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

更新時(shí)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(guò)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(jì)，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(jí)氖氣供應(yīng)來(lái)自烏克蘭。氦氖(HeNe)激光器主要原料就是氦氣氖氣。這場(chǎng)俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)讓本來(lái)競(jìng)爭(zhēng)脆弱的氦氖(HeNe)激光器可能要退出歷史舞臺(tái)。

HENE Laser通常是精密儀器、測(cè)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(jì)非常簡(jiǎn)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(shì)。但也有很多缺點(diǎn)……

HeNe激光器優(yōu)點(diǎn)

■ 高相干長(zhǎng)度

這對(duì)于大多數(shù)氣體激光器來(lái)說(shuō)是非常典型的。在HeNe的情況下，相干長(zhǎng)度從20 cm（對(duì)于多個(gè)縱向模式）到超過(guò)100 m不等。這一切都取決于設(shè)計(jì)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(zhǎng)

HeNe激光器在空氣中的典型發(fā)射波長(zhǎng)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(zhǎng)可以在1 pm范圍內(nèi)漂移，與其他激光器類(lèi)型相比，這仍然是相當(dāng)不錯(cuò)的。

■ 高光譜純度

HeNe激光介質(zhì)具有多個(gè)發(fā)射峰，但相對(duì)容易迫使激光僅在一個(gè)發(fā)射波段中振蕩。一旦完成，就無(wú)法檢測(cè)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(duì)準(zhǔn)。氣體管越長(zhǎng)，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(duì)于激光器外殼非常好的角度和空間對(duì)準(zhǔn)。

■ 低成本

氦氖激光器制造的深厚傳統(tǒng)及其在一個(gè)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(dòng)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(diǎn)

■ 壽命短

氦原子對(duì)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(huì)通過(guò)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(shí)的范圍內(nèi)，即24/7運(yùn)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(diǎn)。

■ 預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)

制造商可選典型的預(yù)熱時(shí)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(gè)大問(wèn)題，但是在必須頻繁打開(kāi)和關(guān)閉激光器的情況下，這是一個(gè)很大的缺點(diǎn)，這通常意味著必須安裝機(jī)械快門(mén)，打開(kāi)激光曝光，即激光必須連續(xù)運(yùn)行，這會(huì)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(huì)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(zhǎng)約1米。購(gòu)買(mǎi)、儲(chǔ)存或運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(huì)對(duì)周?chē)娜藛T和設(shè)備造成一定的風(fēng)險(xiǎn)。

■ 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(zhǎng)可以選擇在620-670nm之間接收客戶(hù)自定義。但在替代氦氖激光器的情況下，30-40 mW是市場(chǎng)上強(qiáng)大的氣體激光器的兩倍。線寬目前可以做到1MHZ以?xún)?nèi)達(dá)到上百米的相干長(zhǎng)度。

HENE激光器與半導(dǎo)體激光器尺寸對(duì)比

中心波長(zhǎng)（＜1MHZ線寬）可選

半導(dǎo)體633nm窄線寬出色的波長(zhǎng)穩(wěn)定性

出色光束質(zhì)量

說(shuō)到長(zhǎng)壽命，標(biāo)稱(chēng)功率為200 mW的638 nm激光器可以以1%的功率水平驅(qū)動(dòng)，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(gè)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(zhǎng)，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(jí)增長(zhǎng)——從規(guī)定的5000小時(shí)到理論上的>100000小時(shí)。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(diǎn)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(yùn)行的工業(yè)生產(chǎn)線都是關(guān)于堅(jiān)固性和長(zhǎng)壽命的，因此工業(yè)儀器制造商往往會(huì)為使用壽命更長(zhǎng)、更易于更換和維護(hù)的激光器支付2到4倍的費(fèi)用。

與氦氖激光器的價(jià)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(lái)實(shí)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(zhǎng)穩(wěn)定性可以通過(guò)半導(dǎo)體發(fā)射器的良好溫度和功率穩(wěn)定性來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)起來(lái)最困難和昂貴的是長(zhǎng)相干長(zhǎng)度要求。確保高相干長(zhǎng)度和非常穩(wěn)定(<5 pm)中心波長(zhǎng)的流行方法是通過(guò)使用體積布拉格光柵或光纖布拉格光柵來(lái)應(yīng)用外腔設(shè)計(jì)（ECDL-外腔二極管激光器）。

現(xiàn)實(shí)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(lái)越多的半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)在市場(chǎng)上，并在許多工業(yè)應(yīng)用中成功取代了氦氖激光器。

未來(lái)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(huì)在工業(yè)4.0中遇到它們。