HeNe-Laser für Präzisionsmessungen: Frequenzstabilisierte Laserquellen von SIOS
Ein Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser) emittiert kohärentes Licht bei einer Wellenlänge von 632,8 nm und dient als hochstabile Referenzlichtquelle in der Laserinterferometrie, Metrologie und Kalibrierung.
Die frequenzstabilisierten He-Ne-Laser von SIOS Messtechnik bilden das Herzstück unserer Präzisions-Interferometer und werden als eigenständige Lichtquellen weltweit in der Halbleiterindustrie, Spektroskopie und messtechnischen Forschung eingesetzt. Drei Modellserien – SL-02, SL-04 und SL-03 mini – decken den Bedarf vom kompakten OEM-Einbau bis zum hochflexiblen Laborgerät ab.
30+
JAHRE ERFAHRUNG
632,8 nm
WELLENLÄNGE
<2×10⁻⁹
FREQUENZSTABILITÄT
3
MODELLSERIEN
— INHALTSVERZEICHNIS
— GRUNDLAGEN
Was ist ein Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser)?
Ein Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser) ist ein Gaslaser, der ein Gemisch aus Helium und Neon als aktives Medium nutzt.
Er emittiert kohärentes Licht zumeist bei einer Wellenlänge von 632,8 nm (rot), da sich hier die Hauptemissionslinie befindet.
Durch seine hohe Frequenzstabilität und lange Kohärenzlänge ist der HeNe-Laser die bevorzugte Lichtquelle in der Interferometrie, Metrologie und Kalibrierung.
SIOS Meßtechnik GmbH gehört zu den bedeutendsten europäischen Herstellern frequenzstabilisierter HeNe-Laser. Die stabilisierten He-Ne-Laser von SIOS bilden das Herzstück unserer hochpräzisen Laserinterferometer und werden als eigenständige Lichtquellen weltweit in der Halbleiterindustrie, Spektroskopie und Metrologie eingesetzt.
Neben der dominanten roten Wellenlänge bei 632,8 nm kann der HeNe-Laser auch bei 543,5 nm (grün), 594,1 nm (gelb) und 1152,3 nm (infrarot) emittieren. Für messtechnische Anwendungen wird fast ausschließlich die rote Linie bei 632,8 nm verwendet, da sie die höchste Verstärkung bieten und sich am besten für die Frequenzstabilisierung eignet.
— PHYSIK & TECHNIK
Aufbau und Funktionsweise eines HeNe-Lasers
Aufbau des HeNe-Lasers
Ein Helium-Neon-Laser besteht aus einer gasgefüllten Laserröhre, zwei Resonatorspiegeln und einer Hochspannungsversorgung.
Die Laserröhre enthält ein Gasgemisch aus Helium und Neon im Verhältnis von typischerweise 5:1 bis 10:1 bei einem Gesamtdruck von ca. 1–3 mbar. Die Resonatorspiegel – ein hochreflektierender Endspiegel und ein teildurchlässiger Auskoppelspiegel – bilden den optischen Resonator.
Bei frequenzstabilisierten HeNe-Lasern wie den SIOS-Modellen kommt zusätzlich eine Stabilisierungselektronik zum Einsatz, die beispielsweise durch das Lamb-dip-Verfahren, die Zwei-Moden-Stabilisierung oder die Zeeman-Stabilisierung die Laserfrequenz auf eine relative Stabilität von besser als 2×10⁻⁹ regelt.
Funktionsweise (4-Niveau-Lasersystem)
Der HeNe-Laser arbeitet als 4-Niveau-Lasersystem, bei dem stimulierte Emission kohärentes Licht bei 632,8 nm erzeugt.
01
Gasentladung
Durch eine Hochspannung von ca. 1–2 kV wird eine elektrische Gasentladung im Helium-Neon-Gemisch gezündet. Schnelle Elektronen kollidieren mit Helium-Atomen.
02
Anregung der Helium-Atome
Durch Elektronenstöße werden Helium-Atome in metastabile Energieniveaus (2¹S₀ und 2³S₁) angehoben. Diese Zustände haben eine lange Lebensdauer.
03
Resonanzübertragung auf Neon
Die angeregten Helium-Atome übertragen ihre Energie durch Stöße zweiter Art auf Neon-Atome. Da die Energieniveaus nahezu resonant sind, wird eine Besetzungsinversion im Neon erreicht.
04
Stimulierte Emission bei 632,8 nm
Die angeregten Neon-Atome fallen unter Emission kohärenter Photonen bei 632,8 nm (3s₂ → 2p₄ Übergang) in ein niedrigeres Energieniveau. Die Resonatorspiegel verstärken diesen Prozess durch Rückkopplung.
Frequenzstabilisierter vs. Standard HeNe-Laser
Was unterscheidet einen frequenzstabilisierten HeNe-Laser von einem Standard-HeNe-Laser? Welche Stabilisierungsverfahren gibt es und wann lohnt sich der Mehraufwand? Ein detaillierter technischer Vergleich mit Entscheidungshilfe.
Ausführlicher Vergleich: Frequenzstabilisiert vs. Standard →
— ANWENDUNGSGEBIETE
Einsatzbereiche für HeNe-Laser in der Präzisionsmesstechnik
Frequenzstabilisierte HeNe-Laser werden als rückführbare Wellenlängenreferenz in der Interferometrie, Kalibrierung und Spektroskopie eingesetzt.
Laserinterferometrie
Längen- sowie Oberflächenmessungen bis zur Picometer-Auflösung in Forschung und Industrie. Die hochstabile Wellenlänge des HeNe-Lasers dient als natürliche Maßverkörperung für interferometrische Messungen.
Kalibrierung & Metrologie
Referenzlaser zur Kalibrierung von Wavemeter. Die Frequenzstabilität von <2×10⁻⁹ gewährleistet die Rückführbarkeit auf nationale Normale (PTB, NIST).
Halbleiterfertigung
Lichtquelle bei Positionierung von Wafern und Lithographiemasken. In der Halbleiterindustrie sind stabilisierte HeNe-Laser seit Jahrzehnten der Standard für sub-nm Positionsmessungen.
Spektroskopie
Als Frequenznormal in der hochauflösenden Spektroskopie. Die rückführbare Wellenlänge ermöglicht präzise Spektralanalysen in Forschung und Qualitätskontrolle.
Materialforschung
Dehnungs- und Verschiebungsmessungen in der Materialprüfung. Langzeitstabile HeNe-Laser ermöglichen Messungen über Stunden und Tage ohne Rekalibrierung.
Universitäre Forschung & Lehre
Demonstrationsexperimente zur Interferenz, Beugung und Kohärenz. HeNe-Laser sind der Klassiker in der Forschung an Hochschulen weltweit.
HeNe-Laser in der Interferometrie — Anwendungsleitfaden
Wie wählt man den richtigen HeNe-Laser für interferometrische Messungen? Welche Kohärenzlänge wird für welchen Messbereich benötigt? Ein praxisorientierter Leitfaden für F&E-Ingenieure und Messtechniker.
— PRODUKTPORTFOLIO
SIOS HeNe-Laser: Drei Modellserien für jede Anforderung
SIOS bietet frequenzstabilisierte Helium-Neon-Laser in drei Modellserien an:
- SL-02 mit integriertem Netzteil,
- SL-04 mit externer Versorgung für maximale Stabilität und
- SL-03 mini als kompakten OEM-Einbaulaser.
Von diesen Modelserien leiten sich eine ganze Reihe von OEM-Lösungen ab.
HeNe-Laser SL-02
Frequenzstabilisierter HeNe-Laser mit integrierter Stabilisierungselektronik und Hochspannungsversorgung. Einfache Integration im Gerät über Einschraubgewinde.
Wellenlänge: 632,8 nm
Leistung: ≥ 1,2 mW (typ. 1,5 mW) oder ≥ 2,4 mW (typ. 3 mW)
Stabilität: < 2×10⁻⁹
Ideal für: Integration in bestehende Systeme
HeNe-Laser SL-04
Maximale Stabilität ★ Featured
Frequenz- und amplitudenstabilisierter HeNe-Laser mit externer Versorgungseinheit. Maximale Variation technischer Zielspezifikationen. Höchste Frequenzstabilität.
Wellenlänge: 632,991234 ±0,0002 nm
Leistung: ≥ 1,2 mW (typ. 1,5 mW)
Stabilität: < 2×10⁻⁹
Ideal für: Höchste Anforderungen, OEM, Forschung
HeNe-Laser SL-03 mini
Kompakter frequenzstabilisierter HeNe-Laser für den Einbau in Kundengeräte. Minimale Abmessungen bei voller Stabilisierungsleistung..
Wellenlänge: 632,8 nm
Leistung: ≥ 0,5 mW (typ. 0,8 mW)
Stabilität: < 2×10⁻⁹
Ideal für: OEM-Einbau, platzkritische Anwendungen
Technische Kenndaten im Vergleich
| Eigenschaften | SL-02 | SL-04 | SL-03 mini |
|---|---|---|---|
| Wellenlänge | SL-02 632,8 nm | SL-04 632,991234 ±0,0002 nm | SL-03 mini 632,8 nm |
| Frequenzstabilität (rel.) | SL-02 2×10−9 | SL-04 2×10−9 | SL-03 mini 2×10−9 |
| Ausgangsleistung | SL-02 ≥ 1,2 mW (typ. 1,5 mW) oder ≥ 2,4 mW (typ. 3 mW) | SL-04 ≥ 1,2 mW (typ. 1,5 mW) | SL-03 mini ≥ 0,5 mW |
| Kohärenzlänge | SL-02 > 100 m | SL-04 > 100 m | SL-03 mini > 100 m |
| Linienbreite | SL-02 < 10 kHz | SL-04 < 10 kHz | SL-03 mini < 10 kHz |
| Netzteil | SL-02 integriert | SL-04 extern | SL-03 mini extern |
| Laserklasse | SL-02 3R | SL-04 3R | SL-03 mini 2M |
| Einsatz | SL-02 Systemintegration | SL-04 Labor, OEM, Forschung | SL-03 mini OEM-Einbau |
— INDIVIDUELLE LÖSUNGEN
Kundenspezifische OEM HeNe-Laser-Module
SIOS entwickelt kundenspezifische OEM-Lasermodule mit frequenzstabilisierten HeNe-Lasern, angepasst an individuelle Anforderungen in Optik, Mechanik und Elektronik.
Dank eigener Kapazitäten in der Elektronikfertigung realisiert SIOS OEM-Module mit hohem Individualisierungsgrad bei wettbewerbsgerechten Kosten. Unsere Anpassungsmöglichkeiten umfassen:
- Optische Parameter: Optimierung von Frequenzstabilität, Lichtleistung, thermischer Frequenzdrift, Strahldurchmesser und Strahldivergenz.
- Mechanische Integration: Anpassung von Platzbedarf, Stromversorgung, Konnektivität und Abwärmeverhalten zur optimalen Wartungsfähigkeit.
- Schutz & Faserkopplung: Berührungsschutz, Kapselung gegen Umwelteinflüsse, Faserkopplung mit kundenspezifischer Steckerkonfiguration bis zum freien Faserende.
Ihr Vorteil als OEM-Kunde
SIOS ist gleichzeitig Hersteller von Interferometern und den dafür benötigten Laserquellen. Dieses vertikale Know-how – vom Laserresonator bis zum fertigen Messsystem – macht uns zu einem einzigartigen Partner für anspruchsvolle OEM-Anwendungen.
Service, Ersatzteile & Kalibrierung
Laserröhrentausch, Frequenzrekalibrierung und Ersatzteile – der komplette Service-Lebenszyklus für Ihre SIOS HeNe-Laser.
Herausforderungen bei laserbasierten Präzisionsmessungen
Die Wahl der richtigen Laserquelle entscheidet über die Messgenauigkeit, Langzeitstabilität und Rückführbarkeit interferometrischer Messsysteme.
Frequenzdrift über Zeit
Unstabilisierte Laser verändern ihre Emissionsfrequenz in Abhängigkeit von der Temperatur. Bei Langzeitmessungen führt das zu systematischen Messfehlern im Nanometerbereich.
Fehlende Rückführbarkeit
Ohne rückführbare Kalibrierung auf nationale Normale (PTB, NIST) sind interferometrische Messergebnisse nicht normkonform – ein Problem bei Audits, Zertifizierungen und Geräteabnahmen bspw. nach ISO 230 oder ISO 10360.
Unklare Herstellerunterschiede
Der Markt bietet HeNe-Laser von mehreren Herstellern. Für Einkäufer ist schwer erkennbar, worin sich frequenzstabilisierte Modelle in Qualität und Langzeitstabilität unterscheiden.
Integration in bestehende Systeme
Kompakte Abmessungen, OEM-Schnittstellen und kundenspezifische Anpassungen sind häufig entscheidend – aber nicht bei allen Anbietern verfügbar.
Wie SIOS diese Herausforderungen für Sie löst,
erfahren Sie im persönlichen Gespräch mit unseren Experten.
Beratung anfragen— FAQ
Häufige Fragen zu HeNe-Lasern
Ein Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser) ist ein Gaslaser, der ein Gemisch aus Helium und Neon als aktives Medium nutzt. Er emittiert kohärentes Licht bei einer Wellenlänge von 632,8 nm (rot). Durch seine hohe Frequenzstabilität und lange Kohärenzlänge ist der HeNe-Laser die bevorzugte Lichtquelle in der Interferometrie, Metrologie und Kalibrierung.
Im HeNe-Laser wird ein Gasgemisch aus Helium und Neon (Verhältnis ca. 5:1 bis 10:1) durch eine elektrische Entladung angeregt. Helium-Atome werden durch Elektronenstöße in einen metastabilen Zustand versetzt und übertragen ihre Energie durch Resonanzübertragung auf Neon-Atome. Die stimulierte Emission der angeregten Neon-Atome erzeugt kohärentes Licht bei 632,8 nm.
Die Hauptemissionslinie eines HeNe-Lasers liegt bei 632,8 nm (rot). Frequenzstabilisierte HeNe-Laser von SIOS emmitieren Licht mit der genannten Wellenlänge. Neben der roten Linie kann der HeNe-Laser auch bei 543,5 nm (grün), 594,1 nm (gelb) oder 1152,3 nm (infrarot) emittieren.
HeNe-Laser eignen sich aufgrund ihrer hervorragenden Kohärenzlänge, einer schmalen Linienbreite (< 10 kHz), hohen Frequenzstabilität und langzeitstabilen Wellenlänge im Vakuum optimal für die Interferometrie. Die Laserfrequenz dient als natürliche Maßverkörperung und ist auf nationale Kalibriernormale (PTB, NIST) rückführbar, was sie für Präzisionsmessungen und Kalibrierungen unverzichtbar macht.
Frequenzstabilisierung bezeichnet ein Regelverfahren, bei dem die Emissionsfrequenz des HeNe-Lasers aktiv auf einem konstanten Wert gehalten wird. Dazu kommen verschiedene Stabilisierungsverfahren in Frage wie bspw. das Lamb-Dip-Verfahren, die Zwei-Moden-Stabilisierung, die Zeeman-Stabilisierung und das Pound-Drever-Hall-Verfahren. Durch die Stabilisierung werden relative Frequenzstabilitäten von besser als 2×10⁻⁹ erreicht.
SIOS bietet drei Modellserien frequenzstabilisierter HeNe-Laser: den SL-02 mit integriertem Netzteil, den SL-04 mit externer Versorgungseinheit für maximale Flexibilität und den kompakten SL-03 mini für OEM-Einbauanwendungen. Alle Modelle emittieren bei 632,8 nm und sind als rückführbare Maßverkörperung und Frequenznormal einsetzbar.
Die Stand-alone HeNe-Laser SL-02 und SL-04 von SIOS fallen nach DIN EN 60825-1 in die Laserklasse 3R. Bei in Interferometern eingebauten Lasern und dem SL 03 mini gilt Laserklasse 2M, bei denen der natürliche Lidschlussreflex ausreichenden Schutz bietet.
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Expertise: SIOS als Hersteller von HeNe-Lasern
SIOS Meßtechnik GmbH wurde 1991 von Prof. Jäger und wissenschaftlichen Mitarbeitern der Technischen Universität Ilmenau gegründet und ist einer der führenden europäischen Hersteller stabilisierter HeNe-Laser und Laserinterferometer.
Unser Alleinstellungsmerkmal: SIOS ist sowohl Hersteller von Interferometern als auch von den dafür benötigten Laserquellen. Dieses vertikale Know-how – vom Laserresonator bis zum fertigen Nanometer-Messsystem – macht uns zu einem einzigartigen Partner für anspruchsvolle messtechnische Anwendungen.
1991
GEGRÜNDET
Ilmenau
MADE IN GERMANY
30+
JAHRE ERFAHRUNG
PTB
RÜCKFÜHRBAR
SIOS arbeitet eng mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der TU Ilmenau und internationalen Forschungsinstituten zusammen. Alle Messsysteme sind direkt auf SI-Einheiten rückführbar.
