מדוע וכיצד להשתמש בלייזרים HeNe עבור יישומים תעשייתיים ומדעיים

לייזרים הם כיום חלק חיוני בערכת הכלים של מתכנני מערכות תעשייתיות, מכיוון שהם מאפשרים יישומים החל ממדידות ברמת המיקרו, דרך חישה ועד לפונקציות תעשייתיות רחבות-היקף. אחד הלייזרים הנפוצים ביותר עבור יישומים תעשייתיים ומדעיים הוא לייזר הגז הליום-ניאון (HeNe), ומסיבות טובות ורבות, כולל ביצועים עיליים, גודל קטן, יציבות ויציאה אופטית באיכות גבוהה. עם זאת, על המתכננים להתאים את שפופרת הלייזר לספק-כוח מתח גבוה המתאים עבור אתחול לייזר יעיל, פעולה רצופה וחיים ארוכים.

מאמר זה דן בלייזרים ובאפשרויות לייזר לפני שבוחנים מקרוב את לייזר HeNe ומדוע הוא בשימוש נרחב כל כך. לאחר מכן נבחן את הגורמים שיש לשקול לטובת יישום מוצלח של קטגוריה זו של התקני לייזר בעזרת דוגמה ממשפחת REO מבית Excelitas Technologies של לייזרים HeNe וספקי-כוח מתאימים.

מה הם לייזרים?

המונח לייזר - LASER - הוא ראשי התיבות באנגלית של Light Amplification by Stimulated Emmission of Radiation - הגברת אור באמצעות פליטה מאולצת של קרינה. המאפיינים הייחודיים של יציאת קרן לייזר הם שהאנרגיה האלקטרומגנטית וגלי היציאה הם מונוכרומטיים, קוהרנטיים, ומתיישרים זה את זה באותה פאזה, בזמן ובמרחב. זה נכון בין אם יציאת הלייזר היא בחלק הנראה או הבלתי-נראה של הספקטרום האופטי. לרוב הלייזרים יש אורך-גל יציאה קבוע (λ), אך את כמה מהם ניתן להגדיר באחד מתוך מספר ערכי אורך-גל בדידים.

את הלייזר הראשון הדגים Theodore H. Maiman, פיזיקאי ב- Hughes Research Laboratories שבמאליבו, קליפורניה, במאי 1960. הוא השתמש באודם (CrAlO3) ובפנסי צילום כמקור ה"משאבה" של הלייזר כדי לייצר קרן אור אדומה באורך-גל של 694 ננומטר (nm‏). מי זכאי לקבל את הקרדיט המדעי על המצאת הלייזר כמו גם הזכויות לתמלוגים היה נושא לסכסוך על הפטנט בין שלושה פיזיקאים שנמשך 30 שנה.

איך עובדים לייזרים

ללייזרים יש שלוש אבני בניין בסיסיות:

• חומר הלייזר עצמו, שיכול להיות מוצק, נוזל, גז או מוליך-למחצה, ויכול לפלוט אור לכל הכיוונים
• מקור "משאבה" שמוסיף אנרגיה לחומר הלייזר כגון מנורת הבזק, זרם חשמלי הגורם להתנגשויות אלקטרונים או קרינה מלייזר אחר
• תא אופטי הכולל מחזירי-אור - אחד מחזיר במלואו והשני מחזיר חלקית - המספקים את מנגנון המשוב החיובי עבור הגברת האור

כדי שפעולת הגברת האור תתבצע, יש צורך לעורר את רוב האלקטרונים שבתוך התא לרמת אנרגיה גבוהה יותר, הנקראת "היפוך אוכלוסייה". זהו מצב לא יציב עבור האלקטרונים, ולכן הם נשארים במצב זה זמן קצר ואז דועכים למצב האנרגיה המקורי שלהם בשתי דרכים:

• ראשית, יש דעיכה ספונטנית, מכיוון שהאלקטרונים פשוט נופלים חזרה למצב הבסיסי שלהם תוך שהם פולטים פוטונים המכוונים רנדומלית
• שנית, יש דעיכה מאולצת שבה הפוטונים מאלקטרונים הדועכים ספונטנית פוגעים באלקטרונים מעוררים אחרים, מה שגורם להם ליפול למצב הבסיסי שלהם

מעבר מאולץ זה ישחרר אנרגיה בצורת פוטונים, הנעים באותו אורך-גל, באותה פאזה ובאותו כיוון כמו הפוטון הפוגע. הפוטונים הנפלטים נעים קדימה ואחורה בתא האופטי, דרך חומר הלייזר שבין המראה המחזירה במלואה לבין המראה המחזירה חלקית. אנרגיית אור זו מוגברת עד שנבנית אנרגיה מספקת עבור פרץ של אור לייזר שיועבר דרך המראה המחזירה חלקית.

ארבעת סוגי הלייזרים העיקריים

בעוד שהלייזר האופטי הראשון התבסס על גביש אודם, משתמשים כיום בארבעה סוגי לייזר וחומרים עיקריים: דיודות מוליכים-למחצה, גז, נוזל ומוצק. בקצרה, ועם פישוט ניכר, הם פועלים כדלהלן:

1) דיודת לייזר: זוהי דיודה פולטת אור (LED) המשתמשת בתא אופטי עם חומר מצב-מוצק כדי להגביר את האור הנפלט ממרווח פסי האנרגיה הקיימים באטומים של המוליכים-למחצה. דיודת הלייזר ניתנת לכיוונון לאורכי-גל שונים על ידי שינוי הזרם, הטמפרטורה או השדה המגנטי המופעלים, והיציאה יכולה להיות בגל רצוף (CW) או בפולסים.

2) לייזר גז: אלו משתמשים בשפופרת ממולאת-גז עבור התא. מתח (הנקרא מקור "משאבה" חיצוני) מופעל על השפופרת כדי לעורר את האטומים שבגז למצב של "היפוך אוכלוסייה" שבו אלקטרונים עוברים ממצב אנרגיה אחד למצב גבוה יותר ובחזרה. הפוטונים מנתרים קדימה ואחורה בין קצוות התא עקב המראות, ומספרם מצטבר בפעולה תנודתית. האור הנפלט מסוג לייזר זה הוא בדרך כלל CW.

3) לייזרי נוזל או צבע: אלו משתמשים בחומר פעיל בתוך תרחיף נוזל בתא צבע כמדיום הלייזר. לייזרים אלו הם פופולריים מכיוון שניתן לכוונן אותם לאחד ממספר אורכי-גל על ידי שינוי ההרכב הכימי של הצבע. 

4) לייזר נטול-אלקטרונים מוצק: הוא משתמש בקרן אלקטרונים הנעה לאורך התא האופטי הטבול בשדה מגנטי חיצוני מפותל. השינוי בכיוון של האלקטרונים עקב השדה המגנטי גורם להם לפלוט פוטונים. לייזר זה יכול ליצור אורכי-גל מאזורי המיקרוגל ועד לקרני רנטגן.

כמובן שפרטי הפעולה כוללים פיזיקה קוונטית מתקדמת, מדע החומרים, עקרונות אנרגיה אלקטרומגנטית, ספקי-כוח ומקורות "משאבה". אורך-הגל הספציפי הנפלט הוא פונקציה של סוג הלייזר והחומרים וכיצד הלייזר מעורר או נדחף (טבלה 1).

טבלה 1: הסיכום של סוגי הלייזרים השונים מראה את אורך-הגל הספציפי של האור הנוצר על ידי כל חומר לייזר. (מקור טבלה: Federation of American Scientists)

עבור מתכנני מערכות מבוססות-לייזר, העקרונות הבסיסיים מעניינים ככל שהם תורמים להשגת הבנה של הפרמטרים הקשורים, השלכותיהם ומגבלותיהם.

פרמטרי לייזר קריטיים עבור המתכננים

כמו עם כל הרכיבים, ישנם כמה פרמטרים מהרמה-העליונה המגדירים את המבחר והביצועים הבסיסיים, יחד עם פרמטרים רבים מהרמה-השנייה ומהרמה-השלישית. עבור לייזרים, הפרמטרים שנבדקו תחילה הם אורך-הגל ביציאה, הספק היציאה, קוטר האלומה ופיזור האלומה (הפרישה). חשובים גם סוג היציאה (פולסים או CW), הנצילות, צורת חתך רוחב אלומת היציאה (פרופיל), אורך החיים, יכולת הבקרה וקלות השימוש.

יש לשים לב שהספק יציאת הלייזר יכול להיות בתחום שבין מיליוואט (mW) ועד קילוואט (kW‏), בתלות באורך-הגל ובסוג הלייזר. יישומי לייזר רבים כגון מכשירי בדיקה ומדידה בקנה מידה קטן זקוקים למספר מיליוואט בלבד, בעוד שלייזרים של קילוואטים משמשים לחיתוך מתכות ולכלי-נשק עם אנרגיה-מכוונת.

כמו עם כל מדידות ההספק האופטי, כימות הספק יציאת הלייזר וביצוע זאת במדויק הם מסובכים, וטכנולוגים ב- NIST‏ - National Institute of Standards and Technology הקדישו מאמץ ניכר לאתגר זה. המדידה מושפעת מהמאפיינים של האנרגיה האופטית: אורך-הגל, רמת ההספק, CW או פולסים, וכן איזה פרמטר נמדד, כגון הספק ממוצע, הספק שיא, ספקטרום ופיזור (טבלה 2).

טבלה 2: מדידת הספק אופטי של לייזר הוא אתגר עיקרי, ונדרשים חיישנים שונים וטכניקות שונות בהתאם לאורך-הגל ולמשך היציאה. (מקור הטבלה: .Coherent Inc)

שימו לב שבכמעט כל הקשור בלייזרים, הספק היציאה ואורך-הגל כפופים למגבלות בטיחות רבות כדי למנוע נזק לעיניים, לעור ולחומרים. המגבלות המסובכות וקטגוריות הלייזרים הנלוות מוגדרים על ידי סוכנויות רגולטוריות במדינות ואזורים שונים בעולם. זוהי עוד סיבה טובה להשתמש בהספק הלייזר הנמוך ביותר האפשרי עבור הפרויקט ומדוע ספקים מציעים לייזרים עם רמות הספק יציאה מרווחות. לדוגמה, משפחת REO כוללת לייזרים דומים של HeNe עם יציאות של 0.8, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0, 5.0, 10, 12, 15 ו- 25 מיליוואט - תחום של מעל 25:1.

יישומים, מאפיינים ופעולה של לייזר HeNe

כמו עם כל אפשרויות הרכיבים, אין יחידת לייזר אחת "הטובה ביותר", שכן יישומים זקוקים לאורכי-גל שונים, רמות הספק שונות ומפרטים אחרים, המוגדרים כללית על ידי הפיזיקה של המצב. לייזר HeNe מתאים לרוב עבור פרויקטים תעשייתיים רבים ולבדיקות כגון ספקטרוסקופיית Raman, טכניקת בדיקה אופטית לא-הרסנית שאינה דורשת מגע פיזי ישיר עם הדגימה.

ספקטרוסקופיה זו משמשת עבור אנליזה כימית מהירה ומדויקת של מוצקים, אבקות, נוזלים וגזים בניתוח חומרים, מיקרוסקופיה, ייצור תרופות, זיהוי פלילי, זיהוי הונאות מזון, ניטור תהליכים כימיים ופונקציות ביטחון פנים שונות. בין התכונות האטרקטיביות של לייזר HeNe עבור יישומים אלה ניתן למנות את אורך-הגל והספק היציאה היציבים שלו, יציאה אדומה מונוכרומטית ביותר ב- nm‏ λ = 632.8 ננומטר (לרוב מעוגלת ל- nm‏ 633), אלומה צרה, פיזור נמוך, קוהרנטיות יציאה טובה ויציבות על פני מרחק וזמן.

לייזר HeNe בנוי סביב שפופרת זכוכית חלולה עם מראות הפונות פנימה הממולאת %‏90‏-85 גז הליום ו- 10-15% גז ניאון (תווך הגברת-האור בפועל) בלחץ של כ- Torr‏ 1‏ (psi‏ 0.02‏ (^2‏lb/in‏)). כאמור, לשפופרת יש גם שתי מראות הפונות פנימה. האחת היא מראה שטוחה עם החזרה-גבוהה שבקצה האחד, והשנייה היא מראת צימוד יציאה קעורה עם העברה של כ- 1% בקצה השני (איור 1).

איור 1: הלב של לייזר HeNe היא שפופרת זכוכית ממולאת בעיקר בהליום, עם אחוז קטן של ניאון; בשפופרת יש מראה פנימית מחזירה במלואה בקצה האחורי ומראה המעבירה 1% עבור צימוד היציאה בקצה יציאת-האלומה. (מקור התמונה: Wikipedia)

בזמן תהליך "השאיבה", פריקה חשמלית דרך תערובת הגז מאותחלת על ידי פולס מתח גבוה (כ- 1,000 וולט עד 1,500 וולט DC, ב- 10 עד 20 מיליאמפר (mA‏)). יצירת קרן הלייזר עצמה היא כתוצאה מביטול-עירור של נשאים בין רמות האנרגיה האורביטלית של האלקטרונים (כגון 3s ל- 2p) של אטומי הניאון. מעבר 3s ל- 2p זה מייצר את יציאת ה- nm‏ 632.8‏ העיקרית. מעברי רמות אנרגיה אחרות מתרחשים גם כן, ואלו יוצרים יציאות ב- nm‏ 543‏, nm‏ 594‏, nm‏ 612‏ ו- nm‏ 1523‏, אך יציאת ה- nm‏ 632.8‏ היא השימושית ביותר.

לייזרים HeNe הם כעת פריטי קטלוג

בימים הראשונים של הלייזרים, היחידות היו מיוצרות לרוב בעבודת-יד וכך גם ספק-הכוח. כיום, לייזרים - במיוחד כאלה הנמצאים בשימוש נרחב כמו לייזרים גז HeNe - זמינים מיידית כרכיבים "מן-המדף" עם דירוגי הספק המשתרעים על פני תחום רחב, כפי שמדגימים שני לייזרים ממשפחת REO מבית Excelitas Technologies.

הדוגמה הראשונה, דגם 31007, נמצא בקצה הנמוך של סולם ההספקים, ומסוגל לספק mW‏ 0.8‏ (מינימום) בקוטר אלומה של 0.57 מילימטרים (מ"מ) ופיזור קרן של 1.41 מילירדיאן (mrad‏) (איור 2). הוא דורש 1,500 וולט ב- ‎5.25 mA במהלך הפעולה עבור שפופרת לייזר שאורכה כ- 178 מ"מ וקוטרה 44.5 מ"מ, ויש לו דירוג בטיחות IIIa/3R‏ של Center for Devices and Radiological Health (CDRH)/CE‏.

איור 2: לייזר HeNe בהספק נמוך דגם 31007 יכול לספק לפחות mW‏ 0.8 עם קוטר אלומה של 0.57 מ"מ ופיזור אלומה של mrad‏ 1.41. (מקור התמונה: Excelitas Technologies)

בקצה הגבוה של תחום ההספקים של REO נמצא ה- 30995, לייזר mW‏ 17‏ (טיפוסי), mW‏ 25‏ (מקסימום) הדורש 3,500 וולט ב- mA‏ 7‏. אורך השפופרת שלו הוא כ- 660 מ"מ, רוחב האלומה הוא 0.92 מ"מ, והפיזור הוא mrad‏ 0.82‏. יש לו דירוג בטיחות IIIb/3B CDRH/CE‏ מגביל יותר.

ישנן סיבות רבות לבחור בלייזר עם ההספק הנמוך ביותר שיכול לעשות את העבודה. הספק נמוך יותר פירושו פחות דאגות בנושאי בטיחות ומחויבות רגולטוריות, יחד עם גודל שפופרות קטן יותר, עלות נמוכה יותר וספק-כוח קטן יותר.

ספק-הכוח: קריטי עבור לייזרים HeNe

ספק-הכוח הוא קריטי לביצועי רכיב הלייזר. עבור לייזרים HeNe, השפופרת זקוקה תחילה לכ- DC‏ kV‏ 10‏ (מתח פריצה) כדי לאתחל את תהליך העירור. בנוסף, הוא דורש מתח תומך במצב-יציב בתחום של DC‏ kV‏ 3‏-1, לצד זרם של פחות מ- mA‏ 10‏. למרות שרמת ההספק היא צנועה - רק 20 עד 30 וואט - מעט מהנדסים מצויידים, מאומנים או שיש להם זמן לתכנן ספק-כוח עבור מתח זה, במיוחד לאור דרישות הבטיחות והרגולציה וההרשאות עבור גורמים כמו Creepage‏ ו- Clearance, בנוסף לביצועים החשמליים והאלקטרומגנטיים הבסיסיים (EMI).

מהיכן הצורך במתח אתחול גבוה יותר בהשוואה למתח התומך? לייזר HeNe הוא התקן "התנגדות שלילית" ולכן המתח על פני השפופרת יורד ככל שהזרם עולה. אותה סוגיה קורה גם עם נורת ניאון פשוטה, כדוגמת נורת NE-2‏ "Glow Lamp" האגדית שכיום היא למעשה מיושנת. מתח הפריצה הוא סביב 90 וולט (AC‏ או DC‏), ולאחר מכן מתח הפעולה יורד לבערך 60 וולט. דרך אחת של מתכננים לספק את מתח האתחול הגבוה יותר, ולאחריו את מתח הפעולה הנמוך יותר, היא להשתמש בנגד משנק (Ballast) טורי של בערך 220 קילו-אוהם (kΩ‏) (איור 3).

איור 3: התקני התנגדות-שלילית כגון שפופרות לייזר HeNe ונורות ניאון (כמו ה- NE-2 המוצגת כאן) זקוקים לפונקציה של נגד משנק (Ballast) כדי להתאים את שלב האתחול עם מתח גבוה/זרם נמוך ולאחריו את שלב התמיכה של מתח נמוך יותר/זרם גבוה יותר. (מקור התמונה: Lewis Loflin/Bristol Watch)

עם זאת, פתרון פשוט זה אינו מתאים עבור שפופרת לייזר HeNe ביישומים מסחריים. ראשית, ישנן מחויבויות לבטיחות ולרגולציה. שנית, יש להתאים כראוי את הספקת-הכוח לשפופרת לטובת ביצועים אופטימליים, ומתח האתחול צריך להישמר בתוך תחום הטולרנס שלו. שלישית, היציבות של מתח היציאה של הספקת-הכוח ומקור הזרם היא קריטית לשמירה על יציבות הלייזר.

מסיבות אלו, חברת Excelitas Technologies מציעה ספקי-כוח העומדים בדרישות הטכניות והרגולטוריות עבור לייזרים HeNe עם הספק נמוך יותר. לדוגמה, ספק הכוח 39783 פועל בין 100 ל- 130 וולט AC ובין 200 ל- 260 וולט AC‏ (50 עד 400 הרץ (Hz‏)), ומספק 1,500 עד 2,400 וולט עם מתח אתחול של מעל DC‏ kV‏ 10‏ וזרם פעולה של mA‏ 5.25‏ (איור 4). ייצוב זרם הדוק חשוב עבור ביצועים יציבים של שפופרת ה- HeNe, ולכן ה- 39783 שומר על mA‏ 0.05‏±. לספק-הכוח יש חתימת-שטח צנועה של 133 מ"מ x‏ 241 מ"מ וגובה של 54 מ"מ. הוא גם מגיע עם מנעול-מפתח פיזי עבור אבטחה ובטיחות.

איור 4: ספק-הכוח 39783 עבור לייזרים HeNe מספק מתח וזרם יציבים ומבוקרים עבור שלבי הפעולה הן האתחול והן השמירה של שפופרת ה- HeNe, תוך עמידה בדרישות הרגולציה המחמירות עבור ספק-כוח בקטגוריית- קילו-וולטים. (מקור התמונה: Excelitas Technologies)

עבור שפופרות HeNe גדולות יותר, לחברת Excelitas‏ יש את ספק-הכוח 39786 באותו גודל מארז. ליחידה זו יש מתח יציאה גבוה יותר של 3,200 עד 3,800 וולט, מתח התחלתי של מעל kV‏ 12.5‏ והיא מספקת זרם DC של עד mA‏ 7.0‏.

סיכום

לייזרים מגיעים בצורות רבות עבור יישומים רבים. עבור מתכנני מערכות תעשייתיות המחפשים יציאה מונוכרומטית יציבה ברמות הספק סבירות, לייזר הגז HeNe הוא אפשרות אטרקטיבית. עם זאת, כפי שהוצג, יש לשלב את הלייזרים עם ספק-הכוח המתאים כדי לעמוד בדרישות הביצועים, הרגולציה, הבטיחות והאבטחה.