörande laserklasser definieras av tillsynsmyndigheter i olika länder och regioner i världen. Det här är en annan bra anledning till att använda lägsta möjliga lasereffekt för projektet och till att leverantörer erbjuder lasrar med starkt varierad uteffekt. Till exempel inkluderar REO-familjen liknande HeNe-lasrar med 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 5,0, 10, 12, 15 och 25 mW uteffekt - en kvot på över 25:1 mellan högsta och lägsta.

HeNe-lasertillämpningar, funktioner och drift

Som med alla komponentval finns det inte en viss “bästa” laserenhet, eftersom olika tillämpningar behöver olika våglängder, effektnivåer och andra specifikationer, allmänt definierade av situationens fysik. HeNe-lasern passar ofta bra för många industri- och testprojekt som Raman-spektroskopi, en icke-destruktiv optisk inspektionsteknik som inte kräver direkt fysisk kontakt med provet.

Denna spektroskopi används för snabb och korrekt kemisk analys av fasta ämnen, pulver, vätskor och gaser inom materialanalys, mikroskopi, läkemedelsforskning, kriminalteknik, identifiering av livsmedelsbedrägerier, kemisk processövervakning och olika säkerhetsfunktioner. Bland de attraktiva egenskaperna hos HeNe-lasern för dessa tillämpningar är dess stabila utgångsvåglängd och effekt, extremt monokromatiska röda utgång vid λ = 632,8 nm (ofta avrundat till 633 nm), smala stråle, låga divergens och goda utsignalkoherens och stabilitet över avstånd och tid.

HeNe-lasern är byggd kring ett ihåligt glasrör med inåtvända speglar och fyllt med 85-90 % heliumgas och 10-15 % neongas (det faktiska lasermediet) vid ett tryck på cirka 1 Torr (0,02 pounds per kvadrattum) (lb/in²)). Röret har också två inåtvända speglar. Den ena är en platt, högreflekterande spegel i ena änden, den andra en konkav utgångskopplingsspegel med cirka 1 % transmission i andra änden (figur 1).

Figur 1: Hjärtat i HeNe-lasern är ett glasrör fyllt mestadels med helium, med en liten andel neon. Röret har en helt reflekterande invändig spegel i dess bakre ände och en spegel med 1 % transmission för utgångskoppling vid strålutgångsänden. (Bildkälla: Wikipedia)

Under pumpningsprocessen initieras en elektrisk urladdning genom gasblandningen med en högspänningspuls (cirka 1000 till 1500 VDC, vid 10 till 20 mA). Den faktiska lasereffekten kommer från de-excitering av bärare mellan elektronbaneenerginivåer (såsom 3s till 2p) i Ne-atomer. Denna övergång från 3s till 2p ger den primära 632,8 nm-utgången. Andra energinivåövergångar förekommer också, vilket ger utsignaler på 543 nm, 594 nm, 612 nm och 1523 nm, men 632,8 nm-utsignalen är den mest användbara.

HeNe-lasrar katalogiserar nu artiklar

Under laserns barndom tillverkades enheter ofta för hand och detsamma gällde strömförsörjningen. Nu är lasrar - särskilt ofta använda som HeNe-gaslasrar - kommersiellt tillgängliga komponenter med effektvärden som spänner över ett brett spektrum, vilket två lasrar i REO-familjen från Excelitas Technologies visar.

Det första exemplet, modellen 31007 , är i den nedre änden av effektintervallet och kan leverera 0,8 mW (minimum) med en stråldiameter på 0,57 mm och strålningsdivergens på 1,41 milliradianer (mrad) (figur 2). Det kräver 1500 volt vid 5,25 mA under drift för laserröret, som är cirka 178 mm långt och 44,5 mm i diameter. Den har ett Center for Devices and Radiological Health (CDRH)/CE-säkerhetsklassning på IIIa/3R.

Figur 2: HeNe-lågeffektlaser av modell 31007 kan leverera minst 0,8 mW med en stråldiameter på 0,57 mm och en strålningsdivergens på 1,41 mrad. (Bildkälla: Excelitas Technologies)

I den högre änden av REO-effektområdet finns modellen 30995, en 17 mW (typisk), 25 mW (maximal) laser som kräver 3500 volt vid 7 mA. Dess rörlängd är cirka 660 mm, strålbredden är 0,92 mm och divergensen är 0,82 mrad. Den har en mer restriktiv säkerhetsklassning på IIIb/3B CDRH/CE.

Det finns många anledningar att välja den lägsta effekten som som klarar uppgiften på en laser. Lägre effekt innebär minskade säkerhetsproblem och regulatoriska krav, tillsammans med mindre rörstorlek, lägre kostnad och en mindre strömförsörjning.

Strömförsörjning: kritisk för HeNe-lasrar

Strömförsörjningen är avgörande för laserkomponentens prestanda. För HeNe-lasrar behöver röret först cirka 10 kV DC (genombrottsspänning) för att initiera exciteringsprocessen. Dessutom kräver det en steady state-upprätthållande spänning i intervallet 1 till 3 kV DC, tillsammans med ström under 10 mA. Även om effektnivån är blygsam - bara 20 till 30 watt - är det få ingenjörer som är utrustade, utbildade eller har tid att utveckla en lämplig försörjning för denna spänning, särskilt med tanke på säkerhets- och regelkraven och certifieringar för faktorer som krypström och fria avstånd, utöver fundamentala elektriska och elektromagnetiska (EMI) prestanda.

Varför behovet av högre initieringsspänning än hållspänning? HeNe-lasern är en "negativ resistans"-komponent, så spänningen över röret minskar när strömmen ökar. Samma fråga inträffar med den enkla neonlampan, som den legendariska men nu i stort sett föråldrade NE-2-glödlampan. Dess genombrotts- eller "slag"-spänning ligger på cirka 90 volt (AC eller DC), varefter driftspänningen sjunker till cirka 60 volt. En metod som konstruktörer har använt för att åstadkomma den högre initieringsspänningen, följt av en lägre driftspänning, har varit att använda ett ballastmotstånd i serie på cirka 220 Kohm (figur 3).

Figur 3: Negativa motståndskomponenter som HeNe-laserrör och neonlampor (som NE-2 som visas här) behöver en ballastmotståndsfunktion för att tillgodose deras initiala behov av högre spänning/lägre ström, följt av deras hållfas med behov av lägre spänning/högre ström. (Bildkälla: Lewis Loflin / Bristol Watch)

Den här enkla lösningen är dock inte lämplig för ett HeNe-laserrör i en kommersiell tillämpning. För det första finns säkerhets- och regleringskraven. För det andra måste strömmatningen vara korrekt anpassad till röret för optimal prestanda och initieringsspänningen måste hållas inom toleranserna. För det tredje är stabiliteten hos försörjningens utspänning och strömförsörjning avgörande för att bibehålla laserstabiliteten.

Av dessa skäl erbjuder Excelitas Technologies plug-in-tillbehör som uppfyller tekniska och lagstadgade krav för HeNe-lasrar med lägre effekt. Till exempel arbetar strömförsörjningen till 39783 med 100 till 130 volt AC och 200 till 260 volt AC (50 till 400 Hz) och matar 1500 till 2400 volt med en startspänning på över 10 kVDC och en driftström på 5,25 mA (figur 4 ). Precis strömreglering är viktig för en stabil HeNe-rörprestanda; modellen 39783 håller den till ± 0,05 mA. Strömförsörjningen har ett blygsamt fotavtryck på 241 x 133 mm och en höjd på 54 mm. Den levereras också med ett fysiskt lås med nyckel för extra säkerhet.

Figur 4: 39783-strömförsörjningen för HeNe-lasrar ger en stabil, kontrollerad spänning och ström för både initierings- och hållfaserna för HeNe-röret, samtidigt som de uppfyller stränga myndighetskrav för strömförsörjning i kilovoltklassen. (Bildkälla: Excelitas Technologies)

För större HeNe-rör erbjuder Excelitas strömförsörjningen 39786 i samma fysiska format. Enheten har en högre effekt på 3200 till 3800 volt, en startspänning på över 12,5 kV och kan mata likström upp till 7,0 mA.

Slutsats

Lasrar finns i många former för många tillämpningar. För systemkonstruktörer inom industrin som letar efter stabil monokromatisk effekt vid rimliga effektnivåer är HeNe-gaslasern ett attraktivt alternativ. Som vi har visat måste dock lasrarna kombineras med rätt strömförsörjning för att uppnå önskade prestanda- och säkerhetsnivåer samt uppfylla krav i regelverk.