Perché e come utilizzare i laser HeNe per applicazioni industriali e scientifiche

I laser sono ora una parte indispensabile del kit di un progettista di sistemi industriali, in quanto consentono applicazioni che vanno dalle misurazioni e dal rilevamento di microlivelli alle funzioni industriali su larga scala. Uno dei laser più utilizzati per applicazioni industriali e scientifiche è il laser a gas al neon elio (HeNe), e per molte buone ragioni, tra cui le alte prestazioni, le dimensioni compatte, la stabilità e l'uscita ottica di alta qualità. Tuttavia, i progettisti devono abbinare il tubo laser a un'alimentazione adeguata ad alta tensione per l'avvio efficace del laser, il funzionamento continuo e la lunga durata.

Questo articolo discute i laser e le varie opzioni prima di guardare più da vicino il laser HeNe, e perché è così ampiamente utilizzato. Guarda poi ai fattori da considerare per l'applicazione di questa classe di dispositivi laser di esempio di Excelitas Technologies, la famiglia REO di laser HeNe e alimentatori adatti.

Che cosa sono i laser?

Laser è l'acronimo inglese di "amplificazione della luce attraverso l'emissione stimolata di radiazioni". Le proprietà uniche del raggio laser in uscita sono date da energia elettromagnetica e onde in uscita monocromatiche, coerenti e allineate tra loro in fase, nel tempo e nello spazio. Questo è vero sia che l'uscita del laser si trovi nella parte visibile o invisibile dello spettro ottico. La maggior parte dei laser ha una lunghezza d'onda di uscita fissa (λ), ma alcuni possono essere impostati su uno dei diversi valori di lunghezza d'onda discreta.

Il primo laser è stato dimostrato da Theodore H. Maiman, un fisico dei laboratori di ricerca Hughes a Malibu, California, nel maggio del 1960. Ha usato il rubino (CrAlO3) e le lampade flash fotografiche come sorgente "di pompaggio" del laser per produrre un fascio di luce rossa a una lunghezza d'onda di 694 nanometri. La questione di chi dovrebbe ottenere il credito scientifico per la concezione del laser e i diritti d'autore è stata oggetto di una controversia brevettuale durata 30 anni tra tre fisici.

Come funzionano i laser

I laser hanno tre elementi di base:

• Il materiale laser stesso, che può essere un solido, liquido, gas o semiconduttore, e può emettere luce in tutte le direzioni
• Una sorgente di pompaggio che aggiunge energia al materiale laser, come una lampada flash, una corrente elettrica per causare le collisioni di elettroni o la radiazione di un altro laser
• Una cavità ottica composta da riflettori - uno completamente riflettente e l'altro parzialmente riflettente - che forniscono il meccanismo di retroazione positiva per l'amplificazione della luce

Affinché l'azione laser abbia luogo, è necessario eccitare la maggior parte degli elettroni all'interno della cavità a un livello energetico più elevato, noto come inversione di popolazione. Si tratta di una condizione instabile per gli elettroni, per cui rimangono in questo stato per un breve periodo e poi decadono di nuovo allo stato energetico originale in due modi:

• In primo luogo, c'è il decadimento spontaneo, quando gli elettroni ricadono semplicemente allo stato di terra mentre emettono fotoni diretti in modo casuale
• In secondo luogo, c'è un decadimento stimolato dove i fotoni dagli elettroni in decadimento spontaneo colpiscono altri elettroni eccitati, facendoli cadere al loro stato di terra

Questa transizione stimolata libererà energia sotto forma di fotoni, che viaggiano in fase e alla stessa lunghezza d'onda e nella stessa direzione del fotone incidente. I fotoni emessi viaggiano avanti e indietro nella cavità ottica, attraverso il materiale laser tra lo specchio totalmente riflettente e quello parzialmente riflettente. Questa energia luminosa viene amplificata fino a quando non si accumula energia sufficiente per trasmettere una raffica di luce laser attraverso lo specchio parzialmente riflettente.

I quattro principali tipi di laser

Mentre il primo laser ottico era basato su un cristallo di rubino, ora esistono quattro principali tipi di laser e materiali in uso: diodo a semiconduttore, gas, liquido e solido. In breve, e con una notevole semplificazione, funzionano come segue:

1: Il diodo laser: si tratta di un diodo a emissione luminosa (LED) che utilizza una cavità ottica in materiale allo stato solido per amplificare la luce emessa dalla banda proibita di energia esistente nei semiconduttori. Il diodo laser può essere sintonizzato su diverse lunghezze d'onda variando la corrente applicata, la temperatura o il campo magnetico, e l'uscita può essere a onda continua (CW) o pulsata.

2) Il laser a gas: utilizza un tubo riempito di gas per la cavità. Una tensione (chiamata sorgente di pompaggio esterna) viene applicata al tubo per eccitare gli atomi nel gas all'inversione di popolazione in cui gli elettroni passano da uno stato di energia a uno stato di energia superiore e fanno ritorno. I fotoni rimbalzano avanti e indietro tra le estremità della cavità grazie agli specchi e il loro numero si accumula in un'azione oscillante. La luce emessa da questo tipo di laser è normalmente CW.

3) Il laser liquido o colorante: questo tipo usa un materiale attivo in una sospensione liquida in una cella di colorante come mezzo di fissaggio. Questi laser sono popolari perché possono essere sintonizzati su una delle diverse lunghezze d'onda modificando la composizione chimica del colorante.

4) Il laser a elettroni liberi solidi: utilizza un fascio di elettroni che viaggia lungo una cavità ottica immersa in un campo magnetico esterno a serpentina. Il cambiamento di direzione degli elettroni dovuto al campo magnetico fa sì che questi emettano i fotoni. Questo laser può generare lunghezze d'onda dal microonde alla regione dei raggi X.

Naturalmente, i dettagli del funzionamento coinvolgono la fisica quantistica avanzata, la scienza dei materiali, i principi dell'energia elettromagnetica, gli alimentatori e le sorgenti di pompaggio. La specifica lunghezza d'onda emessa è una funzione del tipo di laser, dei materiali e di come viene eccitato o pompato il laser (Tabella 1).

Tabella 1: Una sintesi dei vari tipi di laser mostra la lunghezza d'onda specifica della luce prodotta da ogni materiale laser. (Tabella per gentile concessione della Federation of American Scientists)

Per i progettisti di sistemi basati sul laser, i principi di base sono interessanti nella misura in cui contribuiscono a far comprendere i relativi parametri, le loro implicazioni e i loro limiti.

Parametri laser critici per i progettisti

Come per tutti i componenti, vi sono alcuni parametri di primo livello che definiscono la selezione di base e le prestazioni, insieme a molti parametri di secondo e terzo livello. Per i laser, i parametri considerati per primi sono la lunghezza d'onda di uscita, la potenza in uscita, il diametro del fascio e la divergenza del fascio (diffusione). Altrettanto importanti sono il tipo di uscita (pulsata o CW), l'efficienza, la forma della sezione trasversale del fascio di uscita (profilo), la durata, la controllabilità e la facilità d'uso.

Si noti che la potenza in uscita del laser può variare dai milliwatt (mW) ai kilowatt (kW), a seconda della lunghezza d'onda e del tipo di laser. Molte applicazioni laser, come la strumentazione di prova e di misura su piccola scala, necessitano solo di pochi milliwatt, mentre i laser a kilowatt sono utilizzati per il taglio dei metalli e per le armi a energia diretta.

Come per tutte le misure di potenza ottica, quantificare con precisione la potenza in uscita del laser è complicato, e i tecnologi del National Institute of Standards and Technology (NIST) ci hanno messo tutto l'impegno. La misura è influenzata dalle caratteristiche dell'energia ottica: lunghezza d'onda, livello di potenza, CW o pulsata, e quale parametro viene misurato: potenza media, potenza di picco, spettro e dispersione (Tabella 2).

Tabella 2: La misurazione della potenza ottica del laser è una sfida importante, e sono necessari sensori e tecniche diverse a seconda della lunghezza d'onda e del periodo di uscita. (Tabella per gentile concessione di Coherent Inc.)

Si noti inoltre che quasi tutto ciò che ha a che fare con i laser, la potenza in uscita e la lunghezza d'onda è soggetto a molte restrizioni di sicurezza per prevenire danni agli occhi, alla pelle e ai materiali. Queste complicate restrizioni e le relative classi di laser sono definite da agenzie di regolamentazione in vari paesi e regioni del mondo. Questa è un'altra buona ragione per utilizzare la più bassa potenza laser possibile per il progetto e spiega perché i fornitori offrono laser con livelli di potenza in uscita distanziati. Ad esempio, la famiglia REO comprende laser HeNe simili con uscita a 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 5,0, 10, 12, 15 e 25 mW, un intervallo di oltre 25:1.

Applicazioni, caratteristiche e funzionamento del laser HeNe

Come per tutte le scelte dei componenti, non esiste una singola unità laser "migliore", poiché le applicazioni richiedono lunghezze d'onda, livelli di potenza e altre specifiche diverse, generalmente definite dalla fisica della situazione. Il laser HeNe è spesso una buona soluzione per molti progetti industriali e di prova come la spettroscopia Raman, una tecnica di ispezione ottica non distruttiva che non richiede il contatto fisico diretto con il campione.

Questa spettroscopia è utilizzata per analisi chimiche veloci e accurate di solidi, polveri, liquidi e gas nell'analisi di materiali, microscopia, farmaceutica, scienza forense, identificazione di frodi alimentari, monitoraggio di processi chimici e varie funzioni di sicurezza nazionale. Tra gli attributi interessanti del laser HeNe per queste applicazioni ci sono la sua stabile lunghezza d'onda di uscita e la potenza, l'uscita estremamente monocromatica in rosso a λ = 632,8 nm (spesso semplificata a 633 nm), il fascio stretto, la bassa divergenza e la buona coerenza di uscita e stabilità sulla distanza e sul tempo.

Il laser HeNe è costruito attorno a un tubo di vetro cavo con specchi rivolti verso l'interno e riempito con gas elio all'85-90% e gas al neon al 10-15% (il mezzo laser effettivo) a una pressione di circa 1 Torr (0,02 lb/in²). Il tubo ha anche due specchi rivolti verso l'interno. Uno è uno specchio piatto, ad alta riflessione ad un'estremità, l'altro uno specchio concavo con accoppiatore di uscita con circa l'1% di trasmissione all'altra estremità (Figura 1).

Figura 1: Il cuore del laser HeNe è un tubo di vetro riempito principalmente di elio, con una piccola percentuale di neon; il tubo ha uno specchio interno completamente riflettente alla sua estremità posteriore e uno specchio di trasmissione all'1% per l'accoppiamento di uscita all'estermià di uscita del fascio. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

Durante il processo di pompaggio, una scarica elettrica attraverso la miscela di gas viene avviata da un impulso ad alta tensione (circa 1000 V a 1500 V c.c., a 10-20 mA). Il reale effetto laser deriva dalla diseccitazione dei vettori tra i livelli di energia orbitale degli elettroni (come 3s a 2p) degli atomi di Ne. Questa transizione da 3s a 2p produce l'uscita primaria da 632,8 nm. Si verificano anche altre transizioni di livello energetico, producendo uscite a 543 nm, 594 nm, 612 nm e 1523 nm, ma l'uscita a 632,8 nm è la più utile.

I laser HeNe sono ora articoli a catalogo

Nei primi tempi dei laser, le unità erano spesso realizzate a mano, così come l'alimentatore. Ora, i laser - particolarmente quelli diffusi come i laser a gas HeNe - sono disponibili come componenti "di serie" con un ampio intervallo di potenze, come dimostrano due laser della famiglia REO di Excelitas Technologies.

Il primo esempio, il modello 31007, si trova all'estremità inferiore della scala di potenza, in grado di erogare 0,8 mW (minimo) con un diametro del fascio di 0,57 mm e una divergenza del fascio di 1,41 mrad (Figura 2). Richiede 1500 V a 5,25 mA per il tubo laser durante il funzionamento, lungo circa 178 mm e dal diametro di 44,5 mm; ha una classificazione di sicurezza IIIa/3R data dal Center for Devices and Radiological Health (CDRH)/CE.

Figura 2: Il laser HeNe a bassa potenza Model 31007 può fornire almeno 0,8 mW con un diametro del fascio di 0,57 mm e una divergenza del fascio di 1,41 mrad. (Immagine per gentile concessione di Excelitas Technologies)

All'estremità superiore dell'intervallo di potenza è il modello REO 30995, un laser da 17 mW (tipico), 25 mW (massimo) che richiede 3500 V a 7 mA. La lunghezza del tubo è di circa 660 mm, la larghezza del fascio è di 0,92 mm e la divergenza è di 0,82 mrad. Ha una classificazione di sicurezza IIIb/3B CDRH/CE più restrittiva.

Vi sono molte ragioni per selezionare il laser alla potenza più bassa possibile che possa soddisfare la situazione d'uso. Una minore potenza significa minori preoccupazioni per la sicurezza e mandati normativi, insieme a tubi di dimensioni più piccole, costi più bassi e un alimentatore più piccolo.

Alimentazione: fondamentale per i laser HeNe

L'alimentazione è fondamentale per le prestazioni dei componenti laser. Per i laser HeNe, il tubo necessita prima di tutto di circa 10 kV c.c. (tensione di rottura) per avviare il processo di eccitazione. Inoltre, richiede una tensione di mantenimento a stato stazionario nel campo da 1 a 3 kV c.c., insieme a una corrente inferiore a 10 mA. Anche se il livello di potenza è modesto - solo 20-30 W - pochi ingegneri sono dotati, addestrati o hanno il tempo di progettare un'alimentazione adeguata per questa tensione, in particolare in considerazione dei requisiti di sicurezza e normativi e delle certificazioni per fattori come l'isolamento superficiale e la distanza minima in aria, oltre alle prestazioni elettriche ed elettromagnetiche (EMI) di base.

Perché la necessità di una tensione d'innesco più elevata rispetto alla tensione di mantenimento? Il laser HeNe è un dispositivo a "resistenza negativa", per cui la tensione attraverso il tubo diminuisce all'aumentare della corrente. Lo stesso problema si verifica con la semplice lampadina al neon, come la leggendaria ma ormai ampiamente obsoleta lampadina fluorescente NE-2. La sua tensione di rottura è di circa 90 V (c.a. o c.c.), dopo di che la tensione di funzionamento scende a circa 60 V. Un modo in cui i progettisti hanno fornito la tensione di innesco più alta, seguita da una tensione di funzionamento più bassa, è stato quello di utilizzare un resistore ballast in serie di circa 220 kΩ (Figura 3).

Figura 3: I dispositivi a resistenza negativa come i tubi laser HeNe e le lampade al neon (come quella NE-2 raffigurata) hanno bisogno di una funzione con resistore ballast per accettare la loro fase di innesco a tensione più alta/corrente più bassa, seguita dalla loro fase di mantenimento a tensione più bassa/corrente più alta. (Immagine per gentile concessione di Lewis Loflin/Bristol Watch)

Tuttavia, questa semplice soluzione non è appropriata per un tubo laser HeNe in un'applicazione commerciale. In primo luogo, esistono i mandati di sicurezza e di regolamentazione. In secondo luogo, l'alimentazione deve essere adattata al tubo per ottenere prestazioni ottimali e la tensione di innesco deve essere mantenuta entro i limiti di tolleranza. In terzo luogo, la stabilità della tensione di uscita dell'alimentazione e della sorgente di corrente è fondamentale per la stabilità del laser.

Per questi motivi, Excelitas Technologies offre alimentatori a innesto che soddisfano i requisiti tecnici e normativi per i laser HeNe a bassa potenza. Ad esempio, l'alimentatore 39783 funziona da 100 a 130 V c.a. e da 200 a 260 V c.a. (da 50 a 400 Hz), ed eroga da 1500 a 2400 V con una tensione di avviamento superiore a 10 kV c.c. e una corrente di funzionamento di 5,25 mA (Figura 4). Una rigida regolazione della corrente è importante per la stabilità prestazionale del tubo HeNe, quindi il modello 39783 la mantiene a ±0,05 mA. L'alimentatore ha un ingombro modesto di 241 x 133 mm e un'altezza di 54 mm. Inoltre è dotato di una serratura fisica per la sicurezza e la protezione.

Figura 4: L'alimentatore 39783 per laser HeNe fornisce una tensione e una corrente stabili e controllate sia per la fase di innesco sia per la fase di funzionamento prolungato del tubo HeNe, soddisfacendo al contempo i severi requisiti normativi per gli alimentatori nella classe dei kilovolt. (Immagine per gentile concessione di Excelitas Technologies)

Per i tubi HeNe più grandi, Excelitas propone l'alimentatore 39786 a parità di contenitore. Questa unità ha un'uscita superiore da 3200 a 3800 V, una tensione di accensione superiore a 12,5 kV e fornisce corrente continua fino a 7,0 mA.

Conclusione

I laser sono disponibili in molte forme per molte applicazioni. Per i progettisti di sistemi industriali che cercano un'uscita monocromatica stabile a livelli di potenza ragionevoli, il laser a gas HeNe è un'opzione interessante. Tuttavia, come mostrato, i laser devono essere combinati con la giusta alimentazione elettrica per soddisfare i requisiti di prestazione, normativi, di sicurezza e di protezione.