發布日期：2022-10-09 點擊率：96
激光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) 氣體激光器是工業和科學應用中使用最廣泛的激光器之一，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，為使激光器有效啟動、持續工作并實現長壽命，設計人員必須選用與激光管匹配的合適高壓電源。
本文先探討激光和激光方案，再深入研究氦氖激光器，以及它為何得到如此廣泛的使用。然后，本文探討了成功應用此類激光器需要考慮的因素。示例器件來自 Excelitas Technologies 的 REO 系列氦氖激光器以及合適的電源。
激光 (laser) 是 "light amplification through stimulated emission of radiation"（通過受激輻射光放大）的縮寫。激光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，并且具有相位、時間和傳播方向上的一致。無論激光輸出是在光譜的可見光部分還是不可見光部分，都是如此。大多數激光器具有固定的輸出波長 (λ)，但有些激光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里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激光器。他使用紅寶石 (CrAlO3) 和攝影閃光燈作為激光泵源，產生了波長為 694 nm 的紅光束。圍繞著誰應該享有對激光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。
激光器有三個基本構件：
激光材料，可以是固體、液體、氣體或半導體，并且可以向所有方向發光
將能量作用于激光材料的泵源，例如閃光燈、引起電子碰撞的電流，或來自另一激光器的輻射
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
產生激光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后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，并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激光材料，這使得光能不斷增大，直至累積到足夠的能量，就會產生一束激光通過部分反射鏡發射出來。
第一臺光學激光器是基于紅寶石晶體，現在使用的激光器和材料則主要有四類：半導體二極管、氣體、液體和固體。簡而言之，其工作原理如下：
1)激光二極管：這是一種發光二極管 (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，可以將激光二極管調諧到不同的波長，而且輸出可以是連續波 (CW)，也可以是脈沖。
2) 氣體激光器：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，然后返回。由于反射鏡的作用，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。此類激光器的發射光通常是連續波。
3) 液體或染料激光器：使用染料池懸浮液中的有機物作為激光介質。此類激光器之所以受歡迎，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) 固體自由電子激光器：此類激光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。此類激光器可以產生的波長范圍從微波到 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激光器類型、激光材料以及激光器的激勵或泵浦方式有關（表 1）。
表 1：多種激光器類型匯總表顯示了每種激光材料產生的光的具體波長。（表來源：美國科學家聯合會）
對于激光系統設計人員而言，基本原理有助于他們理解相關參數及其含義和局限性，因而受到關注。
同所有元器件一樣，有一些主要參數用于確定基本選型和性能，另外還有許多次級和三級參數。對于激光器，首先要了解的參數是輸出波長、輸出功率、光束直徑和光束發散度。此外，輸出類型（脈沖或連續波）、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，取決于波長和激光器類型，激光器輸出功率可以從幾毫瓦 (mW) 到幾千瓦 (kW) 不等。許多激光應用（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激光器。
同所有光功率測量方法一樣，激光輸出功率的精確量化非常復雜，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、連續波還是脈沖，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）。
表 2：測量激光器的光功率是一項重大挑戰，根據波長和輸出周期，需要使用不同的傳感器和技術。（表來源：Coherent Inc.）
此外還要注意，為了防止損傷眼睛、皮膚和材料，幾乎任何與激光、輸出功率和波長有關的事項都會受到許多安全限制。這些復雜的限制和相關的激光器類別由全球不同國家和地區的監管機構規定。這是在項目中盡可能使用最低功率激光器的另一個很好的理由，也是激光器供應商為什么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激光器，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。
同所有元器件選型一樣，沒有單個“最佳”的激光器，因為不同應用需要不同的波長、功率水平和其他規格，往往取決于具體情況的物理因素。氦氖激光器通常非常適用于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，適用于材料分析、顯微術、制藥、法醫鑒定、食品欺詐識別、化學過程監控和各種國土安全功能。對于這些應用，氦氖激光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。
氦氖激光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（實際激光介質），壓力約為 1 Torr （0.02 lb/in2）。玻璃管中還有兩面內向的反射鏡，分別置于放電管兩端，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）。
圖 1：氦氖激光器的核心是一根玻璃管，管內填充的大部分是氦氣，另有少量氖氣。玻璃管的后端內置一面全反射鏡，而光束射出端設有一面透射率為 1% 的輸出耦合鏡。（圖片來源：維基百科）
在泵浦過程中，對混合氣體施加高壓脈沖（約為 1000 V 至 1500 V DC，10 至 20 mA）進行放電。實際的激光來自 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。
在激光器發展的早期，激光單元和電源常常是手工制作。而現在，激光器已是可立即獲得的現成元器件，特別是氦氖氣體激光器等廣泛使用的產品。而且，這類器件的額定功率范圍很廣，Excelitas Technologies 的 REO 系列中的兩款激光器就是例證。
第一個例子是 31007 型，它屬于該系列功率范圍的低端，能夠提供 0.8 mW 功率（最小值），光束直徑為 0.57 mm，光束發散度為 1.41 mrad（圖 2）。這款激光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。
圖 2：31007 型低功率氦氖激光器的最低功率達 0.8 mW，光束直徑為 0.57 mm，光束發散度為 1.41 mrad。（圖片來源：Excelitas Technologies）
30995 型位于 REO 系列功率范圍的較高端，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。激光管長約為 660 mm，光束寬度為 0.92 mm，發散度為 0.82 mrad。這款激光器具有更嚴格的 IIIb/3B CDRH/CE 安全等級。
選擇可以勝任工作的最低功率激光器有很多原因。功率越低，意味著安全隱患越小、法規要求越低，而且激光管尺寸更小、成本更低、電源更小。
電源對于激光器件的性能至關重要。對于氦氖激光器，激光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，以及低于 10 mA 的電流。盡管功率水平不算高（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。
為什么啟動電壓比維持電壓高？氦氖激光器是一種“負阻”元件，隨著電流的增大，激光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），此后工作電壓降至約 60 V。過去，為了提供較高啟動電壓，然后提供較低工作電壓，設計人員采用的一種辦法是使用約 220 kΩ 的串聯鎮流電阻器（圖 3）。
圖 3：氦氖激光管和霓虹燈（例如此處所示的 NE-2）等負阻元件，需要添加鎮流電阻器來適應啟動階段的較高電壓/較小電流，以及隨后維持階段的較低電壓/較大電流。（圖片來源：Lewis Loflin/Bristol Watch）
但是，這種簡單的解決方案不適用于商業應用中的氦氖激光管。首先是安全和法規要求。其次，電源必須與激光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范圍內。再次，電源輸出電壓和電流的穩定性對于維持激光器的穩定性至關重要。
出于這些原因，Excelitas Technologies 為較低功率氦氖激光器提供了滿足技術和法規要求的即插即用型電源。例如，39783 電源采用 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，啟動電壓高于 10 kV DC，工作電流為 5.25 mA（圖 4）。嚴格的電流調節對于穩定的氦氖激光管性能很重要，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。
圖 4：用于氦氖激光器的 39783 電源可為氦氖激光管的啟動和持續工作階段提供穩定受控的電壓和電流，同時滿足對千伏級電源的嚴格法規要求。（圖片來源：Excelitas Technologies）
針對較大的氦氖激光管，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。
激光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，氦氖氣體激光器是一種頗具吸引力的選擇。但是，如上所述，激光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。
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