在市麵上常見的激光粒度儀(yi) 中，普遍使用氦氖（He-Ne）氣體(ti) 激光器或半導體(ti) 激光器（有些公司把它稱作固體(ti) 激光器）作為(wei) 光散射粒徑分析的光源。作為(wei) 核心器件的激光器，兩(liang) 者性能上有啥優(you) 缺點，對測試分析的影響如何，長期使用的可靠性怎麽(me) 樣等等問題，都是粒度儀(yi) 用戶十分關(guan) 心的。本文試圖通過對這些問題的解答，減少粒度儀(yi) 使用者的困惑，提高其對數據質量的可信度的認知，在數據出現偏差時提供一定的借鑒。

氦氖氣體(ti) 激光器和半導體(ti) 激光器的基本原理：

氦氖氣體(ti) 激光器：惰性氦（He）和氖（Ne）氣體(ti) 工作物質在高壓的激發態下，核外層電子能級躍遷發出激光束，是一種光學品質優(you) 越的激光器。

氦氖氣體(ti) 激光器

半導體(ti) ”固體(ti) ”激光器：活性半導體(ti) 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出激光，嚴(yan) 格意義(yi) 來說此種激光器應稱作半導體(ti) 激光器，發光效率較高，但光學一致性稍差，通常體(ti) 積小巧輕便。

半導體(ti) 激光器

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

Nd:YAG固體(ti) 激光器

氦氖氣體(ti) 激光器與(yu) 半導體(ti) 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(ti) 激光器的工作物質為(wei) 惰性氣體(ti) ，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(nei) 輸出光學性能基本保持不變，同時氦氖氣體(ti) 激光管不受電壓波動和溫度變化的影響，故障率顯著低於(yu) 半導體(ti) 激光器。半導體(ti) 固體(ti) 激光器由於(yu) 活性的半導體(ti) 工作物質，空穴容易在高溫高電流高電場等情況下發生不可逆的損失，由於(yu) 這種損耗是逐漸發生的，雖然同樣在理想狀態下半導體(ti) 激光管壽命亦較長，但由於(yu) 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境中，輸出光學性能波動劇烈，故障率也比氦氖氣體(ti) 激光管較高得多。對於(yu) 粒度測試精密分析儀(yi) 器，光學性能隨時間變換是有致命的影響的，它意味著儀(yi) 器測試結果會(hui) 漂移，且這些漂移是不可控的。半導體(ti) 激光器的儀(yi) 器通常需要反複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(wei) ，因為(wei) 標準粒子測準確了，和標準粒子粒徑不同的樣品測試數據漂移無法得到精準的修正，隨著儀(yi) 器使用時間延長，對於(yu) 實際樣品的測試存在很大的偏差風險。氦氖氣體(ti) 激光器儀(yi) 器不需要標定，結果始終可靠。熊猫体彩官网首页激光粒度儀(yi) 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(ti) 不散逸，激光器壽命可達十年以上。

2. 激光束發散角（能量分布）的穩定性：氦氖氣體(ti) 激光器發散角由幹涉鏡距離和尺寸的決(jue) 定，生命周期內(nei) 無變化。半導體(ti) 激光器發散角由半導體(ti) PN結尺寸決(jue) 定，由於(yu) 半導體(ti) 材料的易損耗，其激光束發散角（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散角是半導體(ti) 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於(yu) 氣體(ti) 激光器。由於(yu) 激光粒度儀(yi) 是測試顆粒散射光角度的儀(yi) 器，發散角較大和出現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(wei) 大顆粒的散射角極小）。

激光束的發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(ti) 激光器是由電子在分立的能級之間躍遷的勢能差發光，半導體(ti) 激光器是由電子是在各能帶之間進行躍遷的勢能差發光。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(ti) 結構完整性、溫度、電磁場環境等有相對較大的波動。因此，典型氦氖氣體(ti) 激光器線寬10-3~10-4nm，優(you) 質半導體(ti) 激光器典型值在幾個(ge) nm。半導體(ti) 激光器線寬較氣體(ti) 激光器差3到5個(ge) 數量級，單色性不佳將直接影響光波的衍射效率（相幹性）。

單色性越好，幹涉信號信噪比越高的示意圖

由相幹長度計算公式（L：相幹長度，λ：波長，Δλ：線寬），可得氦氖氣體(ti) 激光器相幹長度可達米級尺度，半導體(ti) 激光管相幹長度通常在100微米量級，與(yu) 氦氖氣體(ti) 激光器相差甚遠。激光粒度儀(yi) 是以光散射，即光的相幹現象，進行顆粒分析的。相幹性低的半導體(ti) 激光管會(hui) 導致噪音水平高，信號弱。噪音水平高，影響細顆粒測試的準確性。由於(yu) 半導體(ti) 激光管相關(guan) 性較弱，通常需要比氦氖氣體(ti) 激光器高得多的激光強度來提高信號水平，但與(yu) 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(ti) 激光器的主要好處是其體(ti) 積小巧且，價(jia) 格十分便宜。

4. 激光輸出光強的溫度穩定性: 半導體(ti) 激光器輸出功率受溫度影響巨大,在需要功率穩定的使用場合中，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(ti) 激光器輸出光能功率穩定的，且半導體(ti) 激光器在高溫下性能極差，對於(yu) 儀(yi) 器工作中產(chan) 生熱量影響極大。在OMEC使用進口氣體(ti) 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定性和極低的激光噪聲水平，並且激光參數受環境溫度波動影響非常小。可在-20~40度範圍內(nei) 經過短時間預熱後正常工作，保障了測試數據不會(hui) 變化，熊猫体彩官网首页激光粒度儀(yi) 使用的Lumentum品牌高性能進口氦氖激光器，預熱5分鍾後即可達到測試要求。半導體(ti) 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(chang) 計算來彌補其不利影響，但同時也引入了光噪聲影響係統的靈敏度和細顆粒測試的準確性。對於(yu) 粒度分析，激光光強的穩定是核心要求，這直接關(guan) 係到測試結果粒度分布的準確性。

恒定電流下，某半導體(ti) 激光器典型輸出光強隨溫度劇烈變化

熊猫体彩官网首页氦氖氣體(ti) 激光器典型輸出光能波動圖

5. 激光輸出波長的時間穩定性：氦氖氣體(ti) 激光器壽命期內(nei) ，輸出波長始終為(wei) 632.8nm不變。半導體(ti) 激光管，隨著半導體(ti) 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偏差。

熊猫体彩官网首页儀(yi) 器采用氦氖氣體(ti) 激光器，結合模塊化耐用式設計，光學性能不會(hui) 在使用中輕易偏移，無需頻繁校準儀(yi) 器。半導體(ti) 激光器由於(yu) 其固有的原因，儀(yi) 器出現偏差後，很多儀(yi) 器會(hui) 采用特定的標準樣品測量，然後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(yi) 器測試結果回到了標稱值的表象，實際上沒有對儀(yi) 器已經出現的物理偏差進行任何處理。如果用戶測試樣品與(yu) 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(yu) 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(hui) 不斷地累積放大。

參考資料：1.  3分鍾了解固體(ti) 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-半導體(ti) 激光器， https://zhuanlan.zhihu.com/p/338970148

4.幾種激光發生器，徐長發，華中科技大學, https://zhuanlan.zhihu.com/p/160754050

5. [科普]三張表看懂各類激光器的特點及應用, https://www.sohu.com/a/243201713_157139

參考信息：

光散射法激光粒度儀(yi) 測量原理：當光線照射到顆粒上時會(hui) 發生散射（衍射），其散射（衍射）光強度、散射（衍射）光角度分布與(yu) 顆粒的大小有關(guan) , 因此應用米氏（Mie）散射理論或其特定條件下的簡化夫琅禾費衍射理論對儀(yi) 器探測到光信號反演計算，即可求得被測粉體(ti) 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的不同：顆粒的大小稱為(wei) “粒徑”，也有文獻或測量報告中稱為(wei) “直徑”或者“粒度”，更常見的，我們(men) 把顆粒群體(ti) 中的一個(ge) 個(ge) 顆粒的直徑進行的統計分析的結果叫做“粒度”，它體(ti) 現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(yi) 是非常清楚的。然而對於(yu) 絕大多數粉體(ti) 材料，形狀是不規則的，為(wei) 了表征不規則顆粒的大小，通常的“粒徑”定義(yi) 如下：當被測顆粒的某種物理特性或物理行為(wei) 與(yu) 某一直徑的同質球體(ti) （或組合）最相近時，就把該球體(ti) 的直徑（或組合）作為(wei) 被測顆粒的等效粒徑（或粒度分布）。激光粒度儀(yi) 正是通過將實測顆粒的散射光能分布最接近的某一個(ge) 或一組的球的直徑當做實際顆粒的等效粒徑，是一種散射光學上的等效。因此，激光粒度儀(yi) 測試結果可能由其光學設計而有所差異，又與(yu) 例如篩分、沉降、顯微圖像等許多方法得到的結果各有差異，如何在如此多不同的結果中合理評價(jia) 樣品，請參考公眾(zhong) 號文章《關(guan) 於(yu) 激光粒度儀(yi) 測量結果出現偏差的一些信息》。