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HeNe激光器优点和缺点,外腔窄线宽半导体HENE激光器的杀手 - 筱晓光子精品速递⑱ 2022-10-17

乌克兰和俄罗斯是全球重要的氖、氪和氙等稀有气体产地。这些稀有气体是钢铁制造过程中的附属产品,俄罗斯主要进行粗气分离,乌克兰负责精制并向全球输出。据统计,乌克兰供应了全球70%的氖、40%的氪和30%的氙。这三种气体是制造芯片的关键材料。氖气是光刻气中主要成分,90%以上的半导体级氖气供应来自乌克兰。氦氖(HeNe)激光器主要原料就是氦气氖气。这场俄乌战争让本来竞争脆弱的氦氖(HeNe)激光器可能永久退出历史舞台。


HENE Laser通常是精密仪器、测量装置和某些光谱应用的首选。它是在1960年发明的,从技术上讲,它是第一批具有非凡良好参数的激光器之一。机械和光学设计非常简单(除了用于制造管本身的复杂玻璃制品),但气体激光介质和整体结构提供了一些内在优势。但也有很多缺点……


HeNe激光器优点


■ 高相干长度


这对于大多数气体激光器来说是非常典型的。在HeNe的情况下,相干长度从20 cm(对于多个纵向模式)到超过100 m不等。这一切都取决于设计中使用的腔体参数和反射镜和标准具。

■ 稳定的中心波长
HeNe激光器在空气中的典型发射波长约为632.816 nm。非常稳定的振荡频率<1 MHz(<0.001 pm @ 633 nm)漂移是zui复杂的氦氖激光器的特征,具有额外的稳定措施。非稳定激光器的中心波长可以在1 pm范围内漂移,与其他激光器类型相比,这仍然是相当不错的。

■ 高光谱纯度
HeNe激光介质具有多个发射峰,但相对容易迫使激光仅在一个发射波段中振荡。一旦完成,就无法检测到自发发射或其他波段的发射。
良好的光束质量和对准。气体管越长,就越容易获得良好的高斯光束轮廓、良好的光束质量以及相对于激光器外壳非常好的角度和空间对准。

■ 低成本
氦氖激光器制造的深厚传统及其在首个条形码扫描仪和CD播放器等应用中的广泛传播一直在推动成本下降,现在2-3 mW输出功率的激光器成本通常低于几千元。考虑到上述良好且有用的特性,这很便宜。


HeNe激光器缺点


■ 寿命短


氦原子对于降低完整激光器的激光阈值非常重要。但这些原子很小,往往会通过玻璃管的壁扩散。He原子的扩散是HeNe激光器寿命短的主要原因,通常在1000到10000小时的范围内,即24/7运行不到1年。这被认为是HeNe激光器在工业应用中的主要缺点。

■ 预热时间长
制造商指定典型的预热时间为10分钟。在某些需要连续操作的应用中,这可能不是一个大问题,但是在必须频繁打开和关闭激光器的情况下,这是一个很大的缺点,这通常意味着必须安装机械快门,打开激光曝光,即激光必须连续运行,这会进一步缩短使用寿命。

■ 输出功率低
大多数强大的氦氖激光器发出35到50 mW的输出功率。与某些半导体激光器的100 mW至200 mW TEM00输出相比,这是较低的。甚至频率稳定的633 nm激光器也会发出70 mW至100 mW的窄线宽功率。
非常笨重。输出功率为35 mW的HeNe激光器长约1米。购买、储存或运输它不再具有成本效益。如此大但不是很强大的激光器通常用于科学实验室或一些复杂的全息应用。

■ 高压
HeNe激光器通常使用1500 V以上的电压。如此高的电压会对周围的人员和设备造成一定的风险。

■ HeNe的替代品有哪些?
半导体二极管激光器的输出功率在633 nm(约 30-40 mW)且波长可以选择在620-670nm之间接收客户自定义。但在替代氦氖激光器的情况下,30-40 mW是市场上zui强大的气体激光器的两倍。线宽目前可以做到1MHZ以内达到上百米的相干长度。

HENE激光器与半导体激光器尺寸对比




中心波长(<1MHZ线宽)可选



半导体633nm窄线宽出色的波长稳定性



出色光束质量



说到长寿命,标称功率为200 mW的638 nm激光器可以以1%的功率水平驱动,以匹配输出功率为2 mW的HeNe激光器。638 nm激光二极管在整个功率差中具有大约4 nm的偏移,因此在2 mW输出功率下,激光器将辐射大约633-634 nm的中心波长,这非常接近。zui令人惊奇的是,这种激光二极管的使用寿命将呈指数级增长——从规定的5000小时到理论上的>100000小时。这就是让工业激光集成商立即感兴趣的原因。


结论:HeNe激光器优点很多,但是工业应用难


尽管氦氖激光器具有许多良好的固有特性,但通常不能满足当今工业环境的要求。24/7全天候运行的工业生产线都是关于坚固性和长寿命的,因此工业仪器制造商往往会为使用寿命更长、更易于更换和维护的激光器支付2到4倍的费用。


与氦氖激光器的价格差异主要取决于半导体激光器有多少参数必须接近氦氖的性能。如果需要完美的光束质量,则必须使用单模或保偏光纤来实现M2<1.05、漂亮的圆形光束形状和衍射限制发散度。相当好的中心波长稳定性可以通过半导体发射器的良好温度和功率稳定性来实现。实现起来zui困难和昂贵的是长相干长度要求。确保高相干长度和非常稳定(<5 pm)中心波长的zui流行方法是通过使用体积布拉格光栅或光纤布拉格光栅来应用外腔设计(ECDL-外腔二极管激光器)。

现实表明,要超越优秀的旧氦氖的性能很难或非常昂贵,但激光集成商愿意做出一些妥协,而且这种情况正在大规模发生——我们可以看到传统的氦氖激光器制造商停产。越来越多的半导体激光器出现在市场上,并在许多工业应用中成功取代了氦氖激光器。

未来HeNe激光器似乎在某些校准应用中仍将作为参考,但我们不会在工业4.0中遇到它们。















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