Než se podíváme na HeNe laser blíže, popíšeme si obecné vlastnosti laseru a jejich hlavní typy. Poté si představíme rodinu HeNe laserů REO family od společnosti Excelitas Technologies a k nim vhodné napájecí zdroje.

Co jsou to lasery?

Laser je zkratka z definice „light amplification through stimulated emission of radiation“. Jedinečné vlastnosti laserového paprsku spočívají v tom, že elektromagnetická energie a výstupní vlny jsou jednobarevné, koherentní a vzájemně sladěné ve fázi, čase a prostoru. To platí, ať už je laserový výstup ve viditelné nebo neviditelné části optického spektra. Většina laserů má pevnou výstupní vlnovou délku (λ), ale některé jsou nastavitelné na jednu z několika hodnot diskrétních vlnových délek.

První laser předvedl fyzik Theodore H. Maiman z Hughes Research Laboratories v Malibu v Kalifornii v květnu 1960. Jako zdroj (pumpu) laseru použil rubínový krystal (CrAlO3) a fotografickou zářivku k výrobě paprsku červeného světla na vlnové délce 694 nanometrů. Kdo by měl mít vědecké uznání za koncepci laseru a autorská práva bylo předmětem třicetiletého patentového sporu tří fyziků.

Princip laseru

Lasery se skládají ze tří základních částí:

• Samotný laserový materiál, kterým může být pevná látka, kapalina, plyn nebo polovodič a může vyzařovat světlo ve všech směrech
• Zdroj (pumpa), který dodává energii do laseru, jako je záblesková lampa, elektrický proud způsobující kolize elektronů nebo záření z jiného laseru
• Optická dutina skládající se z reflektorů - jeden plně odrážející a druhý částečně odrážející reflektor, který poskytuje pozitivní zpětnou vazbu pro zesílení světla

Aby došlo k působení laseru, je nutné vybudit většinu elektronů uvnitř dutiny na vyšší energetickou hladinu známou jako populační inverze. Jedná se o nestabilní stav elektronů, které v tomto stavu zůstávají krátkou dobu a poté se rozpadají zpět do původního energetického stavu. To se provádí dvěma způsoby:

• Nejprve dochází ke spontánnímu rozpadu. Elektrony se jednoduše vrací zpět do svého základního stavu a zároveň emitují náhodně nasměrované fotony
• Zadruhé dochází ke stimulaci rozpadu, kdy fotony ze spontánně rozpadajících elektronů narazí na jiné vybuzené elektrony, a to způsobí jejich vrácení do základního stavu

Tento proces uvolní energii ve formě fotonů, které se pohybují ve stejné fázi a na stejné vlnové délce a ve stejném směru jako dopadající foton. Vyzařované fotony se pohybují tam a zpět v optické dutině skrz laserový materiál mezi zcela odrážejícím reflektorem a částečně odrážejícím reflektorem. Tato světelná energie se zesiluje, dokud se nevytvoří dostatečná energie pro přenos záblesku laserového světla, které se přenese právě přes částečně odrážející reflektor.

Čtyři hlavní typy laserů

Zatímco první optický laser byl založen na rubínovém krystalu, nyní se používají čtyři hlavní typy laserů: polovodičová dioda, plyn, kapalina a pevná látka. Stručně a se značným zjednodušením fungují následovně:

• Laserová dioda: Jedná se o diodu emitující světlo (LED), která využívá optickou dutinu v pevném stavu k zesílení světla vyzařovaného z polovodičového přechodu. Laserovou diodu lze naladit na různé vlnové délky změnou proudu, teploty nebo magnetického pole a výstupem může být kontinuální (CW) nebo pulzní vlna.
• Plynové lasery: Používají plynovou trubici, na kterou se přivádí napětí (externí zdroj - pumpa). Tím se vybudí atomy v plynu na populační inverzi, při které se elektrony pohybují z jednoho energetického stavu do vyššího a zpět. Uvolněné fotony se díky zrcadlům odrážejí tam a zpět mezi konci dutiny a jejich počet oscilačně narůstá. Světlo emitované z tohoto typu laseru je obvykle ve formě kontinuální vlny (CW).
• Kapalné nebo barevné lasery: Používají obvykle kapalný roztok jako barvicí médium organické barvivo. Tyto lasery jsou populární, protože je lze vyladit na jednu z několika vlnových délek změnou chemického složení barviva. 
• Pevný laser s volnými elektrony: Využívají elektronový paprsek pohybující se podél optické dutiny, která je ponořena do hadovitého vnějšího magnetického pole. Změna směru elektronů způsobená magnetickým polem způsobí, že se emitují fotony. Tento laser může generovat vlnové délky od mikrovlnné až po rentgenovou oblast.

Vyzařovaná specifická vlnová délka je dána typem laseru, materiálem a způsobem, jakým je laser buzen (tabulka 1).

Tabulka 1: Souhrn různých typů laserů a jejich specifická vlnová délka danou použitým laserovým materiálem. (Zdroj tabulky: Federace amerických vědců)

Důležité parametry laseru

Stejně jako u všech komponent existují některé parametry, které jsou důležitější než ty ostatní. U laserů se jako první sleduje výstupní vlnová délka, výstupní výkon, průměr paprsku a divergence paprsku (rozpětí). Důležitý je také typ výstupu (pulzní nebo kontinuální), účinnost, tvar průřezu výstupního paprsku (profil), životnost a jednoduchost ovládání.

Výstupní výkon laseru se může pohybovat od miliwattů až po kilowatty v závislosti na vlnové délce a typu laseru. Mnoho laserových aplikací, jako jsou testovací a měřicí přístroje malých rozměrů potřebuje jen několik miliwattů, zatímco kilowattové lasery se používají pro řezání kovů nebo jako zbraň pro vojáky.

Stejně jako u všech měření optického výkonu je i kvantifikace výstupního výkonu laseru komplikovaná, a proto technologové z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) vytvořili příslušný postup měření. Měření je ovlivněno charakteristikami optické energie: vlnovou délkou, úrovní výkonu, a zda se jedná o kontinuální nebo pulsní výstup. Dále se postup při kvantifikaci výstupního výkonu liší dle toho, zda se měří průměrný výkon, špičkový výkon, spektrum či disperzi (tabulka 2).

Tabulka 2: Měření optického výkonu laseru je složitý proces a jsou vyžadovány různé senzory a techniky v závislosti na vlnové délce a výstupní periodě. (Zdroj tabulky: Coherent Inc.)

Téměř vše, co souvisí s lasery jako je výstupní výkon a vlnová délka, podléhá mnoha bezpečnostním omezením, aby se zabránilo poškození očí, pokožky či materiálu. Tato komplikovaná omezení a související laserové třídy jsou definovány regulačními agenturami v různých zemích a oblastech světa. Proto prodejci nabízejí lasery s různými stupni úrovní výstupního výkonu. Například rodina laserů REO family zahrnuje HeNe lasery s výkonem 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 5,0, 10, 12, 15 a 25 mW.

HeNe laserové aplikace, funkce a provoz

Stejně jako u všech výběrů komponent neexistuje jedna „nejlepší“ laserová jednotka, protože každá aplikace vyžaduje různou vlnovou délku, jinou úroveň výkonu a další specifikace. Laser HeNe je často vhodným kandidátem pro mnoho průmyslových například Ramanova spektroskopie, která je nedestruktivní optická analýza materiálu bez přímého fyzického kontaktu se vzorkem.

Tato spektroskopie se používá pro rychlou a přesnou chemickou analýzu pevných látek, prášků, kapalin a plynů v materiálové analýze, mikroskopii, farmacii, forenzní analýze, identifikaci podvodů v potravinářství, monitorování chemických procesů a různých bezpečnostních aplikacích. HeNe laser je pro tuto spektroskopii nejvhodnější, jelikož tyto aplikace vyžadují stabilní výstupní vlnovou délku a výkon. Další vlastností, která vyhovuje spektroskopii je extrémně monochromatický červený výstup s vlnovou délkou λ = 632,8 nm (často zjednodušený na 633 nm), úzký paprsek, nízká divergence a dobrá výstupní koherence a stabilita na dálku a čas.

Laser HeNe je postaven na duté skleněné trubici s reflektory obrácenými dovnitř a naplněnou z 85-90% plynným héliem a 10-15% neonovým plynem (skutečné laserové médium) při tlaku asi 1 Torr (0,02 liber na čtvereční palec (lb / in²)). Trubice má dva reflektory směřující dovnitř. Jedním z nich je plochý reflektor s vysokým odrazem na jednom konci, druhý konkávní výstupní spojovací reflektor s přibližně 1% propustností na druhém konci (obrázek 1).

Obrázek 1: Srdcem HeNe laseru je skleněná trubice naplněná převážně heliem s malým procentem neonů. Trubice má na svém zadním konci plně reflexní vnitřní zrcadlo a zrcadlo s propustností 1% na výstupu. (Zdroj obrázku: Wikipedia)

Během procesu je elektrický výboj plynnou směsí vyvolán vysokonapěťovým pulzem (přibližně 1 000 V až 1 500 V stejnosměrného proudu, při 10 až 20 mA). Skutečné laserové záření pochází z přechodu nosičů mezi úrovněmi elektronové orbitální energie (například z 3s na 2p) atomů Ne. Tento přechod stavu z 3s na 2p produkuje primární výstup 632,8 nm. Vyskytují se také další přechody energetické úrovně produkující výstupy při 543 nm, 594 nm, 612 nm a 1523 nm, ale výstup 632,8 nm je nejužitečnější.

Napájení pro HeNe lasery

Napájení je zásadní částí, která ovlivňuje výkon laserových komponent. U HeNe laserů potřebuje trubice nejprve asi 10 kV DC (průrazné napětí), aby zahájila proces buzení. Kromě toho vyžaduje udržovací napětí v ustáleném stavu v rozsahu 1 až 3 kV DC spolu s proudem pod 10 mA. Přestože je úroveň výkonu nízká - pouhých 20 až 30 W, není snadné takový zdroj navrhnout s ohledem na bezpečnostní a certifikační požadavky.

Proč je potřeba vyššího napětí na začátku procesu ve srovnání s udržovacím napětím? HeNe laser je zařízení se „záporným odporem“, takže napětí v trubici klesá s rostoucím proudem. Stejný problém nastává u jednoduché neonové žárovky, jako je legendární, ale nyní do značné míry zastaralá žárovka NE-2 „doutnavka“. Její průrazné nebo „nárazové“ napětí je kolem 90 V (střídavé nebo stejnosměrné), poté provozní napětí poklesne na přibližně 60 V. Jedním ze způsobů, jak dosáhnout vyššího napětí na začátku procesu následované nižším provozním napětím, je použití sériového předřadného rezistoru s odporem 220 kΩ (obrázek 3).

Obrázek 3: Zařízení se záporným odporem, jako jsou HeNe laserové trubice a neonové lampy (například zde zobrazený NE-2), potřebují funkci „balastního“ rezistoru. Tím se dosáhne vyššího napětí na počátku procesu následovaným nižším provozním napětím. (Zdroj obrázku: Lewis Loflin / Bristol Watch)

Toto jednoduché řešení však není vhodné pro laserovou trubici HeNe v komerčním provozu. Zaprvé, existují bezpečnostní a regulační předpisy. Zadruhé, zdroj musí být správně přizpůsoben trubici pro optimální výkon a budící napětí musí být udržováno v určitých mezích. Za třetí, stabilita zdroje výstupního napětí a proudu je rozhodující pro udržení stability laseru.

Z těchto důvodů nabízí Excelitas Technologies napájecí zdroj 39783, jehož vstupní střídavé napětí se pohybuje od 100 do 130 V nebo 200 až 260 V (50 až 400 Hz) a dodává 1500 V až 2400 V s počátečním stejnosměrným napětím nad 10 kV a provozním proudem 5,25 mA (obrázek 4). Regulace proudu je důležitá pro stabilní výkon HeNe trubice, takže zdroj 39783 udržuje proud v toleranci ± 0,05 mA. Rozměry napájecího zdroje jsou 241 x 133 mm a jeho výška je 54 mm. Dodává se také se zámkem, který uzamyká ovládání.

Obrázek 4: Napájecí zdroj 39783 pro lasery HeNe poskytuje stabilní, řízené napětí a proud jak pro počáteční fázi, tak  pro provozní fázi. (Zdroj obrázku: Excelitas Technologies)

Pro větší trubice HeNe Excelitas nabízí napájecí zdroj 39786 ve stejné velikosti, ale s vyšším výkonem. Tato jednotka poskytuje výkon 3200 až 3800 V, počáteční napětí nad 12,5 kV a dodává stejnosměrný proud až 7,0 mA.

Závěr

Lasery přicházejí v mnoha podobách pro různé aplikace. Pro designéry průmyslových systémů, kteří hledají stabilní monochromatický výstup při rozumných úrovních výkonu, je plynový laser HeNe tou správnou volbou. Jak jsme si ukázali, laser musí být připojen ke kvalitnímu napájecímu zdroji, aby laser měl požadované vlastnosti v podobě dostatečného výkonu, stability a vlnové délky.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber.