激光器現(xiàn)已成為工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員工具箱中不可或缺的一部分，因?yàn)檫@類器件支持廣泛的應(yīng)用——從微觀測量和檢測到大規(guī)模工業(yè)功能。氦氖 (HeNe) 氣體激光器是工業(yè)和科學(xué)應(yīng)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(wěn)定性和高質(zhì)量的光學(xué)輸出。然而，為使激光器有效啟動(dòng)、持續(xù)工作并實(shí)現(xiàn)長壽命，設(shè)計(jì)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(yīng)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。

什么是激光？

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(dú)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(shí)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(shù)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(shè)置為數(shù)個(gè)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(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)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(chǎn)生了波長為 694 nm 的紅光束。圍繞著誰應(yīng)該享有對激光概念的科學(xué)發(fā)現(xiàn)權(quán)和專利權(quán)，三位物理學(xué)家之間展開了長達(dá) 30 年的專利糾紛。

激光器工作原理

激光器有三個(gè)基本構(gòu)件：

激光材料，可以是固體、液體、氣體或半導(dǎo)體，并且可以向所有方向發(fā)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(xué)諧振腔，由反射器（一個(gè)全反射，另一個(gè)部分反射）組成，為光放大提供正反饋機(jī)制

產(chǎn)生激光的必不可少的條件是，將諧振腔內(nèi)的大部分電子激發(fā)到較高能級，這稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。對電子來說，這是一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，它們在此狀態(tài)短暫停留后便通過兩種方式衰變回原始能態(tài)：

第一種是自發(fā)衰變，即電子回到基態(tài)，同時(shí)發(fā)射隨機(jī)方向的光子

第二種是受激衰變，即自發(fā)衰變電子發(fā)射的光子撞擊其他受激電子，使其回到基態(tài)

這種受激躍遷會以光子的形式釋放能量，并且受激發(fā)射光子與入射光子具有相同的相位、波長和傳播方向。發(fā)射光子在光學(xué)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(chǎn)生一束激光通過部分反射鏡發(fā)射出來。

激光器的四種主要類型

第一臺光學(xué)激光器是基于紅寶石晶體，現(xiàn)在使用的激光器和材料則主要有四類：半導(dǎo)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(fā)光二極管 (LED)，使用固態(tài)材料中的光學(xué)諧振腔來放大半導(dǎo)體能帶隙所發(fā)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(diào)諧到不同的波長，而且輸出可以是連續(xù)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(fā)氣體中的原子發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即讓電子從一個(gè)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(shù)量在振蕩作用下不斷累積。此類激光器的發(fā)射光通常是連續(xù)波。 3)液體或染料激光器：使用染料池懸浮液中的有機(jī)物作為激光介質(zhì)。此類激光器之所以受歡迎，是因?yàn)榭梢酝ㄟ^改變?nèi)玖系幕瘜W(xué)成分將其調(diào)諧到數(shù)個(gè)波長之一。 4)固體自由電子激光器：此類激光器在光學(xué)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(yùn)動(dòng)方向改變會導(dǎo)致其發(fā)射光子。此類激光器可以產(chǎn)生的波長范圍從微波到 X 射線。 當(dāng)然，操作細(xì)節(jié)涉及高級量子物理學(xué)、材料學(xué)、電磁能量原理、電源和泵源。具體的發(fā)射光波長與激光器類型、激光材料以及激光器的激勵(lì)或泵浦方式有關(guān)（表 1）。

對于激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，基本原理有助于他們理解相關(guān)參數(shù)及其含義和局限性，因而受到關(guān)注。

設(shè)計(jì)人員需重視的激光參數(shù)

同所有元器件一樣，有一些主要參數(shù)用于確定基本選型和性能，另外還有許多次級和三級參數(shù)。對于激光器，首先要了解的參數(shù)是輸出波長、輸出功率、光束直徑和光束發(fā)散度。此外，輸出類型（脈沖或連續(xù)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(yīng)用（例如小規(guī)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(fù)雜，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院 (NIST) 的技術(shù)專家已為解決這一挑戰(zhàn)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(xù)波還是脈沖，以及要測量的參數(shù)（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，幾乎任何與激光、輸出功率和波長有關(guān)的事項(xiàng)都會受到許多安全限制。這些復(fù)雜的限制和相關(guān)的激光器類別由全球不同國家和地區(qū)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)規(guī)定。這是在項(xiàng)目中盡可能使用最低功率激光器的另一個(gè)很好的理由，也是激光器供應(yīng)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。

氦氖激光器的應(yīng)用、特性和操作

同所有元器件選型一樣，沒有單個(gè)“最佳”的激光器，因?yàn)椴煌瑧?yīng)用需要不同的波長、功率水平和其他規(guī)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(yè)和測試項(xiàng)目，例如拉曼光譜分析——一種不需要與樣品發(fā)生直接物理接觸的無損光學(xué)檢測技術(shù)。 這種光譜分析可對固體、粉末、液體和氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的化學(xué)分析，適用于材料分析、顯微術(shù)、制藥、法醫(yī)鑒定、食品欺詐識別、化學(xué)過程監(jiān)控和各種國土安全功能。對于這些應(yīng)用，氦氖激光器有很多具吸引力的特性：穩(wěn)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(fā)散度，以及不隨距離和時(shí)間而變化的良好輸出相干性和穩(wěn)定性。 氦氖激光器由一根帶有向內(nèi)反射鏡的空心玻璃管構(gòu)成。管內(nèi)填充 85-90% 的氦氣和 10-15% 的氖氣（實(shí)際激光介質(zhì)），壓力約為 1 Torr （0.02 lb/in2）。玻璃管中還有兩面內(nèi)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）。

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(jìn)行放電。實(shí)際的激光來自 Ne 原子電子層能級之間的載流子退激發(fā)（例如從 3s 躍遷到 2p）。從 3s 躍遷到 2p 會產(chǎn)生 632.8 nm 的主輸出。此外，還會發(fā)生其他能級躍遷，從而產(chǎn)生 543 nm、594 nm、612 nm 和 1523 nm 的輸出，但 632.8 nm 輸出最為有用。

氦氖激光器現(xiàn)已成為尋常產(chǎn)品

在激光器發(fā)展的早期，激光單元和電源常常是手工制作。而現(xiàn)在，激光器已是可立即獲得的現(xiàn)成元器件，特別是氦氖氣體激光器等廣泛使用的產(chǎn)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(gè)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(fā)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(yī)療器械和放射健康中心 (CDRH)/CE 安全等級為 IIIa/3R。

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(fā)散度為 0.82 mrad。這款激光器具有更嚴(yán)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(guī)要求越低，而且激光管尺寸更小、成本更低、電源更小。

電源對氦氖激光器至關(guān)重要

電源對于激光器件的性能至關(guān)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(dòng)激發(fā)過程。此外，還需要 1 至 3 kV DC 的穩(wěn)態(tài)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(xùn)或有時(shí)間為該電壓設(shè)計(jì)合適的電源，尤其是考慮到安全和法規(guī)要求以及對爬電距離和電氣間隙等因素的認(rèn)證，另外還需考慮基本的電氣和電磁 (EMI) 性能。 為什么啟動(dòng)電壓比維持電壓高？氦氖激光器是一種“負(fù)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(xiàn)同樣的問題，例如享有盛名但現(xiàn)在已經(jīng)過時(shí)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(dòng)電壓，然后提供較低工作電壓，設(shè)計(jì)人員采用的一種辦法是使用約 220 kΩ 的串聯(lián)鎮(zhèn)流電阻器（圖 3）。

但是，這種簡單的解決方案不適用于商業(yè)應(yīng)用中的氦氖激光管。首先是安全和法規(guī)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(dòng)電壓必須保持在公差范圍內(nèi)。再次，電源輸出電壓和電流的穩(wěn)定性對于維持激光器的穩(wěn)定性至關(guān)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(shù)和法規(guī)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(dòng)電壓高于 10 kV DC，工作電流為 5.25 mA（圖 4）。嚴(yán)格的電流調(diào)節(jié)對于穩(wěn)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(shí)體鑰匙鎖以確保安全性。

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(dòng)電壓可達(dá) 12.5 kV 以上，提供高達(dá) 7.0 mA 的直流電流。

總結(jié)

激光器以多種形式出現(xiàn)在許多應(yīng)用中。如果工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望以合理的功率水平獲得穩(wěn)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(jié)合使用才能滿足性能、法規(guī)和安全方面的要求。
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