Waarom en hoe HeNe-lasers te gebruiken voor industriële en wetenschappelijke toepassingen

Lasers zijn nu een onmisbaar onderdeel van de toolkit van de industriële systeemontwerper, omdat ze toepassingen mogelijk maken die variëren van metingen op microniveau en detectie tot grootschalige industriële functies. Een van de meest gebruikte lasers voor industriële en wetenschappelijke toepassingen is de helium-neon-gaslaser (HeNe), en wel om vele goede redenen, waaronder hoge prestaties, kleine afmetingen, stabiliteit en optische output van hoge kwaliteit. Ontwerpers moeten de laserbuis echter afstemmen op een geschikte hoogspanningsvoeding voor effectief opstarten van de laser, continu gebruik en een lange levensduur.

In dit artikel worden lasers en laseropties besproken voordat de HeNe-laser nader wordt bekeken, en waarom deze zo veel gebruikt wordt. Vervolgens wordt gekeken naar factoren om te overwegen voor een succesvolle toepassing van deze klasse van laservoorbeeldapparaten van Excelitas Technologies'REO-familie van HeNe-lasers en geschikte voedingen.

Wat zijn lasers?

Laser is een afkorting voor Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation oftewel lichtversterking door gestimuleerde uitzending van straling. De unieke eigenschappen van de output van de laserstraal is dat de elektromagnetische energie en de outputgolven monochromatisch, coherent en in fase, tijd en ruimte op elkaar afgestemd zijn. Dit geldt ongeacht of de laseruitgang zich in het zichtbare of onzichtbare deel van het optische spectrum bevindt. De meeste lasers hebben een vaste uitgangsgolflengte (λ), maar sommige kunnen worden ingesteld op een van de verschillende discrete golflengtewaarden.

De eerste laser werd gedemonstreerd door Theodore H. Maiman, een fysicus bij Hughes Research Laboratories in Malibu, CA, in mei 1960. Hij gebruikte robijn (CrAlO3) en fotografische flitsers als "pomp"-bron van de laser om een rode lichtbundel te produceren bij een golflengte van 694 nanometer (nm). De vraag wie er wetenschappelijk krediet moet krijgen voor de conceptie van de laser en de royalty's was het onderwerp van een 30 jaar durend octrooigeschil tussen drie fysici.

Hoe lasers werken

Lasers hebben drie basisbouwstenen:

• Het laseermateriaal zelf, dat een vaste, vloeibare, gas- of halfgeleider kan zijn, en licht kan uitstralen in alle richtingen.
• Een pompbron die energie toevoegt aan het lasermateriaal, zoals een flitslamp, een elektrische stroom die elektronenbotsingen veroorzaakt, of straling van een andere laser.
• Een optische holte bestaande uit reflectoren - de ene volledig reflecterend en de andere gedeeltelijk reflecterend - die het positieve terugkoppelingsmechanisme voor de lichtversterking vormen.

Om de laseeractie te laten plaatsvinden, is het noodzakelijk om een meerderheid van de elektronen in de holte op te wekken tot een hoger energieniveau, de zogenaamde populatie-inversie. Dit is een onstabiele toestand voor de elektronen, dus ze blijven in deze toestand voor een korte tijd en vervallen dan op twee manieren terug naar hun oorspronkelijke energietoestand:

• Eerst, is er spontaan verval, aangezien de elektronen eenvoudig terugvallen op hun grondtoestand terwijl het uitzenden van willekeurig gerichte fotonen.
• Ten tweede, is er gestimuleerd verval waar de fotonen van spontane rottende elektronen andere opgewonden elektronen treffen, waardoor ze aan hun grondtoestand vallen.

Deze gestimuleerde transitie zal energie vrijmaken in de vorm van fotonen, die zich in fase en op dezelfde golflengte en in dezelfde richting bewegen als het invallende foton. De uitgezonden fotonen reizen heen en weer in de optische holte, door het laseermateriaal tussen de volledig reflecterende spiegel en de gedeeltelijk reflecterende spiegel. Deze lichtenergie wordt versterkt tot er voldoende energie is opgebouwd om een uitbarsting van laserlicht door de gedeeltelijk reflecterende spiegel te laten doordringen.

De vier belangrijkste soorten lasers

Terwijl de eerste optische laser gebaseerd was op een robijnrode kristal, zijn er nu vier belangrijke lasertypes en -materialen in gebruik: halfgeleiderdiode, gas, vloeistof en vaste stof. In het kort, en met een aanzienlijke vereenvoudiging, werken ze als volgt:

1: De laserdiode: Dit is een lichtgevende diode (LED) die gebruik maakt van een optische holte in vaste-stofmateriaal om het licht te versterken dat wordt uitgestraald door de energiebandkloof die in halfgeleiders bestaat. De laserdiode kan worden afgestemd op verschillende golflengten door het variëren van de toegepaste stroom, temperatuur of magnetisch veld, en de output kan een continue golf (CW) of gepulseerd zijn.

2) Gaslasers: Deze gebruiken een met gas gevulde buis voor de holte. Een spanning (die de externe pompbron wordt genoemd) wordt op de buis gezet om de atomen in het gas aan te wakkeren naar de inversie van de bevolking, waarbij de elektronen van één energietoestand naar een hogere en teruggaande toestand gaan. De fotonen stuiteren heen en weer tussen de uiteinden van de holte door de spiegels, en hun aantal bouwt zich op in een oscillerende actie. Het licht dat door dit type laser wordt uitgestraald is normaal gesproken CW.

3) Vloeistof- of kleurstoflasers: Deze gebruiken een actief materiaal in een vloeibare suspensie in een kleurstofcel als laseermedium. Deze lasers zijn populair omdat ze kunnen worden afgestemd op een van de verschillende golflengten door de chemische samenstelling van de kleurstof te wijzigen.

4) Vaste vrije-elektronenlaser: Dit maakt gebruik van een elektronenbundel die langs een optische holte reist die ondergedompeld is in een extern magnetisch veld van een serpentijn. De verandering in de richting van de elektronen als gevolg van het magnetisch veld zorgt ervoor dat ze fotonen uitzenden. Deze laser kan golflengten genereren van de magnetron naar het röntgengebied.

Natuurlijk gaat het bij de details van de werking om geavanceerde kwantumfysica, materiaalkunde, elektromagnetische energieprincipes, voedingen en pompbronnen. De specifieke golflengte die wordt uitgezonden is een functie van het lasertype, de materialen en de manier waarop de laser wordt opgewekt of gepompt (Tabel 1).

Tabel 1: Een overzicht van de verschillende lasertypes toont de specifieke golflengte van het licht dat door elk laseermateriaal wordt geproduceerd. (Bron tabel: Federatie van Amerikaanse Wetenschappers)

Voor ontwerpers van lasergebaseerde systemen zijn de onderliggende principes van belang voor zover ze bijdragen aan het verwerven van inzicht in de gerelateerde parameters, hun implicaties en hun beperkingen.

Kritische laserparameters voor ontwerpers

Zoals bij alle componenten zijn er enkele top-tier parameters die de basis selectie en prestaties definiëren, samen met vele tweede en derde-tier parameters. Voor lasers wordt eerst gekeken naar de uitgangsgolflengte, het uitgangsvermogen, de straaldiameter en de straalafwijking (spreiding). Ook belangrijk zijn het uitgangstype (puls of CW), de efficiëntie, de vorm van de uitgangsbundeldoorsnede (profiel), de levensduur, de regelbaarheid en het gebruiksgemak.

Merk op dat het uitgangsvermogen van de laser kan variëren van milliwatts (mW) tot kilowatts (kW), afhankelijk van de golflengte en het lasertype. Veel lasertoepassingen zoals kleinschalige test- en meetinstrumenten hebben slechts enkele milliwatts nodig, terwijl kilowattlasers worden gebruikt voor het snijden van metalen en richt-energetische wapens.

Zoals bij alle optische vermogensmetingen is het kwantificeren van het uitgangsvermogen van de laser en dit nauwkeurig doen gecompliceerd, en de technici van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben veel moeite gedaan om de uitdaging aan te gaan. De meting wordt beïnvloed door de kenmerken van de optische energie: golflengte, vermogensniveau, CW of puls, en welke parameter wordt gemeten, zoals gemiddeld vermogen, piekvermogen, spectrum en spreiding) (Tabel 2).

Tabel 2: Het meten van het optische vermogen van de laser is een grote uitdaging en er zijn verschillende sensors en technieken nodig, afhankelijk van de golflengte en de uitvoerperiode. (Bron tabel: Coherent Inc.))

Let ook op bijna alles wat te maken heeft met lasers, het uitgangsvermogen en de golflengte is onderhevig aan vele veiligheidsbeperkingen om oog-, huid- en materiële schade te voorkomen. Deze gecompliceerde beperkingen en de bijbehorende laserklassen worden gedefinieerd door regelgevende instanties in verschillende landen en regio's van de wereld. Dit is een andere goede reden om het laagst mogelijke laservermogen voor het project te gebruiken en waarom leveranciers lasers met een gespreid uitgangsvermogen aanbieden. De REO-familie omvat bijvoorbeeld vergelijkbare HeNe lasers met 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 5,0, 10, 12, 15 en 25 mW vermogen - een bereik van meer dan 25:1.

HeNe-lasertoepassingen, -functies en -bediening

Zoals bij alle componentkeuzes is er niet één "beste" lasereenheid, omdat toepassingen verschillende golflengten, vermogensniveaus en andere specificaties nodig hebben, die over het algemeen worden bepaald door de fysica van de situatie. De HeNe-laser past vaak goed bij veel industriële en testprojecten zoals Raman spectroscopie, een niet-destructieve optische inspectietechniek die geen direct fysiek contact met het monster vereist.

Deze spectroscopie wordt gebruikt voor snelle en nauwkeurige chemische analyse van vaste stoffen, poeders, vloeistoffen en gassen in materiaalanalyse, microscopie, farmaceutisch, forensisch, voedselfraude-identificatie, chemische procesbewaking en diverse binnenlandse veiligheidsfuncties. Onder de aantrekkelijke eigenschappen van de HeNe laser voor deze toepassingen zijn de stabiele uitgangsgolflengte en het vermogen, de extreem monochromatische rode output bij λ = 632,8 nm (vaak vereenvoudigd tot 633 nm), de smalle straal, de lage divergentie, en de goede uitgangscoherentie en stabiliteit over afstand en tijd.

De HeNe-laser is gebouwd rond een holle glazen buis met naar binnen gerichte spiegels en gevuld met 85-90% heliumgas en 10-15% neongas (het eigenlijke lasermedium) bij een druk van ongeveer 1 Torr (0,02 pond per vierkante inch (lb/in²)). De buis heeft ook twee naar binnen gerichte spiegels. De ene is een vlakke, hoogreflecterende spiegel aan het ene uiteinde, de andere een concave uitgangsspiegel met ongeveer 1% transmissie aan het andere uiteinde (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Het hart van de HeNe-laser is een glazen buis die meestal gevuld is met helium, met een klein percentage neon; de buis heeft een volledig reflecterende interne spiegel aan de achterkant en een 1% transmissie-spiegel voor de uitvoerkoppeling aan het uiteinde van de straal. (Bron afbeelding: Wikipedia)

Tijdens het pompproces wordt een elektrische ontlading door het gasmengsel op gang gebracht door een hoogspanningpuls (ongeveer 1000 volt tot 1500 volt DC, bij 10 tot 20 milliampère (mA)). Het eigenlijke lasing komt van de-excitatie van dragers tussen elektronen orbitale energieniveaus (zoals 3s tot 2p) van Ne-atomen. Deze 3s naar 2p overgang produceert de primaire 632,8 nm output. Er doen zich ook andere overgangen van energieniveaus voor, waarbij de output 543 nm, 594 nm, 612 nm en 1523 nm bedraagt, maar de output van 632,8 nm is het meest bruikbaar.

HeNe-lasers catalogiseren nu items

In de begindagen van de lasers werden de apparaten vaak met de hand gemaakt, net als de stroomvoorziening. Nu zijn lasers, vooral veelgebruikte zoals HeNe-gaslasers, beschikbaar als directe "off-the-shelf" componenten met een groot bereik, zoals blijkt uit twee lasers uit de REO-familie van Excelitas Technologies.

Het eerste voorbeeld, het Model 31007, bevindt zich aan de onderkant van de vermogensschaal, en is in staat om 0,8 mW (minimaal) te leveren met een straaldiameter van 0,57 millimeter (mm) en een straalafwijking van 1,41 milliradiaal (mrad) (Afbeelding 2). Het vereist 1500 volt bij 5,25 mA tijdens het gebruik voor de laserbuis, die ongeveer 178 mm lang en 44,5 mm in diameter is; het heeft een Center for Devices and Radiological Health (CDRH)/CE-veiligheidsklasse van IIIa/3R.

Afbeelding 2: Het model 31007 laag vermogen HeNe-laser kan ten minste 0,8 mW leveren met een straaldiameter van 0,57 mm en een straalafwijking van 1,41 mrad. (Bron afbeelding: Excelitas Technologies))

Aan het hogere uiteinde van het REO-vermogensbereik is de 30995, een 17 mW (typisch), 25 mW (maximaal) laser die 3500 volt bij 7 mA nodig heeft. De buislengte is ongeveer 660 mm, de breedte van de balk is 0,92 mm en de afwijking is 0,82 mrad. Het heeft een meer restrictieve IIIb/3B CDRH/CE-veiligheidsbeoordeling.

Er zijn vele redenen om de laser met het laagste vermogen te kiezen die het werk kan doen. Een lager vermogen betekent minder veiligheidsrisico's en regelgeving, samen met een kleinere buismaat, lagere kosten en een kleinere stroomtoevoer.

Stroomvoorziening: kritisch voor HeNe-lasers

De voeding is essentieel voor de prestaties van de lasercomponent. Voor HeNe-lasers heeft de buis eerst ongeveer 10 kV DC (doorslagspanning) nodig om het excitatieproces in gang te zetten. Bovendien is er een constante spanning nodig in het bereik van 1 tot 3 kV DC, samen met een stroomsterkte van minder dan 10 mA. Hoewel het vermogen bescheiden is - slechts 20 tot 30 watt - zijn er maar weinig technici die zijn uitgerust, opgeleid of de tijd hebben om een goede voorziening voor deze spanning te ontwerpen, vooral gezien de veiligheids- en regelgevingseisen en certificeringen voor factoren als kruip- en speling, naast de elektrische en elektromagnetische basisprestaties (EMI).

Waarom de noodzaak van de hogere initiatiespanning in vergelijking met de blijvende spanning? De HeNe-laser is een "negatieve weerstand", zodat de spanning over de buis afneemt naarmate de stroom toeneemt. Hetzelfde probleem doet zich voor met de eenvoudige neonlamp, zoals de legendarische maar nu grotendeels verouderde NE-2 "gloeilamp". De uitval- of "slagspanning" ligt rond de 90 volt (AC of DC), waarna de bedrijfsspanning daalt tot ongeveer 60 volt. Een manier waarop ontwerpers de hogere initiatiespanning, gevolgd door een lagere bedrijfsspanning, leverden was door gebruik te maken van een serieballastweerstand van ongeveer 220 kilohms (kΩ) (figuur 3).

Afbeelding 3: Apparaten met negatieve weerstand, zoals HeNe-laserbuizen en neonlampen (zoals de NE-2 die hier is afgebeeld), hebben een ballastweerstandsfunctie nodig om hun hogere spanning/lagere stroominitiatiefase mogelijk te maken, gevolgd door hun lagere spanning/hogere stroomonderhoudfase. (Bron afbeelding: Lewis Loflin/Bristol Watch))

Deze eenvoudige oplossing is echter niet geschikt voor een HeNe-laserbuis in een commerciële toepassing. Ten eerste zijn er de veiligheids- en regelgevingsmandaten. Ten tweede moet de voeding goed zijn afgestemd op de buis voor optimale prestaties en moet de startspanning binnen de tolerantie blijven. Ten derde is de stabiliteit van de uitgangsspanning van de voeding en de huidige sourcing van cruciaal belang voor het behoud van de stabiliteit van de laser.

Om deze redenen biedt Excelitas Technologies plug-in verbruiksartikelen die voldoen aan de technische en wettelijke vereisten voor HeNe-lasers met een lager vermogen. Bijvoorbeeld, de 39783 voeding werkt van 100 tot 130 volt AC en 200 tot 260 volt AC (50 tot 400 hertz (Hz)), en levert 1500 tot 2400 volt met een startspanning van meer dan 10 kV DC, en een bedrijfsstroom van 5,25 mA (afbeelding 4). Strakke stroomregeling is belangrijk voor stabiele HeNe-buisprestaties, dus de 39783 houdt het op ±0,05 mA. De stroomvoorziening heeft een bescheiden voetafdruk van 241 x 133 mm en een hoogte van 54 mm. Het wordt ook geleverd met een fysieke sleutelslot voor beveiliging en veiligheid.

Afbeelding 4: De 39783 stroomvoorziening voor HeNe-lasers zorgt voor een stabiele, gecontroleerde spanning en stroom voor zowel de initiatief- als de continue bedrijfsfase van de HeNe-buis, terwijl hij voldoet aan de strenge wettelijke eisen voor kilovolt-klasse voedingen. (Bron afbeedling: Excelitas Technologies))

Voor grotere HeNe-buizen heeft Excelitas de 39786 levering in dezelfde verpakkingsgrootte. Dit apparaat heeft een hoger vermogen van 3200 tot 3800 volt, een startspanning van meer dan 12,5 kV en levert gelijkstroom tot 7,0 mA.

Conclusie

Lasers zijn er in vele vormen voor vele toepassingen. Voor industriële systeemontwerpers die op zoek zijn naar een stabiel monochroom vermogen bij een redelijk vermogen is de HeNe-gaslaser een aantrekkelijke optie. De lasers moeten echter, zoals aangetoond, worden gecombineerd met de juiste stroomvoorziening om te voldoen aan de eisen op het gebied van prestaties, regelgeving, veiligheid en beveiliging.