HeNe激光器優點和缺點，外腔窄線寬半導體HENE激光器優選

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地。這些稀有氣體是鋼鐵制造過程中的附屬產品，俄羅斯主要進行粗氣分離，烏克蘭負責精制并向全球輸出。據統計，烏克蘭供應了全球70%的氖、40%的氪和30%的氙。這三種氣體是制造芯片的關鍵材料。氖氣是光刻氣中主要成分,90%以上的半導體級氖氣供應來自烏克蘭。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用的優選。它是在1960年發明的，從技術上講，它是第一批具有非凡良好參數的激光器之一。機械和光學設計非常簡單（除了用于制造管本身的復雜玻璃制品），但氣體激光介質和整體結構提供了一些內在優勢。但也有很多缺點……

HeNe激光器優點

■ 高相干長度

這對于大多數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。這一切都取決于設計中使用的腔體參數和反射鏡和標準具。

■ 穩定的中心波長

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

■ 高光譜純度

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

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

■ 低成本

氦氖激光器制造的深厚傳統及其在一個條形碼掃描儀和CD播放器等應用中的廣泛傳播一直在推動成本下降，現在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散。He原子的擴散是HeNe激光器壽命短的主要原因，通常在1000到10000小時的范圍內，即24/7運行不到1年。這被認為是HeNe激光器在工業應用中的主要缺點。

■ 預熱時間長

制造商可選典型的預熱時間為10分鐘。在某些需要連續操作的應用中，這可能不是一個大問題，但是在必須頻繁打開和關閉激光器的情況下，這是一個很大的缺點，這通常意味著必須安裝機械快門，打開激光曝光，即激光必須連續運行，這會進一步縮短使用壽命。

■ 輸出功率低

大多數強大的氦氖激光器發出35到50 mW的輸出功率。與某些半導體激光器的100 mW至200 mW TEM00輸出相比，這是較低的。甚至頻率穩定的633 nm激光器也會發出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。如此大但不是很強大的激光器通常用于科學實驗室或一些復雜的全息應用。

■ 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備造成一定的風險。

■ HeNe的替代品有哪些？

半導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是市場上強大的氣體激光器的兩倍。線寬目前可以做到1MHZ以內達到上百米的相干長度。

HENE激光器與半導體激光器尺寸對比

中心波長（＜1MHZ線寬）可選

半導體633nm窄線寬出色的波長穩定性

出色光束質量

說到長壽命，標稱功率為200 mW的638 nm激光器可以以1%的功率水平驅動，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級增長——從規定的5000小時到理論上的>100000小時。這就是讓工業激光集成商立即感興趣的原因。

結論:HeNe激光器優點很多,但是工業應用難

盡管氦氖激光器具有許多良好的固有特性，但通常不能滿足當今工業環境的要求。24/7全天候運行的工業生產線都是關于堅固性和長壽命的，因此工業儀器制造商往往會為使用壽命更長、更易于更換和維護的激光器支付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體激光器有多少參數必須接近氦氖的性能。如果需要優秀的光束質量，則必須使用單模或保偏光纖來實現M2<1.05、漂亮的圓形光束形狀和衍射限制發散度。相當好的中心波長穩定性可以通過半導體發射器的良好溫度和功率穩定性來實現。實現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用外腔設計（ECDL-外腔二極管激光器）。

現實表明，要超越優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，而且這種情況正在大規模發生——我們可以看到傳統的氦氖激光器制造商停產。越來越多的半導體激光器出現在市場上，并在許多工業應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應用中仍將作為參考，但我們不會在工業4.0中遇到它們。

上一條腔衰蕩技術原理 - 筱曉光子AOL實驗室⑥
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