Dlaczego warto wykorzystywać lasery HeNe w zastosowaniach przemysłowych i naukowych i jak to robić

Lasery są nieodzownym narzędziem pracy projektanta systemów przemysłowych, ponieważ można je zastosować do różnorodnych zadań - od pomiarów i detekcji na skalę mikro, aż po funkcje przemysłowe na dużą skalę. Jednymi z najczęściej używanych laserów do zastosowań przemysłowych i naukowych są gazowe lasery helowo-neonowe - i dzieje się tak z wielu powodów. Charakteryzuje je wysoka sprawność, niewielkie rozmiary, stabilność i wysoka gęstość mocy optycznej. Projektanci muszą jednak dopasować rurę lasera do odpowiedniego zasilacza wysokonapięciowego, aby zapewnić efektywny rozruch, ciągłość pracy i długi okres eksploatacji lasera.

W niniejszym artykule omówimy rodzaje laserów, a następnie bliżej przyjrzymy się laserom HeNe i dowiemy się dlaczego tak często się z nich korzysta. Sprawdzimy również jakie czynniki należy wziąć pod uwagę, by skutecznie korzystać z laserów tej klasy na przykładzie urządzeń z serii REO firmyExcelitas Technologies i odpowiednich zasilaczy.

Czym są lasery?

Laser to akronim od angielskiego terminu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Unikalną właściwością wiązki laserowej na wyjściu jest to, że energia elektromagnetyczna i fale wyjściowe są monochromatyczne, spójne i wyrównane ze sobą w fazie, czasie i przestrzeni. Dzieje się tak niezależnie od tego, czy wiązka lasera znajduje się w widocznej czy niewidocznej części widma optycznego. Większość laserów ma stałą wyjściową długość fali (λ), ale niektóre mogą być ustawione na jedną z kilku dyskretnych wartości długości fali.

Pierwszy laser zademonstrował Theodore H. Maiman, fizyk z Hughes Research Laboratories w Malibu (Kalifornia) w maju 1960 roku. Do „pompowania” lasera użył rubinu (CrAlO3) i fotograficznych lamp błyskowych, przy użyciu których wytwarzał wiązki czerwonego światła o długości fali 694 nanometrów (nm). Kwestia tego, kto powinien otrzymać naukowe uznanie za opracowanie koncepcji lasera, a tym samym także prawa autorskie, była przedmiotem 30-letniego sporu patentowego między trzema fizykami.

Jak działają lasery

Lasery mają trzy podstawowe elementy konstrukcyjne:

• Sam materiał laserowy, który może być ciałem stałym, cieczą, gazem lub półprzewodnikiem i może emitować światło we wszystkich kierunkach
• Układ pompujący, który doprowadza energię do materiału laserowego, taki jak lampa błyskowa, prąd elektryczny powodujący zderzenia elektronów lub promieniowanie innego lasera
• Wnęka optyczna składająca się z reflektorów - jednego w pełni nieprzepuszczalnego i drugiego częściowo przepuszczalnego - które tworzą mechanizm pozytywnego sprzężenia zwrotnego wzmacniającego światło

Aby zjawisko laserowe mogło zajść, konieczne jest wzbudzenie większości elektronów wewnątrz wnęki do wyższego poziomu energii, znanego jako inwersja obsadzeń. Jest to niestabilny stan elektronów, a więc pozostają one w tym stanie przez krótki czas. Następnie spadają do pierwotnego stanu energetycznego na dwa sposoby:

• Po pierwsze, następuje spontaniczny spadek, ponieważ elektrony po prostu wracają do stanu pierwotnego, emitując przypadkowo skierowane fotony
• Po drugie, następuje wymuszony spadek, w którym fotony ze spontanicznie spadających elektronów uderzają w inne wzbudzone elektrony, co powoduje ich opadanie do stanu podstawowego

Wymuszone przejścia uwalniają energię w postaci fotonów zgodnych w fazie i długości fali, przemieszczających się w tym samym kierunku co foton padający. Emitowane fotony przemieszczają się tam i z powrotem we wnęce rezonansowej, przez materiał laserowy, pomiędzy lustrem całkowicie odbijającym i lustrem półprzepuszczalnym. Energia świetlna wzmacniana jest aż do momentu zgromadzenia ilości wystarczającej do przeniesienia błysku światła laserowego przez lustro półprzepuszczalne.

Cztery główne rodzaje laserów

Podczas gdy pierwszy laser optyczny powstał na bazie kryształu rubinu, obecnie istnieją cztery główne typy laserów, do których wykorzystuje się różne materiały: dioda półprzewodnikowa, gaz, ciecz i ciało stałe. W skrócie, przy znacznym uproszczeniu, działają one w następujący sposób:

1) Dioda laserowa: dioda elektroluminescencyjna (LED) wykorzystuje wnękę rezonansową w ciele stałym, by wzmocnić światło emitowane z przerwy energetycznej obecnej w półprzewodnikach. Dioda laserowa może być dostrojona do różnych długości fal poprzez zmianę przykładanego prądu, temperatury lub pola magnetycznego, a fala na wyjściu może być falą ciągłą (CW) lub impulsową.

2) Lasery gazowe: w takich laserach wnękę tworzy rura wypełniona gazem. Napięcie (nazywane zewnętrznym źródłem pompy) przykładane jest do rury w celu wzbudzenia atomów w gazie do inwersji obsadzeń, w ramach której elektrony przechodzą z jednego stanu energetycznego do wyższego i z powrotem. Fotony odbijają się tam i z powrotem między końcami wnęki dzięki lustrom i ich liczba gwałtownie rośnie. Światło emitowane przez ten typ lasera jest zwykle falą ciągłą.

3) Lasery cieczowe lub lasery barwnikowe: w takich laserach jako ośrodek czynny wykorzystuje się organiczne barwniki w zawiesinie. Lasery te są popularne, ponieważ mogą być dostrojone do jednej z kilku długości fal poprzez zmianę składu chemicznego barwnika.

4) Lasery na swobodnych elektronach: wykorzystują one wiązkę elektronów poruszającą się wzdłuż wnęki rezonansowej, która jest zanurzona w zewnętrznym polu magnetycznym. Zmiana kierunku elektronów spowodowana działaniem pola magnetycznego powoduje, że emitują one fotony. Laser ten może generować długości fal od mikrofali do fal rentgenowskich.

Oczywiście, szczegóły działania laserów obejmują zaawansowaną fizykę kwantową, materiałoznawstwo, zasady energii elektromagnetycznej, zasilacze i źródła pomp. Specyficzna długość emitowanej fali jest funkcją lasera zależną od rodzaju urządzenia, materiałów i sposobu jego wzbudzania lub pompowania (tabela 1).

Tabela 1: zestawienie różnych typów laserów ukazujące specyficzne długości fali światła wytwarzanego przez poszczególne materiały laserowe. (Źródło tabeli: Federation of American Scientists)

Z punktu widzenia projektantów systemów laserowych, podstawowe zasady są interesujące o tyle, że pomagają zrozumieć powiązane parametry, ich implikacje i ograniczenia.

Parametry laserów kluczowe dla projektantów

Jak w przypadku wszystkich komponentów, istnieją pewne główne parametry, które definiują podstawowy wybór lasera i jego działanie. Poza tym istnieje jeszcze wiele drugo- i trzeciorzędowych parametrów. W przypadku laserów w pierwszej kolejności analizuje się następujące parametry: długość fali wyjściowej, moc wyjściowa, średnica wiązki oraz rozbieżność (rozproszenie) wiązki. Istotne są również: rodzaj generowanego wyjścia (impuls lub fala ciągła), sprawność, kształt (profil) przekroju poprzecznego wiązki wyjściowej, żywotność, sterowalność i łatwość obsługi.

Należy pamiętać, że moc wyjściowa lasera może wahać się od miliwatów (mW) do kilowatów (kW), w zależności od długości fali i typu lasera. Wiele zastosowań laserów, takich jak małe oprzyrządowanie do testów i pomiarów, wymaga tylko kilku miliwatów, podczas gdy lasery kilowatowe są używane do cięcia metalu i w broni o ukierunkowanej energii.

Podobnie jak w przypadku wszystkich pomiarów mocy optycznej, kwantyfikacja mocy wyjściowej lasera i jej dokładne określenie jest skomplikowane, a technolodzy z Narodowego Instytutu Standaryzacji i Technologii (ang. National Institute of Standards and Technology, NIST) poświęcili temu wyzwaniu wiele wysiłku. Na pomiar ma wpływ charakterystyka energii optycznej: długość fali, poziom mocy, rodzaj fali (ciągła lub impulsowa) oraz to, jaki parametr jest mierzony, np. średnia moc, moc szczytowa, widmo i rozproszenie (tabela 2).

Tabela 2: pomiar optycznej mocy lasera jest dużym wyzwaniem, a w zależności od długości fali i okresu na wyjściu wymagane są różne czujniki i techniki. (Źródło tabeli: Coherent Inc.)

Warto zauważyć również, że prawie wszystko, co ma związek z laserami - moc wyjściowa i długość fali podlega wielu ograniczeniom bezpieczeństwa, aby zapobiec uszkodzeniu oczu, skóry i materiałów. Skomplikowane ograniczenia i wynikające z nich klasy laserów są opisywane przez instytucje regulacyjne w różnych krajach i regionach świata. Jest to kolejny dobry powód, aby w projektach stosować najniższą możliwą moc lasera, tłumaczący dlaczego dostawcy oferują lasery o rozstawionych poziomach mocy wyjściowej. Na przykład seria REO obejmuje podobne lasery HeNe o mocy 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 5,0; 10; 12; 15 i 25 mW - zakres ponad 25:1.

Zastosowania, funkcje i obsługa lasera HeNe

Przy tak szerokim wyborze komponentów, nie ma jednej „najlepszej” jednostki laserowej, ponieważ w różnych zastosowaniach potrzebne są różne długości fal, poziomy mocy i inne specyfikacje ogólnie określone przez fizykę danej sytuacji. Laser HeNe jest często dobrym rozwiązaniem w przypadku wielu projektów przemysłowych i testowych, takich jak spektroskopia Ramana, nieniszcząca technika kontroli optycznej, która nie wymaga bezpośredniego kontaktu fizycznego z próbką.

Spektroskopię tę wykorzystuje się do szybkiej i dokładnej analizy chemicznej ciał stałych, proszków, cieczy i gazów w analizie materiałowej, mikroskopii, farmacji, kryminalistyce, identyfikacji oszustw dotyczących żywności, monitorowania procesów chemicznych oraz różnych funkcji bezpieczeństwa wewnętrznego. Lasery HeNe cieszą się w tych zastosowaniach szczególną popularnością ze względu na: stabilną długość fali wyjściowej i moc, niezwykle monochromatyczną czerwoną wiązkę wyjściową przy λ = 632,8nm (często uproszczona do 633nm), wąską wiązkę, małą rozbieżność oraz dobrą spójność na wyjściu i stabilność w odległości i czasie.

Laser HeNe jest zbudowany na pustej szklanej rurze z lustrami skierowanymi do wewnątrz i wypełnionej w 85-90% helem i w 10-15% neonem (rzeczywisty ośrodek czynny) pod ciśnieniem około 1 tora (0,02 funta na cal kwadratowy (lb/in²)). Rura posiada również dwa lustra skierowane do wewnątrz. Na jednym końcu znajduje się płaskie lustro wysokorefleksyjne, a na drugim końcu wklęsłe lustro sprzęgające o około 1% przepuszczalności (ilustracja 1).

Ilustracja 1: sercem lasera HeNe jest szklana rura wypełniona w większości helem, z niewielką ilością neonu. Na tylnym końcu rury znajduje się w pełni nieprzepuszczalne lustro, a po stronie wyjścia wiązki znajduje się lustro sprzęgające o 1% przepuszczalności. (Źródło ilustracji: Wikipedia)

Podczas procesu pompowania impuls wysokiego napięcia (ok. 1000V - 1500V prądu stałego, przy 10 - 20mA) inicjuje wyładowanie elektryczne w mieszaninie gazów. Rzeczywiste zjawisko laserowe zachodzi w wyniku powrotu nośników ze stanu wzbudzenia do niższych stanów (np. z 3s do 2p) atomów Ne. Przejście z 3s do 2p związane jest z emisją podstawową 632,8nm. Podczas tego procesu mają również miejsce inne przejścia między poziomami energetycznymi, czego efektem są emisje 543nm, 594nm, 612nm i 1523nm, ale to emisja 632,8nm jest najbardziej użyteczna.

Lasery HeNe jako pozycje w katalogach

We wczesnych latach istnienia laserów, urządzenia te były często wykonywane ręcznie, podobnie jak ich zasilacze. Teraz, lasery - szczególnie szeroko stosowane, takie jak lasery gazowe HeNe - są dostępne jako gotowe elementy o mocach znamionowych obejmujących szerokie zakresy działania, jak pokazano na przykładzie dwóch laserów z serii REO firmy Excelitas Technologies.

Pierwszy z nich, model 31007, pracuje w dolnej części skali mocy i dostarcza 0,8mW (minimum) przy średnicy wiązki 0,57mm i rozbieżności wiązki 1,41mrad (ilustracja 2). Podczas pracy potrzebuje dostarczenia energii 1500V przy 5,25mA do rury lasera, która ma około 178mm długości i 44,5mm średnicy. Posiada on klasę bezpieczeństwa na poziomie IIIa/3R nadaną przez Centrum Wyrobów Medycznych i Ochrony Radiologicznej (ang. Center for Devices and Radiological Health, CDRH) oraz CE.

Ilustracja 2: Laser 31007 HeNe niskiej mocy może dostarczyć co najmniej 0,8mW przy średnicy wiązki 0,57mm i rozbieżności wiązki 1,41mrad. (Źródło ilustracji: Excelitas Technologies)

W wyższych zakresach mocy produktów serii REO znajduje się model 30995 - laser o mocy 17mW (standardowa), 25mW (maksymalna), który wymaga napięcia 3500V przy 7mA. Długość rury wynosi około 660mm, szerokość wiązki to 0,92mm, a jej rozbieżność wynosi 0,82mrad. Posiada on bardziej restrykcyjną ocenę bezpieczeństwa IIIb/3B CDRH/CE.

Istnieje wiele powodów, aby wybrać laser o możliwie najniższej mocy do konkretnego zadania. Niższa moc oznacza mniejsze obawy o bezpieczeństwo i wymogi organów regulacyjnych, a także mniejszy rozmiar rury, niższe koszty i mniejszy zasilacz.

Zasilacz: kluczowy w działaniu lasera HeNe

Zasilacz jest kluczowy dla działania elementów laserowych. W przypadku laserów HeNe, aby rozpocząć proces wzbudzania, rura potrzebuje najpierw około 10kV prądu stałego (napięcie przebicia). Ponadto wymagają one stałego napięcia podtrzymującego w zakresie od 1 do 3kV prądu stałego, a także prądu poniżej 10mA. Chociaż poziom mocy jest umiarkowany - zaledwie 20-30W - niewielu inżynierów dysponuje takim zasilaniem, jest przeszkolonych pod jego kątem lub ma czas na zaprojektowanie odpowiedniego zasilacza dla takiego napięcia, szczególnie biorąc pod uwagę wymogi bezpieczeństwa i przepisy oraz certyfikaty dotyczące takich czynników jak upływ i odstęp izolacyjny, a także podstawowe parametry elektryczne i elektromagnetyczne (EMI).

Dlaczego potrzeba wyższego napięcia inicjacyjnego a niższego napięcia podtrzymującego? Laser HeNe jest urządzeniem o „ujemnej rezystancji”, więc napięcie w rurze spada wraz ze wzrostem wartości prądu. Ten sam problem występuje w przypadku prostej żarówki neonowej, takiej jak legendarna, ale obecnie w dużej mierze przestarzała żarówka NE-2 „neonówka”. Jej napięcie przebicia lub „zajarzenia” wynosi około 90V (prądu zmiennego lub stałego), po czym napięcie robocze spada do około 60V. Jednym ze sposobów zapewnienia wyższego napięcia inicjacyjnego, a następnie niższego napięcia roboczego, było zastosowanie szeregowego statecznika - około 220kΩ (ilustracja 3).

Ilustracja 3: urządzenia o ujemnej rezystancji, takie jak rury laserów HeNe i lampy neonowe (jak NE-2 na ilustracji powyżej), potrzebują statecznika, aby dostosować się do wyższego napięcia/niższego prądu w fazie inicjacji, a następnie do niższego napięcia/wyższego prądu w fazie podtrzymania. (Źródło ilustracji: Lewis Loflin/Bristol Watch)

Jednakże, to proste rozwiązanie nie sprawdza się w przypadku rury lasera HeNe w zastosowaniach komercyjnych. Po pierwsze chodzi o przepisy bezpieczeństwa i kwestie regulacyjne. Po drugie zasilanie musi być odpowiednio dopasowane do rury w celu zapewnienia optymalnego działania, a napięcie inicjujące musi być utrzymane w granicach tolerancji. Po trzecie stabilność napięcia wyjściowego i źródła prądu zasilania ma kluczowe znaczenie w utrzymaniu stabilności lasera.

Z tych powodów firma Excelitas Technologies oferuje zasilacze wtykowe, które spełniają techniczne i regulacyjne wymagania dotyczące laserów HeNe o mniejszej mocy. Na przykład zasilacz 39783 pracuje z napięciem od 100 do 130V prądu zmiennego i od 200 do 260V prądu zmiennego (50 do 400Hz)) i dostarcza od 1500 do 2400V przy napięciu inicjującym powyżej 10kV prądu stałego i prądzie roboczym 5,25mA (ilustracja 4). Odpowiednia regulacja prądu jest ważna dla stabilnego działania rury lasera HeNe, więc model 39783 utrzymuje go na poziomie ±0,05mA. Zasilacz zajmuje niewielką powierzchnię 241 x 133mm i ma wysokość 54mm. Wyposażony jest również w fizyczny zamek, zapewniający bezpieczeństwo i ochronę.

Ilustracja 4: zasilacz 39783 do laserów HeNe zapewnia stabilne, kontrolowane napięcie i natężenie prądu rury HeNe zarówno w fazie inicjacji, jak i w fazie podtrzymania, spełniając jednocześnie rygorystyczne wymogi prawne dotyczące zasilania na poziomie kilowoltów. (Źródło ilustracji: Excelitas Technologies)

W przypadku większych rur lasera HeNe firma Excelitas oferuje model 39786 w tych samych rozmiarach. Urządzenie to ma wyższe napięcie wyjściowe od 3200 do 3800V, napięcie inicjujące powyżej 12,5kV i dostarcza prąd stały o natężeniu do 7,0mA.

Podsumowanie

Istnieje wiele rodzajów laserów przeznaczonych do różnorodnych zastosowań. Dla projektantów systemów przemysłowych poszukujących stabilnej monochromatycznej wiązki wyjściowej przy rozsądnych poziomach mocy, laser gazowy HeNe jest niezwykle atrakcyjną opcją. Jednakże, jak wykazano powyżej, lasery muszą być połączone z odpowiednim źródłem zasilania, aby spełnić wymogi dotyczące działania, przepisów, bezpieczeństwa i ochrony.