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沈興志 

珠海歐美克儀器有限公司產(chǎn)品經(jīng)理，中國顆粒學會青年理事，全國顆粒表征與分檢及篩網(wǎng)標委會顆粒分技術委員會委員，具有超過20年的光學分析儀器的技術工作經(jīng)驗。主要從事粒度分析儀、Zeta電位分析儀、光譜儀等光學儀器在多種不同領域的應用解決方案研究和開發(fā)、技術支持、應用培訓和推廣等方面工作，并參與相關儀器的開發(fā)和完善。協(xié)助分析儀器需求者開發(fā)和優(yōu)化合適的測試方法，使測試結果更可靠。提供分析儀器在產(chǎn)業(yè)鏈中的質控方法的管理和質量信息的傳遞的技術咨詢和服務，使分析儀器能發(fā)揮其最佳的性能和社會效益。

在市面上常見的激光粒度儀中，普遍使用氦氖（He-Ne）氣體激光器或半導體激光器（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，對測試分析的影響如何，長期使用的可靠性怎么樣等等問題，都是粒度儀用戶十分關心的。本文試圖通過對這些問題的解答，減少粒度儀使用者的困惑，提高其對數(shù)據(jù)質量的可信度的認知，在數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差時提供一定的借鑒。

氦氖氣體激光器和半導體激光器

基本原理

氦氖氣體激光器

惰性氦（He）和氖（Ne）氣體工作物質在高壓的激發(fā)態(tài)下，核外層電子能級躍遷發(fā)出激光束，是一種光學品質優(yōu)越的激光器。

半導體”固體”激光器

活性半導體工作物質，在電壓驅動下，導帶和禁帶能級間的自由電子躍遷發(fā)出激光，嚴格意義來說此種激光器應稱作半導體激光器，發(fā)光效率較高，但光學一致性稍差，通常體積小巧輕便。

需要澄清的一個事實是，一般來說嚴格意義的固體激光器是指工作物質為寶石晶體激光器，它與半導體激光器是完全不同的，比如說摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）晶體激光器。固體激光器光學品質優(yōu)良，但是發(fā)光效率較低，常需要散熱，一般體積也較大。

氦氖氣體激光器與半導體激光器

性能差異及對粒度分析的影響

使用壽命和故障率

氦氖氣體激光器的工作物質為惰性氣體，原理上工作物質不存在物理化學變化的工作損耗，壽命極長，可達十幾二十年，且在此時間內輸出光學性能基本保持不變，同時氦氖氣體激光管不受電壓波動和溫度變化的影響，故障率顯著低于半導體激光器。

半導體固體激光器由于活性的半導體工作物質，空穴容易在高溫高電流高電場等情況下發(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)下半導體激光管壽命亦較長，但由于其工作物質對電壓和溫度非常敏感，同時在電壓和波動的環(huán)境中，輸出光學性能波動劇烈，故障率也比氦氖氣體激光管較高得多。

對于粒度測試精密分析儀器，光學性能隨時間變換是有致命的影響的，它意味著儀器測試結果會漂移，且這些漂移是不可控的。半導體激光器的儀器通常需要反復不停的用標準粒子標定，強行將變化了的結果拉回標準粒子標稱值，這樣做不過是掩人耳目的行為，因為標準粒子測準確了，和標準粒子粒徑不同的樣品測試數(shù)據(jù)漂移無法得到精準的修正，隨著儀器使用時間延長，對于實際樣品的測試存在很大的偏差風險。氦氖氣體激光器儀器不需要標定，結果始終可靠。歐美克激光粒度儀使用的Lumentum品牌高性能進口氦氖激光器，其采用的硬封裝（Hard-seal）工藝確保了惰性氣體不散逸，激光器壽命可達十年以上。

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，生命周期內無變化。半導體激光器發(fā)散角由半導體PN結尺寸決定，由于半導體材料的易損耗，其激光束發(fā)散角（即能量分布）在不斷地變化，通過耦合光纖進行激光輸出約束和限定其發(fā)散角是半導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)變化意味著測試結果漂移和大顆粒測試性能不斷下降（因為大顆粒的散射角極?。?/span>

▲ 激光束的發(fā)散角引起的聚焦不良示意圖

激光束輸出波長線寬

激光器的線寬，即單色性，是指其輸出光線在波長上的離散程度。氦氖氣體激光器是由電子在分立的能級之間躍遷的勢能差發(fā)光，半導體激光器是由電子是在各能帶之間進行躍遷的勢能差發(fā)光。能級之間的勢能差是單一的，而能帶之間的勢能差則隨晶體結構完整性、溫度、電磁場環(huán)境等有相對較大的波動。

因此，典型氦氖氣體激光器線寬10-3~10-4nm，優(yōu)質半導體激光器典型值在幾個nm。半導體激光器線寬較氣體激光器差3到5個數(shù)量級，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，干涉信號信噪比越高的示意圖

由相干長度計算公式

（L：相干長度，λ：波長，Δλ：線寬），可得氦氖氣體激光器相干長度可達米級尺度，半導體激光管相干長度通常在100微米量級，與氦氖氣體激光器相差甚遠。激光粒度儀是以光散射，即光的相干現(xiàn)象，進行顆粒分析的。相干性低的半導體激光管會導致噪音水平高，信號弱。而噪音水平高，影響細顆粒測試的準確性。由于半導體激光管相關性較弱，通常需要比氦氖氣體激光器高得多的激光強度來提高信號水平，但與此同時噪音水平也同步提高。

此外，高強度激光也可能帶來激光安全的隱患。使用半導體激光器的主要好處是其體積小巧且，價格十分便宜。

激光輸出光強的溫度穩(wěn)定性

半導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，且半導體激光器在高溫下性能極差，對于儀器工作中產(chǎn)生熱量影響極大。

在歐美克使用進口氣體激光器工藝的保證下，高質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)境溫度波動影響非常小。可在-20~40度范圍內經(jīng)過短時間預熱后正常工作，保障了測試數(shù)據(jù)不會變化，歐美克激光粒度儀使用的Lumentum品牌高性能進口氦氖激光器，預熱5分鐘后即可達到測試要求。

半導體激光器常號稱其無需預熱，實際情況是它即使預熱也不能改善性能，有些設計采用分出光束進行功率波動補償計算來彌補其不利影響，但同時也引入了光噪聲影響系統(tǒng)的靈敏度和細顆粒測試的準確性。對于粒度分析，激光光強的穩(wěn)定是核心要求，這直接關系到測試結果粒度分布的準確性。

▲ 恒定電流下，某半導體激光器典型輸出光強隨溫度劇烈變化

▲ 歐美克氦氖氣體激光器典型輸出光能波動圖

激光輸出波長的時間穩(wěn)定性

氦氖氣體激光器壽命期內，輸出波長始終為632.8nm不變。半導體激光管，隨著半導體工作物質的老化、溫度變化等因素，輸出波長亦隨時間不斷變化漂移，易導致測試結果出現(xiàn)偏差。

▲ 典型的溫度對半導體激光器輸出中心波長的影響

歐美克儀器采用氦氖氣體激光器，結合模塊化耐用式設計，光學性能不會在使用中輕易偏移，無需頻繁校準儀器。

半導體激光器由于其固有的原因，儀器出現(xiàn)偏差后，很多儀器會采用特定的標準樣品測量，然后強行將該標準樣品的結果修正到其標準值，這是一種貌似使儀器測試結果回到了標稱值的表象，實際上沒有對儀器已經(jīng)出現(xiàn)的物理偏差進行任何處理。如果用戶測試樣品與其標準樣品粒徑和粒形都接近一致還好，否則如此的所謂“標定”將對與其使用標準樣品不同的粒徑未知的實際待測樣品帶來非常不確定的風險，往往隨著時間推進，其測試偏差還會不斷地累積放大。