歐美克粒度儀采用高品質(zhì)氦氖氣體激光光源原因全揭秘
在市面上常見(jiàn)的激光粒度儀中，普遍使用氦氖（He-Ne）氣體激光器或半導(dǎo)體激光器（有些公司把它稱作固體激光器）作為光散射粒徑分析的光源。作為核心器件的激光器，兩者性能上有啥優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)測(cè)試分析的影響如何，長(zhǎng)期使用的可靠性怎么樣等等問(wèn)題，都是粒度儀用戶十分關(guān)心的。本文試圖通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的解答，減少粒度儀使用者的困惑，提高其對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的可信度的認(rèn)知，在數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差時(shí)提供一定的借鑒。
氦氖氣體激光器和半導(dǎo)體激光器的基本原理：
氦氖氣體激光器：惰性氦（He）和氖（Ne）氣體工作物質(zhì)在高壓的激發(fā)態(tài)下，核外層電子能級(jí)躍遷發(fā)出激光束，是一種光學(xué)品質(zhì)優(yōu)越的激光器。
氦氖氣體激光器
半導(dǎo)體”固體”激光器：活性半導(dǎo)體工作物質(zhì)，在電壓驅(qū)動(dòng)下，導(dǎo)帶和禁帶能級(jí)間的自由電子躍遷發(fā)出激光，嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)此種激光器應(yīng)稱作半導(dǎo)體激光器，發(fā)光效率較高，但光學(xué)一致性稍差，通常體積小巧輕便。
半導(dǎo)體激光器
需要澄清的一個(gè)事實(shí)是，一般來(lái)說(shuō)嚴(yán)格意義的固體激光器是指工作物質(zhì)為寶石晶體激光器，它與半導(dǎo)體激光器是完全不同的，比如說(shuō)摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）晶體激光器。固體激光器光學(xué)品質(zhì)優(yōu)良，但是發(fā)光效率較低，常需要散熱，一般體積也較大。
Nd:YAG固體激光器
氦氖氣體激光器與半導(dǎo)體激光器性能差異及對(duì)粒度分析的影響：
1. 使用壽命和故障率： 氦氖氣體激光器的工作物質(zhì)為惰性氣體，原理上工作物質(zhì)不存在物理化學(xué)變化的工作損耗，壽命極長(zhǎng)，可達(dá)十幾二十年，且在此時(shí)間內(nèi)輸出光學(xué)性能基本保持不變，同時(shí)氦氖氣體激光管不受電壓波動(dòng)和溫度變化的影響，故障率顯著低于半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體固體激光器由于活性的半導(dǎo)體工作物質(zhì)，空穴容易在高溫高電流高電場(chǎng)等情況下發(fā)生不可逆的損失，由于這種損耗是逐漸發(fā)生的，雖然同樣在理想狀態(tài)下半導(dǎo)體激光管壽命亦較長(zhǎng)，但由于其工作物質(zhì)對(duì)電壓和溫度非常敏感，同時(shí)在電壓和波動(dòng)的環(huán)境中，輸出光學(xué)性能波動(dòng)劇烈，故障率也比氦氖氣體激光管較高得多。對(duì)于粒度測(cè)試精密分析儀器，光學(xué)性能隨時(shí)間變換是有致命的影響的，它意味著儀器測(cè)試結(jié)果會(huì)漂移，且這些漂移是不可控的。半導(dǎo)體激光器的儀器通常需要反復(fù)不停的用標(biāo)準(zhǔn)粒子標(biāo)定，強(qiáng)行將變化了的結(jié)果拉回標(biāo)準(zhǔn)粒子標(biāo)稱值，這樣做不過(guò)是掩人耳目的行為，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)粒子測(cè)準(zhǔn)確了，和標(biāo)準(zhǔn)粒子粒徑不同的樣品測(cè)試數(shù)據(jù)漂移無(wú)法得到精準(zhǔn)的修正，隨著儀器使用時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)于實(shí)際樣品的測(cè)試存在很大的偏差風(fēng)險(xiǎn)。氦氖氣體激光器儀器不需要標(biāo)定，結(jié)果始終可靠。歐美克激光粒度儀使用的Lumentum品牌高性能進(jìn)口氦氖激光器，其采用的硬封裝（Hard-seal）工藝確保了惰性氣體不散逸，激光器壽命可達(dá)十年以上。
2. 激光束發(fā)散角（能量分布）的穩(wěn)定性：氦氖氣體激光器發(fā)散角由干涉鏡距離和尺寸的決定，生命周期內(nèi)無(wú)變化。半導(dǎo)體激光器發(fā)散角由半導(dǎo)體PN結(jié)尺寸決定，由于半導(dǎo)體材料的易損耗，其激光束發(fā)散角（即能量分布）在不斷地變化，通過(guò)耦合光纖進(jìn)行激光輸出約束和限定其發(fā)散角是半導(dǎo)體激光器通常的做法，在一定程度上有所改善，但其輸出激光的平行度一般仍然顯著弱于氣體激光器。由于激光粒度儀是測(cè)試顆粒散射光角度的儀器，發(fā)散角較大和出現(xiàn)變化意味著測(cè)試結(jié)果漂移和大顆粒測(cè)試性能不斷下降（因?yàn)榇箢w粒的散射角極?。?/span>
激光束的發(fā)散角引起的聚焦不良示意圖
3. 激光束輸出波長(zhǎng)線寬：激光器的線寬，即單色性，是指其輸出光線在波長(zhǎng)上的離散程度。氦氖氣體激光器是由電子在分立的能級(jí)之間躍遷的勢(shì)能差發(fā)光，半導(dǎo)體激光器是由電子是在各能帶之間進(jìn)行躍遷的勢(shì)能差發(fā)光。能級(jí)之間的勢(shì)能差是單一的，而能帶之間的勢(shì)能差則隨晶體結(jié)構(gòu)完整性、溫度、電磁場(chǎng)環(huán)境等有相對(duì)較大的波動(dòng)。因此，典型氦氖氣體激光器線寬10-3~10-4nm，優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)體激光器典型值在幾個(gè)nm。半導(dǎo)體激光器線寬較氣體激光器差3到5個(gè)數(shù)量級(jí)，單色性不佳將直接影響光波的衍射效率（相干性）。
單色性越好，干涉信號(hào)信噪比越高的示意圖
由相干長(zhǎng)度計(jì)算公式
（L：相干長(zhǎng)度，λ：波長(zhǎng)，Δλ：線寬），可得氦氖氣體激光器相干長(zhǎng)度可達(dá)米級(jí)尺度，半導(dǎo)體激光管相干長(zhǎng)度通常在100微米量級(jí)，與氦氖氣體激光器相差甚遠(yuǎn)。激光粒度儀是以光散射，即光的相干現(xiàn)象，進(jìn)行顆粒分析的。相干性低的半導(dǎo)體激光管會(huì)導(dǎo)致噪音水平高，信號(hào)弱。噪音水平高，影響細(xì)顆粒測(cè)試的準(zhǔn)確性。由于半導(dǎo)體激光管相關(guān)性較弱，通常需要比氦氖氣體激光器高得多的激光強(qiáng)度來(lái)提高信號(hào)水平，但與此同時(shí)噪音水平也同步提高。此外，高強(qiáng)度激光也可能帶來(lái)激光安全的隱患。使用半導(dǎo)體激光器的主要好處是其體積小巧且，價(jià)格十分便宜。
4. 激光輸出光強(qiáng)的溫度穩(wěn)定性: 半導(dǎo)體激光器輸出功率受溫度影響巨大,在需要功率穩(wěn)定的使用場(chǎng)合中，通常必須搭配恒溫器一起使用，即便如此，也是難以保證如HeNe氣體激光器輸出光能功率穩(wěn)定的，且半導(dǎo)體激光器在高溫下性能極差，對(duì)于儀器工作中產(chǎn)生熱量影響極大。在OMEC使用進(jìn)口氣體激光器工藝的保證下，高質(zhì)量的氦氖激光器具有良好的輸出功率穩(wěn)定性和極低的激光噪聲水平，并且激光參數(shù)受環(huán)境溫度波動(dòng)影響非常小?？稍?20~40度范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)短時(shí)間預(yù)熱后正常工作，保障了測(cè)試數(shù)據(jù)不會(huì)變化，歐美克激光粒度儀使用的Lumentum品牌高性能進(jìn)口氦氖激光器，預(yù)熱5分鐘后即可達(dá)到測(cè)試要求。半導(dǎo)體激光器常號(hào)稱其無(wú)需預(yù)熱，實(shí)際情況是它即使預(yù)熱也不能改善性能，有些設(shè)計(jì)采用分出光束進(jìn)行功率波動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算來(lái)彌補(bǔ)其不利影響，但同時(shí)也引入了光噪聲影響系統(tǒng)的靈敏度和細(xì)顆粒測(cè)試的準(zhǔn)確性。對(duì)于粒度分析，激光光強(qiáng)的穩(wěn)定是核心要求，這直接關(guān)系到測(cè)試結(jié)果粒度分布的準(zhǔn)確性。
恒定電流下，某半導(dǎo)體激光器典型輸出光強(qiáng)隨溫度劇烈變化
歐美克氦氖氣體激光器典型輸出光能波動(dòng)圖
5. 激光輸出波長(zhǎng)的時(shí)間穩(wěn)定性：氦氖氣體激光器壽命期內(nèi)，輸出波長(zhǎng)始終為632.8nm不變。半導(dǎo)體激光管，隨著半導(dǎo)體工作物質(zhì)的老化、溫度變化等因素，輸出波長(zhǎng)亦隨時(shí)間不斷變化漂移，易導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差。
典型的溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出中心波長(zhǎng)的影響
歐美克儀器采用氦氖氣體激光器，結(jié)合模塊化耐用式設(shè)計(jì)，光學(xué)性能不會(huì)在使用中輕易偏移，無(wú)需頻繁校準(zhǔn)儀器。半導(dǎo)體激光器由于其固有的原因，儀器出現(xiàn)偏差后，很多儀器會(huì)采用特定的標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)量，然后強(qiáng)行將該標(biāo)準(zhǔn)樣品的結(jié)果修正到其標(biāo)準(zhǔn)值，這是一種貌似使儀器測(cè)試結(jié)果回到了標(biāo)稱值的表象，實(shí)際上沒(méi)有對(duì)儀器已經(jīng)出現(xiàn)的物理偏差進(jìn)行任何處理。如果用戶測(cè)試樣品與其標(biāo)準(zhǔn)樣品粒徑和粒形都接近一致還好，否則如此的所謂“標(biāo)定”將對(duì)與其使用標(biāo)準(zhǔn)樣品不同的粒徑未知的實(shí)際待測(cè)樣品帶來(lái)非常不確定的風(fēng)險(xiǎn)，往往隨著時(shí)間推進(jìn)，其測(cè)試偏差還會(huì)不斷地累積放大。
參考資料：
1.3分鐘了解固體激光器，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-半導(dǎo)體激光器， https://zhuanlan.zhihu.com/p/338970148
4.幾種激光發(fā)生器，徐長(zhǎng)發(fā)，華中科技大學(xué), https://zhuanlan.zhihu.com/p/160754050
5.[科普]三張表看懂各類激光器的特點(diǎn)及應(yīng)用, https://www.sohu.com/a/243201713_157139
參考信息：
光散射法激光粒度儀測(cè)量原理：當(dāng)光線照射到顆粒上時(shí)會(huì)發(fā)生散射（衍射），其散射（衍射）光強(qiáng)度、散射（衍射）光角度分布與顆粒的大小有關(guān), 因此應(yīng)用米氏（Mie）散射理論或其特定條件下的簡(jiǎn)化夫瑯禾費(fèi)衍射理論對(duì)儀器探測(cè)到光信號(hào)反演計(jì)算，即可求得被測(cè)粉體的粒徑分布。
不同粒徑顆粒散射光光能分布的角度不同
粒徑的概念及各原理中粒徑等效假設(shè)的不同：顆粒的大小稱為“粒徑”，也有文獻(xiàn)或測(cè)量報(bào)告中稱為“直徑”或者“粒度”，更常見(jiàn)的，我們把顆粒群體中的一個(gè)個(gè)顆粒的直徑進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果叫做“粒度”，它體現(xiàn)了被測(cè)宏觀樣品在微觀尺度的不同直徑顆粒的含量分布，有時(shí)候也叫做粒徑級(jí)配或顆粒級(jí)配。
如果顆粒是球形的，其粒徑的物理含義是非常清楚的。然而對(duì)于絕大多數(shù)粉體材料，形狀是不規(guī)則的，為了表征不規(guī)則顆粒的大小，通常的“粒徑”定義如下：當(dāng)被測(cè)顆粒的某種物理特性或物理行為與某一直徑的同質(zhì)球體（或組合）最相近時(shí)，就把該球體的直徑（或組合）作為被測(cè)顆粒的等效粒徑（或粒度分布）。激光粒度儀正是通過(guò)將實(shí)測(cè)顆粒的散射光能分布最接近的某一個(gè)或一組的球的直徑當(dāng)做實(shí)際顆粒的等效粒徑，是一種散射光學(xué)上的等效。因此，激光粒度儀測(cè)試結(jié)果可能由其光學(xué)設(shè)計(jì)而有所差異，又與例如篩分、沉降、顯微圖像等許多方法得到的結(jié)果各有差異，如何在如此多不同的結(jié)果中合理評(píng)價(jià)樣品，請(qǐng)參考公眾號(hào)文章《關(guān)于激光粒度儀測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差的一些信息》。
