Por que e como usar os lasers HeNe para aplicações industriais e científicas

Os lasers são agora uma parte indispensável do conjunto de ferramentas do projetista do sistema industrial, pois permitem aplicações que vão desde medições e sensoreamento de micro-níveis até funções industriais em larga escala. Um dos lasers mais utilizados para aplicações industriais e científicas é o laser de gás hélio-neon (HeNe), e por muitas boas razões, incluindo alto desempenho, tamanho pequeno, estabilidade e saída óptica de alta qualidade. Entretanto, os projetistas devem adequar o tubo laser a uma fonte de energia de alta tensão adequada para o arranque efetivo do laser, operação contínua e longa vida útil.

Este artigo discute os lasers e as opções de laser antes de olhar mais de perto o laser HeNe, e porque ele é tão amplamente utilizado. Em seguida, analisa fatores a serem considerados para uma aplicação bem sucedida desta classe de dispositivos de exemplo de laser da família REO da Excelitas Technologies de lasers HeNe e fontes de alimentação adequadas.

O que são lasers?

Laser é a abreviação de "amplificação de luz através da emissão estimulada de radiação". As propriedades únicas da saída do feixe laser é que a energia eletromagnética e as ondas de saída são monocromáticas, coerentes e alinhadas umas com as outras em fase, tempo e espaço. Isto é verdade quer a saída do laser esteja na parte visível ou invisível do espectro óptico. A maioria dos lasers tem um comprimento de onda de saída fixo (λ), mas alguns podem ser ajustados para um dos vários valores discretos de comprimento de onda.

O primeiro laser foi demonstrado por Theodore H. Maiman, um físico do Hughes Research Laboratories em Malibu, CA, em maio de 1960. Ele usou rubi (CrAlO3) e lanternas fotográficas como fonte "bomba" do laser para produzir um feixe de luz vermelha a um comprimento de onda de 694 nanômetros (nm). A questão de quem deveria obter crédito científico pela concepção do laser, bem como direitos de royalties, foi objeto de uma disputa de patentes por 30 anos entre três físicos.

Como funcionam os lasers

Os lasers têm três blocos básicos de construção:

• O próprio material de laminação, que pode ser um sólido, líquido, gás ou semicondutor, e pode emitir luz em todas as direções
• Uma fonte de bombeamento que adiciona energia ao material de laser, como uma lâmpada de flash, uma corrente elétrica para causar colisões de elétrons, ou radiação de outro laser
• Uma cavidade óptica constituída por refletores - um totalmente refletor e o outro parcialmente refletor - que fornecem o mecanismo de feedback positivo para amplificação da luz

Para que a ação de laser ocorra, é necessário excitar a maioria dos elétrons dentro da cavidade a um nível de energia mais alto, conhecido como inversão de população. Esta é uma condição instável para os elétrons, portanto eles permanecem neste estado por um curto período de tempo e depois voltam ao seu estado original de energia de duas maneiras:

• Primeiro, há uma decomposição espontânea, já que os elétrons simplesmente caem de volta ao seu estado de terra enquanto emitem fótons direcionados aleatoriamente
• Em segundo lugar, há uma decomposição estimulada onde os fótons dos elétrons em decomposição espontânea atingem outros elétrons excitados, o que os faz cair em seu estado de terra

Esta transição estimulada irá liberar energia na forma de fótons, que viajam em fase e no mesmo comprimento de onda e na mesma direção que o fóton incidente. Os fótons emitidos viajam para frente e para trás na cavidade ótica, através do material de fixação entre o espelho totalmente refletor e o espelho parcialmente refletor. Esta energia luminosa é amplificada até que se acumule energia suficiente para que uma explosão de luz laser seja transmitida através do espelho parcialmente refletor.

Os quatro principais tipos de lasers

Enquanto o primeiro laser óptico era baseado em um cristal de rubi, existem agora quatro tipos e materiais principais de laser em uso: diodo semicondutor, gás, líquido e sólido. Em resumo, e com considerável simplificação, eles trabalham da seguinte forma:

1: O diodo laser: Trata-se de um diodo emissor de luz (LED) que utiliza uma cavidade óptica em material de estado sólido para amplificar a luz emitida pelo gap de banda de energia que existe nos semicondutores. O diodo laser pode ser ajustado a diferentes comprimentos de onda variando a corrente aplicada, temperatura ou campo magnético, e a saída pode ser uma onda contínua (CW) ou pulsada.

2) Lasers a gás: Estes utilizam um tubo cheio de gás para a cavidade. Uma tensão (chamada de fonte de bomba externa) é aplicada ao tubo para excitar os átomos no gás para a inversão populacional na qual os elétrons passam de um estado de energia para um superior e voltam. Os fótons ricocheteiam entre as extremidades da cavidade devido aos espelhos, e seus números se acumulam em uma ação oscilante. A luz emitida por este tipo de laser é normalmente CW.

3) Lasers líquidos ou corantes: Estes utilizam um material ativo em suspensão líquida em uma célula de corante como meio de lasing. Estes lasers são populares porque podem ser ajustados a um dos vários comprimentos de onda, alterando a composição química do corante.

4) Laser sólido de elétrons livres: Este utiliza um feixe de elétrons que viaja ao longo de uma cavidade óptica que está imersa em um campo magnético externo serpentino. A mudança na direção dos elétrons devido ao campo magnético faz com que eles emitam fótons. Este laser pode gerar comprimentos de onda desde o microondas até a região de raios X.

Naturalmente, os detalhes de operação envolvem física quântica avançada, ciência dos materiais, princípios de energia eletromagnética, fontes de alimentação e fontes de bomba. O comprimento de onda específico emitido é uma função do tipo de laser, materiais e como o laser é excitado, ou bombeado (Tabela 1).

Tabela 1: Um resumo dos vários tipos de laser mostra o comprimento de onda específico da luz produzida por cada material de laser. (Fonte da tabela: Federação de Cientistas Americanos)

Para os projetistas de sistemas baseados em laser, os princípios subjacentes são de interesse na medida em que contribuem para adquirir uma compreensão dos parâmetros relacionados, suas implicações e suas limitações.

Parâmetros críticos do laser para projetistas

Como em todos os componentes, existem alguns parâmetros de primeira linha que definem a seleção básica e o desempenho, juntamente com muitos parâmetros de segunda e terceira linha. Para os lasers, os parâmetros observados primeiramente são comprimento de onda de saída, potência de saída, diâmetro do feixe e divergência do feixe (spread). Também são importantes o tipo de saída (pulso ou CW), eficiência, forma da seção transversal do feixe de saída (perfil), vida útil, controlabilidade e facilidade de uso.

Observe que a potência de saída do laser pode variar de miliwatts (mW) a kilowatts (kW), dependendo do comprimento de onda e do tipo de laser. Muitas aplicações do laser, tais como instrumentos de teste e medição em pequena escala, necessitam apenas de alguns miliwatts, enquanto os lasers kilowatts são usados para o corte de metais e armas de energia direcionada.

Como em todas as medições de potência óptica, quantificar a potência de saída do laser e fazê-lo com precisão é complicado, e os tecnólogos do Instituto Nacional de Normas e Tecnologia (NIST) têm dedicado esforços consideráveis ao desafio. A medição é afetada pelas características da energia óptica: comprimento de onda, nível de potência, CW ou pulso, e qual parâmetro está sendo medido, como potência média, potência de pico, espectro e dispersão) (Tabela 2).

Tabela 2: A medição da potência óptica a laser é um grande desafio, e diferentes sensores e técnicas são necessários dependendo do comprimento de onda e do período de saída. (Fonte da tabela: Coherent Inc.)

Observe também quase tudo o que tem a ver com lasers, potência de saída e comprimento de onda está sujeito a muitas restrições de segurança para evitar danos aos olhos, à pele e aos materiais. Estas complicadas restrições e as classes de laser associadas são definidas por agências reguladoras em vários países e regiões do mundo. Esta é outra boa razão para usar a menor potência possível de laser para o projeto e por que os fornecedores oferecem lasers com níveis de potência de saída espaçados. Por exemplo, a família REO inclui lasers HeNe similares com saída de 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 5,0, 10, 12, 15 e 25 mW - uma faixa de mais de 25:1.

Aplicações, características e operação do laser HeNe

Como em todas as escolhas de componentes, não há uma única unidade laser "melhor", pois as aplicações precisam de diferentes comprimentos de onda, níveis de potência e outras especificações, geralmente definidas pela física da situação. O laser HeNe é freqüentemente um bom ajuste para muitos projetos industriais e de teste, como a espectroscopia Raman, uma técnica de inspeção óptica não destrutiva que não requer contato físico direto com a amostra.

Esta espectroscopia é utilizada para análise química rápida e precisa de sólidos, pós, líquidos e gases na análise de materiais, microscopia, farmacêutica, forense, identificação de fraudes alimentares, monitoramento de processos químicos e várias funções de segurança interna. Entre os atributos atrativos do laser HeNe para estas aplicações estão seu comprimento de onda e potência de saída estáveis, saída vermelha extremamente monocromática em λ = 632,8 nm (muitas vezes simplificada para 633 nm), feixe estreito, baixa divergência e boa coerência e estabilidade de saída em distância e tempo.

O laser HeNe é construído em torno de um tubo de vidro oco com espelhos voltados para dentro e preenchido com 85-90% de gás hélio e 10-15% de gás néon (o verdadeiro meio de laser) a uma pressão de cerca de 1 Torr (0,02 libras por polegada quadrada (lb/in2)). O tubo também possui dois espelhos voltados para dentro. Um é um espelho plano de alto reflexo em uma extremidade, o outro um espelho côncavo de saída com aproximadamente 1% de transmissão na outra extremidade (Figura 1).

Figura 1: O coração do laser HeNe é um tubo de vidro preenchido principalmente com hélio, com uma pequena porcentagem de néon; o tubo tem um espelho interno totalmente refletivo em sua extremidade posterior e um espelho de transmissão de 1% para acoplamento de saída na extremidade de saída do feixe. (Fonte da imagem: Wikipedia)

Durante o processo de bombeamento, uma descarga elétrica através da mistura de gás é iniciada por um pulso de alta tensão (aproximadamente 1000 volts a 1500 volts DC, a 10 a 20 miliamperes (mA)). O laser real vem da desexcitação dos portadores entre os níveis de energia orbital dos elétrons (como 3s a 2p) dos átomos de Ne. Esta transição de 3s a 2p produz a saída primária de 632,8 nm. Outras transições de nível de energia também ocorrem, produzindo saídas a 543 nm, 594 nm, 612 nm e 1523 nm, mas a saída de 632,8 nm é a mais útil.

Os lasers HeNe agora catalogam itens

Nos primeiros tempos dos lasers, as unidades eram frequentemente fabricadas à mão, assim como a fonte de energia. Agora, os lasers - especialmente os mais utilizados, como os lasers a gás HeNe - estão disponíveis como componentes imediatos "fora da prateleira", com potências que abrangem uma ampla gama, como demonstrado por dois lasers da família REO da Excelitas Technologies.

O primeiro exemplo, o Modelo 31007, está na extremidade baixa da escala de potência, capaz de fornecer 0,8 mW (mínimo) com um diâmetro de viga de 0,57 milímetros (mm) e divergência de viga de 1,41 miliradianos (mrad) (Figura 2). Requer 1500 volts a 5,25 mA durante a operação para o tubo laser, que tem cerca de 178 mm de comprimento e 44,5 mm de diâmetro; possui um Centro de Dispositivos e Saúde Radiológica (CDRH)/CE com classificação de segurança IIIa/3R.

Figura 2: O laser HeNe modelo 31007 de baixa potência pode fornecer pelo menos 0,8 mW com um diâmetro de feixe de 0,57 mm e divergência de feixe de 1,41 mrad. (Fonte de imagem: Excelitas Technologies)

No extremo superior da faixa de potência REO está o 30995, um laser de 17 mW (típico), 25 mW (máximo) que requer 3500 volts a 7 mA. Seu comprimento de tubo é de cerca de 660 mm, a largura da viga é de 0,92 mm e a divergência é de 0,82 mrad. Tem uma classificação de segurança IIIb/3B CDRH/CE mais restritiva.

Há muitas razões para selecionar o laser de menor potência que pode fazer o trabalho. Menor potência significa menor preocupação com a segurança e mandatos regulatórios, juntamente com o tamanho do tubo menor, menor custo e menor fornecimento de energia.

Fornecimento de energia: crítico para os lasers HeNe

O fornecimento de energia é fundamental para o desempenho dos componentes a laser. Para os lasers HeNe, o tubo precisa primeiro de cerca de 10 kV DC (tensão de ruptura) para iniciar o processo de excitação. Além disso, requer uma tensão de sustentação estável na faixa de 1 a 3 kV DC, juntamente com uma corrente abaixo de 10 mA. Embora o nível de potência seja modo- apenas 20 a 30 watts - poucos engenheiros estão equipados, treinados ou têm tempo para projetar uma alimentação adequada para esta tensão, particularmente devido aos requisitos de segurança e regulatórios e certificações para fatores como fuga e folga, além do desempenho elétrico e eletromagnético básico (EMI).

Por que a necessidade de uma tensão inicial mais alta em comparação com a tensão de sustentação? O laser HeNe é um dispositivo de "resistência negativa" para que a tensão através do tubo diminua à medida que a corrente aumenta. A mesma questão ocorre com a simples lâmpada de néon, como a lendária, mas agora em grande parte obsoleta, lâmpada NE-2 "glow lamp". Sua tensão de ruptura ou "strike" está em torno de 90 volts (CA ou CC), após o que a tensão de operação cai para cerca de 60 volts. Um modo que os projetistas forneceram a maior tensão inicial, seguida por uma tensão operacional mais baixa, foi usar um resistor de lastro em série de cerca de 220 kilohms (kΩ) (Figura 3).

Figura 3: Dispositivos de resistência negativa, tais como tubos laser HeNe e lâmpadas de néon (como a NE-2 aqui retratada) precisam de uma função de resistência de lastro para acomodar sua fase de iniciação de tensão mais alta/corrente mais baixa, seguida por sua fase de sustentação de tensão mais baixa/corrente mais alta. (Fonte da imagem: Lewis Loflin/Bristol Watch)

Entretanto, esta solução simples não é apropriada para um tubo a laser HeNe em uma aplicação comercial. Primeiro, há os mandatos de segurança e regulamentação. Em segundo lugar, a alimentação deve ser adequadamente adaptada ao tubo para um desempenho ideal e a tensão de iniciação deve ser mantida dentro da tolerância. Em terceiro lugar, a estabilidade da tensão de saída e da fonte de corrente do fornecimento é fundamental para manter a estabilidade do laser.

Por estas razões, a Excelitas Technologies oferece suprimentos plug-in que atendem aos requisitos técnicos e regulamentares para lasers HeNe de menor potência. Por exemplo, a fonte de alimentação 39783 opera de 100 a 130 volts CA e 200 a 260 volts CA (50 a 400 hertz (Hz)), e fornece 1500 a 2400 volts com uma tensão de partida acima de 10 kV CC, e uma corrente operacional de 5,25 mA (Figura 4). A regulagem de corrente apertada é importante para o desempenho estável do tubo HeNe, por isso o 39783 mantém a ±0,05 mA. A fonte de alimentação tem uma pegada modesta de 241 x 133 mm e uma altura de 54 mm. Também vem com um cadeado físico para segurança e proteção.

Figura 4: A fonte de alimentação 39783 para os lasers HeNe fornece uma tensão e corrente estáveis e controladas tanto para as fases de iniciação quanto para as fases de operação sustentada do tubo HeNe, ao mesmo tempo em que atende aos rigorosos requisitos regulatórios para fornecimentos da classe quilovolt. (Fonte de imagem: Excelitas Technologies)

Para tubos HeNe maiores, a Excelitas tem o fornecimento de 39786 no mesmo tamanho de embalagem. Esta unidade tem uma saída maior de 3200 a 3800 volts, uma tensão de partida acima de 12,5 kV, e fornece corrente DC de até 7,0 mA.

Conclusão

Os lasers vêm em muitas formas para muitas aplicações. Para projetistas de sistemas industriais que procuram uma saída monocromática estável a níveis razoáveis de potência, o laser de gás HeNe é uma opção atraente. Entretanto, como mostrado, os lasers devem ser combinados com a fonte de energia correta para atender aos requisitos de desempenho, regulamentação, segurança e proteção.