Выбор мощность лазера для резки металла в зависимости от материала. Лазерная технология FT не имеет аналогов и может проводиться только на эрбиевых и неодимовых лазерах Fotona! Принцип работы лазера

23.03.2019

Обзор является продолжением рассказа о практическом применении в домашних условиях лазерного гравировального станка с рабочей площадью формата А3. В прошлый раз речь шла о наборе для самостоятельной сборки, комплектуемом лазером мощностью 2500mW. В этот раз я расскажу о его замене на лазер с заявленной мощностью уже на 5500mW. Из обзора можно будет узнать, за сколько проходов такой лазер способен прожечь 3 мм и 4 мм фанеру, что для этого нужно и главное – что потом с этим делать. Далее - много букв и фото.

Итак, многие наверное помнят данного обзора в которой я постарался рассказать о применении как самого станка так и о работе с программным обеспечением BenBox. В конце обзора я упомянул, что у хозяина устройства появилась идея его модернизировать и установить более мощный лазер.

Основным посылом к модернизации послужило желание вырезания поделок из фанеры. Хотя изначально, перед приобретением первого варианта, существовала необходимость лишь в резке фигурок из фетра, с чем, кстати сказать, предыдущий лазер справлялся отлично, в период проведения тестирования выяснилось, что и фанеру он тоже режет, но для этого требуется сравнительно много времени.

Идея замены витала в воздухе не очень долго и скоро воплотилась в реальный заказ.

Скрин заказа

Лазер поставляется в комплекте с блоком питания.

На корпусе лазера, представляющем собой по сути один сплошной радиатор, присутствует наклейка с указанием необходимого для него напряжения и выдаваемой мощности.

Блок питания рассчитан на 12v и 5А.

Использовать лазер можно «из коробки», т.к. плата управления уже встроена и расположена над кулером охлаждения радиатора. Для включения необходимо лишь подключить блок питания. После этого лазер включится на максимальной мощности. Для включения минимального режима служит одна единственная кнопочка на плате.

Судя по характеристикам, длина волны лазера составляет 450nm, цвет луча – синий.
Совместного фото нового лазера со старым я, к сожалению, не сделал, но если в общем, то в первую очередь разница отчетливо заметна в размерах. Скорее всего, это связано с размером радиатора, который выглядит значительно больше и внушительнее.

Кроме того, размер регулировочной части фокусной линзы также стал примерно в два раза больше.

Вот так выглядит лазер в установленном виде. Здесь же видно, что дополнительный кулер, препятствующий оседанию дыма на линзе лазера все таки был закреплен на каретке и теперь перемещается вместе с лазером. Вес его незначителен и пока это никак негативно не повлияло на работу шаговых двигателей.

Для крепления использована деталька от детского железного конструктора. При достаточной жесткости она довольно пластична, поэтому можно легко подобрать необходимый угол наклона кулера для конкретной ситуации.

Вместе с лазером были заказаны вот такие (10х10 мм) на самоклеющейся основе.

Радиаторы приобретались для установки на двух микросхемках платы лазера, т.к. при работе устройства они довольно ощутимо нагреваются и были опасения за их состояние.

Первые тестовые испытания показали, что лазер действительно мощнее предыдущего, это с учетом одного и того же подхода к процедуре резки. То есть, как это ни странно констатировать, но «на глаз» мощность действительно увеличена примерно в два раза.

Т.е. то, что на лазере в 2500mW резалось за 6-8 проходов теперь режется за 3-4. Но это пока… (об этом чуть позже).

Первой толковой поделкой, по просьбе знакомых, попробовали сделать так называемую «медальницу». Т.е. это вроде тематической вешалки для медалей. Поскольку станку по силам пока только фанера «тройка», то решили сделать две заготовки и затем, склеив их между собой, добиться необходимой прочности.

На фото ниже видно, что первая попытка была не очень удачной, а все потому, что не всегда понятно, прорезалась фигура целиком или нет, к тому же, на это очень сильно влияет изгиб фанеры, которая не всегда является идеально ровной.

В конце концов, со второй попытки желаемое получилось, но суть в данном случае не в этом.

А в том, что устав каждый раз искать, на что положить заготовку, чтобы было видно снизу, насколько хорошо она прорезалась, было принято решение заколхозить какую-нибудь специальную приспособу для этих целей.

Модернизация станка

Исходя из особенностей конструкции рамы станка, отличным вариантом в качестве основания для этого показалось использование двух длинных направляющих, по которым не предусмотрено перемещение механизма. Кроме того, в этих направляющих имеется углубление, за которое можно закрепить приспособу.

Расстояние между серединами направляющих составило 41,5 см.

Широкий профиль для гипсокартона, давно стоявший без дела в углу, отлично подошел для предполагаемых целей. Для этого от него был отрезан кусок необходимой длины и разрезан вдоль – тем самым получилось два уголка с ребром жесткости.

Отрезаем «лишние» кусочки, чтобы одно ребро уголка свободно входило между направляющими, а другое ложилось на них.

Часть уголка загибаем под желобок направляющей с обоих сторон так, чтобы уголок мог двигаться и одновременно не выскакивать из направляющей.

Получается, что теперь мы имеем две поперечины, которые можно свободно перемещать внутри рабочей площади станка и тем самым разместить на них любой кусочек фанеры.

При необходимости их можно просто сдвинуть в любую сторону, чтобы не мешали.

Вот так теперь можно разместить фанерку, при этом расстояние от ее поверхности то линзы лазера составляет около 36 мм.

Но возможно самое важное при таком подходе то, что теперь фанеру можно притянуть к получившимся направляющим в нужных местах хоть саморезами, хоть струбцинками и тем самым обеспечить ее «ровность» по всему периметру предполагаемой поделки.

Ну а вот так получается можно наблюдать в процессе работы лазера, насколько хорошо прорезается деталь и нужно или нет делать дополнительные проходы.

Потренировавшись, еще на предыдущем лазере в вырезании плоских поделок, давно хотелось попробовать сделать что то действительно полезное и интересное, например что то из разряда коробочек-шкатулочек. Но дело это, как Вы понимаете, не совсем простое, то есть конечно принцип тот же самый что и всегда – надо нарезать детальки и потом их соединить, но поскольку деталек получается достаточно много, то точность чертежа должна быть достаточной для того, чтобы по концовке работы не пришлось все выбрасывать, т.к. не получается их состыковать. К тому же, возвращаясь опять же к количеству деталек остро встает вопрос автоматизации резки с точки зрения необходимости выполнения нескольких проходов.

Если Вы читали мой предыдущий обзор, но наверняка помните, что используемая мной программа BenBox лишена возможности задания количества необходимых проходов по картинке и нажимать на кнопку запуска после окончания каждого прохода приходится самостоятельно столько раз, сколько требуется.

Так вот. Оказалось, что все-таки с этой программой не все так плохо как казалось на первый взгляд. Нет, конечно я не нашел в ней секретного поля для задания этого параметра, все немного проще и сложнее одновременно.

BenBox способен получать задания не только в визуальном режиме путем выбора картинки с изображением контура фигуры, но и загрузки в специальное окошко специальной последовательности команд – G-code, и вот в этом самом режиме можно задавать необходимые команды необходимое же количество раз. Т.е. по простому – надо три раза начертить круг, задаем эти команды три раза и станок послушно начертит круг три раза. Правда как всегда «есть парочка нюансов…».

Во-первых, задавать эти команды можно только либо вводя вручную или вставив сразу блоком из памяти (буфера обмена) скопировав их из нужного файла.

Во-вторых, как это ни странно, но нет режима загрузки из файла напрямую, т.е. только вышеописанным способом.

В-третьих, несмотря на то, что этот самый код предусматривает в том числе и задание скорости перемещения лазера, в BenBox эти команды полностью игнорируются и используется единственное значение – установленное в его же специальном поле.

Это что касается Бенбокса. Но необходимо вспомнить, что этот набор команд (G-код) нужно еще как-то получить. А это не совсем просто. Т.е. сам принцип весьма несложен – нужно преобразовать необходимое для вырезания/гравировки изображение в команды, которые потом скормить Бенбоксу. Но вот найти подходящую для этого программу из большого количества существующих, да еще чтобы на выходе получался нужный набор команд – вот это уже сложно.

В этом мне помог разобраться один замечательный человек, также владеющий китайским лазерным гравером, с которым мы переписывались в рамках обмена опытом эксплуатации, за что ему хочется выразить благодарность и сказать большое человеческое «Спасибо».

Итак, для вышеописанного правильного и достаточно удобного преобразования картинок в набор команд для резки/гравировки хорошо подходит программа VCarve Pro. Не буду рассказывать где ее можно скачать – думаю это не проблема для большинства читающих.

Такая конструкция сразу же привлекает внимание тем, что в ней «свободно гнется то, что по определению гнуться не должно». То есть здесь верхняя и нижняя сторона коробочки являются цельными друг с другом, а соединяющая их часть гнется и не ломается при помощи специально нарезанных прорезей, образующих своеобразный книжный переплет.

Давно хотелось посмотреть, как это будет выглядеть на практике, к тому же размеры такой шкатулки сравнительно невелики, поэтому и времени на ее вырезание не должно понадобиться слишком много.

В оригинальном исполнении, как на картинке, шкатулка дополнена гравировкой и имеет странного вида, но весьма интересный замок-задвижку. Я немного упростил конструкцию и подготовил на ее основе вот такой чертежик.

Получаем G-код при помощи VCarve Pro

Запускаем VCarve Pro, загружаем в него наше изображение и выбираем пункт верхнего меню, как показано на картинке. Это необходимо для того, чтобы получить «трассировку» нашего изображения (векторный контур).

В появившемся окошке (2) необходимо выбрать кнопку (Quick Engrave) после чего появится окошко 3. Немного о его элементах.
1 – кнопка выбора виртуального инструмента, с которым мы хотим работать.
2 – переключатель режима работы гравера (внешний контур или заполнение).
3 – поставив галочку, здесь можно указать необходимое количество проходов (да, это то самое!).
4 – любое смысловое название для создаваемого задания.
5 – кнопка, запускающая режим просчета пути движения лазера по указанному контуру.
6 – один из самых важных элементов, менюшка выбора пост-процессора. Т.е. именно здесь выбирается тип необходимого для нас кода.

А теперь по порядку. Сначала нам необходимо задать параметры виртуального инструмента, которым мы планируем работать (кнопка 1 на рисунке выше).

В появившемся окошке необходимо ввести понятное для нас название (1), выбрать тип инструмента – гравер (2), задать максимальную (или желаемую) мощность работы лазера (от 0 до 255), указать единицы измерения именно как мм/мин (4), а также ввести необходимую для этого задания скорость перемещения лазера (от этого зависит глубина реза) и сохранить «инструмент».

Далее, в основном окне программы, на изображении необходимо выбрать контуры, относительно которых будет формироваться задание. Т.е. в данном случае можно сначала к примеру, выбрать внутренние контуры для гравировки, а затем внешние для резки. Если такого не требуется, то правой кнопкой можно при помощи указанного пункта меню просто выделить все контуры, которые есть.

Далее необходимо указать необходимое количество проходов (1) и выбрать нужный пост-процессор (2). Что касается пост-процессора, то для работы с Бэнбоксом в программе не содержится подходящего. Его можно скачать , после чего поместить в папку программы по адресу «C:\Users\All Users\Vectric\VCarve Pro\V6.0\PostP\».

После этого нужно нажать кнопку просчета (3) и в завершение можно как сразу сохранить полученный код в файл, если не нужно формировать несколько заданий, либо закрыть окошко кнопкой «Close».

Сформированные задания отображаются вверху окошка (1). Для сохранения необходимо отметить галочками нужные и нажать кнопку 2. Затем убедиться, что установлена галочка на пункте 3, проверить правильность выбора пост-процессора и сохранить задания в файл кнопкой 4.

В результате мы получаем файлик с расширением.nc который можно открыть простым Блокнотом. Вот так выглядит наш набор команд, который необходимо выделить от первой до последней строчки и скопировать в буфер обмена.

Затем, в Бэнбоксе необходимо заранее указать требуемую скорость перемещения лазера и нажать кнопку, как указано на картинке ниже.

И при помощи комбинации клавиш Ctrl+V или Shift+Insert вставить код из буфера обмена в указанное на картинке поле (меню для вставки правой кнопкой мышки не работает). После нажатия на синюю кнопку с галочкой, программа должна начать посылать команды на станок.

Итак, в результате получаем вот такой набор элементов.

А вот так может теперь изгибаться цельный кусок фанерки.

При сборке нет необходимости использовать клей, т.к. все детали входят очень плотно.

Внутреннее полезное пространство имеет размеры, соответствующие стандартным пластиковым картам.

Никогда такого не делал, но для пробы покрыл коробочку сначала темной морилкой, а затем лаком. С учетом отсутствия опыта в этом направлении считаю, что для первого раза получилось неплохо)).

Коробочка-шкатулка в общем то получилась, вырезалась она за 5 проходов (пятый это на всякий случай, для закрепления так сказать). Но почему то никак не покидало ощущение, что я делаю что то не совсем правильно, т.к. все таки хотелось большей производительности.

Немного поразмыслив в голову пришла одна интересная идея. Возможно скажу давно общепринятый факт, но пока лично не встречал подобного подхода, поэтому прошу заранее извинить.

Фокус про «Фокус»

Итак, давайте вспомним, по какому принципу как правило настраивается фокусировочная линза лазера? При включенном на минимальной мощности лазере необходимо вращать регулировку фокуса линзы добиваясь на предполагаемой к обработке поверхности минимального размера пятна лазера и превращая его в идеале в точку.

В данном случае минимальный размер пятна гарантирует нам максимальную мощность лазера, все казалось бы, правильно. Но наблюдая за процессом резки меня сильно смущало то, что практически идеальный рез вначале процесса, к концу становился каким то слабым, местами даже не дорезая фанеру снизу.

Так вот, если Вы еще не догадались к чему я веду, поясняю.
При углублении лазера в фанеру тем самым получается, что с каждым проходом увеличивается расстояние от лазера до поверхности и при этом происходит что? - расфокусировка луча с неизбежным падением его мощности в конечной точке.

Так и получается: чем глубже, тем хуже. Если так, то тогда напротив, сфокусировав луч немного ниже поверхности реза мы должны добиться увеличения мощности лазера ближе к противоположной поверхности.

Для проверки своей теории я попробовал сфокусировать луч не на самой фанерке, а на поверхности под ней заранее предполагая, что ничего путного их этого не получится, т.к. пятно на фанерке должно было получиться не совсем маленьким и рез поэтому должен по идее сильно обугливаться. Но случилось чудо!

Фанера тройка прорезается за два прохода до состояния «самовываливания», скорость реза при этом, согласно параметрам Бэнбокса составляла значение 150.

Но как всегда что? Не обошлось без нюансов.
Главный из них состоит в том, что фанера должна лежать абсолютно ровно во всей плоскости реза, поэтому ее обязательно нужно притягивать.

Вот в качестве примера два кружка, которые резались при одних и тех же параметрах.
В первом случае фанера, даже при относительной «ровности», не притягивалась к направляющим и получился вот такой ужас.

На этом же кусочке, но уже притянутом струбциной получилось вот так. Процесс данный кстати показан на видео, которое будет в конце обзора.

Удовлетворившись наконец полученным результатом мне захотелось продолжить свои эксперименты в области шкатулкостроения, целью которых является создание какой-нибудь красотищи. Но путь этот надо сказать весьма труден и тернист.

После изготовления шкатулки-книжки я попытался подготовить чертежик под желаемые для себя размеры, но быстро понял, что хотя задача эта вполне себе выполнима, но вот затрачиваемое на это время ну совсем мне не понравилось.

Дело в том, что необходимо очень тщательно подходить к размерам всех деталек чертежа чтобы потом они и стыковались в нужных местах и не вываливались при этом, ну и все это плюс зависит от сложности самой конструкции. В общем повозившись пару дней, я понял, что лень в очередной раз победила и стал искать способы автоматизации данного процесса.

В среде людей, занимающихся вырезанием на мощных лазерных CO2-станках (от 40Вт) большой популярностью пользуется разработка чертежей в Corel Draw для которого существуют специализированные программы-макросы, способные строить различные чертежи коробочек по задаваемым пользователем параметрам. Встречаются как бесплатные так и платные разработки.

Задавшись целью создания красивой резной шкатулки, я быстро понял, что среди бесплатных программ ловить особенно нечего, так как практически все они заточены лишь на простые модельки коробочек. В результате поиска удалось натолкнуться на весьма хорошую разработку под названием «Конструктор Шкатулок».

Конструктор Шкатулок представляет собой макрос под Corel Draw для быстрого проектирования различных объемных конструкций из листового материала (в основном – дерева).
На специализированном форуме данному макросу посвящено , в котором сам разработчик принимает активное участие.

Кстати о разработчике, надо отдать ему должное, т.к. такого подробного и доступного для восприятия , я давно не видел. Достаточно его просто внимательно почитать и уже начинает складываться впечатление, что сам пользуешься этой программой пару недель. Далее я не буду подробно рассказывать, что и для чего предназначено в программе, т.к. сделать это лучше, чем уже описано в руководстве все равно не получится.

Выбрать макрос и списка и нажать кнопку «Run».

Если все сложилось как надо, то на экране появится вот такое окошко.

Для первого раза я решил попробовать сделать простую коробочку, но с открывающейся на петельках крышечкой. Для этого необходимо выбрать желаемый тип изделия из предложенного списка.

Делаем коробочку с крышечкой

Пройтись по вкладкам, заполнив поля с необходимыми размерами и кучей других параметров, характеризующих желаемое к созданию изделие.

После чего, возвратившись в первое окошко программы, нужно нажать на кнопку «Создать чертеж» и вуаля – получите/распишитесь «чертежик по индивидуальному проекту».

После этого я делаю экспорт в формат.bmp и обрабатываю чертеж как мне нужно. К примеру – заливаю его черным цветом для удобства резки.

Собирается все очень плотненько, пришлось даже прибегнуть при помощи небольшого молоточка.

Ну вот, настало наконец время замахнуться на что-то красивое и резное – приступаем к изготовлению шкатулки.

Делаем резную шкатулку

При всей своей предполагаемой сложности процесс создания чертежа не намного отличается от создания простой коробочки. В списке изделий выбираем резную шкатулку.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Институт транспортной техники и систем управления

Кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава»

Реферат

по дисциплине: «Электрофизические и электрохимические методы обработки»

Тема: «Типы и характеристики лазеров»

Введение

Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства. Как заметил академик А.П. Александров, всякий мальчишка теперь знает слово лазер. И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположников науки о лазерах - квантовой электроники - академик Н.Г. Басов отвечает на этот вопрос так: Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметра порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва.

С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством ее передачи и обработки. Широкое применение лазеров в современной науке и технике объясняется специфическими свойствами лазерного излучения. Лазер - это генератор когерентного света. В отличии от других источников света (например, ламп накаливания или ламп дневного света) лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой степенью упорядоченности светового поля или, как говорят, высокой степенью когерентности. Такое излучение отличается высокой монохроматичностью и направленностью. В наши дни лазеры успешно трудятся на современном производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами. Лазерным лучом раскраивают ткани и режут стальные листы, сваривают кузова автомобилей и приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах. Причем лазерная обработка материалов позволяет повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими видами обработки. Непрерывно расширяется область применения лазеров в научных исследованиях - физических, химических, биологических.

Замечательные свойства лазеров - исключительно высокая когерентность и направленность излучения, возможность генерирования когерентных волн большой интенсивности в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, получение высоких плотностей энергии как в непрерывном, так и в импульсном режиме - уже на заре квантовой электроники указывало на возможность широкого их применения для практических целей. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно высокими темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые: создаются лазерные установки с необходимым для различных конкретных целей комплексом характеристик, а также различного рода приборы управления лучом, все более и более совершенствуется измерительная техника. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного хозяйства, и в частности в машино- и приборостроение.

Надо особо отметить, что освоение лазерных методов или, иначе говоря, лазерных технологий значительно повышает эффективность современного производства. Лазерные технологии позволяют осуществлять наиболее полную автоматизацию производственных процессов.

Огромны и впечатляющи достижения лазерной техники сегодняшнего дня. Завтрашний день обещает еще более грандиозные свершения. С лазерами связаны многие надежды: от создания объемного кино до решения таких глобальных проблем, как установление сверхдальней наземной и подводной оптической связи, разгадку тайн фотосинтеза, осуществление управляемой термоядерной реакции, появление систем с большим объемом памяти и быстродействующими устройствами ввода - вывода информации.

1. Классификация лазеров

Принято различать два типа лазеров: усилители и генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его вход (а сам он уже находится в возбужденном состоянии) поступает незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом - на входе слабое излучение, на выходе - усиленное. С генератором дело обстоит иначе. На его вход излучение на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность самопроизвольного перехода одной или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к возникновению стимулированного излучения.

Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый переход, то лазер называют полупроводниковым.

Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью ядерного излучения. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере.

Еще один вид классификации основан на использовании понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 106 Вт, называют высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 105…103 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10-3 Вт, то говорят о маломощных лазерах.

В зависимости от конструкции открытого зеркального резонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью - у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер называют лазером с Q-модуляцией.

2. Характеристики лазеров

Одной из характеристик лазеров является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т.е. от 10-3 до 102 мкм. За областью 100 мкм лежит, образно говоря, целина. Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его освоение завершится в ближайшее время. Доля, приходящаяся на различные типы генераторов, неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых генераторов.

Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов - порядка 103 Дж. Третьей характеристикой является мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют мощность от 10-3 до 102 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет особый смысл. К примеру, если взять излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную в интервале в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10-4 с, следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью оптического затвора до 10-6 с, мощность составляет 106 Вт, т.е. мегаватт. Это не предел! Можно увеличить энергию в импульсе до 103 Дж и сократить ее длительность до 10-9с и тогда мощность достигнет 1012 Вт. А это очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность луча, достигающая 105 Вт/см2, то начинается плавление металла, при интенсивности 107 Вт/см2 - кипение металла, а при 109 Вт/см2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.

Еще одной важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько угловых минут. Расходимость луча твердотельных лазеров около 1…3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой - около 10…15 угловых градусов.

Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение, т.е. монохроматичность. У газовых лазеров монохроматичность очень высокая, она составляет 10-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные лазеры и особенно полупроводниковые имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой монохроматичностью.

Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются всяческие меры для повышения кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеров до температуры 4…77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.

2.1 Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры делятся на импульсные и непрерывные. Среди импульсных лазеров более распространены устройства на рубине и неодимовом стекле. Длина волны неодимового лазера составляет l = 1,06 мкм. Эти устройства представляют собой относительно большие стержни, длина которых достигает 100 см, а диаметр - 4-5 см. Энергия импульса генерации такого стержня - 1000 дж за 10-3 сек.

Лазер на рубине также отличается большой мощностью импульса, при длительности 10-3 сек его энергия составляет сотни дж. Частота повторения импульсов может достигать нескольких кГц.

Самые известные лазеры непрерывного действия изготавливаются на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате, в котором присутствуют примеси атомов редкоземельных металлов. Длина волны этих лазеров находится в области от 1 до 3 мкм. Мощность импульса составляет примерно 1 вт либо его доли. Лазеры на иттриево-алюминиевом гранате способы обеспечить мощность импульса до нескольких десятков вт.

Как правило, в твердотельных лазерах используется многомодовый режим генерации. Одномодовая генерация может быть получена при введении в резонатор селектирующих элементов. Подобное решение было вызвано снижением генерируемой мощности излучения.

Сложность производства твердотельных лазеров заключается в необходимости выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов прозрачного стекла. Преодолеть эти трудности позволило изготовление жидкостных лазеров, где активная среда представлена жидкостью, в которую введены редкоземельные элементы. Тем не менее жидкостные лазеры имеют ряд недостатков, ограничивающих область их использования.

2.2 Жидкостные лазеры

Жидкостными называются лазеры с жидкой активной средой. Основным преимуществом этого вида устройств является возможность циркуляции жидкости и, соответственно, ее охлаждение. В результате и в импульсном, и в непрерывном режиме можно получить больше энергии.

Первые жидкостные лазеры производились на основе редкоземельных хелатов. Недостатком этих лазеров является низкий уровень достижимой энергии и химическая неустойчивость хелатов. В результате эти лазеры не нашли применения. Советские ученые предложили использовать в лазерной среде неорганические активные жидкости. Лазеры на их основе отличаются высокими импульсными энергиями и обеспечивают показатели средней мощности. Жидкостные лазеры на такой активной среде способны генерировать излучение с узким спектром частот.

Еще один вид жидкостных лазеров - устройства, работающие на растворах органических красителей, отличающихся широкими спектральными линиями люминесценции. Такой лазер способен обеспечить непрерывную перестройку длин излучаемых волн света в широком диапазоне. При замене красителей обеспечивается перекрытие всего видимого спектра и части инфракрасного. Источником накачки в таких устройствах являются, как правило, твердотельные лазеры, но возможно использование газосветных ламп, обеспечивающих короткие вспышки белого света (менее 50 мксек).

2.3 Газовые лазеры

Существует много разновидностей. Одна из них - фотодиссоционный лазер. В нем применяется газ, молекулы которого под влиянием оптической накачки диссоциируют (распадаются) на две части, одна из которых оказывается в возбужденном состоянии и используется для лазерного излучения.

Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ (давление 1-10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым и создается постоянным током или переменным током высокой частоты (10-50 МГц).

Существует несколько типов газоразрядных лазеров. В ионных лазерах излучение получается за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый лазер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока.

Лазеры на атомных переходах генерируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями атомов. Эти лазеры дают излучение с длиной волны 0,4-100 мкм. Пример - гелий-неоновый лазер, работающий на смеси гелия и неона под давлением около 1 мм рт. ст. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В.

К газоразрядным относятся также молекулярные лазеры, в которых излучение возникает от переходов электронов между энергетическими уровнями молекул. Эти лазеры имеют широкий диапазон частот, соответствующий длинам волн от 0,2 до 50 мкм.

Наиболее распространен из молекулярных лазер на диоксиде углерода (СО2-лазер). Он может давать мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД - около 40%. К основному углекислому газу обычно ещё добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накачки применяют тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный. Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около 10 мкм. Схематически он показан на рис. 1.

Рис. 1 - Принцип устройства СО2-лазера

Разновидность СО2-лазеров - газодинамические. В них инверсная населенность, необходимая для лазерного излучения, достигается за счет того, что газ, предварительно нагретый до 1500 К при давлении 20-30 атм, поступает в рабочую камеру, где он расширяется, а его температура и давление резко снижаются. Такие лазеры могут дать непрерывное излучение мощностью до 100 кВт.

К молекулярным относятся так называемые эксимерные лазеры, у которых рабочей средой является инертный газ (аргон, ксенон, криптон и др.), либо его соединение с хлором или фтором. В таких лазерах накачка осуществляется не электрическим разрядом, а потоком так называемых быстрых электронов (с энергией в сотни кэВ). Излучаемая волна получается наиболее короткой, например, у лазера на аргоне 0,126 мкм.

Большие мощности излучения можно получить, если повысить давление газа и применить накачку с помощью ионизирующего излучения в сочетании с внешним электрическим полем. Ионизирующим излучением служит поток быстрых электронов либо ультрафиолетовое излучение. Такие лазеры называются электроионизационными или лазерами на сжатом газе. Схематически лазеры такого типа показаны на рис. 2.

Рис. 2 - Электроионизационная накачка

Возбужденные молекулы газа за счет энергии химических реакций получаются в химических лазерах. Здесь используются смеси некоторых химически активных газов (фтор, хлор, водород, хлористый водород и др.). Химические реакции в таких лазерах должны протекать очень быстро. Для ускорения применяются специальные химические агенты, которые получаются при диссоциации молекул газа под действием оптического излучения, или электрического разряда, или электронного пучка. Примером химического лазера может служить лазер на смеси фтора, водорода и углекислого газа.

Особый тип лазера - плазменный лазер. В нем активной средой служит высокоионизированная плазма паров щелочноземельных металлов (магний, барий, стронций, кальций). Для ионизации применяют импульсы тока силой до 300 А при напряжении до 20 кВ. Длительность импульсов 0,1-1,0 мкс. Излучение такого лазера имеет длину волны 0,41-0,43 мкм, но может также быть в ультрафиолетовой области.

2.4 Полупроводниковые лазеры

Хотя полупроводниковые лазеры и являются твердотельными, их принято выделять в особую группу. В этих лазерах когерентное излучение получается вследствие перехода электронов с нижнего края зоны проводимости на верхний край валентной зоны. Существует два типа полупроводниковых лазеров. Первый имеет пластину беспримесного полупроводника, в котором накачка производится пучком быстрых электронов с энергией 50-100 кэВ. Возможна также оптическая накачка. В качестве полупроводников используются арсенид галлия GaAs, сульфид кадмия CdS или селенид кадмия CdSe. Накачка электронным пучком вызывает сильный нагрев полупроводника, отчего лазерное излучение ухудшается. Поэтому такие лазеры нуждаются в хорошем охлаждении. Например, лазер на арсениде галлия принято охлаждать до температуры 80 К.

Накачка электронным пучком может быть поперечной (рис. 3) или продольной (рис. 4). При поперечной накачке две противоположные грани полупроводникового кристалла отполированы и играют роль зеркал оптического резонатора. В случае продольной накачки применяются внешние зеркала. При продольной накачке значительно улучшается охлаждение полупроводника. Пример такого лазера - лазер на сульфиде кадмия, генерирующий излучение с длиной волны 0,49 мкм и имеющий КПД около 25%.

Рис. 3 - Поперечная накачка электронным пучком

Рис. 4 - Продольная накачка электронным пучком

Второй тип полупроводникового лазера - так называемый инжекционный лазер. В нем имеется p-n-переход (рис. 5), образованный двумя вырожденными примесными полупроводниками, у которых концентрация донорных и акцепторных примесей составляет 1018-1019см-3. Грани, перпендикулярные плоскости p-n-перехода, отполированы и служат в качестве зеркал оптического резонатора. На такой лазер подается прямое напряжение, под действием которого понижается потенциальный барьер в p-n-переходе и происходит инжекция электронов и дырок. В области перехода начинается интенсивная рекомбинация носителей заряда, при которой электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение. Для инжекционных лазеров применяют главным образом арсенид галлия. Излучение имеет длину волны 0,8-0,9 мкм, КПД довольно высок - 50-60%.

Рис. 5 - Принцип устройства инжекционного лазера

усилитель генератор луч волна

Миниатюрные инжекционные лазеры с линейными размерами полупроводников около 1 мм дают мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме могут иметь мощность до 100 Вт. Получение больших мощностей требует сильного охлаждения.

Следует отметить, что в устройстве лазеров имеется много различных особенностей. Оптический резонатор лишь в простейшем случае составлен из двух плоскопараллельных зеркал. Применяются и более сложные конструкции резонаторов, с другой формой зеркал.

В состав многих лазеров входят дополнительные устройства для управления излучением, расположенные либо внутри резонатора, либо вне его. С помощью этих устройств отклоняется и фокусируется лазерный луч, изменяются различные параметры излучения. Длина волны у разных лазеров может составлять 0,1-100 мкм. При импульсном излучении длительность импульсов бывает в пределах от 10-3 до 10-12 с. Импульсы могут быть одиночными или следовать с частотой повторения до нескольких гигагерц. Достижимая мощность составляет 109 Вт для наносекундных импульсов и 1012 Вт для сверхкоротких пикосекундных импульсов.

2.5 Лазеры на красителях

Лазеры, использующие в качестве лазерного материала органические красители, обычно в форме жидкого раствора. Они принесли революцию в лазерную спектроскопию и стали родоначальником нового типа лазеров c длительностью импульса менее пикосекунды (Лазеры сверхкоротких импульсов).

В качестве накачки сегодня обычно применяют другой лазер, например Nd: YAG с диодной накачкой, или Аргоновый лазер. Очень редко можно встретить лазер на красителях с накачкой лампой-вспышкой. Основная особенность лазеров на красителях - очень большая ширина контура усиления. Ниже приведена таблица параметров некоторых лазеров на красителях.

Существует две возможности использовать такую большую рабочую область лазера:

перестройка длины волны на которой происходит генерация -> лазерная спектроскопия,

генерация сразу в широком диапазоне -> генерация сверх коротких импульсов.

В соответствии с этими двумя возможностями различаются и конструкции лазеров. Если для перестройки длины волны используется обычная схема, только добавляются дополнительные блоки для термостабилизации и выделения излучения со строго определённой длиной волны (обычно призма, дифракционная решётка, или более сложные схемы), то для генерации сверх коротких импульсов требуется уже гораздо более сложная установка. Изменяется конструкция кюветы с активной средой. Из-за того, что длительность импульса лазера в конечном итоге составляет 100÷30·10?15 (свет в вакууме успевает пройти лишь 30÷10мкм за это время), инверсия населённости должна быть максимальна, этого можно добиться только очень быстрой прокачкой раствора красителя. Для того чтобы это осуществить применяют специальную конструкцию кюветы со свободной струёй красителя (краситель прокачивается из специального сопла со скоростью порядка 10м/с). Наиболее короткие импульсы получаются при использовании кольцевого резонатора.

2.6 Лазер на свободных электронах

Вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе - периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Электроны, совершая периодические колебания, излучают фотоны, энергия которых зависит от энергии электронов и параметров ондулятора.

В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях - у FEL источником излучения является пучок электронов в вакууме, проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов - ондулятор (вигглер), заставляющий пучок двигаться по синусоидальной траектории, теряя энергию, которая преобразуется в поток фотонов. В результате вырабатывается мягкое рентгеновское излучение, применяемое, например, для исследования кристаллов и других наноструктур.

Меняя энергию электронного пучка, а также параметры ондулятора (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, вырабатываемого FEL, что является главным отличием FEL от лазеров других систем. Излучение, получаемое с помощью FEL, применяется для изучения нанометровых структур - есть опыт получения изображений частиц размером всего 100 нанометров (этот результат был достигнут с помощью рентгеновской микроскопии с разрешением около 5 нм). Проект первого лазера на свободных электронах был опубликован в 1971 году Джоном М. Дж. Мэйди в рамках своего PhD-проекта в Стэнфордском университете. В 1976 году Мэйди и его коллеги продемонстрировали первые опыты с FEL, используя электроны с энергией 24 МэВ и 5-метровый вигглер для усиления излучения.

Мощность лазера составляла 300 мВт, а эффективность всего 0,01 %, но была показана работоспособность такого класса устройств, что привело к огромному интересу и резкому увеличению количества разработок в области FEL.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Способов немало:

Фотодиод (сюда же фотоэлементы и солнечные батареи)
Фотосопротивление - если без экзотики то все сказанное про фотодиод относится и сюда, схема включения, правда, другая.
Термосопротивление (болометр)
Термоэлектрический (Термопарный или Пельтьешный) калориметр.

Есть и другие способы, например пироэлектрический прибор, но обычно такие измерители надо просто покупать, если только не работаете где-нибудь на лазерной или полупроводниковой фирме.
Сам я дома пользуюсь самодельным Пельтьешным калориметром, который и опишу как делать.

Делаем термоэлектрический калориметр

Большинство измерителей мощности, которыми пользуются профессиональные лазерщики построены как раз по принципу термоэлектрического калориметра. Раньше такой прибор собрать дома было почти невозможно (с ума сойдешь пару сотен термопар сварить, установить, сделать электрическую разводку и обеспечить тепловой контакт при этом. Да и на выходе было - единицы милливольт на Ватт. Нужен был очень хороший усилитель. Сейчас в продаже в магазинах радиодеталей появились пельтье-модули, которые как раз и представляют собой такую сборку термопар, да еще и не металлических а полупроводниковых. Сделать термоэлектрический калориметр теперь проще простого.

I. Ресурсы

В качестве исходников нам потребуются:

Вот собственно и все что нужно:

II. Сборка

III. Калибровка

IV. Измерения

V. Комментарии

Примитивно. Зато доступно и эффективно.
Продвинутые в электронике могут заменить мультиметр на небольшую платку с АЦП-чипом и микроконтроллером (PIC или Atmel), организовать вывод данных и управление по USB, написать программку для автокалибровки и анализа ошибок и... и... продавать по 1000 USD как профессиональный прибор. Основной вклад в погрешность дает дрейф нуля. На фотографиях виден дрейф в 0.5мВ, что в пересчете на милливатты дает 3 мВт. То есть указку мощностью в 5 мВт обмерять с помощью такого датчика - слишком грубо. Дрейф нуля идет в основном за счет сквозняков. При измерениях "закройте все окна" и двери, старайтесь не слишком шевелить атмосферу. Если застабилизировать показания не удается - измерьте амплитуду дрейфа нуля (разность между максимальными и минимальными показаниями) и отнесите в погрешность измерения.

Еще имеет свойство "плыть" калибровка самого мультиметра. В особенности если он дешевый. Тут спасает повторение калибровки датчика (раздел III). Перекалибровываться надо при смене батарейки в мультиметре, смене погодных условий, ну и просто время от времени.

Если измерения проводятся не по "сокращенной версии" а по честному - с калибровкой, установлением нуля и с двойным тройным повтором для усреднения результата, то измеренная этим датчиком мощность лазера будет отличаться от измеренной профессиональным прибором не больше чем на 10%-15%. Кстати если есть профессиональный прибор, то можно измерить еще и поправку на не 100%-ный коэффициент поглощения черненой поверхностью. Хотя при хорошем чернении эта поправка невелика и ей можно пренебречь не напрягая себя попусту.

Если жаба не душит - можно на один подходящих размеров радиатор поставить два пельтье модуля (проще - одинаковых) и включить в балансную схему. Один элемент будет измерителем, другой - компенсатором. Сильно поможет в борьбе со сквозняками.

Показания прибора в первом приближении не зависят от точки попадания. Измеренное напряжение равно сумме термо-э.д.с. всех включнееых последовательно пельтье-столбиков в пельтье модуле. Термо-э.д.с. каждого из столбиков равна произведению его удельной термо-э.д.с. ei на разность температур на нем. А разность температур ("холодного" и "горячего" спаев)- произведению теплового сопротивления столбика Rti на тепловой поток через него Wi:

Столбики в Пельтье модуле делаются автоматом из одного и того же материала (пары n-кремний и p-кремний) значит они с высокой точностью одинаковы. После вынесения за скобки ei и Rti получается что измеряемое напряжение прямо пропорционально полному тепловому потоку, как бы он ни был распределен по столбикам.

Для чернения НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ пользОВАТЬСЯ фломастерами, маркерами, чернилами от авторучек и вообще любыми красками кроме туши и сажи. На самом деле краски часто только выглядят черными и запросто могут оказаться вовсе не такими черными именно для той линии спектра, где излучает Ваш лазер. Измерения рекомендуется проводить сидя или лежа, предварительно успокоившись и удалив на безопасное расстояние режущие и колющие предметы. Когда мощность любимого трехсотмилливаттного лазера из дивиди-драйва оказывается всего 120 мВт бывает трудно удержаться от неадекватных действий.

Холодным сентябрьским вечером посетители картодрома« Маяк» недалеко от подмосковной Икши были изрядно удивлены. К фанерному щиту с мишенью, на которой была изображена кабина авиалайнера, откуда-то из темноты протягивались разноцветные лазерные лучи. Нет, это не школа террористов — просто« Популярная механика» решила проверить распространенный миф о том, может ли лазерная указка служить средством ПВО. А заодно рассказать, как устроены портативные лазеры и для чего они нужны на самом деле

Снайперская стрельба Для проверки мифа об ослеплении пилотов авиалайнера была изготовлена специальная мишень, в которую с расстояния 680 м светили зеленым лазером мощностью 300 мВт, красным – 200 мВт и фиолетовым – 200 мВт

За последние несколько лет в мире стало регистрироваться огромное количество «лазерных атак» на воздушные суда. Не обошло это явление и Россию — в 2011 году Росавиация насчитала несколько десятков таких случаев. И это еще довольно умеренное количество: в США, например, ежегодно регистрируется почти 3000 случаев воздействия лазерного луча на пилотов. Как правило, для этого используются достаточно мощные лазерные указки — они недороги (порядка нескольких сотен долларов) и широко доступны. Обеспокоенные власти принимают к нарушителям самые жесткие меры — от очень крупных штрафов до многолетнего тюремного заключения. Европейские страны в срочном порядке запрещают использование указок вблизи аэропортов (и даже просто на улицах), фактически приравнивая их к настоящему оружию! В Австралии и Великобритании, например, продажи лазерных указок мощностью более 1 мВт просто запрещены. Но можно ли на самом деле «сбить» самолет, ослепив пилота достаточно мощной лазерной указкой?

Для проверки мифа об ослеплении пилотов авиалайнера была изготовлена специальная мишень, в которую с расстояния 680 м светили зеленым лазером мощностью 300 мВт, красным — 200 мВт и фиолетовым — 200 мВт.

Указки как… указки

Откуда вообще хулиганы берут это страшное оружие, и зачем его продают в магазинах всем желающим? На самом деле лазерные указки, конечно, не предназначены для сбивания самолетов или вертолетов. Лучше всего они проявляют себя именно по прямому назначению — то есть как указки. Однако ассортимент их сейчас огромен, что зачастую приводит к проблемам и ошибкам при выборе мощности и длины волны. Если нужна именно указка, то оптимальным выбором будет зеленый (с длиной волны 532 нм) лазер. Дело в том, что чувствительность глаза к различным цветам спектра различна, и максимальна она именно в области зеленого. Поэтому излучение зеленого лазера будет ярче даже при меньшей мощности — например, для человеческого глаза 5-мВт 532-нм зеленый лазер в два раза ярче, чем 20-мВт 650-нм красный.

Определиться с мощностью тоже несложно. Для использования во время проведения семинаров, конференций и других мероприятий в закрытых помещениях вполне достаточно будет 5 мВт. Более мощные лазеры могут представлять потенциальную опасность для зрения и, что тоже немаловажно, своей излишней яркостью вызывать раздражение у зрителей. На открытом воздухе ночью — скажем, при проведении «экскурсий» по звездному небу — тоже будет достаточно 5-мВт зеленого лазера. Но это за городом, где не мешает городская засветка. В городских условиях на относительно светлом небе нужно будет чуть больше — порядка 20−50 мВт. Днем для указаний отдельных деталей архитектуры («обратите внимание на чудесную лепнину в районе пятого этажа соседнего здания!») не лишними будут указки мощностью 50−100, а в яркий солнечный день и все 200−300 мВт. Но помните: такие лазеры уже представляют реальную опасность для зрения, а в окна домов могут смотреть люди!

Не смотри на лазер оставшимся глазом

Даже маломощные лазеры могут представлять опасность для здоровья. Любое устройство, в конструкции которого есть лазер, в обязательном порядке снабжено этикеткой с указанием класса ее опасности.
2/II класс — лазерные указки мощностью до 1 мВт, которые потенциально представляют опасность при длительном воздействии на глаз прямого луча.
3R/IIIa класс — лазерные указки мощностью до 5 мВт, которые представляют опасность при длительном воздействии на глаз прямого луча, либо при воздействии луча, дополнительно сфокусированного оптическими приборами (например, биноклем).
3B/IIIb класс — портативные лазеры мощностью до 500 мВт, которые безусловно опасны при попадании луча в глаза.
4/IV класс — портативные лазеры мощностью свыше 500 мВт, которые потенциально способны вызывать ожоги кожи и травмировать зрение даже отраженным от матовых поверхностей светом.
При использовании лазеров с классом опасности выше IIIa настоятельно рекомендуется использовать специальные защитные очки, рассчитанные на защиту зрения от излучения лазера соответствующего типа. Прямой, отраженный или преломленный Луч лазера ни в коем случае нельзя направлять в глаза. Лазеры класса IV, при попадании прямого луча в глаз с небольшого расстояния, гарантированно вызывают серьезные нарушения вплоть до полной потери зрения, их луч может стать причиной ожогов и пожара.

Фигурное выжигание

Тем не менее в сознании большинства читателей лазеры ассоциируются с «прожигающим» лучом. И вполне справедливо: станки с лазерным раскроем работают на множестве производств, разрезая самые различные материалы — от полимерных пленок до стальных листов. Правда, и мощность лазеров там исчисляется вовсе не милливаттами. Впрочем, прогресс в этой области шагнул настолько далеко, что в настоящее время такой станок можно построить и в домашних условиях. Для этого идеальны мощные полупроводниковые фиолетовые (405 нм) и сине-фиолетовые лазеры (445 нм). Они отличаются хорошим соотношением цены и мощности, а их излучение хорошо поглощается большинством материалов. К тому же, как правило, производители предусматривают в таких портативных лазерах (называть их указками уже не совсем корректно) возможность регулировать фокусировку луча.

Самым интересным из попавших в наши руки однозначно стал сине-фиолетовый (445 нм) лазер мощностью 1 Вт. При тщательном соблюдении техники безопасности этот лазер может стать инструментом для множества научно-популярных экспериментов и отличным развлечением. Необычный цвет, высокая стабильность, регулируемая фокусировка и сокрушающая мощь способны на долгое время заставить забыть обо всех других лазерах! Его луч прекрасно виден в вечернем небе, отраженный от потолка свет легко освещает довольно большую комнату, а при соответствующей фокусировке он легко режет бумагу и за пару минут даже может проделать отверстие в дереве толщиной более 3 мм. К тому же такие лазеры принципиально имеют довольно большую расходимость — в 3−10 раз больше, чем у других типов, но в данном случае это скорее плюс, поскольку снижает опасность для окружающих. Впрочем, большая мощность и малая длина волны приводят к высокой опасности для зрения даже при наблюдении отраженного и рассеянного света, поэтому при работе с этим лазером нужно обязательно использовать защитные очки, отсекающие большую часть опасного излучения.

В качестве импровизированной защиты можно использовать стандартные очки с желтыми фильтрами для повышения контраста (например, стрелковые).

Фиолетовые (405 нм) лазеры мощнее 300 мВт сейчас найти затруднительно, но за счет лучшей фокусировки по своим «зажигательным» способностям они весьма близки к 1-Вт сине-фиолетовому (445 нм) лазеру. На расстоянии 5−10 м 300-мВт фиолетовая указка догоняет одноваттного монстра, а далее и вовсе обходит и при этом стоит дешевле. Однако и прожечь что-нибудь на таком расстоянии можно только в том случае, если и лазер, и мишень будут закреплены неподвижно. Так что пока лазерные копья Звездной Гвардии остаются уделом фантастических сериалов. Кроме выжигания, фиолетовая указка интересна тем, что заставляет ярко светиться многие материалы, подобно ультрафиолетовой лампе. Для защиты зрения от отраженного и рассеянного света также подойдут очки с желтыми светофильтрами.

Испытать всю испепеляющую мощь одноваттной указки мы решили на современный манер, построив двухкоординатный выжигательный станок с ЧПУ из конструктора Fischertechnik. За основу мы взяли набор ROBO TX Automation Robots, укомплектовав его компьютерным контроллером ROBO TX. Несмотря на слегка игрушечный вид, это серьезный контроллер с исчерпывающим набором входов и выходов для сервоприводов, световых индикаторов, переключателей, сенсоров (фоторезистор, ультразвуковой радар, датчик цвета, микрофон). Контроллер подключается к компьютеру по USB или Bluetooth. Мы запрограммировали станок на точечное выжигание: на каждом «пикселе» рисунка указка задерживалась на 5 секунд и успевала прожечь отчетливое черное пятно, после чего лазерный луч смещался на шаг и продолжал выжигание. Работу несколько осложнил тот факт, что во избежание перегрева указка не должна непрерывно работать дольше 30 секунд, поэтому каждые полминуты приходилось ставить программу на паузу. Выжигание простого рисунка заняло у нас чуть больше часа.

Все цвета радуги

Чтобы подобрать идеальное оружие, редакция вооружилась изрядным арсеналом из целого ряда лазерных указок — красных, зеленых и фиолетовых, мощностью от 100 до 300 мВт. Зеленые лазеры с длиной волны 532 нм стали причиной второго бума указок. И вполне заслуженно: при одинаковой мощности они в 4−15 раз ярче, чем красные, в 20 раз ярче сине-фиолетовых и в 190 раз ярче фиолетовых указок! Так что если лазер для вас не только способ заставить что-то дымиться, но и рабочий инструмент презентаций (или лазерного шоу), то зеленая указка — это как раз то что нужно. А вот для выжигания они подходят не слишком хорошо — при одинаковой мощности отстают от фиолетовых и сине-фиолетовых, да и защитные очки к ним нужны специальные.

Остерегайтесь подделок!

Неодимовые лазерные указки производятся уже более десяти лет. За это время, несмотря на сложность технологии, ведущие производители успели отточить производство и добиться стабильно высокого качества продукции.
Однако большинство дешевых неодимовых лазеров относится к категории «no name». Их производители зачастую неспособны обеспечить сколько-нибудь стабильные характеристики. Несколько моделей из протестированных редакцией «ПМ» зеленых указок мощностью 100 и 300 мВт показали менее 50% от заявленной мощности. Кроме того, работа многих моделей весьма нестабильна во времени и при изменении температуры, расходимость луча иногда в разы превосходит заявленную. Поэтому рекомендуем протестировать лазер перед покупкой и подробно выяснить вопрос гарантийных обязательств. А вот маломощные 5−10 мВт зеленые указки можно покупать относительно спокойно. Ну а лучше всего не гнаться за дешевизной и взять лазер от известного производителя, дорожащего своей репутацией.

Наконец, даже несмотря на то что классические красные указки мощнее 200 мВт нам найти в продаже не удалось, их не стоит сбрасывать со счетов. У этих лазеров очень высокий КПД, поэтому они очень экономичны, упакованы в компактный корпус и значительно менее склонны к перегреву. Несмотря на большой диаметр луча на выходе, мощности в 200 мВт хватает, чтобы разрезать, скажем, черный полиэтиленовый пакет. К тому же красный — самый «классический» лазерный цвет и при этом самый дешевый вариант.

А вот настоящие синие (473 нм) и желтые (593 нм) указки — эксклюзивный продукт, редкий и дорогой. И если у вас хватит денег на их приобретение, можете быть уверены, что на любой конференции все обратят внимание на луч именно вашей указки. Синие к тому же светят не непрерывно, а импульсами с высокой частотой (порядка 1 кГц), поэтому луч рисует на стене не сплошную, а штриховую линию. По яркости синие указки примерно эквивалентны красным 650-нм, а желтые аналогичны зеленым. Но и цена желтых указок в два с лишним раза выше, чем синих.

Проверяем на себе

Итак, собрав в охапку весь ассортимент указок, редакция отправилась на «полигон». На расстоянии 680 м «стрелок» должен был осветить мишень, «ослепив» изображенного на ней пилота. И вот яркий зеленый луч 300-мВт лазера тянется к мишени, оставляя на ней тусклое пятно диаметром около полуметра. Но удержать пятно на мишени удается лишь на доли секунды — на таком расстоянии даже мельчайшее дрожание рук приводит к уводу луча в сторону. Длительно (больше долей секунды) удерживать луч на одном месте практически нереально, а за это время ослепить пилота невозможно. А ведь самолет движется, и с немалой скоростью, исчисляемой сотнями метров в секунду! Конечно, можно создать систему автоматического отслеживания положения самолета и корректировки направления луча, но при таком размахе уже можно не мелочиться с указками, а использовать гораздо более мощный лазер — но это уже не указка, а настоящее боевое оружие.

Нашлись в редакции и добровольцы, рискнувшие подставить глаза под полуметровое зеленое пятно. (Это относительно безопасно, но повторять наш эксперимент мы ни в коем случае не рекомендуем.) По их словам, с такого расстояния зеленый луч в вечерней темноте казался весьма ярким, но как только он переставал бить прямо в глаза, зрение полностью восстанавливалось без каких-либо остаточных явлений типа плавающих ярких пятен. Опрошенные нами летчики тоже оказались скептиками, объяснив, что ослепить пилота авиалайнера лазерной указкой малореально — попасть в высокорасположенную кабину снизу довольно затруднительно. Тем не менее при удачном попадании (не ослеплении!) на стекло кабины отвлечь пилотов яркий свет вполне способен, а потеря внимания при посадке даже на доли секунды может быть опасной. Особенно для пилотов вертолетов — у них и скорость меньше, и расстояние, с которого производится воздействие, существенно ближе — не сотни метров, а десятки (собственно, среди реально пострадавших от ослепления пока и числятся только пилоты вертолетов).

Вывод таков: лазерная указка, даже достаточно мощная (300 мВт), неспособна с расстояния в несколько сотен метров не то что «прожечь» корпус летательного аппарата (как писали СМИ, падкие на сенсации), но даже и сколько-нибудь серьезно ослепить пилотов. А вот отвлечь внимание засветка от указки вполне может, поэтому в авиации, где даже к потенциальным опасностям относятся крайне внимательно, эту угрозу принимают всерьез.

Редакция благодарит компании «Артледс» (www.artleds.ru) и «Микрохоло» (www.cnilaser.ru) за предоставление указок для тестирования

Вы все любите лазеры. Я то знаю, я от них тащусь больше вашего. А если кто не любит – то он просто не видел танец сверкающих пылинок или как ослепи- тельный крошечный огонек прогрызает фанеру

А началось все со статьи из Юного техника за 91-й год о создании лазера на красителях – тогда повторить конструкцию для простого школьника было просто нереально… Сейчас к счастью с лазерами ситуация проще – их можно доставать из сломанной техники, их можно покупать готовые, их можно собирать из деталей… О наиболее приближенных к реальности лазерах и пойдет сегодня речь, а также о способах их применения. Но в первую очередь о безопасности и опасности.

Почему лазеры опасны

Проблема в том, что параллельный луч лазера фокусируется глазом в точку на сетчатке. И если для зажигания бумаги надо 200 градусов, для повреждения сетчатки достаточно всего 50, чтобы кровь свернулась. Вы можете точкой попасть в кровеносный сосуд и закупорить его, можете попасть в слепое пятно, где нервы со всего глаза идут в мозг, можете выжечь линию «пикселей»… А потом поврежденная сетчатка может начать отслаиваться, и это уже путь к полной и необратимой потере зрения. И самое неприятное –вы не заметите по началу никаких повреждений: болевых рецепторов там нет, мозг достраивает предметы в поврежденных областях (так сказать ремапинг битых пикселей), и лишь когда поврежденная область становится достаточно большой вы можете заметить, что предметы пропадают при попадании в неё. Никаких черных областей в поле зрения вы не увидите – просто кое-где не будет ничего, но это ничего и не заметно. Увидеть повреждения на первых стадиях может только офтальмолог.

Опасность лазеров считается исходя из того, может ли он нанести повреждения до того как глаз рефлекторно моргнет – и считается не слишком опасной мощность в 5мВт для видимого излучения. Потому инфракрасные лазеры крайне опасны (ну и отчасти фиолетовые – их просто очень плохо видно) – вы можете получить повреждения, и так и не увидеть, что вам прямо в глаз светит лазер.

Потому, повторюсь, лучше избегать лазеров мощнее 5мВт и любых инфракрасных лазеров.

Также, никогда и ни при каких условиях не смотрите «в выход» лазера. Если вам кажется что «что-то не работает» или «как-то слабовато» - смотрите через вебкамеру/мыльницу (только не через зеркалку!). Это также позволит увидеть ИК излучение.

Есть конечно защитные очки, но тут много тонкостей. Например на сайте DX есть очки против зеленого лазера, но они пропускают ИК излучение- и наоборот увеличивают опасность. Так что будьте осторожны.

PS. Ну и я конечно отличился один раз – нечаянно себе бороду лазером подпалил;-)

650нм – красный

Это пожалуй наиболее распространенный на просторах интернета тип лазера, а все потому, что в каждом DVD-RW есть такой, мощностью 150-250мВт (чем больше скорость записи – тем выше). На 650нм чувствительность глаза не очень, потому хоть точка и ослепительно яркая на 100-200мВт, луч днем лишь едва видно (ночью видно конечно лучше). Начиная с 20-50мВт такой лазер начинает «жечь» - но только в том случае, если можно менять его фокус, чтобы сфокусировать пятно в крошечную точечку. На 200 мВт жгет очень резво, но опять же нужен фокус. Шарики, картон, серая бумага…

Покупать их можно готовые (например такой на первом фото красный). Там же продаются мелкие лазерчики «оптом» - настоящие малютки, хотя у них все по взрослому – система питания, настраиваемый фокус - то что нужно для роботов, автоматики.

И главное – такие лазеры можно аккуратно доставать из DVD-RW (но помните, что там еще инфракрасный диод есть, с ним нужно крайне аккуратно, об этом ниже). (Кстати, в сервис-центрах бывает негарантийные DVD-RW кучами лежат - я себе унес 20 штук, больше не донести было). Лазерные диоды очень быстро дохнут от перегрева, от превышения максимального светового потока – мгновенно. Превышение номинального тока вдвое (при условии не превышения светового потока) сокращает срок службы в 100-1000 раз (так что аккуратнее с «разгоном»).

Питание: есть 3 основных схемы: примитивнейшая, с резистором, со стабилизатором тока (на LM317, 1117), и самый высший пилотаж – с использованием обратной связи через фотодиод.

В нормальных заводских лазерных указках применяется обычно 3-я схема – она дает максимальную стабильность выходной мощности и максимальный срок службы диода.

Вторая схема – проста в реализации, и обеспечивает хорошую стабильность, особенно если оставлять небольшой запас по мощности (~10-30%). Именно её я бы и рекомендовал делать – линейный стабилизатор – одна из наиболее популярных деталей, и в любом, даже самом мелком радиомагазине есть аналоги LM317 или 1117.

Самая простая схема с резистором описанная в предыдущей статье – лишь чуть-чуть проще, но с ней убить диод элементарно. Дело в том, что в таком случае ток/мощность через лазерный диод будет сильно зависеть от температуры. Если например при 20C у вас получился ток 50мА и диод не сгорает, а потом во время работы диод нагреется до 80С, ток возрастет (такие они коварные, эти полупроводники), и достигнув допустим 120мА диод начинает светить уже только черным светом. Т.е. такую схему все-таки можно использовать, если оставить по меньшей мере трех-четырехкратный запас по мощности.

И на последок, отлаживать схему стоит с обычным красным светодиодом, а припаивать лазерный диод в самом конце. Охлаждение обязательно! Диод «на проводочках» сгорит моментально! Также не протирайте и не трогайте руками оптику лазеров (по крайней мере >5мВт) - любое повреждение будет «выгорать», так что продуваем грушей если нужно и все.

А вот как выглядит лазерный диод вблизи в работе. По вмятинам видно, как близок я был к провалу, доставая его из пластикового крепления. Это фото также не далось мне легко

532нм – зеленый

Устроены они сложно – это так называемые DPSS лазеры: Первый лазер, инфракрасный на 808nm, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение на 1064нм. Оно попадает на кристалл «удвоителя частоты» - т.н. KTP, и получаем 532нм. Кристаллы все эти вырастить непросто, потому долгое время DPSS лазеры были чертовски дороги. Но благодаря ударному труду китайских товарищей, теперь они стали всполне доступны - от 7$ штука. В любом случае, механически это сложные устройства, боятся падений, резких перепадов температур. Будьте бережными.

Основной плюс зеленых лазеров – 532нм очень близко к максимальной чувствительности глаза, и как точка, так и сам луч очень хорошо видны. Я бы сказал, 5мВт зеленый лазер светит ярче, чем 200мВт красный (на первой фото как раз 5мВт зеленый, 200мВт красный и 200мВт фиолетовый). Потому, я бы не рекомендовал покупать зеленый лазер мощнее чем 5мВт: первый зеленый я купил на 150мВт и это настоящая жесть – с ним ничего нельзя сделать без очков, даже отраженный свет слепит, и оставляет неприятные ощущения.

Также у зеленых лазеров есть и большая опасность: 808 и особенно 1064нм инфракрасное излучение выходит из лазера, и в большинстве случаев его больше чем зеленого. В некоторых лазерах есть инфракрасный фильтр, но в большинстве зеленых лазеров до 100$ его нет. Т.е. «поражающая» способность лазера для глаза намного больше, чем кажется - и это еще одна причина не покупать зеленый лазер мощнее чем 5 мВт.

Жечь зелеными лазерами конечно можно, но нужны мощности опять же от 50мВт + если вблизи побочный инфракрасный луч будет «помогать», то с расстоянием он быстро станет «не в фокусе». А учитывая как он слепит – ничего веселого не выйдет.

405нм – фиолетовый

Это уже скорее ближний ультрафиолет. Большинство диодов – излучают 405нм напрямую. Проблема с ними в том, что глаз имеет чувствительность на 405нм около 0.01%, т.е. пятнышко 200мВт лазера кажется дохленьким, а на самом деле оно чертовски опасное и ослепительно-яркое – сетчатку повреждает на все 200мВт. Другая проблема – глаз человека привык фокусироваться «под зеленый» свет, и 405нм пятно всегда будет не в фокусе – не очень приятное ощущение. Но есть и хорошая сторона – многие предметы флуоресцируют, например бумага – ярким голубым светом, только это и спасает эти лазеры от забвения массовой публики. Но опять же, с ними не так весело. Хоть 200мВт жгут будь здоров, из-за сложности фокусировки лазера в точку это сложнее чем с красными. Также, к 405нм чувствительны фоторезисты, и кто с ними работает, может придумать зачем это может понадобиться;-)

780нм – инфракрасный

Такие лазеры в CD-RW и как второй диод в DVD-RW. Проблема в том, что глаз человека луч не видит, и потому такие лазеры очень опасны. Можно сжечь себе сетчатку и не заметить этого. Единственный способ работать с ними – использовать камеру без инфракрасного фильтра (в веб камерах её легко достать например) – тогда и луч, и пятно будет видно. ИК лазеры применять пожалуй можно только в самодельных лазерных «станочках», баловаться с ними я бы крайне не рекомендовал.

Также ИК лазеры есть в лазерных принтерах вместе со схемой развертки - 4-х или 6-и гранное вращающееся зеркало + оптика.

10мкм – инфракрасный, CO2

Это наиболее популярный в промышленности тип лазера. Основные его достоинства – низкая цена(трубки от 100-200$), высокая мощность (100W - рутина), высокий КПД. Ими режут металл, фанеру. Гравируют и проч. Если самому хочется сделать лазерный станок – то в Китае(alibaba.com) можно купить готовые трубки нужной мощности и собрать к ним только систему охлаждения и питания. Впрочем, особые умельцы делают и трубки дома, хоть это очень сложно (проблема в зеркалах и оптике – стекло 10мкм излучение не пропускает – тут подходит только оптика из кремния, германия и некоторых солей).

Применения лазеров

В основном – используют на презентациях, играют с кошками/собаками (5мвт, зеленый/красный), астрономы указывают на созвездия (зеленый 5мВт и выше). Самодельные станки – работают от 200мВт по тонким черным поверхностям. CO2 лазерами режут почти все, что угодно. Вот только печатную плату резать трудно – медь очень хорошо отражает излучение длиннее 350нм (потому на производстве, если очень хочется – применяют дорогущие 355nm DPSS лазеры). Ну и стандартное развлечение на YouTube – лопание шариков, нарезка бумаги и картона – любые лазеры от 20-50мВт при условии возможности фокусировки в точку.

Из более серьёзного - целеуказатели для оружия(зеленый), можно дома делать голограммы (полупроводниковых лазеров для этого более чем достаточно), можно из пластика, чувствительного к УФ печатать 3Д-объекты, можно экспонировать фоторезист без шаблона, можно посветить на уголковый отражатель на луне, и через 3 секунды увидеть ответ, можно построить лазерную линию связи на 10Мбит… Простор для творчества неограничен

Так что, если вы еще думаете, какой-бы купить лазер – берите 5мВт зеленый :-) (ну и 200мВт красный , если хочется жечь)

Вопросы/мнения/комментарии – в студию!

Теги:

лазер
dvd-rw
dealextreme

Добавить метки