欧美克粒度仪采用高品质氦氖气体激光光源原因全揭秘

2025-02-10 10:31:43 91阅读次数

扫码分享

沈兴志

珠海有限公司产品经理，中国颗粒学会青年理事，全国颗粒表征与分检及筛网标委会颗粒分技术委员会委员，具有超过20年的光学分析仪器的技术工作经验。主要从事粒度分析仪、Zeta电位分析仪、光谱仪等光学仪器在多种不同领域的应用解决方案研究和开发、技术支持、应用培训和推广等方面工作，并参与相关仪器的开发和完善。协助分析仪器需求者开发和优化合适的测试方法，使测试结果更可靠。提供分析仪器在产业链中的质控方法的管理和质量信息的传递的技术咨询和服务，使分析仪器能发挥其最佳的性能和社会效益。

在市面上常见的激光粒度仪中，普遍使用氦氖（He-Ne）气体激光器或半导体激光器（有些公司把它称作固体激光器）作为光散射粒径分析的光源。作为核心器件的激光器，两者性能上有啥优缺点，对测试分析的影响如何，长期使用的可靠性怎么样等等问题，都是粒度仪用户十分关心的。本文试图通过对这些问题的解答，减少粒度仪使用者的困惑，提高其对数据质量的可信度的认知，在数据出现偏差时提供一定的借鉴。

氦氖气体激光器和半导体激光器

基本原理

OMEC

氦氖气体激光器

惰性氦（He）和氖（Ne）气体工作物质在高压的激发态下，核外层电子能级跃迁发出激光束，是一种光学品质优越的激光器。

▲ 氦氖气体激光器

半导体”固体”激光器

活性半导体工作物质，在电压驱动下，导带和禁带能级间的自由电子跃迁发出激光，严格意义来说此种激光器应称作半导体激光器，发光效率较高，但光学一致性稍差，通常体积小巧轻便。

▲ 半导体激光器

需要澄清的一个事实是，一般来说严格意义的固体激光器是指工作物质为宝石晶体激光器，它与半导体激光器是完全不同的，比如说掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体激光器。固体激光器光学品质优良，但是发光效率较低，常需要散热，一般体积也较大。

▲ Nd:YAG固体激光器

氦氖气体激光器与半导体激光器

性能差异及对粒度分析的影响

OMEC

使用寿命和故障率

氦氖气体激光器的工作物质为惰性气体，原理上工作物质不存在物理化学变化的工作损耗，寿命极长，可达十几二十年，且在此时间内输出光学性能基本保持不变，同时氦氖气体激光管不受电压波动和温度变化的影响，故障率显著低于半导体激光器。

半导体固体激光器由于活性的半导体工作物质，空穴容易在高温高电流高电场等情况下发生不可逆的损失，由于这种损耗是逐渐发生的，虽然同样在理想状态下半导体激光管寿命亦较长，但由于其工作物质对电压和温度非常敏感，同时在电压和波动的环境中，输出光学性能波动剧烈，故障率也比氦氖气体激光管较高得多。

对于粒度测试精密分析仪器，光学性能随时间变换是有致命的影响的，它意味着仪器测试结果会漂移，且这些漂移是不可控的。半导体激光器的仪器通常需要反复不停的用标准粒子标定，强行将变化了的结果拉回标准粒子标称值，这样做不过是掩人耳目的行为，因为标准粒子测准确了，和标准粒子粒径不同的样品测试数据漂移无法得到精准的修正，随着仪器使用时间延长，对于实际样品的测试存在很大的偏差风险。氦氖气体激光器仪器不需要标定，结果始终可靠。欧美克激光粒度仪使用的Lumentum品牌高性能进口氦氖激光器，其采用的硬封装（Hard-seal）工艺确保了惰性气体不散逸，激光器寿命可达十年以上。

激光束发散角（能量分布）的稳定性

氦氖气体激光器发散角由干涉镜距离和尺寸的决定，生命周期内无变化。半导体激光器发散角由半导体PN结尺寸决定，由于半导体材料的易损耗，其激光束发散角（即能量分布）在不断地变化，通过耦合光纤进行激光输出约束和限定其发散角是半导体激光器通常的做法，在一定程度上有所改善，但其输出激光的平行度一般仍然显著弱于气体激光器。由于激光粒度仪是测试颗粒散射光角度的仪器，发散角较大和出现变化意味着测试结果漂移和大颗粒测试性能不断下降（因为大颗粒的散射角极小）。

▲ 激光束的发散角引起的聚焦不良示意图

激光束输出波长线宽

激光器的线宽，即单色性，是指其输出光线在波长上的离散程度。氦氖气体激光器是由电子在分立的能级之间跃迁的势能差发光，半导体激光器是由电子是在各能带之间进行跃迁的势能差发光。能级之间的势能差是单一的，而能带之间的势能差则随晶体结构完整性、温度、电磁场环境等有相对较大的波动。

因此，典型氦氖气体激光器线宽10-3~10-4nm，优质半导体激光器典型值在几个nm。半导体激光器线宽较气体激光器差3到5个数量级，单色性不佳将直接影响光波的衍射效率（相干性）。

▲ 单色性越好，干涉信号信噪比越高的示意图

由相干长度计算公式

（L：相干长度，λ：波长，Δλ：线宽），可得氦氖气体激光器相干长度可达米级尺度，半导体激光管相干长度通常在100微米量级，与氦氖气体激光器相差甚远。激光粒度仪是以光散射，即光的相干现象，进行颗粒分析的。相干性低的半导体激光管会导致噪音水平高，信号弱。而噪音水平高，影响细颗粒测试的准确性。由于半导体激光管相关性较弱，通常需要比氦氖气体激光器高得多的激光强度来提高信号水平，但与此同时噪音水平也同步提高。

此外，高强度激光也可能带来激光安全的隐患。使用半导体激光器的主要好处是其体积小巧且，价格十分便宜。

激光输出光强的温度稳定性

半导体激光器输出功率受温度影响巨大，在需要功率稳定的使用场合中，通常必须搭配恒温器一起使用，即便如此，也是难以保证如HeNe气体激光器输出光能功率稳定的，且半导体激光器在高温下性能极差，对于仪器工作中产生热量影响极大。

在欧美克使用进口气体激光器工艺的保证下，高质量的氦氖激光器具有良好的输出功率稳定性和极低的激光噪声水平，并且激光参数受环境温度波动影响非常小。可在-20~40度范围内经过短时间预热后正常工作，保障了测试数据不会变化，欧美克激光粒度仪使用的Lumentum品牌高性能进口氦氖激光器，预热5分钟后即可达到测试要求。

半导体激光器常号称其无需预热，实际情况是它即使预热也不能改善性能，有些设计采用分出光束进行功率波动补偿计算来弥补其不利影响，但同时也引入了光噪声影响系统的灵敏度和细颗粒测试的准确性。对于粒度分析，激光光强的稳定是核心要求，这直接关系到测试结果粒度分布的准确性。

▲ 恒定电流下，某半导体激光器典型输出光强随温度剧烈变化

▲ 欧美克氦氖气体激光器典型输出光能波动图

激光输出波长的时间稳定性

氦氖气体激光器寿命期内，输出波长始终为632.8nm不变。半导体激光管，随着半导体工作物质的老化、温度变化等因素，输出波长亦随时间不断变化漂移，易导致测试结果出现偏差。

▲ 典型的温度对半导体激光器输出中心波长的影响

采用氦氖气体激光器，结合模块化耐用式设计，光学性能不会在使用中轻易偏移，无需频繁校准仪器。

半导体激光器由于其固有的原因，仪器出现偏差后，很多仪器会采用特定的标准样品测量，然后强行将该标准样品的结果修正到其标准值，这是一种貌似使仪器测试结果回到了标称值的表象，实际上没有对仪器已经出现的物理偏差进行任何处理。如果用户测试样品与其标准样品粒径和粒形都接近一致还好，否则如此的所谓“标定”将对与其使用标准样品不同的粒径未知的实际待测样品带来非常不确定的风险，往往随着时间推进，其测试偏差还会不断地累积放大。

参考资料：

1. 3分钟了解固体激光器，

https://zhuanlan.zhihu.com/p/192347405

2. 氦氖激光器（HeNe Laser）,

https://zhuanlan.zhihu.com/p/669125311

3.第十一章-半导体激光器，

https://zhuanlan.zhihu.com/p/338970148

4.几种激光发生器，徐长发，华中科技大学,

https://zhuanlan.zhihu.com/p/160754050

5. [科普]三张表看懂各类激光器的特点及应用,

https://www.sohu.com/a/243201713_157139

参考信息：

光散射法激光粒度仪测量原理

当光线照射到颗粒上时会发生散射（衍射），其散射（衍射）光强度、散射（衍射）光角度分布与颗粒的大小有关, 因此应用米氏（Mie）散射理论或其特定条件下的简化夫琅禾费衍射理论对仪器探测到光信号反演计算，即可求得被测粉体的粒径分布。

▲ 不同粒径颗粒散射光光能分布的角度不同

粒径的概念及各原理中粒径等效假设的不同

颗粒的大小称为“粒径”，也有文献或测量报告中称为“直径”或者“粒度”，更常见的，我们把颗粒群体中的一个个颗粒的直径进行的统计分析的结果叫做“粒度”，它体现了被测宏观样品在微观尺度的不同直径颗粒的含量分布，有时候也叫做粒径级配或颗粒级配。

如果颗粒是球形的，其粒径的物理含义是非常清楚的。然而对于绝大多数粉体材料，形状是不规则的，为了表征不规则颗粒的大小，通常的“粒径”定义如下：当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球体（或组合）最相近时，就把该球体的直径（或组合）作为被测颗粒的等效粒径（或粒度分布）。激光粒度仪正是通过将实测颗粒的散射光能分布最接近的某一个或一组的球的直径当做实际颗粒的等效粒径，是一种散射光学上的等效。

因此，激光粒度仪测试结果可能由其光学设计而有所差异，又与例如筛分、沉降、显微图像等许多方法得到的结果各有差异，如何在如此多不同的结果中合理评价样品，请参考公众号文章《关于激光粒度仪测量结果出现偏差的一些信息》。

往期精选