HeNe激光器優(yōu)點和缺點，外腔窄線寬半導(dǎo)體HENE激光器優(yōu)選

更新時間：2023-01-06

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烏克蘭和俄羅斯是重要的氖、氪和氙等稀有氣體產(chǎn)地。這些稀有氣體是鋼鐵制造過程中的附屬產(chǎn)品，俄羅斯主要進(jìn)行粗氣分離，烏克蘭負(fù)責(zé)精制并向全球輸出。據(jù)統(tǒng)計，烏克蘭供應(yīng)了全球70%的氖、40%的氪和30%的氙。這三種氣體是制造芯片的關(guān)鍵材料。氖氣是光刻氣中主要成分,90%以上的半導(dǎo)體級氖氣供應(yīng)來自烏克蘭。氦氖(HeNe)激光器主要原料就是氦氣氖氣。這場俄烏戰(zhàn)爭讓本來競爭脆弱的氦氖(HeNe)激光器可能要退出歷史舞臺。

HENE Laser通常是精密儀器、測量裝置和某些光譜應(yīng)用的優(yōu)選。它是在1960年發(fā)明的，從技術(shù)上講，它是第一批具有非凡良好參數(shù)的激光器之一。機(jī)械和光學(xué)設(shè)計非常簡單（除了用于制造管本身的復(fù)雜玻璃制品），但氣體激光介質(zhì)和整體結(jié)構(gòu)提供了一些內(nèi)在優(yōu)勢。但也有很多缺點……

HeNe激光器優(yōu)點

■ 高相干長度

這對于大多數(shù)氣體激光器來說是非常典型的。在HeNe的情況下，相干長度從20 cm（對于多個縱向模式）到超過100 m不等。這一切都取決于設(shè)計中使用的腔體參數(shù)和反射鏡和標(biāo)準(zhǔn)具。

■ 穩(wěn)定的中心波長

HeNe激光器在空氣中的典型發(fā)射波長約為632.816 nm。非常穩(wěn)定的振蕩頻率<1 MHz(<0.001 pm @ 633 nm)漂移是最復(fù)雜的氦氖激光器的特征，具有額外的穩(wěn)定措施。非穩(wěn)定激光器的中心波長可以在1 pm范圍內(nèi)漂移，與其他激光器類型相比，這仍然是相當(dāng)不錯的。

■ 高光譜純度

HeNe激光介質(zhì)具有多個發(fā)射峰，但相對容易迫使激光僅在一個發(fā)射波段中振蕩。一旦完成，就無法檢測到自發(fā)發(fā)射或其他波段的發(fā)射。

良好的光束質(zhì)量和對準(zhǔn)。氣體管越長，就越容易獲得良好的高斯光束輪廓、良好的光束質(zhì)量以及相對于激光器外殼非常好的角度和空間對準(zhǔn)。

■ 低成本

氦氖激光器制造的深厚傳統(tǒng)及其在一個條形碼掃描儀和CD播放器等應(yīng)用中的廣泛傳播一直在推動成本下降，現(xiàn)在2-3 mW輸出功率的激光器成本通常低于幾千元。考慮到上述良好且有用的特性，這很便宜。

HeNe激光器缺點

■ 壽命短

氦原子對于降低完整激光器的激光閾值非常重要。但這些原子很小，往往會通過玻璃管的壁擴(kuò)散。He原子的擴(kuò)散是HeNe激光器壽命短的主要原因，通常在1000到10000小時的范圍內(nèi)，即24/7運行不到1年。這被認(rèn)為是HeNe激光器在工業(yè)應(yīng)用中的主要缺點。

■ 預(yù)熱時間長

制造商可選典型的預(yù)熱時間為10分鐘。在某些需要連續(xù)操作的應(yīng)用中，這可能不是一個大問題，但是在必須頻繁打開和關(guān)閉激光器的情況下，這是一個很大的缺點，這通常意味著必須安裝機(jī)械快門，打開激光曝光，即激光必須連續(xù)運行，這會進(jìn)一步縮短使用壽命。

■ 輸出功率低

大多數(shù)強(qiáng)大的氦氖激光器發(fā)出35到50 mW的輸出功率。與某些半導(dǎo)體激光器的100 mW至200 mW TEM00輸出相比，這是較低的。甚至頻率穩(wěn)定的633 nm激光器也會發(fā)出70 mW至100 mW的窄線寬功率。

非常笨重。輸出功率為35 mW的HeNe激光器長約1米。購買、儲存或運輸它不再具有成本效益。如此大但不是很強(qiáng)大的激光器通常用于科學(xué)實驗室或一些復(fù)雜的全息應(yīng)用。

■ 高壓

HeNe激光器通常使用1500 V以上的電壓。如此高的電壓會對周圍的人員和設(shè)備造成一定的風(fēng)險。

■ HeNe的替代品有哪些？

半導(dǎo)體二極管激光器的輸出功率在633 nm（約 30-40 mW）且波長可以選擇在620-670nm之間接收客戶自定義。但在替代氦氖激光器的情況下，30-40 mW是市場上強(qiáng)大的氣體激光器的兩倍。線寬目前可以做到1MHZ以內(nèi)達(dá)到上百米的相干長度。

HENE激光器與半導(dǎo)體激光器尺寸對比

中心波長（＜1MHZ線寬）可選

半導(dǎo)體633nm窄線寬出色的波長穩(wěn)定性

出色光束質(zhì)量

說到長壽命，標(biāo)稱功率為200 mW的638 nm激光器可以以1%的功率水平驅(qū)動，以匹配輸出功率為2 mW的HeNe激光器。638 nm激光二極管在整個功率差中具有大約4 nm的偏移，因此在2 mW輸出功率下，激光器將輻射大約633-634 nm的中心波長，這非常接近。最令人驚奇的是，這種激光二極管的使用壽命將呈指數(shù)級增長——從規(guī)定的5000小時到理論上的>100000小時。這就是讓工業(yè)激光集成商立即感興趣的原因。

結(jié)論:HeNe激光器優(yōu)點很多,但是工業(yè)應(yīng)用難

盡管氦氖激光器具有許多良好的固有特性，但通常不能滿足當(dāng)今工業(yè)環(huán)境的要求。24/7全天候運行的工業(yè)生產(chǎn)線都是關(guān)于堅固性和長壽命的，因此工業(yè)儀器制造商往往會為使用壽命更長、更易于更換和維護(hù)的激光器支付2到4倍的費用。

與氦氖激光器的價格差異主要取決于半導(dǎo)體激光器有多少參數(shù)必須接近氦氖的性能。如果需要優(yōu)秀的光束質(zhì)量，則必須使用單模或保偏光纖來實現(xiàn)M2<1.05、漂亮的圓形光束形狀和衍射限制發(fā)散度。相當(dāng)好的中心波長穩(wěn)定性可以通過半導(dǎo)體發(fā)射器的良好溫度和功率穩(wěn)定性來實現(xiàn)。實現(xiàn)起來最困難和昂貴的是長相干長度要求。確保高相干長度和非常穩(wěn)定(<5 pm)中心波長的流行方法是通過使用體積布拉格光柵或光纖布拉格光柵來應(yīng)用外腔設(shè)計（ECDL-外腔二極管激光器）。

現(xiàn)實表明，要超越優(yōu)秀的舊氦氖的性能很難或非常昂貴，但激光集成商愿意做出一些妥協(xié)，而且這種情況正在大規(guī)模發(fā)生——我們可以看到傳統(tǒng)的氦氖激光器制造商停產(chǎn)。越來越多的半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)在市場上，并在許多工業(yè)應(yīng)用中成功取代了氦氖激光器。

未來HeNe激光器似乎在某些校準(zhǔn)應(yīng)用中仍將作為參考，但我們不會在工業(yè)4.0中遇到它們。