010-62566138

北京海科思锐光电仪器有限公司
京海科思锐光电仪器有限公司

氦氖激光器和氦氖激光电源中的常见问题

最近几年随着氦氖激光器业务的不断拓展，在与用户沟通过程中经常被问到各种各样有关氦氖激光器及氦氖激光电源选型、使用中的技术问题，在此把最常见的问题和答复进行整理汇总，以供用户参考。

有关氦氖激光器的问题

A.总体描述：氦氖激光器本质上是一个光学谐振腔，由一个内径约1毫米的玻璃毛细管构成，两端各有一个反射镜。毛细管外部装有一个玻璃或特殊金属制成的外壳，用以容纳工作气体。整个组件被抽至高真空状态，然后按精确测量的压力充入少量上述气体。其中一面反射镜几乎100%地反射所需波长，另一面（输出镜）则反射约99%。因此，输出镜将允许谐振腔内产生的、所需波长的约1%的光输出。这立即带来两个影响：第一，从谐振腔射出的光平均已在管内穿行了约100次；第二，谐振腔内的光强大约是输出光束的100倍。

由此可见，反射镜必须精确对准。事实上，任何一面反射镜受到横向应力都可能对激光输出产生不利影响。实际上，仅仅用铅笔橡皮从侧面推一下，就能在输出端观察到可见变化，甚至可能使激光作用停止。这意味着激光器安装时必须确保反射镜不受任何应力，即使来自镇流电阻的应力也不行。

有时可以利用谐振腔内的光强是外部光束100倍这一特性。有些激光器不设输出镜，而只装一个称为布儒斯特窗的特殊窗口。这是一个按精确角度（称为布儒斯特角）安装的玻璃窗，光以线性偏振方式通过时几乎无反射，因此几乎没有功率损失。然后将输出耦合镜（反射镜）置于激光器外部一定距离处，并用三个螺丝调节。这样，当激光器工作时，光束中极强的"内部"部分就在外部，可用于观察微小尘埃颗粒等工作，因为这些颗粒在强光下变得清晰可见。

通常，激光谐振腔越长，输出功率越高，光束随距离的发散度也越小。

大多数氦氖激光器的输出是随机偏振的，但如果需要，可以订购内置偏振器的型号。

B.单模或多模简单来说（尽量避免技术细节使问题复杂化），单模（TEM 00）激光器产生一个具有高斯轮廓的圆形光斑，中心最亮，向边缘逐渐变暗。多模激光器产生的光束看起来像是按某种结构排列的多个光束。例如，TEM 01 光束看起来沿中心分成两束；TEM 11 光束看起来分成四束。

多模激光器通常比同等长度的单模激光器功率更高，但光束具有上述复杂结构；光束直径也更大。

因此，如果您需要一个可准直或聚焦到最小光斑的高斯光束，单模激光器可以做到。如果您需要最大功率并且可以接受较大的光斑，那么多模激光器可能适合您。

C.输出功率与电流的关系正如预期的那样，氦氖激光器的光功率输出会随着输入电流的变化而改变。然而，这种变化通常不成比例，甚至方向不同。也就是说，增加电流可能会导致光输出减少。

在大多数氦氖激光器中，输出功率最初会随着电流增加而增加。但超过某一水平后，输出会随着电流增加而减少。见图1，"P-I 曲线"。

图1，"P-I 曲线"

虽然这些曲线因激光器类型和尺寸而异，但此处旨在展示这类激光器的典型特征：功率在0.5到1毫瓦范围的小型激光器，功率在2到7毫瓦范围的大型激光器，以及多模激光器。

从图1可以看出，所有类型的激光器都在开始导电时开始产生光，随着电流增加到某一点，输出功率增加，超过该点后输出功率减少，直到达到某一上限电流时，激光完全停止产生激光。如图1所示，较小激光器的曲线斜率（无论是上升还是下降）比较大激光器更陡。通常，推荐的工作电流选择在最大输出功率点。因此，增加激光器电流不一定能获得更多的光。通常，采用与激光器制造商推荐值不同的工作电流设置会适得其反。

D.光学噪声D.1：定义：就本文而言，光学噪声定义为由任何原因引起的激光输出功率的任何变化。

D.2：噪声源：噪声有多种原因，一些来自激光器本身，一些来自电源。首先，来自激光器的噪声：

D.2a：跳模：这是一种由热效应引起的谐振腔长度变化导致的输出功率低频变化。当激光器升温或冷却时（例如，由于偶尔的气流），表现为输出光周期性逐渐变亮和变暗。激光器仅升温几度就会经历多个这样的循环周期。激光器刚启动时，功率波动速率要快得多，随着升温显著减慢。这种效应在较长的激光器中通常不太明显，在较短的激光器中则更显著。事实上，如果我们试图制造短于约5英寸的激光器，随着模式通过，光束实际上会时有时无。近年来，这个特性在很大程度上已得到克服。现在有些短至3.5英寸的激光器已不表现出此现象。

D.2b：单频振荡：在某些电流水平下（通常比推荐工作电流至少高1毫安），激光器会产生一种低电平振荡，频率大约在1到3兆赫兹。极端情况下，这可能使光束功率调制深度高达峰峰值20%到30%，但通常只有几个百分点。它也会调制激光器的电流。提高或降低电流会极大地影响此振荡的强度。在大多数应用中，这种噪声通常不成问题。

D.2c：宽带噪声：如果输入电流提高到更高水平，就会进入一个区域，激光器开始产生类似白噪声的信号，这可能随着电流增加而时有时无。这种噪声在示波器上看起来相当杂乱无章，通常比单频噪声更强。这种噪声在大多数应用中通常也不是问题。如果使用推荐的工作电流，应该永远不会遇到这种情况。

D.2d：来自电源的噪声：电源也会在输出光束上产生噪声。这种噪声完全是由于通过激光器的电流变化引起的。

最重要的变化源或电流纹波来自电源的开关动作。大多数现代激光电源采用高频功率转换。这发生在20千赫兹到110千赫兹的频率之间。很难或不可能在电源输出端完全滤除所有纹波。随着电流的增减，激光输出自然随之增减。然而，激光输出端的这种噪声并不与电源噪声成正比。观察图1可知，给定的电流变化通常不会产生相同比例的激光输出变化。实际上，根据具体类型，氦氖激光器能将此电流纹波衰减3到10倍。因此，如果电源纹波为峰峰值10%，激光功率纹波可能低至峰峰值1%。

电源纹波的另一个影响是，如果电流纹波足够强，以至于低于激光器的熄灭电流，将发生熄灭，整个系统会变得不稳定，反复经历启动-熄灭的循环。

电源噪声的一个次要（且不那么重要的）来源是交流电源线（当电源来自电网时）。这种噪声发生在120赫兹（全波整流后的线路频率），可能未被电源的稳压功能完全抑制。通常，此类噪声小于峰峰值2%，不是主要问题。不过，也有电源可供选择以消除这种影响。

D.3：测量技术：测量激光束噪声是通过在光束路径上放置一个光电二极管并将其连接到示波器上来完成的。然而，这个过程存在足够多的陷阱和困难，超出了本手册的范围。

测量供给激光器的电纹波或噪声，是通过在激光器阴极串联一个小电阻（通常为100欧姆），并在其两端连接示波器来完成的。见图3。进行此操作时，请确保所有连接牢固。

D.4：噪声是个问题吗？来自激光器或电源的噪声对激光器或电源本身完全无害，如果应用本身不需要恒定的功率水平，则无需担心噪声和纹波。一个对噪声敏感的应用例子可能是科学的粒子测量仪器。为这类应用提供的具有极低输出噪声的电源很容易获得，价格略高。

E.电气特性E.1：工作电压：氦氖激光器的工作方式很像老式的气体稳压管；当您让电流通过它时，其两端的电压或多或少保持恒定，与电流大小无关。实际上，电压会随着电流增加而略有下降，因此电源将其视为一个复阻抗（而非简单的电阻），并且需要一个镇流电阻来防止其简单地成为一个振荡器，以几十赫兹的频率快速开关。在配有合适的镇流电阻时，工作电压会随着电流增加而略有上升。因此，我们看到激光器/镇流电阻组合严格控制着工作电压，使其保持相当稳定。那么，电源必须根据所使用的激光器/镇流电阻组合的电压需求来设计。

工作电压随几个因素变化，包括毛细管直径、充气压力和激光器长度。包含镇流电阻在内的总电压，对于5英寸长的管子约为1,200伏特，对于两英尺长的管子则约为3,500伏特。

一个常见的误区是订购电源时只指定激光器工作电压；镇流电阻的电压降也必须计算在内。激光器制造商通常只公布激光器工作电压；除非他们出售包含镇流电阻的激光头，否则不包括镇流电阻部分。

E.2：工作电流：工作电流与电压一样，取决于几个因素。首先，有一个最低电流，低于此电流则无法维持电离，激光器"熄灭"停止工作。在此之上，随着电流增加，存在一个激光输出随电流增加的区间。然而，这种增加与电流增加不成正比。见图1。在更高的电流下，功率通常会下降，激光器将开始间歇性地产生噪声。

激光器制造商通常基于以下考虑来指定推荐工作电流：处于或接近峰值输出功率；安全地高于"熄灭电流"；低于开始产生噪声的电流水平；以及低于会引起过度发热并因此缩短使用寿命的电流水平。

E.3：镇流电阻：激光器本身会表现出弛张振荡器的行为。为了稳定这种效应，需要在激光器电路中串联一个镇流电阻。其阻值必须足够高以停止振荡，同时足够低以避免浪费电能和不必要地产生热量。功率额定值必须合适；通常使用75千欧、5瓦的电阻，但对于工作电流较小的较小激光器，使用1瓦或2瓦的电阻可能更合适。

镇流电阻必须始终接在阳极端才有效；氦氖激光器有一个相对较大的阴极，其电容会降低镇流电阻的效果。然而，某些配置似乎受益于少量阴极镇流与阳极镇流相结合。

为了稳定性，镇流电阻必须始终安装在距离阳极一英寸或两英寸的范围内。镇流电阻低压侧增加的任何微小电容都可能导致系统变得不稳定并开始振荡，反复进入和退出熄灭状态。

重要提示：在选择镇流电阻时，请牢记以下几点：在激光器击穿导通前，其两端可能承受高达11,000伏特的电压且无电流流过。当开始导电时，激光器电压瞬间降至例如2,000伏特。这意味着，在几微秒内，镇流电阻上会承受高达9,000伏特的压降，直到电源的输出电容器放电至工作电压水平。这种冲击需要非常强壮的电阻。通常，只有线绕电阻才能承受。一些使用仅6,500伏启动电压的小型激光器，可以使用碳合成电阻或经实验验证的碳膜电阻。另一个注意事项：一些海外电阻制造商宣传的"线绕"电阻，实际上可能是金属氧化物电阻，连一次启动瞬态都无法承受。

E.4：熄灭电流：低于某一电流水平，电离无法维持，激光器停止工作。这称为"熄灭电流"；通过增加镇流电阻值可以稍微降低此电流，但最终，在达到约150千欧姆左右时，会达到一个极限，电流不足以维持电离，激光器停止导电，使电源电压升至启动电压，触发激光器并开始下一个循环。这表现为一种频率约10-20赫兹的振荡。这种行为对激光器和电源都不利，一旦识别应立即停止。

有关氦氖激光电源的问题

A. 总体描述：现代氦氖激光电源属于高频开关型，工作频率在20千赫兹到110千赫兹之间。它们被设计成可接受几乎任何输入，从5伏直流电到240伏交流电，并能驱动从1/2毫瓦到30毫瓦乃至更大的任何氦氖激光器。物理尺寸范围从1.3立方英寸到大约一块砖的大小。它们通常被浇注在坚固的导热灌封材料中，以隔绝高达11千伏的高压、将热量传导至整个封装内，并确保机械稳定性。某些应用可能需要略有不同的封装形式。

B. 输入注意事项如果有交流电源可用，最好使用它，因为它几乎是取之不尽的。适用的交流电压有100伏（85-120）、120伏（108-132）以及220伏或240伏（215-265）。如果没有交流电，则可使用电池或直流电，例如：5伏；6-9伏（如两个并联的9伏碱性电池）；10-14伏（如车辆电池）；12-18伏（如两个串联的9伏电池）；或22至30伏（如某些复印机中的电压）。

一个很好的策略可能是使用直流输入电源配合一个壁式插头转换器，如果您的应用原本需要符合UL、CSA、VDE等安全标准，这样可以避免相应的成本和问题。然而，大多数应用并不需要。

注意不要使用开关转换器为激光电源供电。除非其输出非常"干净"，否则开关动作可能会干扰激光电源，导致不稳定和故障。

无论您使用何种输入电源，都必须能够提供足够的电流以满足电源所需的浪涌电流。这通常是几安培（例如，低电压直流输入驱动大型激光器时）到大约1安培（例如，交流输入时）。大多数电池都能轻松应对；然而，熔断器的选择必须考虑到这一点。

C. 输出注意事项C.1 输出电压：电源的输出电压由激光器/镇流电阻组合控制，其作用类似于一个气体稳压管。因此，电源必须根据激光器配置的需求来设计。事实上，它被设计成一个恒流源，在其能力范围内提供用户设定的任何电流，以及激光器所要求的任何电压。

电源的输出电压范围通常标注在其标签上；用户必须确保待供电激光器的电压（包括镇流电阻）落在电源规定的输出范围内。如果没有，系统可能仍能工作，但电源可能被迫在超负荷状态下工作，并可能在一段时间后损坏。即使负载小于允许值，情况也是如此。

C.2 启动电压：根据电源型号，它将产生超过八千或超过一万伏的电压来启动激光器。通常，此电压能几乎瞬时启动激光器。不过，我们偶尔会遇到难以启动的激光器，可能需要长达几分钟才能启动。这样的激光器应直接退回给制造商。

C.3 输出电流：输出电流应始终设置在激光器制造商推荐值的正负0.5毫安范围内。设置值远低于推荐值可能会低于激光器的熄灭电流，导致间歇性或振荡性工作。如前所述，这种情况对激光器和电源都不利，应予以避免。设置值远高于推荐值则可能导致激光器产生噪声，并且在更高电流水平下会降低激光功率。

C.4 噪声与纹波：如果您属于大多数应用场景，则无需过多关注噪声和纹波。当您需要一束相干性好、高度可聚焦的光时，光强是否发生肉眼不可见的轻微变化通常无关紧要。请记住，大多数激光器能将来自电源的纹波效应衰减3到10倍。如果您的应用对光束强度的变化敏感，请指定一个接近您激光器可承受水平的电流纹波指标。

C.5 需要电流调节电位器吗？如果您打算用同一型号的电源驱动多个需要不同工作电流的激光器，请指定带电流调节电位器的型号。请准备好以安全可靠的方式测量阴极引线中的电流。高压电至少会令人不适。

否则，请指定适合您所用激光器的固定电流设置。通常，正负零点一或零点二毫安的偏差无需担心。

C.6 如何测量工作电流和熄灭电流测量激光器电流时，使用一个量程为1到10毫安的模拟电流表，串联接入激光器的阴极引线中。数字电流表也可使用，但应并联两个背对背的快速二极管，以防故障时损坏电表。1N4148二极管很适合此项工作。测量熄灭电流时，先用正常设置启动激光器，然后逐渐调低电流，并记录发生熄灭时的读数。

D. 热管理注意事项D.1 激光管和镇流电阻：在这些系统中，产生的热量绝大部分来自激光管和镇流电阻。氦氖激光器几乎将所有输入功率都转化为了热量。例如，对于一个5毫瓦的激光器，我们可能给它提供2500伏电压和6.5毫安电流，即超过16瓦的功率，但只产生约0.005瓦的激光。其余部分都以热量的形式散发了。

D.2 电源热量：需要散热吗？这类开关电源效率非常高，在大多数条件下优于75%。因此，电源可能消耗高达22瓦的功率，并将其中的75%输送给激光器和镇流电阻。这意味着电源自身转化为热量的功率约为5.5瓦或更少，导热灌封材料会将热量相对均匀地分散到整个封装中。这意味着，只要电源没有被某些隔热材料包围或暴露在过高的环境温度下，就永远不需要额外的散热措施。

注意：用户必须注意，环境温度，特别是包含激光器和电源的设备内部温度，不得超过激光器或电源制造商规定的范围。

D.3 组件布局电源内部确实包含几个可能因过热而缩短使用寿命的元件。因此，建议用户将电源与激光器外壳保持距离，以使其尽可能保持凉爽。

E. 电流调节E.1 电流变化对激光输出的影响：对于较大的激光器，电流的微小变化引起的激光输出变化要小得多。因此，在大多数应用中，正负零点几毫安的电流变化通常无需担心。然而，大多数此类电源都设计用于满足最苛刻的应用需求，因此它们在所有规定的线路和负载条件下都具有非常严格的调节能力。

E.2 关于熄灭的考虑：设计氦氖激光系统时，必须记住，在等离子体管周围放置金属外壳会使其熄灭电流增加多达1毫安。这是通过增加阳极附近的电容实现的。此外，如果激光管装在非导电外壳中（例如聚碳酸酯外壳），用手握住外壳也会产生几乎相同的效果。因此，必须在类似上述条件下确定熄灭电流，并相应地设置或指定电源电流。为避免发生熄灭，应始终为激光器提供比其测量熄灭电流高出约1毫安的电流。同时，请记住，激光器升温后，熄灭电流可能会增加约0.5毫安。

F. 输入注意事项F.1 输入电压与电流的关系：由于这些电源是真正的功率转换器（即实现瓦特到瓦特的转换），可以看到输入电流与输入电压成反比变化，因此在负载（激光器和镇流电阻）恒定的情况下，输入电流随电压降低而增加，反之亦然。

F.2 电池供电考虑：对于电池供电，推荐四种电压：9伏、12伏、18伏和24伏。对于小型手持激光系统，9伏或18伏系统都可以使用两个并联的9伏碱性电池，根据所选激光器的不同，可提供大约30到45分钟的激光操作。对于较大型系统，如建筑激光器，使用12伏或24伏的车载电池可以驱动一个2毫瓦的激光器工作数小时，并且仍能启动车辆。

5伏输入的电源经过优化，适用于计算机系统电源。

F.3 输入电压过低的影响：当电池电压低于电源的最低输入值时，电源将失去调节能力或"下潜"，激光器将开始熄灭。然后电源将进入启动模式并重新启动激光器，重复此循环直到关机。这表现为一种频率约10-20赫兹的振荡。如果激光束扫过墙壁等表面，激光器会产生一系列光点，电源会发出可闻的嗡嗡声。这种情况对激光器和电源都不利，一旦发现应立即停止。在需要使用激光的情况下（例如演讲时使用激光笔），应尽量减少使用激光，并尽快更换电池。建议在这些情况下备用电池。

G. 尺寸与配置G.1 安装要求：大多数电源模块至少提供两个中心距为2.3英寸的安装孔。这些孔靠近模块侧面，可容纳6-32号螺钉。模块应与激光管或外壳保持至少1/2英寸的距离，以便保持凉爽。如前所述，在大多数情况下，无需将模块安装到任何散热器上，但如果存在金属外壳等形式的散热体，将其安装到上面只会帮助延长使用寿命。

G.2 输出线：高压正极线在所有情况下都是采用至少20千伏绝缘的高压多股线。返回线通常也是如此，不过某些配置可能使用带特氟龙绝缘的较细导线。但是，在返回线必须靠近激光器阳极布线的情况下，更推荐使用绝缘更厚的导线。

许多大型电源的引线上模制有高压连接器。这种连接器由Alden公司推广普及，因此常被称为"Alden连接器"，尽管它们现在也由其他公司生产。

G.3 可提供的特殊配置：如果应用需要特殊形状或安装方式，通常可以很快提供特殊配置，且几乎不产生额外费用。在大多数情况下，特殊的输出电压和电流也可以轻松且低成本地安排。

G.4 熔断要求：这些设备应加装熔断器以保护供电线路或电池。熔断器必须能够提供足够的电流以满足开机浪涌需求。对于驱动5毫瓦激光器的12伏输入电源，建议使用3到5安培的快速熔断器。对于从120伏线路供电的相同规格系统，1安培的熔断器是合适的。由两个9伏电池驱动的0.5到1毫瓦激光器通常不需要熔断器。有关此问题的进一步指导，请联系电源制造商。

H. 更改电流（毫安）H.1 调节电位器：1). 将电源连接到输入电源、激光器和电流测量设备。2). 打开电源。3). 观察输出电流。4). 逆时针旋转电位器以降低输出电流，顺时针旋转电位器以增加电流。5). 在达到所需的输出电流时停止调节电位器。

美国Voltex公司氦氖激光电源产品规格

交流OEM电源：DG系列双交流输入型电源采用紧凑设计，具备高可靠性开关电源特性，可提供超低输出纹波、输入滤波及CDRH标准延时功能。该系列产品以实现卓越转换效率为目标，采用专门配方的环氧树脂进行全灌封封装，在确保最佳散热效果的同时提供完善的电气绝缘保护。

直流OEM电源

E-NN-xx系列12伏直流输入型电源，F-NN-xx系列24伏直流输入型电源，采用紧凑设计，具备高可靠性开关电源特性，可提供超低输出纹波、输入滤波、CDRH标准延时、用户可调输出电流及集电极开路禁用（即“TTL控制”）功能。该系列产品以实现卓越转换效率为目标，采用专门配方的环氧树脂进行全灌封封装，在确保最佳散热效果的同时提供完善的电气绝缘保护。