Miksi ja miten HeNe-lasereita käytetään teollisissa ja tieteellisissä sovelluksissa

Laserit ovat nyt välttämätön osa teollisuuden järjestelmäsuunnittelijan työkalupakettia, koska ne mahdollistavat sovellukset mikrotason mittauksista ja tunnistamisesta suuriin teollisiin toimintoihin. Yksi eniten käytettyjä lasereita teollisissa ja tieteellisissä sovelluksissa on helium-neon (HeNe) -kaasulaser ja siihen on monia hyviä syitä, mukaan lukien korkea suorituskyky, pieni koko, stabiilius ja korkealaatuinen optinen lähtö. Suunnittelijoiden on kuitenkin sovitettava laserputki sopivaan korkeajännitteiseen virtalähteeseen laserin tehokkaan käynnistyksen, jatkuvan toiminnan ja pitkän käyttöiän saavuttamiseksi.

Tässä artikkelissa käsitellään lasereita ja laservaihtoehtoja ennen kuin siinä tarkastellaan tarkemmin HeNe-laseria ja miksi sitä käytetään niin laajalti. Sitten artikkelissa tarkastellaan tekijöitä, jotka on otettava huomioon tämän luokan laserin käytön onnistumiseksi, esimerkkeinä käytetään Excelitas Technologies -yrityksenREO-perheen HeNe-lasereita ja niihin sopivia virtalähteitä.

Mitä laserit ovat?

Laser on lyhenne sanoista “light amplification through stimulated emission of radiation” ("valon vahvistaminen stimuloidun säteilyemission kautta"). Lasersäteen ulostulon ainutlaatuisiin ominaisuuksiin kuuluu, että sähkömagneettinen energia ja lähtöaallot ovat monokromaattisia, koherentteja ja linjassa toistensa kanssa vaiheessa, ajassa ja tilassa. Tämä pätee riippumatta siitä, onko laserin lähtö optisen spektrin näkyvässä tai näkymättömässä osassa. Useimmilla lasereilla on kiinteä lähtöaallonpituus (λ), mutta jotkut voidaan asettaa käyttämään yhtä useista erillisistä aallonpituuden arvoista.

Laserin esitteli ensimmäisen kerran Theodore H. Maiman, Hughes Research Laboratories -yrityksen fyysikko Malibussa, Kaliforniassa, toukokuussa 1960. Hän käytti rubiinia (CrAlO3) ja valokuvauksessa käytettävää salamavaloa ”laserpumpun” lähteenä tuottamaan punainen valonsäde, jonka aallonpituus oli 694 nanometriä (nm). Se kenen pitäisi saada tieteellinen tunnustus laserin keksimisestä ja siihen liittyvät rojaltioikeudet, oli kolmen fyysikon patenttikiistan aiheena 30 vuoden ajan, .

Miten laserit toimivat

Lasereilla on kolme peruselementtiä:

• Itse lasermateriaali, joka voi olla kiinteä, nestemäinen, kaasu tai puolijohde ja joka voi lähettää valoa kaikkiin suuntiin
• Pumppulähde, joka lisää energiaa lasermateriaaliin, kuten salamavalo, sähkövirta joka aiheuttaa elektronien törmäyksiä tai toisen laserin säteily
• Optinen kaviteetti, joka koostuu heijastimista - yksi täysin heijastava ja toinen osittain heijastava - jotka tarjoavat positiivisen takaisinkytkentämekanismin valon vahvistamiseksi

Laserilmiön käynnistämiseksi on välttämätöntä virittää suurin osa kaviteetin sisällä olevista elektroneista korkeammalle energiatasolle. Tämä tunnetaan nimellä populaatioinversio. Tämä on elektronien kannalta epävakaa tila, joten ne pysyvät tässä tilassa lyhyen aikaa ja sitten palaavat takaisin alkuperäiseen energiatilaansa kahdella tavalla:

• Ensinnäkin tapahtuu spontaania hajoamista, kun elektronit yksinkertaisesti palaavat takaisin perustilaansa samalla kun he emittoivat satunnaisesti suunnattuja fotoneja
• Toiseksi tapahtuu stimuloitua hajoamista, jossa spontaanisti hajoavien elektronien fotonit osuvat muihin virittyneisiin elektroneihin, mikä saa ne palaamaan perustilaansa

Tämä stimuloitu tilasiirtymä vapauttaa energiaa fotonien muodossa, jotka kulkevat samassa vaiheessa, samalla aallonpituudella ja samaan suuntaan kuin niihin törmännyt fotoni. Emittoidut fotonit kulkevat edestakaisin optisessa kaviteetissa lasermateriaalin läpi täysin heijastavan peilin ja osittain heijastavan peilin välillä. Tätä valoenergiaa vahvistetaan, kunnes riittävästi energiaa on muodostunut laservalopurskeen kulkemiseksi osittain heijastavan peilin läpi.

Lasereiden neljä päätyyppiä

Vaikka ensimmäinen optinen laser perustui rubiinikiteeseen, käytössä on nyt neljä merkittävää lasertyyppiä ja -materiaalia: puolijohdediodi, kaasu, neste ja kiinteä aine. Lyhyesti esitettynä ja huomattavasti yksinkertaistettuna ne toimivat seuraavasti:

1: Laserdiodi : Tämä on valoa emittoiva diodi (LED), joka käyttää puolijohdemateriaalissa olevaa optista kaviteettia vahvistamaan puolijohteissa olevasta energiakaistan aukosta emittoitua valoa. Laserdiodi voidaan virittää eri aallonpituuksille säätämällä käytettävää virtaa, lämpötilaa tai magneettikenttää, ja lähtö voi olla jatkuva aalto (CW) tai pulssi.

2) Kaasulaserit : Nämä käyttävät kaviteettina kaasulla täytettyä putkea. Putkeen syötetään jännite (kutsutaan ulkoiseksi pumppulähteeksi) kaasun atomien virittämiseksi populaatioinversioon, jossa elektronit siirtyvät yhdestä energiatilasta korkeampaan ja takaisin. Fotonit hyppivät edestakaisin kaviteetin päiden välillä peilien takia, ja niiden lukumäärä kasvaa edestakaisen liikkeen mukaan. Tämän tyyppisestä laserista lähtevä valo on yleensä CW.

3) Neste- tai värilaserit: Nämä käyttävät nestesuspensiossa aktiivista materiaalia värikennon laseroivana väliaineena. Nämä laserit ovat suosittuja, koska ne voidaan virittää monille eri aallonpituuksille väriaineen kemiallista koostumusta muuttamalla.

4) Kiinteä vapaaelektronilaseri: Tässä käytetään elektronisädettä, joka kulkee pitkin optista kaviteettia, joka on upotettu ulkoiseen serpentiinimäiseen magneettikenttään. Magneettikentän aiheuttama elektronien suunnanmuutos saa ne emittoimaan fotoneja. Tämä laser voi tuottaa aallonpituuksia mikroaalloista röntgenalueelle.

Tietenkin toiminnan yksityiskohdat sisältävät monimutkaista kvanttifysiikkaa, materiaalitiedettä, sähkömagneettisen energian periaatteita, virtalähteitä ja pumppulähteitä. Lähetetty aallonpituus riippuu lasertyypistä, materiaaleista ja siitä, miten laser viritetään tai pumpataan (taulukko 1).

Taulukko 1: Yhteenveto erilaisista lasertyypeistä osoittaa kunkin lasermateriaalin tuottaman valon spesifisen aallonpituuden. (Taulukon lähde: Federation of American Scientists)

Laserpohjaisten järjestelmien suunnittelijoiden kannalta toimintaperiaatteet ovat kiinnostavia siltä osin kuin ne auttavat ymmärtämään asiaan liittyviä parametreja, niiden seurauksia ja rajoituksia.

Kriittiset laserparametrit suunnittelijoille

Kuten kaikkien komponenttien kohdalla, valintaan liittyy eräitä korkeimman tason parametreja, jotka määrittelevät perusvalinnan ja suorituskyvyn, sekä monia toisen ja kolmannen tason parametreja. Lasereiden osalta ensin tarkastellut parametrit ovat lähtöaallon pituus, lähtöteho, säteen halkaisija ja säteen divergenssi (leviäminen). Tärkeitä ovat myös ulostulotyyppi (pulssi tai CW), tehokkuus, lähtöpalkin poikkileikkauksen muoto (profiili), käyttöikä, hallittavuus ja helppokäyttöisyys.

Huomaa, että laserin lähtöteho voi vaihdella milliwateista (mW) kilowatteihin (kW) aallonpituudesta ja lasertyypistä riippuen. Monet lasersovellukset, kuten pienimuotoiset testaus- ja mittauslaitteet, tarvitsevat vain muutaman milliwatin, kun taas kilowattien tehoisia lasereita käytetään metallin leikkaamiseen ja suunnattua energiaa käyttäviin aseisiin.

Kuten kaikkien optisten tehomittausten kohdalla, laserlähtötehon kvantifiointi ja tarkka mittaus on monimutkaista, ja kansallisen standardointi- ja teknologiainstituutin (NIST) teknikot ovat panostaneet haasteeseen huomattavasti. Mittaukseen vaikuttavat optisen energian ominaisuudet: aallonpituus, tehotaso, CW tai pulssi ja mikä parametri mitataan, esimerkkinä keskimääräinen teho, huipputeho, spektri ja dispersio (taulukko 2).

Taulukko 2: Laserin optisen tehon mittaaminen on suuri haaste ja siihen tarvitaan erilaisia antureita ja tekniikoita aallonpituudesta ja lähtöjaksosta riippuen. (Taulukon lähde: Coherent Inc.)

Huomaa myös, että monet erilaiset turvallisuusrajoitukset koskevat melkein kaikkea, millä on jotain tekemistä lasereiden, lähtötehon ja aallonpituuden kanssa. Näillä pyritään estämän silmien ja ihon vahingoittuminen samoin kuin myös aineelliset vahingot. Nämä monimutkaiset rajoitukset ja niihin liittyvät laserluokat ovat eri maissa ja maailman eri osissa paikallisten sääntelyvirastojen määrittelemiä. Tämä on toinen hyvä syy käyttää projektissa pienintä mahdollista lasertehoa ja syy sille miksi myyjät tarjoavat lasereita, joissa on erilaisia lähtötehotasoja. Esimerkiksi REO-perhe sisältää samanlaisia HeNe-lasereita, joiden lähtöteho on 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 5,0, 10, 12, 15 ja 25 mW - tehoalue on yli 25:1.

HeNe-lasersovellukset, ominaisuudet ja käyttö

Kuten kaikissa komponenttivaihtoehdoissa, ei ole olemassa yhtä "parasta" laseryksikköä, koska sovellukset tarvitsevat erilaisia aallonpituuksia, tehotasoja ja muita spesifikaatioita, jotka yleensä määräytyvät tilanteen fysiikan mukaan. HeNe-laser sopii moniin teollisiin ja testiprojekteihin, esimerkkinä Raman-spektroskopia, joka on ainetta rikkomaton optiseen tutkimustekniikka, joka ei vaadi suoraa fyysistä kosketusta näytteen kanssa.

Tätä spektroskopiaa käytetään kiinteiden aineiden, jauheiden, nesteiden ja kaasujen nopeaan ja tarkkaan kemialliseen analyysiin materiaalianalyysissä, mikroskopiassa, farmaseuttisessa, rikosteknisessä, elintarvikepetosten tunnistamisessa, kemiallisten prosessien seurannassa ja erilaisissa sisäisen turvallisuuden toiminnoissa. HeNe-laserin houkuttelevia ominaisuuksia näihin sovelluksiin ovat sen stabiili lähtöaallonpituus ja teho, erittäin monokromaattinen punainen valo aallonpituudella λ = 632,8 nm (usein pyöristetään 633 nm), kapea säde, alhainen divergenssi sekä hyvä lähdekoherenssi ja stabiilius etäisyyden ja ajan suhteen.

HeNe-laser on rakennettu käyttäen onttoa lasiputkea, jossa on sisäänpäin suunnatut peilit, ja se on täytetty 85–90 prosenttisesti heliumkaasulla ja 10–15 prosenttisesti neonkaasulla (varsinainen laserväliaine) noin 1 Torrin paineella (0,02 paunaa/neliötuuma (lb/ in ²)). Putkessa on myös kaksi sisäänpäin suunnattua peiliä. Yksi on tasainen, heijastava peili toisessa päässä, toinen kovera peili lähtöliittimellä, jonka toisessa päässä on noin 1% läpäisy (kuva 1).

Kuva 1: HeNe-laserin ytimen muodostaa lasiputki, joka on täytetty enimmäkseen heliumilla ja jossa on pieni määrä neonia; putken takapäässä on täysin heijastava sisäinen peili ja 1 prosentin siirtopeili lähtöliitintä varten säteen ulostulopäässä. (Kuvan lähde: Wikipedia)

Pumppausprosessin aikana suurjännitepulssi (noin 1000 – 1500 volttia DC, 10–20 milliampeeria (mA)) käynnistää sähköpurkauksen kaasuseoksen läpi. Varsinainen laserointi syntyy Ne-atomien kantajien viritystason purkautumisesta energiatasojen välillä (esimerkkinä 3s-tilasta 2p-tilaan) . Tämä siirtymä 3s-tilasta 2p-tilaan tuottaa primäärisen 632,8 nm lähdön. Myös muita energiatasosiirtymiä tapahtuu, ja ne tuottavat lähtöjä aallonpituuksilla 543 nm, 594 nm, 612 nm ja 1523 nm, mutta 632,8 nm on näistä hyödyllisin.

HeNe-laserit ovat nyt tuotteita luetteloissa

Lasereiden alkuaikoina yksiköt valmistettiin usein käsityönä samoin kuin virtalähteet. Nyt lasereita - erityisesti yleisesti käytettyjä kuten HeNe-kaasulaserit - on saatavana heti valmiina komponentteina ja niiden teholuokitukset kattavat laajan alueen, kuten kaksi Excelitas Technologies -yrityken REO-perheen laseria osoittavat.

Ensimmäinen esimerkki, 31007-alli, on tehoasteikon alapäässä ja se pystyy tuottamaan 0,8 mW:n (minimi) säteen halkaisijalla 0,57 millimetriä (mm) ja säteen divergenssillä 1,41 milliradiaania (mrad) (kuva 2). Se vaatii noin 1500 voltin jännitteen 5,25 mA:n sähkövirralla laserputken käytön aikana. Putken pituus on noin 178 mm ja sen halkaisija on 44,5 mm. Laitteella on Laite- ja säteilyterveyskeskuksen (CDRH)/CE:n turvallisuusluokitus IIIa/3R.

Kuva 2: Matalatehoinen HeNe-malli 31007 pystyy tuottamaan vähintään 0,8 mW:n säteen halkaisijan ollessa 0,57 mm ja säteen divergenssi 1,41 mrad. (Kuvalähde: Excelitas Technologies)

REO-tehoalueen yläpäässä on 30995 , 17 mW:n (tyypillinen), 25 mW:n (maksimi) laser, joka vaatii 3500 volttia sähkövirralla A 7 mA. Sen putken pituus on noin 660 mm, säteen leveys on 0,92 mm ja divergenssi 0,82 mrad. Sillä on rajoittavampi IIIb/3B CDRH/CE-turvaluokitus.

On monia syitä miksi valita mahdollisimman pienitehoinen laser, joka suoriutuu tehtävästä. Pienempi teho tarkoittaa vähemmän turvallisuusongelmia ja vähemmän viranomaismääräyksiä sekä pienempää putken kokoa, alhaisempia kustannuksia ja pienempää virtalähdettä.

Virtalähde: kriittinen tekijä HeNe-lasereille

Virtalähde on kriittinen laserkomponenttien suorituskyvyn kannalta. HeNe-laserputki tarvitsee ensin noin 10 kV DC (läpilyöntijännite) viritysprosessin aloittamiseksi. Lisäksi se vaatii jatkuvan 1–3 kV:n DC-jännitteen ja alle 10 mA:n virran prosessin ylläpitämiseksi. Vaikka tehotaso on vaatimaton - vain 20–30 wattia - harvat insinöörit ovat pystyviä ja koulutettuja sekä harvoilla on aikaa suunnitella asianmukainen syöttöjännite tälle jännitteelle, erityisesti kun otetaan huomioon turvallisuus- ja sääntelyvaatimukset sekä sertifioinnit sellaisille tekijöille kuin ryömintä ja turvaetäisyys, perustason sähköisen ja sähkömagneettisen (EMI) suorituskyvyn lisäksi.

Miksi käynnistysjännitteen on oltava korkeampi kuin ylläpitojännite? HeNe-laser edustaa "negatiivisen vastuksen" laitetta jossa putken jännite pienenee virran kasvaessa. Sama ilmiö koskee yksinkertaista neonlamppua, kuten legendaarista, mutta nyt pitkälti vanhentunutta NE-2-hehkulamppua. Sen läpilyönti- tai käynnistysjännite on noin 90 volttia (AC tai DC), minkä jälkeen käyttöjännite putoaa noin 60 volttiin. Yksi tapa, jolla suunnittelijat muodostivat korkeamman käynnistysjännitteen ja sitä seuraavan matalamman käyttöjännitteen, oli käyttää noin 220 kilo-ohmin (kΩ) sarjavastavastusta (kuva 3).

Kuva 3: Negatiivisen vastuksen laitteet kuten HeNe-laserputket ja neonlamput (kuten tässä kuvattu NE-2), tarvitsevat virranvakaamisvastuksen, joka mahdollistaa korkeamman jännitteen / pienemmän virran käynnistysvaiheessa ja tämän jälkeen alemman jänniteteen / suuremman virran ylläpitovaiheessa. (Kuvalähde: Lewis Loflin/Bristol Watch)

Tämä yksinkertainen ratkaisu ei kuitenkaan sovellu HeNe-laserputkeen kaupallisessa sovelluksessa. Ensinnäkin on huomioitava turvallisuus- ja lakisääteiset tekijät. Toinen tekijä on että syöttöjännite on sovitettava oikein putkeen optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi ja käynnistysjännite on pidettävä halutuissa rajoissa. Kolmanneksi virtalähteen lähtöjännitteen ja virransyötön stabiilius ovat kriittisiä laserin stabiiliuden ylläpitämiseksi.

Näistä syistä Excelitas Technologies tarjoaa valmiita virtalähteitä, jotka täyttävät pienitehoisten HeNe-lasereiden tekniset ja lakisääteiset vaatimukset. Esimerkiksi 39783 -virtalähde toimii 100–130 voltin vaihtovirralla sekä 200–260 voltin vaihtovirralla (50-400 hertsiä (Hz)) ja se tuottaa 1500–2400 voltin lähtöjännitteen. Käynnistysjännite on yli 10 kV DC ja käyttövirta 5,25 mA (kuva 4 ). Sähkövirran tarkka säätö on tärkeää HeNe-putken stabiilin suorituskyvyn kannalta, joten 39783 pitää sen ±0,05 mA:ssa. Virtalähteen koko on vaatimaton 241 x 133 mm ja korkeus 54 mm. Siinä on myös fyysinen lukitus avaimella turvallisuutta varten.

Kuva 4: 39783-virtalähde tarjoaa HeNe-lasereille stabiilin, kontrolloidun jännitteen ja virran sekä HeNe-putken käynnistystilaa että jatkuvaa toimintavaihetta varten, samalla kun se täyttää kilovolttiluokan virtalähteiden tiukat viranomaisvaatimukset. (Kuvalähde: Excelitas Technologies)

Suuremmille HeNe-putkille Excelitasilla on 39786-virtalähde, joka toimitetaan samassa pakkauskoossa. Tämän yksikön lähtöteho on korkeampi 3200–3800 volttia, käynnistysjännite on yli 12,5 kV ja se syöttää tasavirtaa jopa 7,0 mA.

Yhteenveto

Lasereita on monenlaisia moniin sovelluksiin. Teollisuuden järjestelmäsuunnittelijoille, jotka etsivät stabiilia monokromaattista lähtöä kohtuullisella tehotasolla, HeNe-kaasulaser on houkutteleva vaihtoehto. Kuten yläpuolella on esitetty, laserit on kuitenkin yhdistettävä oikeaan virtalähteeseen, jotta ne täyttävät suorituskyky-, sääntely- ja turvallisuusvaatimukset.