Хотели ли вы когда-нибудь изготовить настоящий лазер? На деле это не так сложно, как может показаться. Вам потребуются лишь DVD-привод и немного подручных материалов.
Давайте разберёмся, как сделать лазер в домашних условиях. Что для этого понадобится?
- DVD-привод c функцией перезаписи;
- лазерная указка;
- коллиматор для получения ровного пучка света;
- несколько отвёрток;
- канцелярский нож;
- ножницы по металлу;
- паяльник.
Ход действий
Разбираем DVD-привод и убираем с него верхнюю панель. Вас интересует местоположение каретки, потому что именно там находятся направляющие. Открутите болты и снимите каретку. Не забудьте отключить все разъёмы!
Начинаем процесс разборки каретки. В ней будут 2 диода. Один служит для считывания, другой применяется для прожига дорожек – он красного цвета. Нам нужен именно последний.
Обычно этот диод прикручен к плате болтами, которые следует аккуратно открутить небольшой отвёрткой. Проверьте его работоспособность, подключив к батарейке. Аккуратно извлеките диод из корпуса. Берём купленный коллиматор, проводим разборку. Внутри находится лазерный диод. Его убираем, на его место ставим тот, который был извлечен из привода.
Для демонтажа можно применить отвёртку. Если элемент упрямится, стоит применить острый нож. Удалять эту часть следует аккуратно, стараясь не причинить вреда другим компонентам платы.
Следующий шаг – монтаж диода в корпус. Его надо приклеить, воспользовавшись термостойким клеем. Важно установить его в то же положение, в каком стоял предыдущий. Берем паяльник, припаиваем провода к элементу с обязательным соблюдением полярности.
Настала очередь обработки лазерной указки. Откручиваем крышку, снимаем составляющие. Может потребоваться доработка отражателя. Сделайте ровными его края с помощью напильника. Не забываем убрать оргстекло.
Выньте батарейки, а затем вставьте на место излучателя конструкцию, собранную ранее. Далее собираем лазерную указку в обратном порядке, но без использования пластиковой линзы.
Последние штрихи
Теперь вам необходимо вернуть батарейки на их прежнее место и проверить созданное устройство. Никогда не наводите лазер на себя или окружающих вас людей и животных. Он не отличается высокой мощностью, но легко расплавит полиэтиленовый пакет или другой схожий по толщине материал. Длина луча превысит 100 м, с его помощью на таком расстоянии вы сможете поджечь спичку.
Собрать лазер собственноручно несложно, особых инструментов или вещей для этого не нужно. Важно не забывать, что в качестве игрушки данная вещь неприменима. Опасно направлять её на зеркала или прочие отражающие поверхности. Если же вам нравится экспериментировать, то это отличный способ создать интересную вещь.
В этой статье речь пойдет о том, как сделать мощный лазер из DVD привода. Но для начала немного теории.
Что такое лазер?
Лазер - это источник света со свойствами, резко отличающимися от всех других источников (ламп накаливания, люминесцентных ламп, пламени, естественных светил и так далее). Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч движется очень узким пучком с малой степенью расходимости (он достигает луны с фокусировкой в сотни метров). Лазерный луч обладает большой теплотой и может пробивать отверстие в любом материале. Световая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых сильных источников света.
Теперь приступим к практике. Для сборки лазера нам понадобится:
- Паяльник и прочие инструменты
- Пишущий DVD или CD привод. (с DVD будет больше мощность)
Чтобы определить пишущий привод или нет, нужно посмотреть на его название, которое находиться на верхней крышке, на наклейке. Если написано DVD-RW или CD-RW, то у вас пишущий дисковод, если написано DVD-R или CD-R, дисковод только для чтения.
Аккуратно разбираем дисковод и находим в нем то что нам нужно, а именно лазерную головку. Она находится на подвижной каретке. На фото выделено красным.
Чтобы достать лазерную головку, нам нужно снять каретку. Для этого открутите два болта, которые на фото отмечены стрелками.
После снятия каретки, нужно у лазерной головки спаять ножки вместе, чтобы она не сгорела от статического электричества. Я замкнул их куском тонкой медной проволоки.
Схема подключения ЛД
Напрямую к питанию лазерный излучатель подключать нельзя, так как ему нужен постоянный стабилизированный ток. Для этого соберем небольшую схему на стабилизаторе LM317. Вот сама схема:
Сопротивление можно использовать в приделах от 6,2 до 6,8 Ом. На лазерную головку не желательно подавать ток выше 250 мА, так что, если будете применять сопротивление в этом диапазоне, всё будет в порядке. Если не можете найти нужное сопротивление, используйте несколько резисторов, соединенных последовательно или же параллельно. Минусовой вывод лазера подключается напрямую к минусу питания, а плюсовой вывод через эту схему. Мощность лазерного диода составляет 260-270 мВ, то есть желательно применить дополнительный радиатор.
Напряжение питания - 3.7 В, например, можно питать от литиевого аккумулятора от телефона.
Теперь, если вы включите схему, вы увидите, что лазерный диод просто светится как обычный светодиод. Его нужно сфокусировать. Для этого вернемся к остаткам дисковода. Нам нужно извлечь линзу.
Также если у вас есть китайская лазерная указка, вы можете взять оптику из неё. Я так и сделал. Вот что получилось в итоге.
Не секрет, что каждому из нас в детстве хотелось иметь такое устройство, как лазерная установка, которая могла бы разрезать металлические уплотнения и прожигать стены. В современном мире эта мечта легко воплощается в реальность, поскольку теперь можно соорудить лазер с возможностью резки различных материалов.
Разумеется, в домашних условиях невозможно изготовить настолько мощную лазерную установку, которая будет прорезать железо или дерево. Но при помощи самодельного устройства можно резать бумагу, полиэтиленовое уплотнение или тонкий пластик.
Лазерным устройством можно выжигать различные узоры на листах фанеры или на дереве. Оно может использоваться в качестве подсветки объектов, расположенных в удаленной местности. Область его применения может быть как развлекательной, так и полезной в строительных и монтажных работах, не говоря о реализации творческого потенциала в сфере гравировки по дереву или оргстеклу.
Режущий лазер
Инструменты и принадлежности, которые потребуются для того, чтобы изготовить лазер своими руками:
Рисунок 1. Схема лазерного светодиода.
- неисправный DVD-RW привод с рабочим лазерным диодом;
- лазерная указка или портативный коллиматор;
- паяльник и мелкие провода;
- резистор на 1 Ом (2 шт.);
- конденсаторы на 0,1 мкФ и 100 мкФ;
- аккумуляторы типа ААА (3 шт.);
- маленькие инструменты типа отвертки, ножика и напильника.
Этих материалов будет вполне достаточно для предстоящих работ.
Итак, для лазерного устройства в первую очередь необходимо подобрать DVD-RW привод с поломкой механического характера, поскольку оптические диоды должны быть в исправности. Если у вас отсутствует износившийся привод, придется приобрести его у людей, которые продают его на запчасти.
При покупке следует учитывать, что большинство приводов от производителя Samsung являются непригодными для изготовления режущего лазера. Дело в том, что эта компания выпускает DVD-приводы с диодами, которые не защищены от наружного воздействия. Отсутствие специального корпуса означает, что лазерный диод подвержен тепловым нагрузкам и загрязнению. Его можно повредить легким прикосновением руки.
Рисунок 2. Лазер из DVD-RW привода.
Оптимальным вариантом для лазера будет привод от производителя LG. Каждая модель оснащается кристаллом с различной степенью мощности. Этот показатель определяется скоростью записывания двухслойных DVD-дисков. Крайне важно, чтобы привод был именно записывающим, поскольку в нем содержится инфракрасный излучатель, который нужен для изготовления лазера. Обычный не подойдет, так как он предназначен только для считывания информации.
DVD-RW со скоростью записи 16Х оснащен красным кристаллом мощностью 180-200 мВт. Привод со скоростью 20Х содержит диод мощностью 250-270 мВт. Высокоскоростные записывающие устройства типа 22Х оборудуются лазерной оптикой, мощность которой достигает 300 мВт.
Вернуться к оглавлению
Разборка DVD-RW привода
Этот процесс должен проделываться с тщательной осторожностью, поскольку внутренние детали имеют хрупкую структуру, их легко повредить. Демонтировав корпус, вы сразу заметите необходимую деталь, она выглядит в виде небольшого стеклышка, расположенного внутри передвижной каретки. Его основание и нужно извлечь, оно отображено на рис.1. Этот элемент содержит оптическую линзу и два диода.
На этом этапе сразу следует предупредить, что лазерный луч является крайне опасным для человеческого зрения.
При прямом попадании в хрусталик он повреждает нервные окончания и человек может остаться слепым.
Лазерный луч обладает ослепляющим свойством даже на расстоянии 100 м, поэтому важно следить за тем, куда вы его направляете. Помните, что вы несете ответственность за здоровье окружающих, пока такое устройство находится в ваших руках!
Рисунок 3. Микросхема LM-317.
Перед тем как приступить к работе, необходимо знать, что лазерный диод можно повредить не только неосторожным обращением, но и перепадами напряжения. Это может случиться за считанные секунды, поэтому диоды работают на основе постоянного источника электричества. При повышении напряжения светодиод в устройстве превышает свою норму яркости, вследствие чего разрушается резонатор. Таким образом, диод теряет свою способность к нагреву, он становится обычным фонариком.
На кристалл воздействует и температура вокруг него, при ее падении производительность лазера возрастает при неизменном напряжении. Если она превысит стандартную норму, резонатор разрушается по схожему принципу. Реже диод повреждается под воздействием резких перепадов, которые обуславливаются частыми включениями и выключениями устройства в течение короткого периода.
После извлечения кристалла необходимо моментально перевязать его окончания оголенными проводами. Это нужно для создания соединения между его выходами напряжения. К этим выходам нужно припаять малый конденсатор на 0,1 мкФ с отрицательной полярностью и на 100 мкФ с положительной. После этой процедуры можно снять намотанные провода. Это поможет защитить лазерный диод от переходных процессов и статического электричества.
Вернуться к оглавлению
Питание
Перед созданием элемента питания для диода необходимо учесть, что он должен подпитываться от 3V и расходует до 200-400 мА в зависимости от скорости записывающего устройства. Следует избегать подсоединения кристалла к аккумуляторам напрямую, поскольку это не простая лампа. Он может испортиться даже под воздействием обычных батареек. Лазерный диод является автономным элементом, который подпитывается электричеством через регулирующий резистор.
Система питания может быть налажена тремя способами с различной степенью сложности. Каждый из них предполагает подпитку от постоянного источника напряжения (аккумуляторы).
Первый метод предполагает регуляцию электричеством при помощи резистора. Внутреннее сопротивление устройства измеряется путем определения напряжения во время прохода через диод. Для приводов со скоростью записи 16Х вполне достаточно будет 200 мА. При повышении этого показателя существует вероятность испортить кристалл, поэтому стоит придерживаться максимального значения в 300 мА. В качестве источника питания рекомендуется воспользоваться телефонным аккумулятором или пальчиковыми батарейками типа ААА.
Преимуществами этой схемы питания являются простота и надежность. Среди недостатков можно отметить дискомфорт при регулярной подзарядке аккумулятора от телефона и сложность размещения батареек в устройстве. Кроме того, трудно определить нужный момент для подзарядки источника питания.
Рисунок 4. Микросхема LM-2621.
Если вы используете три пальчиковых батарейки, эту схему можно легко обустроить в лазерной указке китайского производства. Готовая конструкция отображена на рис.2, два резистора на 1 Ом в последовательности и два конденсатора.
Для второго метода применяется микросхема LM-317. Этот способ обустройства системы питания намного сложнее предыдущего, он больше подойдет для стационарного типа лазерных установок. Схема основывается на изготовлении специального драйвера, который представляет собой небольшую плату. Она предназначена для ограничения электротока и создания необходимой мощности.
Цепь подключения микросхемы LM-317 отображена на рис.3. Для нее потребуются такие элементы, как переменный резистор на 100 Ом, 2 резистора на 10 Ом, диод серии 1Н4001 и конденсатор на 100 мкФ.
Драйвер на основе данной схемы поддерживает электрическую мощность (7V) вне зависимости от источника питания и окружающей температуры. Несмотря на сложность устройства эта схема считается простейшей для сборки в домашних условиях.
Третий метод является наиболее портативным, что делает его самым предпочтительным из всех. Он обеспечивает питание от двух батареек ААА, поддерживая постоянный уровень напряжения, подаваемого на лазерный диод. Система удерживает мощность даже при низком уровне заряда в аккумуляторах.
При полной разрядке батарейки схема перестанет функционировать, а через диод будет проходить небольшое напряжение, которое будет характеризоваться слабым свечением лазерного луча. Этот тип подачи питания является самым экономичным, его коэффициент полезности действия равняется 90%.
Для реализации такой системы питания понадобится микросхема LM-2621, которая размещена в корпусе размером 3×3 мм. Поэтому вы можете столкнуться с определенными трудностями в период припаивания деталей. Конечная величина платы зависит от ваших умений и сноровки, поскольку детали можно расположить даже на плате 2×2 см. Готовая плата отображена на рис.4.
Дроссель можно взять от обычного блока питания для стационарного компьютера. На него наматывается проволока с сечением 0,5 мм с количеством оборотов до 15 витков, как это показано на рисунке. Дроссельный диаметр изнутри составит 2,5 мм.
Для платы подойдет любой диод Шоттки со значением 3 А. К примеру, 1N5821, SB360, SR360 и MBRS340T3. Мощность, поступающая к диоду, настраивается резистором. В процессе настройки рекомендуется соединить его с переменным резистором на 100 Ом. При проверке работоспособности лучше всего использовать изношенный или ненужный лазерный диод. Показатель мощности тока остается таким же, как и на предыдущей схеме.
Подобрав наиболее подходящий метод, можно модернизировать его, если у вас есть необходимые для этого навыки. Лазерный диод нужно размещать на миниатюрном радиаторе, чтобы он не перегревался при повышении напряжения. По завершении сборки системы питания нужно позаботиться об установке оптического стекла.
Сегодня мы поговорим о том, как сделать самостоятельно мощный зеленый или синий лазер в домашних условиях из подручных материалов своими руками. Также рассмотрим чертежи, схемы и устройство самодельных лазерных указок с поджигающим лучом и дальностью до 20 км
Основой устройства лазера служит оптический квантовый генератор, который, используя электрическую, тепловую, химическую или другую энергию, производит лазерный луч.
В основе работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение, то есть является его точной копией. Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу
Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых. В состоянии равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.). В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника.
В квантовом генераторе нет внешнего потока фотонов, инверсная заселенность создается внутри него с помощью различных источников накачки. В зависимости от источников существуют различные способы накачки:
оптический — мощная лампа-вспышка;
газовый разряд в рабочем веществе (активной среде);
инжекция (перенос) носителей тока в полупроводнике в зоне
р—п переходах;
электронное возбуждение (облучение в вакууме чистого полупроводника потоком электронов);
тепловой (нагревание газа с последующим его резким охлаждением;
химический (использование энергии химических реакций) и некоторые другие.
Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора.
Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности - это так называемые гигантские импульсы. Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.
Лазерный луч представляет собой когерентный, монохромный, поляризованный узконаправленный световой поток. Одним словом, это луч света, испускаемый мало того, что синхронными источниками, так еще и в очень узком диапазоне, причем направленно. Этакий чрезвычайно сконцентрированный световой поток.
Генерируемое лазером излучение является монохроматическим, вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.
От того, какое рабочее тело использовано в лазере, зависит рабочая длина его волны, а также остальные свойства. Рабочее тело подвергается "накачке" энергией, чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, который вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления. Простейшей формой оптического резонатора являются два параллельных зеркала (их также может быть четыре и больше), расположенных вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. До момента выхода наружу волна может отражаться многократно.
Итак, сформулируем кратко условия, необходимые для создания источника когерентного света:
нужно рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;
рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;
усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения выходного зеркала.
В конструкции лазеров могут быть использованы следующие типы рабочих тел:
Жидкость. Применяется в качестве рабочего тела, например, в лазерах на красителях. В состав входят органический растворитель (метанол, этанол или этиленгликоль), в котором растворены химические красители (кумарин или родамин). Рабочая длина волны жидкостных лазеров определяется конфигурацией молекул используемого красителя.
Газы. В частности, углекислый газ, аргон, криптон или газовые смеси, как в гелий-неоновых лазерах. "Накачка" энергией этих лазеров чаще всего осуществляется с помощью электрических разрядов.
Твёрдые тела (кристаллы и стёкла). Сплошной материал таких рабочих тел активируется (легируется) посредством добавления небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Обычно используются следующие кристаллы: алюмо-иттриевый гранат, литиево-иттриевый фторид, сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Твердотельные лазеры обычно "накачиваются" импульсной лампой или другим лазером.
Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, "накачиваются" электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.
Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо организовать обратную связь. В лазерах она достигается при помещении активного вещества между отражающими поверхностями (зеркалами), образующими так называемый "открытый резонатор" за счет того, что часть излученной активным веществом энергии отражается от зеркал и опять возвращается в активное вещество
В Лазере используются оптические резонаторы различных типов - с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. В оптических резонаторах, обеспечивающих обратную связь в Лазере, могут возбуждаться только некоторые определённые типы колебаний электромагнитного поля, которые называются собственными колебаниями или модами резонатора.
Моды характеризуются частотой и формой, т. е. пространственным распределением колебаний. В резонаторе с плоскими зеркалами преимущественно возбуждаются типы колебаний, соответствующие плоским волнам, распространяющимся вдоль оси резонатора. Система из двух параллельных зеркал резонирует только на определенных частотах - и выполняет в лазере еще и ту роль, которую в обычных низкочастотных генераторах играет колебательный контур.
Использование именно открытого резонатора (а не закрытого - замкнутой металлической полости - характерного для СВЧ диапазона) принципиально, так как в оптическом диапазоне резонатор с размерами L = ? (L - характерный размер резонатора,? - длина волны) просто не может быть изготовлен, а при L >> ? закрытый резонатор теряет резонансные свойства, поскольку число возможных типов колебаний становится настолько большим, что они перекрываются.
Отсутствие боковых стенок значительно уменьшает число возможных типов колебаний (мод) за счет того, что волны, распространяющиеся под углом к оси резонатора, быстро уходят за его пределы, и позволяет сохранить резонансные свойства резонатора при L >> ?. Однако резонатор в лазере не только обеспечивает обратную связь за счет возврата отраженного от зеркал излучения в активное вещество, но и определяет спектр излучения лазера, его энергетические характеристики, направленность излучения.
В простейшем приближении плоской волны условие резонанса в резонаторе с плоскими зеркалами заключается в том, что на длине резонатора укладывается целое число полуволн: L=q(?/2) (q - целое число), что приводит к выражению для частоты типа колебаний с индексом q: ?q=q(C/2L). В результате спектр излучения Л., как правило, представляет собой набор узких спектральных линий, интервалы между которыми одинаковы и равны c/2L. Число линий (компонент) при заданной длине L зависит от свойств активной среды, т. е. от спектра спонтанного излучения на используемом квантовом переходе и может достигать нескольких десятков и сотен. При определённых условиях оказывается возможным выделить одну спектральную компоненту, т. е. осуществить одномодовый режим генерации. Спектральная ширина каждой из компонент определяется потерями энергии в резонаторе и, в первую очередь, пропусканием и поглощением света зеркалами.
Частотный профиль коэффициента усиления в рабочем веществе (он определяется шириной и формой линии рабочего вещества) и набор собственных частот открытого резонатора. Для используемых в лазерах открытых резонаторов с высокой добротностью полоса пропускания резонатора??p, определяющая ширину резонансных кривых отдельных мод, и даже расстояние между соседними модами??h оказываются меньше, чем ширина линии усиления??h, причем даже в газовых лазерах, где уширение линий наименьшее. Поэтому в контур усиления попадает несколько типов колебаний резонатора.
Таким образом, лазер не обязательно генерирует на одной частоте, чаще наоборот, генерация происходит одновременно на нескольких типах колебаний, для которых усиление? больше потерь в резонаторе. Для того чтобы лазер работал на одной частоте (в одночастотном режиме), необходимо, как правило, принимать специальные меры (например, увеличить потери, как это показано на рисунке 3) или изменить расстояние между зеркалами так, чтобы и в контур усиления попадала только одна мода. Поскольку в оптике, как отмечено выше, ?h > ?p и частота генерации в лазере определяется в основном частотой резонатора, то, чтобы держать стабильной частоту генерации, необходимо стабилизировать резонатор. Итак, если коэффициент усиления в рабочем веществе перекрывает потери в резонаторе для определенных типов колебаний, на них возникает генерация. Затравкой для ее возникновения являются, как и в любом генераторе, шумы, представляющие в лазерах спонтанное излучение.
Для того, чтобы активная среда излучала когерентный монохроматический свет, необходимо ввести обратную связь, т. е. часть излученного этой средой светового потока направить обратно в среду для осуществления вынужденного излучения. Положительная обратная связь осуществляется при помощи оптических резонаторов, которые в элементарном варианте представляют собой два соосно (параллельно и по одной оси) расположенных зеркала, одно из которых полупрозрачное, а другое — «глухое», т. е. полностью отражает световой поток. Рабочее вещество (активная среда), в котором создана инверсная заселенность, располагают между зеркалами. Вынужденное излучение проходит через активную среду, усиливается, отражается от зеркала, вновь проходит через среду и еще более усиливается. Через полупрозрачное зеркало часть излучения испускается во внешнюю среду, а часть отражается обратно в среду и снова усиливается. При определенных условиях поток фотонов внутри рабочего вещества начнет лавинообразно нарастать, начнется генерация монохроматического когерентного света.
Принцип работы оптического резонатора, преобладающее количество частиц рабочего вещества, представленные светлыми кружками, находятся в основном состоянии, т. е. на нижнем энергетическом уровне. Лишь небольшое количество частиц, представленные темными кружками, находятся в электронно-возбужденном состоянии. При воздействии на рабочее вещество источником накачки основное количество частиц переходит в возбужденное состояние (возросло количество темных кружков), создана инверсная заселенность. Далее (рис. 2в) происходит спонтанное излучение некоторых частиц, находящихся в электронно-возбужденном состоянии. Излучение, направленное под углом к оси резонатора, покинет рабочее вещество и резонатор. Излучение, которое направлено вдоль оси резонатора, подойдет к зеркальной поверхности.
У полупрозрачного зеркала часть излучения пройдет сквозь него в окружающую среду, а часть отразится и снова направится в рабочее вещество, вовлекая в процесс вынужденного излучения частицы, находящиеся в возбужденном состоянии.
У «глухого» зеркала весь лучевой поток отразится и вновь пройдет рабочее вещество, индуцируя излучение всех оставшихся возбужденных частиц, где отражена ситуация, когда все возбужденные частицы отдали свою запасенную энергию, а на выходе резонатора, на стороне полупрозрачного зеркала образовался мощный поток индуцированного излучения.
Основные конструктивные элементы лазеров включают в себя рабочее вещество с определенными энергетическими уровнями составляющих их атомов и молекул, источник накачки, создающий инверсную заселенность в рабочем веществе, и оптический резонатор. Существует большое количество различных лазеров, однако все они имеют одну и ту же и притом простую принципиальную схему устройства, которая представлена на рис. 3.
Исключение составляют полупроводниковые лазеры из-за своей специфичности, поскольку у них всё особенное: и физика процессов, и методы накачки, и конструкция. Полупроводники представляют собой кристаллические образования. В отдельном атоме энергия электрона принимает строго определенные дискретные значения, и поэтому энергетические состояния электрона в атоме описываются на языке уровней. В кристалле полупроводника энергетические уровни образуют энергетические зоны. В чистом, не содержащем каких-либо примесей полупроводнике имеются две зоны: так называемая валентная зона и расположенная над ней (по шкале энергий) зона проводимости.
Между ними имеется промежуток запрещенных значений энергии, который называется запрещенной зоной. При температуре полупроводника, равной абсолютному нулю, валентная зона должна быть полностью заполнена электронами, а зона проводимости должна быть пустой. В реальных условиях температура всегда выше абсолютного нуля. Но повышение температуры приводит к тепловому возбуждению электронов, часть из них перескакивает из валентной зоны в зону проводимости.
В результате этого процесса в зоне проводимости появляется некоторое (относительно небольшое) количество электронов, а в валентной зоне до ее полного заполнения будет не хватать соответствующего количества электронов. Электронная вакансия в валентной зоне представляется положительно заряженной частицей, которая именуется дыркой. Квантовый переход электрона через запрещенную зону снизу вверх рассматривается как процесс генерации электронно-дырочной пары, при этом электроны сосредоточены у нижнего края зоны проводимости, а дырки — у верхнего края валентной зоны. Переходы через запрещенную зону возможны не только снизу вверх, но и сверху вниз. Такой процесс называется рекомбинацией электрона и дырки.
При облучении чистого полупроводника светом, энергия фотонов которого несколько превышает ширину запрещенной зоны, в кристалле полупроводника могут совершаться три типа взаимодействия света с.веществом: поглощение, спонтанное испускание и вынужденное испускание света. Первый тип взаимодействия возможен при поглощении фотона электроном, находящимся вблизи верхнего края валентной зоны. При этом энергетическая мощность электрона станет достаточной для преодоления запрещенной зоны, и он совершит квантовый переход в зону проводимости. Спонтанное испускание света возможно при самопроизвольном возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону с испусканием кванта энергии — фотона. Внешнее излучение может инициировать переход в валентную зону электрона, находящегося вблизи нижнего края зоны проводимости. Результатом этого, третьего типа взаимодействия света с веществом полупроводника будет рождение вторичного фотона, идентичного по своим параметрам и направлению движения фотону, инициировавшему переход.
Для генерации лазерного излучения необходимо создать в полупроводнике инверсную заселенность «рабочих уровней» — создать достаточно высокую концентрацию электронов у нижнего края зоны проводимости и соответственно высокую концентрацию дырок у края валентной зоны. Для этих целей в чистых полупроводниковых лазерах обычно применяют накачку потоком электронов.
Зеркалами резонатора являются отполированные грани кристалла полупроводника. Недостатком таких лазеров является то, что многие полупроводниковые материалы генерируют лазерное излучение лишь при очень низких температурах, а бомбардировка кристаллов полупроводников потоком электронов вызывает его сильное нагревание. Это требует наличия дополнительных охладительных устройств, что усложняет конструкцию аппарата и увеличивает его габариты.
Свойства полупроводников с примесями существенно отличаются от свойств беспримесных, чистых полупроводников. Это обусловлено тем, что атомы одних примесей легко отдают в зону проводимости по одному из своих электронов. Эти примеси называются донорными, а полупроводник с такими примесями — п-полупро- водником. Атомы других примесей, напротив, захватывают по одному электрону из валентной зоны, и такие примеси являются акцепторными, а полупроводник с такими примесями — р-полу- проводником. Энергетический уровень примесных атомов располагается внутри запрещенной зоны: у «-полупроводников — недалеко от нижнего края зоны проводимости, у /^-полупроводников — вблизи верхнего края валентной зоны.
Если в этой области создать электрическое напряжение так, чтобы со стороны р-полупроводника был положительный полюс, а со стороны п-полупроводника отрицательный, то под действием электрического поля электроны из п-полупроводника и дырки из /^-полупроводника будут перемещаться (инжектироваться) в область р-п — перехода.
При рекомбинации электронов и дырок будут испускаться фотоны, а при наличии оптического резонатора возможна генерация лазерного излучения.
Зеркалами оптического резонатора являются отполированные грани кристалла полупроводника, ориентированные перпендикулярно плоскости р-п — перехода. Такие лазеры отличаются миниатюрностью, поскольку размеры полупроводникового активного элемента могут составлять около 1 мм.
В зависимости от рассматриваемого признака все лазеры подразделяются следующим образом).
Первый признак. Принято различать лазерные усилители и генераторы. В усилителях на входе подается слабое лазерное излучение, а на выходе оно соответственно усиливается. В генераторах нет внешнего излучения, оно возникает в рабочем веществе за счет его возбуждения с помощью различных источников накачки. Все медицинские лазерные аппараты являются генераторами.
Второй признак — физическое состояние рабочего вещества. В соответствии с этим лазеры подразделяются на твердотельные (рубиновые, сапфировые и др.), газовые (гелий-неоновые, гелий- кадмиевые, аргоновые, углекислотные и др.), жидкосные (жидкий диэлектрик с примесными рабочими атомами редкоземельных металлов) и полупроводниковые (арсенид-галлиевые, арсенид-фосфид- галлиевые, селенид-свинцовые и др.).
Способ возбуждения рабочего вещества является третьим отличительным признаком лазеров. В зависимости от источника возбуждения различают лазеры с оптической накачкой, с накачкой за счет газового разряда, электронного возбуждения, инжекции носителей заряда, с тепловой, химической накачкой и некоторые другие.
Спектр излучения лазера является следующим признаком классификации. Если излучение сосредоточено в узком интервале длин волн, то принято считать лазер монохроматичным и в его технических данных указывается конкретная длина волны; если в широком интервале, то следует считать лазер широкополосным и указывается диапазон длин волн.
По характеру излучаемой энергии различают импульсные лазеры и лазеры с непрерывным излучением. Не следует смешивать понятия импульсный лазер и лазер с частотной модуляцией непрерывного излучения, поскольку во втором случае мы получаем по сути дела прерывистое излучение различной частоты. Импульсные лазеры обладают большой мощностью в одиночном импульсе, достигающие 10 Вт, тогда как их среднеимпульсная мощность, определяемая по соответствующим формулам, сравнительно невелика. У непрерывных лазеров с частотной модуляцией мощность в так называемом импульсе ниже мощности непрерывного излучения.
По средней выходной мощности излучения (следующий признак классификации) лазеры подразделяются на:
· высокоэнергетические (создаваемая плотность потока мощность излучения на поверхности объекта или биообъекта — свыше 10 Вт/см2);
· среднеэнергетические (создаваемая плотность потока мощность излучения — от 0,4 до 10 Вт/см2);
· низкоэнергетические (создаваемая плотность потока мощность излучения — менее 0,4 Вт/см2).
· мягкое (создаваемая энергетическая облученность — Е или плотность потока мощности на облучаемой поверхности — до 4 мВт/см2);
· среднее (Е — от 4 до 30 мВт/см2);
· жесткое (Е — более 30 мВт/см2).
В соответствии с «Санитарными нормами и правилами устройства и эксплуатации лазеров № 5804-91» по степени опасности генерируемого излучения для обслуживающего персонала лазеры подразделяются на четыре класса.
К лазерам первого класса относятся такие технические устройства, выходное коллиминированное (заключенное в ограниченном телесном угле) излучение которых не представляет опасность при облучении глаз и кожи человека.
Лазеры второго класса — это устройства, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз прямым и зеркально отраженным излучением.
Лазеры третьего класса — это устройства, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз прямым и зеркально отраженным, а также диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности, и (или) при облучении кожи прямым и зеркально отраженным излучением.
Лазеры четвертого класса — это устройства, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности.
Уже давно применяются в медицине, при изготовлении высокоточных приборов, в лабораторных установках и т.д. Узкий пучок когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона уже давно привлекал исследователей со всей планеты. Свойства лазера достаточно хорошо изучены и с недавнего времени используются в народном хозяйстве и на производстве. Наверное, все видели в работе высокоточные прицелы или всем известные указки. Мощность таких приборов невелика, но ее вполне достаточно для демонстрации их
возможностей. С развитием технологии изготовления в настоящее время промышленным способом производятся небольшие по размеру элементы, способные выдавать луч достаточно большой мощности. Без сомнения, они найдут свое место в электронике. На их базе вполне можно изготовить самодельный лазер, который можно использовать в быту, предположим, в качестве малогабаритного уровнемера.
Для того чтобы изготовить самодельный лазер, нет необходимости искать дорогостоящий кристалл, конструировать устройство накачки, устанавливать отражатель и т.д. Вам даже не понадобится настраивать специальную оптическую линзу, используемую для корректировки луча. На данный момент технология изготовления лазерных диодов достаточно хорошо развита.
Такой прибор может работать с постоянной мощностью излучения до 8 Ватт, что вполне достаточно, чтобы получить луч большой протяженности. На близком расстоянии такое устройство прожжет лист бумаги. Все, что необходимо для того, чтобы собрать такой самодельный лазер - это подобрать корпус и организовать источник питания. Следует также учитывать, что во включенном состоянии такое устройство потребляет приличный ток, и обыкновенные батарейки вскоре придется менять. В качестве лучше всего использовать В зависимости от целевого назначения такого устройства можно обратиться к каталогам и подобрать диод по тем параметрам потребляемого тока и мощности излучения, которые наиболее вас устраивают.
Широко используются в самых различных электронных устройствах. Вполне можно демонтировать этот прибор из старого лазерного “резака” для DVD дисков и сделать из него самодельный лазер. Оно вполне подойдет для демонстрации возможностей этого прибора.
В настоящее время выпускаются с пиковой выходной оптической мощностью до 150 Ватт. Не забывайте о безопасности при работе с этими элементами.
Если же вы собираетесь собрать мощное устройство, способное обрабатывать легкоплавкие материалы, то тогда вам пригодится Своими руками этот прибор можно собрать на основании чертежей, которые вполне можно найти в свободном доступе.
Как видите, самодельные лазеры вполне реально сделать, не прибегая к поиску дорогостоящих и дефицитных материалов. Сборка и калибровка не отнимет много времени.
Ассортимент производимых лазерных диодов постоянно растет. Увеличивается их выходная оптическая мощность. Поточное производство приводит к постепенному уменьшению их стоимости.
