在工業與科學應用中採用氦氖雷射的原因及方法

在工業系統設計人員的工具組中，雷射目前是不可或缺的要件之一，從細微量測、感測到大規模工業功能，均仰賴雷射促成這些應用。在工業與科學應用方面，氦氖 (HeNe) 氣體雷射是最廣泛使用的雷射之一，其具有眾多優異特點，包括高效能、小體積、高穩定性以及高品質的光學輸出。然而，設計人員必須為雷射管搭配適合的高壓電源供應器，才能有效啟動雷射並使其持續運作，以及延長裝置壽命。

本文將探討雷射與雷射選擇，接著會深入檢視氦氖雷射及其獲得廣泛使用的原因。本文接著將以 Excelitas Technologies 的 REO 系列氦氖雷射以及合適的電源供應器作為範例裝置，檢視此類雷射在應用方面獲得成功的因素。

雷射是什麼？

「雷射」(laser) 一詞實為縮寫，全名是「由激發輻射所增強的光波」(light amplification through stimulated emission of radiation)。雷射光束輸出的性質獨特，其電磁能與輸出波具備單色性與同調性，且所有光束在相位、時間與空間上均一致。雷射輸出無論位於光譜上可見或不可見的區域，均具備此特性。大多數的雷射具有固定的輸出波長 (λ)，但是有些雷射可在數個離散波長值之間擇一設定。

1960 年 5 月，加州馬里布 Hughes Research Laboratories 的物理學家 Theodore H. Maiman 展示了第一個雷射。他使用紅寶石 (CrAIO3) 和相機閃光燈當作雷射的激發來源，產生波長為 694 nm 的紅色光束。另一方面，雷射概念的科學成就以及版稅應歸於何人，則在三位物理學家之間展開了一場長達 30 年的專利糾紛。

雷射運作原理

雷射包含三個基本構建區塊：

• 雷射材料：可以是固體、液體、氣體或半導體，並且能向所有方向發光
• 激發來源：可為雷射材料添加能量，例如閃光燈、能引發電子碰撞的電流，或來自其他雷射的輻射
• 光學諧振腔：由一個全反射及另一個部分反射的反射器組成，為光波放大提供正反饋機制

為了產生雷射作用，必須將諧振腔內的大多數電子受激躍遷至較高能階，這個狀態稱為居量反轉。對電子而言，這是一個不穩定的狀態，因此電子只會在這個狀態下停留短暫時間，然後便會以兩種方式衰變回初始能態：

• 第一種是自發衰變，也就是電子直接降回基態，同時朝隨機方向放射光子
• 第二種是受激衰變，也就是自發衰變的電子所放射的光子撞擊其他受激電子，使其降回基態

這種受激躍遷會以光子的形式釋放能量，而在相位中移動的光子與入射光子的波長及方向相同。放射出的光子會穿透全反射鏡與部分反射鏡之間的雷射材料，於光學諧振腔中來回反射。這道光波的能量會被放大，直到能量累積到足以讓一束雷射光穿透部分反射鏡。

四種主要雷射類型

雖然第一個光學雷射是以紅寶石結晶為材料，但現在主要採用以下四種雷射類型與材料：半導體二極體、氣體、液體與固體。簡單來說，它們的運作原理如下：

1)雷射二極體：這是一種發光二極體 (LED)，使用固態材料的光學諧振腔，放大半導體中的能隙所放射的光波。雷射二極體可以透過改變施加的電流、溫度或磁場來調整到不同的波長，並且輸出可以是等幅波 (CW) 或脈衝。

2) 氣體雷射：這種雷射使用充氣管當作諧振腔。在管子上施加電壓 (稱為外部激發來源) 以激發氣體中的原子，使電子從一種能態躍遷至較高能態，進而產生居量反轉，然後再返回前一種能態。由於反射鏡的作用，光子會在諧振腔的兩端間來回反彈，並在振盪作用下累積數量。這種雷射發出的光波通常是 CW。

3) 液體或染料雷射：這些雷射使用染料槽懸液中的活性材料當作雷射媒介。這種雷射可藉由變更染料的化學結構，在多種波長之間進行調整為一種，因此受到廣泛使用。 

4) 固態自由電子雷射：這種雷射利用一道電子束沿著光學諧振腔行進，而諧振腔則浸入彎曲的外部磁場中。電子受到磁場影響而轉換方向，將使電子發射光子。這種雷射可以產生微波到 X 光區域範圍內的波長。

當然，這其中的運作細節牽涉到進階量子物理學、材料科學、電磁能原理、電源供應器，以及激發來源。所發射的具體波長取決於雷射類型、材料及雷射激發方式 (表 1)。

表 1：各種雷射類型的摘要，顯示每種雷射材料所產生的特定光波波長。(表格來源： Federation of American Scientists)

在設計以雷射為基礎的系統時，雷射的基本原理有助於了解相關參數、各參數的意義及其限制，因此設計人員應予以關注。

設計人員應注意的重要雷射參數

如同所有元件，有數個一階參數定義基本的選項與效能，另外還有眾多二階與三階參數。就雷射而言，首先要注意的參數是輸出波長、輸出功率、光束直徑以及光束發散 (分散) 度。此外，輸出類型 (脈衝或 CW)、效率、輸出光束截面形狀 (束廓)、生命週期、可控制性以及易用性也很重要。

請注意，根據波長與雷射類型不同，雷射輸出功率範圍可能為 mW 至 kW。許多雷射應用如小規模檢測與量測儀器，只需要數毫瓦功率，而金屬切割及指向性能量武器的雷射輸出功率則高達千瓦級。

如同所有光學功率量測一樣，若要對雷射輸出功率進行精確量化，則會相當複雜。美國國家標準暨技術局 (NIST) 的技術人員已經為此難題付出了巨大努力。量測會受到光能特性的影響：波長、功率位準、CW 或脈衝，以及所測量的參數，例如平均功率、峰值功率、頻譜與色散 (表 2)。

表 2：雷射光學功率量測是一項棘手的難題，而且視波長與輸出週期而定，必須使用不同的感測器與量測技術。(表格來源： Coherent Inc.)

此外，還需注意，幾乎任何與雷射、輸出功率及波長相關的事物都存在許多安全限制，以防止眼睛或皮膚受傷，或造成材料損壞。這些複雜的限制以及相關的雷射類型都會由世界各國及各地區的監管機構訂定。這也是在專案中盡可能使用最低雷射功率的理由，也因此廠商提供的雷射才具有間隔輸出功率位準。例如，REO 系列包含多種相似的氦氖雷射，輸出功率分別為 0.8、1.0、1.5、2.0、3.0、5.0、10、12、15 和 25 mW；最大功率與最小功率的比率超過 25:1。

氦氖雷射的應用、特點與運作

如同所有元件選擇，由於不同應用通常因所處狀況的物理因素，而需要不同的波長、功率位準及其他規格，因此沒有唯一「最佳」的雷射裝置。氦氖雷射通常非常適合用於許多工業與檢測專案，例如拉曼光譜——這是一種非破壞性光學檢測技術，不需要與樣本有直接的物理接觸。

這種光譜可用於對固體、粉末、液體和氣體進行快速準確的化學分析，適用範圍包括材料分析、顯微鏡造影、製藥、法醫鑑識、食品詐欺辨識、化學過程監測，以及多種國土安全功能。在這些應用中，氦氖雷射最吸引人的特性包括：穩定的輸出波長與功率、λ = 632.8 nm (通常簡化為 633 nm) 的極單色紅光輸出、窄光束、低光束發散度，並且能在長距離與長時間下維持良好的輸出同調性以及穩定性。

氦氖雷射使用一根中空的玻璃管，附有面向內側的鏡面。管內填充 85% 至 90% 的氦氣以及 10% 至 15% 的氖氣 (實際的雷射媒介)，壓力大約是 1 Torr (0.02 lb/in²)。此外，管內還有兩個面向內側的鏡面。其中一端是一面平坦的高反射鏡面，另一端則是凹面輸出耦合鏡面，其透射度大約為 1% (圖 1)。

圖 1：氦氖雷射的核心是一根玻璃管，裡面填充了大部分氦氣以及少部分氖氣。這根管的後端是一個內置全反射鏡面，而光束射出端則是一面透射度為 1% 的輸出耦合鏡面。(圖片來源：Wikipedia)

在激發過程中，以高壓脈衝進行混合氣體放電 (約 1000 至 1500 V DC/10 至 20 mA)。實際雷射來自於氖原子的電子軌道能階 (例如 3s 至 2p) 之間的載波去激。這個 3s 至 2p 的躍遷會產生 632.8 nm 的主要輸出。此外，還會發生其他能階躍遷，產生 543 nm、594 nm、612 nm 以及 1523 nm 的輸出，但 632.8 nm 的輸出最為實用。

氦氖雷射現已成為目錄產品

在雷射發展早期，雷射裝置以及電源供應器通常是手工製作。現在，雷射已成為能立即取得的現成元件，特別是氦氖氣體雷射等廣為使用的產品；並有多種功率額定值可供選擇，Excelitas Technologies 的 REO 系列中兩款雷射便具備這項特點。

第一個範例是型號 31007。這款裝置屬於低功率規格，輸出功率為 0.8 mW (最小值)，光束直徑為 0.57 mm，光束發散度為 1.41 mrad (圖 2)。雷射管運作期間需要 1500 V/5.25 mA，其長度約 178 mm，直徑 44.5 mm，醫療器材與輻射健康中心 (CDRH)/CE 安全等級為 IIIa/3R。

圖 2：型號 31007 低功率氦氖雷射的輸出功率能至少達到 0.8 mW，光束直徑為 0.57 mm，光束發散度為 1.41 mrad。(圖片來源：Excelitas Technologies)

REO 系列功率範圍的較高端是型號 30995，其輸出功率為 17 mW (典型值) 和 25 mW (最大值)，在 7 mA 下需要 3500 V。其雷射管長度約為 660 mm，光束寬度為 0.92 mm，光束發散度為 0.82 mrad。此產品擁有更為嚴格的 IIIb/3B CDRH/CE 安全等級。

在能完成任務的前提下，選擇最低功率雷射的理由不勝枚舉。功率越低，表示安全疑慮和監管規範越少，同時雷射管的尺寸更小，成本更低，電源供應器也更小。

電源供應器對氦氖雷射至關重要

電源供應器對於雷射元件的效能至關重要。對於氦氖雷射而言，雷射管首先需要大約 10 kV DC (崩潰電壓) 來啟動激發程序。此外，還需要 1 至 3 kV DC 的穩態維持電壓，以及低於 10 mA 的電流。雖然功率位準並不算高，只有 20 W 至 30 W，但很少有工程師有足夠的配備、訓練或時間為這種電壓設計適當的供應器，特別是還有針對一些要素的安全與監管要求及認證。這些要素除了基本電氣與電磁 (EMI) 效能，還包含沿面距離與間隙等。

為什麼啟動電壓需要比維持電壓更高？氦氖雷射是一種「負電阻」裝置，因此雷射管兩端的電壓會隨著電流增加而下降。相同的問題也會發生在簡易的氖燈上，例如現已大致淘汰的經典 NE-2「輝光燈」燈泡。其崩潰或「起弧」電壓大約是 90 V (AC 或 DC)，而之後的運作電壓則會降到大約 60 V。為了供應較高的啟動電壓及後續較低的運作電壓，設計人員過去採用一組約為 220 kΩ 的安定器 (圖 3)。

圖 3：氦氖雷射管與氖燈 (如此處所示的 NE-2) 等負電阻元件需要透過安定器功能，以適應較高電壓／較低電流的啟動階段，以及後續較低的電壓／較高電流的維持階段。(圖片來源： Lewis Loflin/Bristol Watch)

然而，這種簡單的解決方案不適用於商用氦氖雷射管。首先，須符合安全與監管規範。第二，供應器必須與雷射管相符以發揮最佳效能，並且啟動電壓必須維持在容差之內。第三，供應器輸出電壓及電流源的穩定性是保持雷射穩定性的關鍵。

基於這些原因，Excelitas Technologies 針對功率較低的氦氖雷射提供插入式供應器，且符合技術與監管要求。例如，39783 電源供應器的運作範圍為 100 至 130 V AC 以及 200 至 260 V AC (50 至 400 Hz)，並能夠以高於 10 kV DC 的啟動電壓與 5.25 mA 的運作電流，輸出 1500 至 2400 V 的電壓 (圖 4)。嚴格調節電流才能發揮穩定的氦氖雷射管效能，因此 39783 將其保持在 ±0.05 mA。這款電源供應器的覆蓋區尺寸中等，僅為 241 x 133 mm，高度為 54 mm。此外，還隨附實體鍵鎖來確保安全。

圖 4：39783 氦氖雷射電源供應器可在氦氖雷射管的啟動與維持運作階段，提供穩定可控的電壓與電流，同時符合千伏電源供應器的嚴格監管要求。(圖片來源：Excelitas Technologies)

對於較大型的氦氖雷射管，Excelitas 則提供相同封裝尺寸的 39786 供應器。這個裝置的輸出電壓更高，可達 3200 至 3800 V，啟動電壓高於 12.5 kV，且可供應高達 7.0 mA 的 DC 電流。

結論

雷射的應用範圍廣泛且形式多元。對於工業系統設計人員來說，若想要以合理的功率位準獲得穩定的單色輸出，氦氖雷射是個不錯的選擇。然而，如上所述，雷射必須搭配正確的電源供應器，方能符合效能、監管、安全與防護要求。