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(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(guān)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(zhì)量的可信度的認(rèn)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(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)動下，導(dǎo)帶和禁帶能級間的自由電子躍遷發(fā)出激光,，嚴(yán)格意義來說此種激光器應(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

需要澄清的一個事實(shí)是，一般來說嚴(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,，可達(dá)十幾二十年,，且在此時間內(nèi)輸出光學(xué)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(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，但由于其工作物質(zhì)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(xué)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(xué)性能隨時間變換是有致命的影響的,，它意味著儀器測試結(jié)果會漂移，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，這樣做不過是掩人耳目的行為,，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)粒子測準(zhǔn)確了,，和標(biāo)準(zhǔn)粒子粒徑不同的樣品測試數(shù)據(jù)漂移無法得到精準(zhǔn)的修正,，隨著儀器使用時間延長,，對于實(shí)際樣品的測試存在很大的偏差風(fēng)險。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(jié)果漂移和大顆粒測試性能不斷下降（因?yàn)榇箢w粒的散射角極小）,。

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(dǎo)體激光器是由電子是在各能帶之間進(jìn)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(jié)構(gòu)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(zhì)半導(dǎo)體激光器典型值在幾個nm,。半導(dǎo)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(jì)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(dá)米級尺度,，半導(dǎo)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(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)體激光管會導(dǎo)致噪音水平高,，信號弱,。噪音水平高，影響細(xì)顆粒測試的準(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)度來提高信號水平，但與此同時噪音水平也同步提高,。此外,，高強(qiáng)度激光也可能帶來激光安全的隱患。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)境溫度波動影響非常小,。可在-20~40度范圍內(nèi)經(jīng)過短時間預(yù)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(jìn)口氦氖激光器，預(yù)熱5分鐘后即可達(dá)到測試要求,。半導(dǎo)體激光器常號稱其無需預(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)行功率波動補(bǔ)償計(jì)算來彌補(bǔ)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(xì)顆粒測試的準(zhǔn)確性,。對于粒度分析,，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圖

5.       激光輸出波長的時間穩(wěn)定性：氦氖氣體激光器壽命期內(nèi)，輸出波長始終為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,，輸出波長亦隨時間不斷變化漂移,，易導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)偏差。

典型的溫度對半導(dǎo)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(jié)合模塊化耐用式設(shè)計(jì),，光學(xué)性能不會在使用中輕易偏移,，無需頻繁校準(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,，很多儀器會采用特定的標(biāo)準(zhǔn)樣品測量,，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試結(jié)果回到了標(biāo)稱值的表象,，實(shí)際上沒有對儀器已經(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”將對與其使用標(biāo)準(zhǔn)樣品不同的粒徑未知的實(shí)際待測樣品帶來非常不確定的風(fēng)險,，往往隨著時間推進(jìn),，其測試偏差還會不斷地累積放大。

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量原理：當(dāng)光線照射到顆粒上時會發(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化夫瑯禾費(fèi)衍射理論對儀器探測到光信號反演計(jì)算,，即可求得被測粉體的粒徑分布,。

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)或測量報(bào)告中稱為“直徑”或者“粒度”,，更常見的,，我們把顆粒群體中的一個個顆粒的直徑進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果叫做“粒度”，它體現(xiàn)了被測宏觀樣品在微觀尺度的不同直徑顆粒的含量分布,，有時候也叫做粒徑級配或顆粒級配,。

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,，就把該球體的直徑（或組合）作為被測顆粒的等效粒徑（或粒度分布）,。激光粒度儀正是通過將實(shí)測顆粒的散射光能分布最接近的某一個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)果中合理評價樣品,，請參考公眾號文章《關(guān)于激光粒度儀測量結(jié)果出現(xiàn)偏差的一些信息》,。