Warum und wie man HeNe-Laser für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen einsetzt

Laser sind heute ein unverzichtbarer Bestandteil des Werkzeugkastens der Systemdesigner in der Industrie, da sie Anwendungen ermöglichen, die von Messungen und Abtastungen auf Mikroebene bis hin zu groß angelegten industriellen Funktionen reichen. Einer der am weitesten verbreiteten Laser für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen ist der Helium-Neon (HeNe)-Gaslaser, und das aus vielen guten Gründen, darunter hohe Leistung, geringe Größe, Stabilität und hochwertige optische Leistung. Die Konstrukteure müssen die Laserröhre jedoch auf ein geeignetes Hochspannungsnetzteil abstimmen, um einen effektiven Laserstart, einen kontinuierlichen Betrieb und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten.

In diesem Artikel werden Laser und Laseroptionen diskutiert, bevor der HeNe-Laser näher betrachtet wird, und es wird erläutert, warum er so weit verbreitet ist. Anschließend werden Faktoren betrachtet, die für eine erfolgreiche Anwendung dieser Klasse von Laser-Beispielgeräten aus der Excelitas Technologies' REO-Familie von HeNe-Lasern und geeigneten Stromversorgungen zu berücksichtigen sind.

Was sind Laser?

Laser ist die Abkürzung für "Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung". Die einzigartigen Eigenschaften des Laserstrahlausgangs ist, dass die elektromagnetische Energie und die Ausgangswellen monochromatisch, kohärent und in Phase, Zeit und Raum aufeinander abgestimmt sind. Dies gilt unabhängig davon, ob die Laserleistung im sichtbaren oder unsichtbaren Teil des optischen Spektrums liegt. Die meisten Laser haben eine feste Ausgangswellenlänge (λ), aber einige können auf einen von mehreren diskreten Wellenlängenwerten eingestellt werden.

Der erste Laser wurde von Theodore H. Maiman, einem Physiker an den Hughes Research Laboratories in Malibu, Kalifornien, im Mai 1960 vorgeführt. Er verwendete Rubin (CrAlO3) und fotografische Blitzlampen als "Pump"-Quelle des Lasers, um einen roten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 694 Nanometern (nm) zu erzeugen. Die Frage, wer die wissenschaftliche Anerkennung für die Konzeption des Lasers sowie die Lizenzrechte erhalten sollte, war Gegenstand eines 30-jährigen Patentstreits zwischen drei Physikern.

Wie Laser funktionieren

Laser haben drei Grundbausteine:

• Das Lasermaterial selbst, das ein Festkörper, eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Halbleiter sein kann und Licht in alle Richtungen emittieren kann
• Eine Pumpquelle, die dem Lasermaterial Energie zuführt, wie z.B. eine Blitzlampe, ein elektrischer Strom, der Elektronenkollisionen verursacht, oder die Strahlung eines anderen Lasers
• Ein optischer Hohlraum, bestehend aus Reflektoren - einer voll reflektierend und der andere teilreflektierend -, die den positiven Rückkopplungsmechanismus für die Lichtverstärkung bereitstellen

Damit der Laservorgang stattfinden kann, ist es notwendig, einen Großteil der Elektronen im Inneren des Hohlraums auf ein höheres Energieniveau anzuregen, die so genannte Besetzungsinversion. Dies ist ein instabiler Zustand für die Elektronen, so dass sie für kurze Zeit in diesem Zustand bleiben und dann auf zwei Arten in ihren ursprünglichen Energiezustand zurückfallen:

• Erstens gibt es einen spontanen Zerfall, da die Elektronen einfach in ihren Grundzustand zurückfallen, während sie zufällig gerichtete Photonen emittieren.
• Zweitens gibt es einen stimulierten Zerfall, bei dem die Photonen von spontan zerfallenden Elektronen auf andere angeregte Elektronen treffen, wodurch diese in ihren Grundzustand fallen.

Dieser stimulierte Übergang setzt Energie in Form von Photonen frei, die sich in Phase und mit der gleichen Wellenlänge und in der gleichen Richtung wie das einfallende Photon bewegen. Die emittierten Photonen wandern in der optischen Kavität hin und her, durch das Lasermaterial zwischen dem total reflektierenden Spiegel und dem teilreflektierenden Spiegel. Diese Lichtenergie wird so lange verstärkt, bis genügend Energie aufgebaut ist, um einen Laserlichtburst durch den teilreflektierenden Spiegel zu senden.

Die vier Haupttypen von Lasern

Während der erste optische Laser auf einem Rubinkristall basierte, sind heute vier Hauptlasertypen und -materialien im Einsatz: Halbleiterdiode, Gas, Flüssigkeit und Festkörper. In Kürze und mit erheblicher Vereinfachung funktionieren sie wie folgt:

1: Die Laserdiode: Dies ist eine lichtemittierende Diode (LED), die eine optische Kavität in Festkörpermaterial verwendet, um das Licht zu verstärken, das von der in Halbleitern vorhandenen Energiebandlücke emittiert wird. Die Laserdiode kann durch Variieren des angelegten Stroms, der Temperatur oder des Magnetfelds auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden, und das Ausgangssignal kann eine kontinuierliche Welle (CW) oder gepulst sein.

2) Gaslaser: Diese verwenden ein gasgefülltes Rohr für den Hohlraum. Eine Spannung (als externe Pumpquelle bezeichnet) wird an die Röhre angelegt, um die Atome im Gas zur Besetzungsumkehr anzuregen, bei der sich die Elektronen von einem Energiezustand in einen höheren und zurück bewegen. Die Photonen prallen aufgrund der Spiegel zwischen den Enden des Hohlraums hin und her, und ihre Anzahl baut sich in einer oszillierenden Aktion auf. Das von dieser Art von Laser emittierte Licht ist normalerweise CW.

3) Flüssigkeits- oder Farbstofflaser: Diese verwenden ein aktives Material in einer flüssigen Suspension in einer Farbstoffzelle als Lasermedium. Diese Laser sind beliebt, weil sie durch Änderung der chemischen Zusammensetzung des Farbstoffs auf eine von mehreren Wellenlängen abgestimmt werden können.

4) Freie-Elektronen-Festkörperlaser: Hierbei wird ein Elektronenstrahl verwendet, der sich entlang eines optischen Hohlraums bewegt, der in ein schlangenförmiges äußeres Magnetfeld eingetaucht ist. Die Richtungsänderung der Elektronen durch das Magnetfeld bewirkt, dass sie Photonen aussenden. Dieser Laser kann Wellenlängen von der Mikrowellen- bis zur Röntgenregion erzeugen.

Natürlich umfassen die Einzelheiten des Betriebs fortgeschrittene Quantenphysik, Materialwissenschaft, elektromagnetische Energieprinzipien, Stromversorgungen und Pumpquellen. Die spezifische emittierte Wellenlänge ist eine Funktion des Lasertyps, der Materialien und der Art und Weise, wie der Laser angeregt bzw. gepumpt wird (Tabelle 1).

Tabelle 1: Eine Zusammenfassung der verschiedenen Lasertypen zeigt die spezifische Wellenlänge des von jedem Lasermaterial erzeugten Lichts. (Tabellenquelle: Föderation Amerikanischer Wissenschaftler)

Für Konstrukteure laserbasierter Systeme sind die zugrundeliegenden Prinzipien insofern von Interesse, als sie dazu beitragen, ein Verständnis der damit verbundenen Parameter, ihrer Implikationen und ihrer Grenzen zu erlangen.

Kritische Laserparameter für Konstrukteure

Wie bei allen Komponenten gibt es einige Parameter der obersten Ebene, die die grundlegende Auswahl und Leistung definieren, sowie viele Parameter der zweiten und dritten Ebene. Bei Lasern sind die zuerst betrachteten Parameter Ausgangswellenlänge, Ausgangsleistung, Strahldurchmesser und Strahldivergenz (Spreizung). Wichtig sind auch die Ausgangsart (Puls oder CW), die Effizienz, die Form des Ausgangsstrahlquerschnitts (Profil), die Lebensdauer, die Steuerbarkeit und die Benutzerfreundlichkeit.

Beachten Sie, dass die Laserausgangsleistung je nach Wellenlänge und Lasertyp im Bereich von Milliwatt (mW) bis Kilowatt (kW) liegen kann. Viele Laseranwendungen, wie z.B. Test- und Messinstrumente in kleinem Maßstab, benötigen nur wenige Milliwatt, während Kilowatt-Laser zum Metallschneiden und für Waffen mit gerichteter Energie eingesetzt werden.

Wie bei allen optischen Leistungsmessungen ist die Quantifizierung der Laserausgangsleistung und deren genaue Bestimmung kompliziert, und die Technologen des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben sich dieser Herausforderung mit großem Aufwand gewidmet. Die Messung wird durch die Eigenschaften der optischen Energie beeinflusst: Wellenlänge, Leistungspegel, CW oder Puls, und welcher Parameter gemessen wird, wie z.B. durchschnittliche Leistung, Spitzenleistung, Spektrum und Dispersion) (Tabelle 2).

Tabelle 2: Die Messung der optischen Leistung von Lasern ist eine große Herausforderung, und je nach Wellenlänge und Ausgabeperiode sind unterschiedliche Sensoren und Techniken erforderlich. (Tabellenquelle: Coherent Inc.)

Beachten Sie auch, dass fast alles, was mit Lasern zu tun hat, Ausgangsleistung und Wellenlänge vielen Sicherheitseinschränkungen unterliegt, um Augen-, Haut- und Materialschäden zu vermeiden. Diese komplizierten Einschränkungen und die damit verbundenen Laserklassen werden von Aufsichtsbehörden in verschiedenen Ländern und Regionen der Welt definiert. Dies ist ein weiterer guter Grund, die niedrigstmögliche Laserleistung für das Projekt zu verwenden, und ein weiterer Grund, warum die Hersteller Laser mit unterschiedlichen Ausgangsleistungen anbieten. Die REO-Familie umfasst zum Beispiel ähnliche HeNe-Laser mit 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 5,0, 10, 12, 15 und 25 mW Ausgangsleistung - ein Bereich von über 25:1.

HeNe-Laseranwendungen, Funktionen und Betrieb

Wie bei der Auswahl aller Komponenten gibt es keine einzelne "beste" Lasereinheit, da Anwendungen unterschiedliche Wellenlängen, Leistungsniveaus und andere Spezifikationen benötigen, die im Allgemeinen durch die Physik der Situation definiert sind. Der HeNe-Laser eignet sich oft gut für viele Industrie- und Testprojekte, wie z.B. die Raman-Spektroskopie, eine zerstörungsfreie optische Prüftechnik, die keinen direkten physischen Kontakt mit der Probe erfordert.

Diese Spektroskopie wird für die schnelle und genaue chemische Analyse von Feststoffen, Pulvern, Flüssigkeiten und Gasen in der Materialanalyse, Mikroskopie, Pharmazie, Forensik, Identifizierung von Lebensmittelbetrug, Überwachung chemischer Prozesse und in verschiedenen Funktionen des Heimatschutzes eingesetzt. Zu den attraktiven Eigenschaften des HeNe-Lasers für diese Anwendungen gehören seine stabile Ausgangswellenlänge und -leistung, der extrem monochromatische rote Ausgang bei λ = 632,8 nm (oft vereinfacht auf 633 nm), der schmale Strahl, die geringe Divergenz sowie die gute Ausgangskohärenz und -stabilität über Entfernung und Zeit.

Der HeNe-Laser ist um ein hohles Glasrohr mit nach innen gerichteten Spiegeln aufgebaut und mit 85-90% Heliumgas und 10-15% Neongas (dem eigentlichen Lasermedium) bei einem Druck von etwa 1 Torr (0,02 Pfund pro Quadratzoll (lb/in²)) gefüllt. Die Röhre hat auch zwei nach innen gerichtete Spiegel. Einer ist ein flacher, hochreflektierender Spiegel an einem Ende, der andere ein konkaver Auskoppelspiegel mit etwa 1% Transmission am anderen Ende (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Herzstück des HeNe-Lasers ist eine Glasröhre, die größtenteils mit Helium gefüllt ist, mit einem geringen Anteil an Neon; die Röhre hat einen voll reflektierenden Innenspiegel an ihrem hinteren Ende und einen 1%-Transmissionsspiegel für die Ausgangskopplung am Strahlaustrittsende. (Bildquelle: Wikipedia)

Während des Pumpvorgangs wird durch einen Hochspannungsimpuls (etwa 1000 Volt bis 1500 Volt Gleichstrom, bei 10 bis 20 Milliampere (mA)) eine elektrische Entladung durch das Gasgemisch eingeleitet. Das eigentliche Lasern erfolgt durch Entregung von Ladungsträgern zwischen Elektronenorbital-Energieniveaus (z.B. 3s bis 2p) von Ne-Atomen. Dieser Übergang von 3s auf 2p erzeugt den primären 632,8 nm-Ausgang. Es treten auch andere Energiepegelübergänge auf, die Ausgänge bei 543 nm, 594 nm, 612 nm und 1523 nm erzeugen, aber der Ausgang bei 632,8 nm ist der nützlichste.

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In den frühen Tagen des Lasers wurden die Geräte oft von Hand gefertigt, ebenso wie die Stromversorgung. Inzwischen sind Laser - insbesondere weit verbreitete wie HeNe-Gaslaser - als sofort einsetzbare Standardkomponenten mit einem breiten Leistungsspektrum erhältlich, wie zwei Laser der REO-Familie von Excelitas Technologies zeigen.

Das erste Beispiel, das Modell 31007, liegt am unteren Ende der Leistungsskala und ist in der Lage, 0,8 mW (Minimum) bei einem Strahldurchmesser von 0,57 Millimeter (mm) und einer Strahldivergenz von 1,41 Milliradiant (mrad) zu liefern (Abbildung 2). Sie benötigt während des Betriebs 1500 Volt bei 5,25 mA für die Laserröhre, die etwa 178 mm lang ist und einen Durchmesser von 44,5 mm hat; sie hat eine Sicherheitseinstufung des Center for Devices and Radiological Health (CDRH)/CE von IIIa/3R.

Abbildung 2: Der HeNe-Laser mit niedriger Leistung Modell 31007 kann bei einem Strahldurchmesser von 0,57 mm und einer Strahldivergenz von 1,41 mrad mindestens 0,8 mW liefern. (Bildquelle: Excelitas Technologies)

Am oberen Ende des REO-Leistungsbereichs befindet sich der 30995, ein 17 mW (typisch), 25 mW (maximal) Laser, der 3500 Volt bei 7 mA benötigt. Seine Rohrlänge beträgt etwa 660 mm, die Strahlbreite 0,92 mm und die Divergenz 0,82 mrad. Sie hat eine restriktivere Sicherheitseinstufung IIIb/3B CDRH/CE.

Es gibt viele Gründe, den Laser mit der geringsten Leistung zu wählen, der diese Aufgabe erfüllen kann. Geringere Leistung bedeutet weniger Sicherheitsbedenken und weniger behördliche Auflagen, zusammen mit einer kleineren Röhrengröße, geringeren Kosten und einer kleineren Stromversorgung.

Stromversorgung: kritisch für HeNe-Laser

Die Stromversorgung ist entscheidend für die Leistung der Laserkomponenten. Bei HeNe-Lasern benötigt die Röhre zunächst etwa 10 kV DC (Durchbruchspannung), um den Anregungsprozess einzuleiten. Darüber hinaus ist eine stationäre Erhaltungsspannung im Bereich von 1 bis 3 kV DC und ein Strom von weniger als 10 mA erforderlich. Obwohl das Leistungsniveau modal ist - nur 20 bis 30 Watt - sind nur wenige Ingenieure ausgerüstet, geschult oder haben die Zeit, eine geeignete Versorgung für diese Spannung zu entwerfen, insbesondere angesichts der Sicherheits- und behördlichen Anforderungen und Zertifizierungen für Faktoren wie Kriech- und Luftstrecken, zusätzlich zur grundlegenden elektrischen und elektromagnetischen (EMI) Leistung.

Warum die Notwendigkeit der höheren Zündspannung im Vergleich zur Erhaltungsspannung? Der HeNe-Laser ist ein Gerät mit "negativem Widerstand", so dass die Spannung an der Röhre mit zunehmendem Strom abnimmt. Das gleiche Problem tritt bei der einfachen Neonröhre auf, wie z.B. der legendären, aber inzwischen weitgehend veralteten NE-2 "Glimmlampe". Seine Durchbruch- oder "Schlagspannung" liegt bei etwa 90 Volt (AC oder DC), danach fällt die Betriebsspannung auf etwa 60 Volt ab. Eine Möglichkeit, wie Konstrukteure die höhere Zündspannung, gefolgt von einer niedrigeren Betriebsspannung, zur Verfügung stellten, war die Verwendung eines Reihen-Vorschaltwiderstandes von etwa 220 Kilohm (kΩ) (Abbildung 3).

Abbildung 3: Geräte mit negativem Widerstand wie HeNe-Laserröhren und Neonlampen (wie der hier abgebildete NE-2) benötigen eine Ballastwiderstandsfunktion, um ihre höhere Spannungs-/niedrigere Strominitiierungsphase, gefolgt von ihrer niedrigeren Spannungs-/höhere Stromerhaltungsphase unterzubringen. (Bildquelle: Lewis Loflin/Bristol Watch)

Diese einfache Lösung ist jedoch für eine HeNe-Laserröhre in einer kommerziellen Anwendung nicht geeignet. Erstens gibt es die Sicherheits- und Regulierungsauflagen. Zweitens muss die Versorgung für eine optimale Leistung richtig auf die Röhre abgestimmt sein und die Auslösespannung muss innerhalb der Toleranz gehalten werden. Drittens ist die Stabilität der Ausgangsspannung und der Stromquelle der Versorgung entscheidend für die Aufrechterhaltung der Laserstabilität.

Aus diesen Gründen bietet Excelitas Technologies Plug-in-Versorgungen an, die die technischen und gesetzlichen Anforderungen für HeNe-Laser mit niedrigerer Leistung erfüllen. Beispielsweise arbeitet das Netzteil 39783 von 100 bis 130 Volt AC und 200 bis 260 Volt AC (50 bis 400 Hertz (Hz)) und liefert 1500 bis 2400 Volt mit einer Startspannung über 10 kV DC und einem Betriebsstrom von 5,25 mA (Abbildung 4). Eine strenge Stromregelung ist wichtig für eine stabile HeNe-Röhrenleistung, deshalb hält der 39783 sie bei ±0,05 mA. Das Netzteil hat eine bescheidene Grundfläche von 241 x 133 mm und eine Höhe von 54 mm. Es ist auch mit einem physischen Schlüsselschloss für Sicherheit und Schutz ausgestattet.

Abbildung 4: Das Netzgerät 39783 für HeNe-Laser liefert eine stabile, kontrollierte Spannung und Stromstärke sowohl für die Einleitungs- als auch für die Dauerbetriebsphase der HeNe-Röhre und erfüllt gleichzeitig die strengen behördlichen Anforderungen für Netzgeräte der Kilovolt-Klasse. (Bildquelle: Excelitas Technologies)

Für größere HeNe-Röhren hat Excelitas die 39786 Lieferung in der gleichen Packungsgröße. Dieses Gerät hat eine höhere Ausgangsspannung von 3200 bis 3800 Volt, eine Startspannung über 12,5 kV und liefert Gleichstrom bis zu 7,0 mA.

Fazit:

Laser gibt es in vielen Formen für viele Anwendungen. Für industrielle Systemdesigner, die eine stabile monochromatische Leistung bei angemessenen Leistungsniveaus suchen, ist der HeNe-Gaslaser eine attraktive Option. Wie jedoch gezeigt wurde, müssen die Laser mit der richtigen Stromversorgung kombiniert werden, um die Leistungs-, Regulierungs- und Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.