Avvertimento!
L'articolo descrive la produzione di un laser ad alta potenza ( 300 mW ~ alimenta 500 puntatori cinesi), che può nuocere alla vostra salute e a quella degli altri! Stai estremamente attento! Utilizzare occhiali di sicurezza speciali e non dirigere il raggio laser verso persone o animali!Scopriamolo.
Su Habré, gli articoli sui Dragon Laser portatili, come Hulk, sono apparsi solo un paio di volte. In questo articolo ti dirò come realizzare un laser che non abbia una potenza inferiore alla maggior parte dei modelli venduti in questo negozio.Cuciniamo.
Per prima cosa devi preparare tutti i componenti:- un'unità DVD-RW non funzionante (o funzionante) con una velocità di scrittura pari o superiore a 16x;
- condensatori da 100 pF e 100 mF;
- resistenza 2-5 Ohm;
- tre batterie AAA;
- saldatore e fili;
- collimatore (o puntatore cinese);
- acciaio Torcia LED.
Questo minimo richiesto per creare un semplice modello di driver. Il driver è, infatti, una scheda su cui verrà inviato il nostro diodo laser la potenza richiesta. Non collegare la fonte di alimentazione direttamente al diodo laser: si romperà. Il diodo laser deve essere alimentato con corrente, non con tensione.
Un collimatore è, infatti, un modulo dotato di una lente che riduce tutta la radiazione in un fascio stretto. I collimatori già pronti possono essere acquistati nei negozi di radio. Questi lo hanno già fatto posto conveniente per l'installazione di un diodo laser e il costo è di 200-500 rubli.
Puoi anche utilizzare un collimatore di un puntatore cinese, tuttavia, il diodo laser sarà difficile da fissare e molto probabilmente il corpo del collimatore stesso sarà realizzato in plastica metallizzata. Ciò significa che il nostro diodo non si raffredderà bene. Ma anche questo è possibile. Questa opzione può essere trovata alla fine dell'articolo.
Facciamolo.
Per prima cosa devi procurarti il diodo laser stesso. Questa è una parte molto fragile e piccola della nostra unità DVD-RW: fai attenzione. Nel carrello del nostro motore si trova un potente diodo laser rosso. Puoi distinguerlo da uno debole dal suo radiatore dimensione più grande rispetto a un diodo IR convenzionale.Si consiglia di utilizzare un braccialetto antistatico poiché il diodo laser è molto sensibile alla tensione statica. Se non hai un braccialetto, puoi avvolgere i cavi del diodo con un filo sottile mentre attende di essere installato nella custodia.
Secondo questo schema, è necessario saldare il driver.
Non confondere la polarità! Anche il diodo laser si guasterà istantaneamente se la polarità dell'alimentazione fornita non è corretta.
Il diagramma mostra un condensatore da 200 mF, tuttavia, per la portabilità, 50-100 mF sono sufficienti.
Proviamo.
Prima di installare il diodo laser e assemblare il tutto nell'alloggiamento, verificare la funzionalità del driver. Collegare un altro diodo laser (non funzionante o il secondo dell'azionamento) e misurare la corrente con un multimetro. A seconda delle caratteristiche della velocità, l'intensità della corrente deve essere scelta correttamente. Per 16 modelli, 300-350 mA sono abbastanza adatti. Per i 22x più veloci, puoi fornire anche 500 mA, ma con un driver completamente diverso, la cui produzione intendo descrivere in un altro articolo.
Sembra terribile, ma funziona!
Estetica.
Un laser assemblato a peso può solo vantarsi davanti agli stessi pazzi tecno-maniaci, ma per bellezza e comodità è meglio assemblarlo in una comoda custodia. Qui è meglio scegliere tu stesso come ti piace. Ho montato l'intero circuito in una normale torcia a LED. Le sue dimensioni non superano i 10x4 cm. Ti sconsiglio però di portarlo con te: non si sa mai quali pretese potrebbero avanzare le autorità competenti. È meglio conservarlo in una custodia speciale in modo che la lente sensibile non si impolveri.Questa è un'opzione con costi minimi- viene utilizzato un collimatore di un puntatore cinese:
L'utilizzo di un modulo realizzato in fabbrica ti consentirà di ottenere i seguenti risultati:
Il raggio laser è visibile di sera:
E, naturalmente, al buio:
Forse.
Sì, nei seguenti articoli voglio raccontare e mostrare come possono essere utilizzati tali laser. Come realizzare esemplari molto più potenti, capaci di tagliare metallo e legno, e non solo di accendere fiammiferi e sciogliere plastica. Come creare ologrammi e scansionare oggetti per creare modelli 3D Studio Max. Come realizzare potenti laser verdi o blu. L'ambito di applicazione dei laser è piuttosto ampio e un articolo non può farlo qui.Dobbiamo ricordare.
Non dimenticare le precauzioni di sicurezza! I laser non sono un giocattolo! Prenditi cura dei tuoi occhi!Molti radioamatori almeno una volta nella vita hanno desiderato realizzare un laser con le proprie mani. Un tempo si credeva che potesse essere raccolto solo nei laboratori scientifici. Sì, è vero, se parliamo di quelli enormi installazioni laser. Tuttavia, puoi assemblare un laser più semplice, che sarà anche abbastanza potente. L'idea sembra molto complicata, ma in realtà non è affatto difficile. Nel nostro articolo con video parleremo di come assemblare il tuo laser a casa.
Laser potente fai da te
Circuito laser fai da te
È molto importante seguire le regole di sicurezza di base. Innanzitutto quando si verifica il funzionamento dell'apparecchio o quando è già completamente assemblato, non bisogna in nessun caso puntarlo verso gli occhi, altre persone o animali. Il tuo laser sarà così potente che potrà accendere un fiammifero o anche un foglio di carta. In secondo luogo, segui il nostro schema e il tuo dispositivo funzionerà a lungo e con alta qualità. In terzo luogo, non lasciare che i bambini ci giochino. Infine, riporre il dispositivo assemblato in un luogo sicuro.
Per assemblare un laser a casa, non avrai bisogno di troppo tempo e componenti. Quindi, per prima cosa hai bisogno di un'unità DVD-RW. Può essere lavorativo o non lavorativo. Questo non è importante. Ma è molto importante che si tratti di un dispositivo di registrazione e non di un'unità normale per la riproduzione di dischi. La velocità di scrittura dell'unità dovrebbe essere 16x. Può essere più alto. Successivamente, dovrai trovare un modulo con una lente, grazie alla quale il laser può concentrarsi in un punto. Un vecchio puntatore cinese potrebbe essere adatto a questo. È meglio utilizzare una torcia in acciaio non necessaria come corpo del futuro laser. Il "riempimento" sarà costituito da fili, batterie, resistori e condensatori. Inoltre, non dimenticare di preparare un saldatore: senza di esso l'assemblaggio sarà impossibile. Vediamo ora come assemblare un laser dai componenti sopra descritti.
Circuito laser fai da te
La prima cosa che devi fare è smontare l'unità DVD. È necessario rimuovere la parte ottica dall'unità scollegando il cavo. Quindi vedrai un diodo laser: dovrebbe essere rimosso con attenzione dall'alloggiamento. Ricordare che il diodo laser è estremamente sensibile agli sbalzi di temperatura, soprattutto al freddo. Fino a quando non installi un diodo nel futuro laser, è meglio riavvolgere i cavi del diodo filo sottile.
Molto spesso, i diodi laser hanno tre terminali. Quello al centro dà un segno meno. E uno di quelli estremi è un vantaggio. Dovresti prendere due batterie AA e collegarle al diodo rimosso dalla custodia utilizzando una resistenza da 5 Ohm. Affinché il laser si accenda, è necessario collegare il negativo della batteria al terminale centrale del diodo e quello positivo a uno dei terminali esterni. Ora puoi assemblare il circuito dell'emettitore laser. A proposito, il laser può essere alimentato non solo dalle batterie, ma anche da una batteria. Questi sono affari di tutti.
Per assicurarti che il tuo dispositivo sia assemblato in un punto all'accensione, puoi utilizzare un vecchio puntatore cinese, sostituendo il laser del puntatore con uno che hai assemblato. L'intera struttura può essere ordinatamente imballata in una custodia. In questo modo sembrerà più bello e durerà più a lungo. Il corpo può essere una lanterna d'acciaio non necessaria. Ma può anche essere quasi qualsiasi contenitore. Scegliamo una torcia non solo perché è più potente, ma anche perché renderà il tuo laser molto più presentabile.
Quindi, hai visto tu stesso che per assemblare un laser sufficientemente potente a casa non hai bisogno né di una profonda conoscenza della scienza né di un estremo attrezzature costose. Ora puoi assemblare tu stesso il laser e utilizzarlo per lo scopo previsto.
Oggi parleremo di come realizzare da soli un potente laser verde o blu a casa con materiali di scarto con le proprie mani. Considereremo anche disegni, schemi e la progettazione di puntatori laser fatti in casa con raggio di accensione e portata fino a 20 km
La base del dispositivo laser è un generatore quantistico ottico che, utilizzando energia elettrica, termica, chimica o di altro tipo, produce un raggio laser.
Il funzionamento del laser si basa sul fenomeno della radiazione forzata (indotta). La radiazione laser può essere continua, con potenza costante, oppure pulsata, raggiungendo potenze di picco estremamente elevate. L'essenza del fenomeno è che un atomo eccitato è in grado di emettere un fotone sotto l'influenza di un altro fotone senza il suo assorbimento, se l'energia di quest'ultimo è uguale alla differenza nelle energie dei livelli dell'atomo prima e dopo l'atomo. radiazione. In questo caso il fotone emesso è coerente con il fotone che ha provocato la radiazione, cioè ne è la copia esatta. In questo modo la luce viene amplificata. Questo fenomeno differisce dalla radiazione spontanea, in cui i fotoni emessi hanno direzioni di propagazione, polarizzazione e fase casuali
La probabilità che un fotone casuale provochi un'emissione stimolata da un atomo eccitato è esattamente uguale alla probabilità di assorbimento di questo fotone da parte di un atomo in uno stato non eccitato. Pertanto, per amplificare la luce, è necessario che nel mezzo ci siano più atomi eccitati che non eccitati. In uno stato di equilibrio, questa condizione non è soddisfatta, quindi vengono utilizzati vari sistemi per il pompaggio del mezzo attivo del laser (ottico, elettrico, chimico, ecc.). In alcuni schemi, l'elemento di lavoro del laser viene utilizzato come amplificatore ottico per la radiazione proveniente da un'altra sorgente.
Non esiste un flusso esterno di fotoni in un generatore quantistico; al suo interno viene creata una popolazione inversa utilizzando varie sorgenti di pompaggio. A seconda delle fonti ci sono vari modi pompaggio:
ottico: potente lampada flash;
scarico di gas nella sostanza di lavoro (mezzo attivo);
iniezione (trasferimento) di portatori di corrente in un semiconduttore nella zona
transizioni p-n;
eccitazione elettronica (irradiazione di un semiconduttore puro nel vuoto con un flusso di elettroni);
termico (riscaldamento del gas seguito da un rapido raffreddamento;
chimico (uso energetico reazioni chimiche) e alcuni altri.
La fonte primaria di generazione è il processo di emissione spontanea, pertanto, per garantire la continuità delle generazioni di fotoni, è necessaria l'esistenza di un feedback positivo, grazie al quale i fotoni emessi provocano successivi atti di emissione indotta. Per fare ciò, il mezzo attivo del laser viene posizionato in una cavità ottica. Nel caso più semplice, è costituito da due specchi, uno dei quali è traslucido: attraverso di esso il raggio laser esce parzialmente dal risonatore.
Riflettendo dagli specchi, il raggio di radiazione passa ripetutamente attraverso il risonatore, provocando in esso transizioni indotte. La radiazione può essere continua o pulsata. Allo stesso tempo, utilizzando vari dispositivi per disattivare e attivare rapidamente il feedback e quindi ridurre il periodo degli impulsi, è possibile creare le condizioni per generare radiazioni di altissima potenza: questi sono i cosiddetti impulsi giganti. Questa modalità di funzionamento del laser è chiamata modalità Q-switched.
Il raggio laser è un flusso luminoso coerente, monocromatico, polarizzato e strettamente diretto. In una parola, si tratta di un raggio di luce emesso non solo da sorgenti sincrone, ma anche in un intervallo molto ristretto e direzionale. Una sorta di flusso luminoso estremamente concentrato.
La radiazione generata da un laser è monocromatica, la probabilità di emissione di un fotone di una certa lunghezza d'onda è maggiore di quella di uno vicino, legato all'allargamento della linea spettrale, e anche la probabilità di transizioni indotte a questa frequenza è un massimo. Pertanto, gradualmente durante il processo di generazione, i fotoni di una determinata lunghezza d'onda domineranno su tutti gli altri fotoni. Inoltre, grazie alla particolare disposizione degli specchi, solo i fotoni che si propagano in direzione parallela all'asse ottico del risonatore a breve distanza da esso vengono trattenuti nel raggio laser; i restanti fotoni lasciano rapidamente il volume del risonatore; Pertanto, il raggio laser ha un angolo di divergenza molto piccolo. Infine, il raggio laser ha una polarizzazione rigorosamente definita. Per fare ciò, nel risonatore vengono introdotti diversi polarizzatori, ad esempio lastre di vetro piatte installate con un angolo di Brewster rispetto alla direzione di propagazione del raggio laser.
La lunghezza d'onda di lavoro del laser, così come altre proprietà, dipendono dal fluido di lavoro utilizzato nel laser. Il fluido di lavoro viene “pompato” con energia per ottenere l'effetto di inversione della popolazione elettronica, che provoca un'emissione stimolata di fotoni e un effetto di amplificazione ottica. La forma più semplice Il risonatore ottico è costituito da due specchi paralleli (possono essercene anche quattro o più) disposti attorno al fluido di lavoro del laser. La radiazione stimolata del fluido di lavoro viene riflessa dagli specchi e nuovamente amplificata. Fino al momento in cui esce, l'onda può riflettersi molte volte.
Formuliamo quindi brevemente le condizioni necessarie per creare una fonte di luce coerente:
è necessario sostanza di lavoro con popolazione invertita. Solo allora è possibile ottenere l’amplificazione della luce attraverso transizioni forzate;
la sostanza di lavoro dovrebbe essere posizionata tra gli specchi che forniscono feedback;
il guadagno dato dalla sostanza di lavoro, il che significa che il numero di atomi o molecole eccitati nella sostanza di lavoro deve essere maggiore di un valore di soglia che dipende dalla riflettanza dello specchio di uscita.
È possibile utilizzare disegni laser seguenti tipi organi di lavoro:
Liquido. Viene utilizzato come fluido di lavoro, ad esempio, nei laser a coloranti. La composizione comprende un solvente organico (metanolo, etanolo o glicole etilenico) in cui sono disciolti coloranti chimici (cumarina o rodamina). La lunghezza d'onda operativa dei laser liquidi è determinata dalla configurazione delle molecole di colorante utilizzate.
Gas. In particolare, anidride carbonica, argon, kripton o miscele di gas, come nei laser elio-neon. Il "pompaggio" con l'energia di questi laser viene spesso effettuato utilizzando scariche elettriche.
Solidi (cristalli e vetri). Il materiale solido di tali fluidi di lavoro viene attivato (drogato) aggiungendo una piccola quantità di ioni cromo, neodimio, erbio o titanio. I cristalli comuni utilizzati sono il granato di ittrio-alluminio, il fluoruro di litio-ittrio, lo zaffiro (ossido di alluminio) e il vetro silicato. I laser a stato solido sono solitamente "pompati" lampada flash o un altro laser.
Semiconduttori. Un materiale in cui la transizione degli elettroni tra i livelli energetici può essere accompagnata da radiazioni. I laser a semiconduttore sono molto compatti, “pompati” con corrente elettrica, che ne consente l’utilizzo elettrodomestici, come i lettori CD.
Per trasformare un amplificatore in un oscillatore è necessario organizzare il feedback. Nei laser ciò si ottiene ponendo la sostanza attiva tra superfici riflettenti (specchi), formando un cosiddetto “risonatore aperto” per il fatto che parte dell'energia emessa dalla sostanza attiva viene riflessa dagli specchi e ritorna nuovamente sostanza attiva
Il laser utilizza risonatori ottici vari tipi- con specchi piani, sferici, combinazioni di piano e sferico, ecc. Nei risonatori ottici che forniscono feedback nel Laser, possono essere eccitati solo alcuni tipi di oscillazioni del campo elettromagnetico, che sono chiamate oscillazioni naturali o modi del risonatore.
I modi sono caratterizzati dalla frequenza e dalla forma, cioè dalla distribuzione spaziale delle vibrazioni. In un risonatore a specchi piani vengono eccitati prevalentemente i tipi di oscillazioni corrispondenti alle onde piane che si propagano lungo l'asse del risonatore. Un sistema di due specchi paralleli risuona solo a determinate frequenze e nel laser svolge anche il ruolo che svolge un circuito oscillatorio nei convenzionali generatori a bassa frequenza.
L'utilizzo di un risonatore aperto (e non chiuso - una cavità metallica chiusa - caratteristica del campo delle microonde) è fondamentale, poiché nel campo ottico un risonatore di dimensioni L = ? (L è la dimensione caratteristica del risonatore, ? è la lunghezza d'onda) semplicemente non può essere prodotto, e a L >> ? un risonatore chiuso perde le sue proprietà risonanti, poiché il numero tipologie possibili le oscillazioni diventano così grandi da sovrapporsi.
L'assenza di pareti laterali riduce significativamente il numero di possibili tipi di oscillazioni (modi) a causa del fatto che le onde che si propagano ad angolo rispetto all'asse del risonatore vanno rapidamente oltre i suoi limiti e consente di mantenere le proprietà risonanti del risonatore a L >>?. Tuttavia, il risonatore nel laser non solo fornisce un feedback restituendo la radiazione riflessa dagli specchi alla sostanza attiva, ma determina anche lo spettro della radiazione laser, le sue caratteristiche energetiche e la direzione della radiazione.
Nell'approssimazione più semplice di un'onda piana, la condizione per la risonanza in un risonatore con specchi piani è che un numero intero di semionde si adatti alla lunghezza del risonatore: L=q(?/2) (q è un numero intero) , che porta ad un'espressione per la frequenza del tipo di oscillazione con l'indice q: ?q=q(C/2L). Di conseguenza, lo spettro di radiazione della luce, di regola, è un insieme di linee spettrali strette, i cui intervalli sono identici e uguali a c/2L. Il numero di linee (componenti) per una data lunghezza L dipende dalle proprietà del mezzo attivo, cioè dallo spettro di emissione spontanea nella transizione quantistica utilizzata e può raggiungere diverse decine e centinaia. In determinate condizioni risulta possibile isolare una componente spettrale, ovvero implementare un regime laser monomodale. L'ampiezza spettrale di ciascuna componente è determinata dalle perdite di energia nel risonatore e, innanzitutto, dalla trasmissione e dall'assorbimento della luce da parte degli specchi.
Il profilo di frequenza del guadagno nella sostanza di lavoro (è determinato dalla larghezza e dalla forma della linea della sostanza di lavoro) e l'insieme delle frequenze naturali del risonatore aperto. Per i risonatori aperti con un fattore di alta qualità utilizzati nei laser, la banda passante del risonatore ??p, che determina la larghezza delle curve di risonanza dei singoli modi, e anche la distanza tra modi vicini ??h risulta essere inferiore alla larghezza della linea di guadagno ??h, e anche nei laser a gas, dove l'allargamento della linea è minimo. Pertanto, diversi tipi di oscillazioni del risonatore entrano nel circuito di amplificazione.
Pertanto, il laser non genera necessariamente ad una frequenza, ma al contrario, la generazione avviene contemporaneamente con diversi tipi di oscillazioni, per quale amplificazione? maggiori perdite nel risonatore. Affinché il laser funzioni ad una frequenza (in modalità a frequenza singola), di norma è necessario adottare misure speciali (ad esempio aumentare le perdite, come mostrato nella Figura 3) o modificare la distanza tra gli specchi in modo che solo uno entri nel circuito di guadagno. Poiché in ottica, come notato sopra, ?h > ?p e la frequenza di generazione in un laser è determinata principalmente dalla frequenza del risonatore, per mantenere stabile la frequenza di generazione, è necessario stabilizzare il risonatore. Quindi, se il guadagno nella sostanza di lavoro copre le perdite nel risonatore per determinati tipi di oscillazioni, su di essi si verifica la generazione. Il seme della sua comparsa è, come in ogni generatore, il rumore, che nei laser rappresenta l'emissione spontanea.
Affinché il mezzo attivo emetta luce monocromatica coerente, è necessario introdurre il feedback, cioè parte di ciò che viene emesso da questo mezzo flusso luminoso rimandare nel mezzo per produrre un'emissione stimolata. Positivo feedback effettuato utilizzando risonatori ottici, che nella versione elementare sono due specchi coassiali (paralleli e lungo lo stesso asse), uno dei quali è traslucido e l'altro è “sordo”, cioè riflette completamente il flusso luminoso. Tra gli specchi viene posta la sostanza di lavoro (mezzo attivo), in cui viene creata una popolazione inversa. La radiazione stimolata passa attraverso il mezzo attivo, viene amplificata, riflessa dallo specchio, attraversa nuovamente il mezzo e viene ulteriormente amplificata. Attraverso uno specchio traslucido viene emessa parte della radiazione ambiente esterno, e parte di esso viene riflessa nel mezzo e nuovamente amplificata. In determinate condizioni, il flusso di fotoni all'interno della sostanza di lavoro inizierà ad aumentare come una valanga e inizierà la generazione di luce monocromatica coerente.
Secondo il principio di funzionamento del risonatore ottico, il numero predominante di particelle della sostanza di lavoro, rappresentato da cerchi aperti, si trova allo stato fondamentale, cioè al livello energetico inferiore. Semplicemente no gran numero le particelle, rappresentate da cerchi scuri, si trovano in uno stato elettronicamente eccitato. Quando la sostanza di lavoro viene esposta a una fonte di pompaggio, la maggior parte delle particelle entra in uno stato eccitato (il numero di occhiaie è aumentato) e viene creata una popolazione inversa. Successivamente (Fig. 2c), l'emissione spontanea avviene da alcune particelle in uno stato elettronicamente eccitato. La radiazione diretta ad angolo rispetto all'asse del risonatore lascerà la sostanza di lavoro e il risonatore. La radiazione diretta lungo l'asse del risonatore si avvicinerà superficie dello specchio.
Per uno specchio traslucido, parte della radiazione lo attraverserà ambiente, e parte di esso verrà riflesso e nuovamente diretto nella sostanza di lavoro, coinvolgendo particelle in uno stato eccitato nel processo di emissione stimolata.
Allo specchio “sordo”, l'intero flusso del raggio verrà riflesso e passerà nuovamente attraverso la sostanza di lavoro, inducendo radiazione da tutte le particelle eccitate rimanenti, che riflette la situazione in cui tutte le particelle eccitate hanno rinunciato alla loro energia immagazzinata, e all'uscita di nel risonatore, dalla parte dello specchio traslucido, si formava un potente flusso di radiazione indotta.
Di base elementi strutturali i laser includono una sostanza di lavoro con determinati livelli di energia dei loro atomi e molecole costituenti, una sorgente di pompa che crea una popolazione inversa nella sostanza di lavoro e un risonatore ottico. Esistono numerosi laser diversi, ma sono tutti uguali e semplici diagramma schematico dispositivo, che è mostrato in Fig. 3.
L'eccezione sono i laser a semiconduttore a causa della loro specificità, poiché in loro tutto è speciale: la fisica dei processi, i metodi di pompaggio e il design. I semiconduttori sono formazioni cristalline. In un singolo atomo, l'energia dell'elettrone assume valori discreti rigorosamente definiti, e quindi gli stati energetici dell'elettrone nell'atomo sono descritti nel linguaggio dei livelli. In un cristallo semiconduttore, i livelli energetici formano bande energetiche. In un semiconduttore puro, che non contiene impurità, sono presenti due bande: la cosiddetta banda di valenza e la banda di conduzione situata sopra di essa (sulla scala dell'energia).
Tra di loro c'è un divario di valori energetici proibiti, chiamato bandgap. A una temperatura del semiconduttore pari allo zero assoluto, la banda di valenza dovrebbe essere completamente riempita di elettroni e la banda di conduzione dovrebbe essere vuota. In condizioni reali la temperatura è sempre più alta zero assoluto. Ma un aumento della temperatura porta all'eccitazione termica degli elettroni, alcuni dei quali saltano dalla banda di valenza alla banda di conduzione.
Come risultato di questo processo, nella banda di conduzione appare un certo numero (relativamente piccolo) di elettroni, mentre nella banda di valenza mancherà un numero corrispondente di elettroni finché questa non sarà completamente riempita. Una vacanza elettronica nella banda di valenza è rappresentata da una particella carica positivamente, chiamata lacuna. La transizione quantistica di un elettrone attraverso la banda proibita dal basso verso l'alto è considerata come un processo di generazione di una coppia elettrone-lacuna, con gli elettroni concentrati sul bordo inferiore della banda di conduzione e le lacune sul bordo superiore della banda di valenza. Le transizioni attraverso la zona vietata sono possibili non solo dal basso verso l'alto, ma anche dall'alto verso il basso. Questo processo è chiamato ricombinazione elettrone-lacuna.
Quando un semiconduttore puro viene irradiato con luce la cui energia fotonica supera leggermente la banda proibita, nel cristallo semiconduttore possono verificarsi tre tipi di interazione della luce con la materia: assorbimento, emissione spontanea ed emissione stimolata di luce. Il primo tipo di interazione è possibile quando un fotone viene assorbito da un elettrone situato vicino al bordo superiore della banda di valenza. In questo caso, la potenza energetica dell'elettrone diventerà sufficiente per superare il gap di banda e effettuerà una transizione quantistica alla banda di conduzione. L'emissione spontanea di luce è possibile quando un elettrone ritorna spontaneamente dalla banda di conduzione alla banda di valenza con l'emissione di un quanto di energia: un fotone. La radiazione esterna può avviare la transizione verso la banda di valenza di un elettrone situato vicino al bordo inferiore della banda di conduzione. Il risultato di questo terzo tipo di interazione della luce con la sostanza semiconduttrice sarà la nascita di un fotone secondario, identico nei parametri e nella direzione di movimento al fotone che ha avviato la transizione.
Per generare la radiazione laser, è necessario creare una popolazione inversa di “livelli di lavoro” nel semiconduttore: creare una concentrazione sufficientemente elevata di elettroni sul bordo inferiore della banda di conduzione e una concentrazione corrispondentemente elevata di lacune sul bordo della banda di conduzione. banda di valenza. Per questi scopi, i laser a semiconduttore puri vengono solitamente pompati da un flusso di elettroni.
Gli specchi del risonatore sono bordi lucidati del cristallo semiconduttore. Lo svantaggio di tali laser è che molti materiali semiconduttori generano radiazioni laser solo a livelli molto elevati basse temperature e il bombardamento dei cristalli semiconduttori da parte di un flusso di elettroni ne provoca un notevole riscaldamento. Ciò richiede dispositivi di raffreddamento aggiuntivi, il che complica la progettazione del dispositivo e ne aumenta le dimensioni.
Le proprietà dei semiconduttori con impurità differiscono in modo significativo dalle proprietà dei semiconduttori puri e senza impurità. Ciò è dovuto al fatto che gli atomi di alcune impurità donano facilmente uno dei loro elettroni alla banda di conduzione. Queste impurità sono chiamate impurità donatrici e un semiconduttore con tali impurità è chiamato n-semiconduttore. Gli atomi di altre impurità, al contrario, catturano un elettrone dalla banda di valenza, e tali impurità sono accettrici, e un semiconduttore con tali impurità è un semiconduttore p. Il livello energetico degli atomi di impurità si trova all'interno della banda proibita: per gli n-semiconduttori - vicino al bordo inferiore della banda di conduzione, per i /-semiconduttori - vicino al bordo superiore della banda di valenza.
Se in quest'area crei tensione elettrica in modo che sul lato del semiconduttore p c'è un polo positivo, e sul lato del semiconduttore p c'è un polo negativo, quindi sotto l'influenza campo elettrico gli elettroni del semiconduttore n e le lacune del semiconduttore n si sposteranno (inietteranno) in zona p-p- transizione.
Quando gli elettroni e le lacune si ricombinano, verranno emessi fotoni e, in presenza di un risonatore ottico, sarà possibile generare radiazione laser.
Gli specchi del risonatore ottico sono facce lucide del cristallo semiconduttore, orientate perpendicolarmente al piano della giunzione pn. Tali laser sono in miniatura, poiché la dimensione dell'elemento attivo a semiconduttore può essere di circa 1 mm.
A seconda della caratteristica in esame, tutti i laser sono suddivisi come segue).
Primo segno. È consuetudine distinguere tra amplificatori laser e generatori. Negli amplificatori, all'ingresso viene fornita una debole radiazione laser, che viene corrispondentemente amplificata all'uscita. Non c'è radiazione esterna nei generatori; si forma nella sostanza di lavoro a causa della sua eccitazione utilizzando varie fonti di pompa. Tutti i dispositivi laser medicali sono generatori.
Il secondo segno è lo stato fisico della sostanza di lavoro. In base a ciò, i laser sono suddivisi in stato solido (rubino, zaffiro, ecc.), gas (elio-neon, elio-cadmio, argon, anidride carbonica, ecc.), liquido (dielettrico liquido con impurità atomi funzionanti di rari metalli terrosi) e semiconduttori (arseniuro-gallio, arseniuro di gallio fosfuro, seleniuro di piombo, ecc.).
Il metodo per eccitare la sostanza di lavoro è il terzo segno distintivo laser. A seconda della fonte di eccitazione, i laser si distinguono: pompati otticamente, pompati da una scarica di gas, eccitazione elettronica, iniezione di portatori di carica, pompati termicamente, pompati chimicamente e alcuni altri.
Lo spettro di emissione laser è la successiva caratteristica di classificazione. Se la radiazione è concentrata in un intervallo ristretto di lunghezze d'onda, il laser è considerato monocromatico e i suoi dati tecnici indicano una lunghezza d'onda specifica; se in un intervallo ampio, il laser deve essere considerato a banda larga e viene indicato l'intervallo di lunghezze d'onda.
In base alla natura dell'energia emessa si distinguono laser pulsati e laser a radiazione continua. I concetti di laser pulsato e laser con modulazione di frequenza della radiazione continua non devono essere confusi, poiché nel secondo caso riceviamo essenzialmente radiazione intermittente di varie frequenze. I laser pulsati hanno alta potenza in un singolo impulso, raggiungendo i 10 W, mentre la loro potenza media di impulso, determinata dalle formule corrispondenti, è relativamente piccola. Per i laser a modulazione di frequenza continua, la potenza nel cosiddetto impulso è inferiore alla potenza della radiazione continua.
In base alla potenza media di emissione della radiazione (la successiva caratteristica di classificazione), i laser sono suddivisi in:
· alta energia (la densità del flusso di potenza della radiazione generata sulla superficie di un oggetto o di un oggetto biologico è superiore a 10 W/cm2);
· media energia (densità del flusso di potenza della radiazione generata - da 0,4 a 10 W/cm2);
· a basso consumo energetico (la densità del flusso di potenza della radiazione generata è inferiore a 0,4 W/cm2).
· soft (irradiazione di energia generata - E o densità di flusso di potenza sulla superficie irradiata - fino a 4 mW/cm2);
· media (E - da 4 a 30 mW/cm2);
· duro (E - più di 30 mW/cm2).
Secondo " Norme sanitarie e regole per la progettazione e il funzionamento dei laser n. 5804-91”, a seconda del grado di pericolo delle radiazioni generate per il personale operativo, i laser sono divisi in quattro classi.
I laser di prima classe includono: dispositivi tecnici, la cui radiazione collimata (racchiusa in un angolo solido limitato) non rappresenta un pericolo quando si irradiano gli occhi e la pelle umana.
I laser di seconda classe sono apparecchi la cui radiazione in uscita costituisce un pericolo quando irradia gli occhi con radiazioni dirette e riflesse specularmente.
I laser della terza classe sono dispositivi la cui radiazione in uscita rappresenta un pericolo quando si irradiano gli occhi con radiazioni dirette e riflesse specularmente, nonché con radiazioni riflesse diffusamente ad una distanza di 10 cm da una superficie ampiamente riflettente e (o) quando si irradia la pelle con radiazione diretta e riflessa specularmente.
I laser della classe 4 sono apparecchi la cui radiazione in uscita costituisce un pericolo quando la pelle viene irradiata con una radiazione riflessa diffusamente ad una distanza di 10 cm da una superficie riflettente.
A volte puoi creare qualcosa di veramente incredibile e utile con cose inutili conservate in casa. Hai una vecchia unità DVD-RW (masterizzatore) in giro a casa? Ti diremo come realizzare un potente laser a casa, prendendo in prestito elementi da esso.
Precauzioni di sicurezza
Il dispositivo con cui ci ritroviamo non è un giocattolo innocuo! Prima di realizzare un laser, prenditi cura della tua sicurezza: far entrare il raggio negli occhi è dannoso per la retina, soprattutto se l'invenzione è potente. Pertanto, ti consigliamo di eseguire tutti i lavori con speciali occhiali di sicurezza, che ti salveranno la vista se qualcosa va storto e dirigi accidentalmente il raggio laser nei tuoi occhi o in quelli di un amico.
Quando utilizzerai il laser in futuro, ricorda queste semplici precauzioni di sicurezza:
- Non puntare il raggio laser su oggetti infiammabili o esplosivi.
- Non brillare su superfici riflettenti (vetro, specchi).
- Anche un raggio laser emesso da una distanza massima di 100 m rappresenta un pericolo per la retina dell'uomo e degli animali.
Lavorare con il modulo laser
La cosa principale di cui abbiamo bisogno è un'unità di scrittura. Tieni presente che maggiore è la velocità di scrittura, più potente sarà il nostro laser DVD. Inutile dire che dopo aver rimosso il modulo laser l'apparecchiatura diventerà inoperante, quindi smontate solo il dispositivo che non vi servirà più.
Adesso cominciamo:
La prima parte del nostro lavoro è alle spalle. Passiamo alla fase successiva importante.
Assemblaggio del circuito del dispositivo
Abbiamo bisogno del circuito per controllare la potenza del nostro dispositivo. Altrimenti si brucerà semplicemente la prima volta che lo usi. Di seguito vedrai un disegno per il laser.
Adatto per il nostro dispositivo installazione a parete. Passiamo ora a fornire energia al laser che abbiamo realizzato noi stessi.
Alimentazione del dispositivo
Avremo bisogno di un minimo di 3,7 V. Le vecchie batterie dei telefoni cellulari e le batterie AA possono fornirlo. Devi solo collegarli in parallelo tra loro. Per verificare il funzionamento di un dispositivo o di un puntatore laser fisso, è adatto un alimentatore stabilizzato.
In questa fase puoi già testare il funzionamento del dispositivo. Puntalo verso il muro, il pavimento e accendi la corrente. Dovresti vedere un ciuffo di colore rossastro brillante. Al buio sembra una potente torcia a infrarossi.
Vedi che il bagliore è lontano dal laser: il raggio è troppo ampio; implora solo di essere concentrato. Questo è ciò che faremo dopo.
Lente per focalizzare il raggio laser
Per regolare lunghezza focale, puoi cavartela con un obiettivo preso in prestito dalla stessa unità DVD-RW.
Ora ricollega il dispositivo all'alimentazione, dirigendo la luce su qualsiasi superficie attraverso questa lente. Ha funzionato? Allora passiamo a fase finale lavoro: posizionare tutti gli elementi in un alloggiamento rigido.
Produzione di custodie
Molte persone, quando consigliano come realizzare un laser, dicono che il modo più semplice è posizionare il modulo nell'alloggiamento di una piccola torcia o di un puntatore laser cinese. Dove, tra l'altro, c'è già un obiettivo. Ma diamo un'occhiata alla situazione se non hai né l'uno né l'altro a portata di mano.
Un'altra opzione è posizionare gli elementi profilo in alluminio. Può essere facilmente segato con un seghetto e modellato con una pinza. Puoi anche aggiungere una piccola batteria AA qui. La foto qui sotto ti guiderà su come farlo.
Assicurati di isolare tutti i contatti. Il passo successivo è fissare l'obiettivo nel corpo. Il modo più semplice per fissarlo è sulla plastilina: in questo modo puoi regolare la posizione più favorevole. In alcuni casi si ottiene un effetto migliore ruotando la lente verso il diodo laser con il lato convesso.
Accendere il laser e regolare la chiarezza del raggio. Una volta ottenuti risultati soddisfacenti, bloccare l'obiettivo nell'alloggiamento. Quindi chiuderlo completamente, ad esempio, avvolgendolo strettamente con del nastro isolante.
Come realizzare un laser: un modo alternativo
Te ne offriremo uno in più, diversi ottimo modo realizzare un laser ad alta potenza fatto in casa. Avrai bisogno di quanto segue:
- Unità DVD-RW con velocità di scrittura pari o superiore a 16x.
- Tre batterie AA.
- Condensatori 100 mF e 100 pF.
- Resistore da 2 a 5 Ohm.
- Fili.
- Saldatore.
- Puntatore laser (o qualsiasi altro collimatore: questo è il nome del modulo con una lente).
- Lanterna in acciaio a LED.
Ora vediamo come realizzare un laser utilizzando questo metodo:
- Utilizzando il metodo già descritto, rimuovere dall'azionamento il modulo laser situato nel carrello del dispositivo. Non dimenticare di proteggerlo dalla tensione statica avvolgendo le uscite con un filo sottile o indossando un braccialetto antistatico.
- Secondo lo schema sopra, saldamo il driver, una scheda che produrrà il nostro prodotto fatto in casa alla potenza richiesta. Prestare molta attenzione al mantenimento della polarità per non danneggiare il sensibile diodo laser.
- In questa fase controlleremo la funzionalità del driver appena assemblato. Se il modulo laser proviene da un modello con una velocità di 16x, sarà sufficiente una corrente di 300-350 mA. Se superiore (fino a 22x), fermarsi a 500 mA.
- Una volta verificata l'idoneità del driver, è necessario inserirlo nell'alloggiamento. Può trattarsi della base di un puntatore laser cinese con un obiettivo già incorporato o di un corpo di dimensioni più adatte di una torcia a LED.
Test laser
Ed ecco perché eri interessato a come realizzare un laser. Passiamo alla prova pratica del dispositivo. In nessun caso dovresti condurlo a casa - solo per strada, lontano da fuoco e oggetti esplosivi, edifici, legno morto, cumuli di spazzatura, ecc. Per gli esperimenti avremo bisogno di carta, plastica, lo stesso nastro isolante, compensato.
Quindi cominciamo:
- Posiziona un foglio di carta sull'asfalto, sulla pietra, sul mattone. Puntare un raggio laser ben focalizzato su di esso. Vedrete che dopo poco la foglia inizierà a fumare per poi prendere fuoco completamente.
- Passiamo ora alla plastica: inizierà a fumare anche sotto l'influenza del raggio laser. Si sconsiglia di effettuare tali esperimenti per lungo tempo: i prodotti della combustione di questo materiale sono molto tossici.
- Maggior parte esperienza interessante- con compensato, tavola piatta. Con un laser focalizzato, puoi incidere su di esso un'iscrizione o un disegno specifico.
Un laser domestico è sicuramente bel lavoro e invenzione capricciosa. Pertanto, è del tutto possibile che la tua imbarcazione fallirà presto, è così importante per questo determinate condizioni conservazione e funzionamento che non possono essere forniti a casa. I laser più potenti, che tagliano facilmente il metallo, possono essere acquistati solo in laboratori specializzati, naturalmente non sono a disposizione dei dilettanti; Tuttavia, anche un normale dispositivo è molto pericoloso: puntato da una grande distanza verso gli occhi di una persona o di un animale o verso un oggetto infiammabile nelle vicinanze.
Quando si parla di laser, la maggior parte delle persone ricorda immediatamente episodi di film di fantascienza. Tuttavia, tale invenzione è stata a lungo saldamente radicata nelle nostre vite e non è qualcosa di fantastico. Il laser ha trovato la sua applicazione in molti settori, dalla medicina, all'industria manifatturiera, all'intrattenimento. Pertanto, molte persone si chiedono se e come realizzare un laser da soli.
A seconda delle specifiche e dei requisiti proposti, i laser possono essere completamente diversi, sia in dimensioni (dai puntatori tascabili alle dimensioni di un campo da calcio), sia in potenza, mezzi di lavoro utilizzati e altri parametri. Naturalmente, è impossibile realizzare da soli un potente raggio di produzione a casa, poiché questi non sono solo dispositivi tecnicamente complessi, ma anche molto difficili da mantenere. Ma puoi creare un laser semplice, ma affidabile e potente con le tue mani da una normale unità DVD-RW.
Principio di funzionamento
La parola "laser" ci è venuta da Lingua inglese“laser”, che è l’abbreviazione delle prime lettere di un nome molto più complesso: amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni e si traduce letteralmente come “amplificazione della luce mediante emissione stimolata”. Può anche essere chiamato un generatore quantistico ottico. Esistono molti tipi di laser e il loro campo di applicazione è estremamente ampio.
Il principio del suo funzionamento è convertire un'energia (luce, chimica, elettrica) nell'energia di vari flussi di radiazione, cioè si basa sul fenomeno della radiazione forzata o indotta.
Convenzionalmente, il principio di funzionamento è mostrato nel seguente disegno:
Materiali necessari per il lavoro
Quando si descrivono le basi del funzionamento del laser, tutto sembra complicato e poco chiaro. In effetti, realizzare un laser con le tue mani a casa è estremamente semplice. Avrai bisogno di alcuni componenti e strumenti:
- La cosa più basilare di cui hai bisogno per creare un laser è un'unità DVD-RW, ovvero un'unità masterizzatore da un computer o un lettore. Maggiore è la velocità di registrazione, più potente sarà il prodotto stesso. È preferibile effettuare azionamenti con una velocità di 22X, poiché la sua potenza è la più alta, circa 300 mW. Allo stesso tempo differiscono nel colore: rosso, verde, viola. Per quanto riguarda le ROM che non scrivono, sono troppo deboli. Vale anche la pena prestare attenzione al fatto che dopo aver manipolato l'unità non funzionerà più, quindi dovresti prenderne una che è già fuori servizio, ma con un laser funzionante, oppure una che non ti dispiacerà dirlo arrivederci a.
- Avrai anche bisogno di uno stabilizzatore di corrente, anche se c'è il desiderio di farne a meno. Ma vale la pena sapere che tutti i diodi (e i diodi laser non fanno eccezione) "preferiscono" non la tensione, ma la corrente. Le opzioni più economiche e preferite sono il convertitore di impulsi NCP1529 o il microcircuito LM317 (analogo a KR142EN12).
- La resistenza di uscita viene selezionata in base alla corrente di alimentazione del diodo laser. Si calcola utilizzando la formula: R=I/1,25, dove I - corrente nominale laser
- Due condensatori: 0,1 µF e 100 µF.
- Collimatore o puntatore laser.
- batterie standard AAA.
- Fili.
- Strumenti: saldatore, cacciaviti, pinze, ecc.
Rimozione del diodo laser dall'unità DVD
La parte principale da rimuovere è il laser dall'unità DVD. Questo non è difficile da fare, ma vale la pena conoscere alcune sfumature che aiuteranno a evitare possibili malintesi durante il lavoro.
Innanzitutto è necessario smontare l'unità DVD per raggiungere il carrello su cui si trovano i diodi laser. Uno di questi è un lettore: ha un consumo troppo basso. Il secondo masterizzatore è esattamente ciò di cui hai bisogno per realizzare un laser da un'unità DVD.
Sul carrello, il diodo è installato sul radiatore e fissato saldamente. Se non prevedi di utilizzare un altro radiatore, quello esistente è abbastanza adatto. Pertanto, è necessario rimuoverli insieme. Altrimenti, tagliare con attenzione le gambe all'ingresso del radiatore.
Poiché i diodi sono estremamente sensibili all'elettricità statica, è una buona idea proteggerli. Per fare ciò, è necessario avvolgere insieme le gambe del diodo laser con un filo sottile.
Non resta che mettere insieme tutti i dettagli e la ROM stessa non sarà più necessaria.
Assemblaggio del dispositivo laser
È necessario collegare il diodo rimosso dal LED al convertitore, rispettando la polarità, altrimenti il diodo laser si guasterà immediatamente e diventerà inadatto per un ulteriore utilizzo.
CON retro diodo, viene installato un collimatore in modo che la luce possa essere concentrata in un raggio. Anche se, invece, puoi utilizzare la lente inclusa nel rum, oppure la lente che già contiene il puntatore laser. Ma in questo caso, dovrai apportare modifiche per ottenere la concentrazione richiesta.
Dall'altro lato del convertitore sono saldati i fili che si collegano ai contatti della custodia in cui verranno installate le batterie.
Aiuterà a completare il laser da unità dvd Schema fai da te:
Quando tutti i componenti sono collegati, è possibile verificare la funzionalità del dispositivo risultante. Se tutto funziona, non resta che posizionare l'intera struttura nell'alloggiamento e fissarla saldamente lì.
Design del corpo fatto in casa
Puoi affrontare la produzione della custodia in diversi modi. Ad esempio, un caso da Lanterna cinese. È inoltre possibile utilizzare il corpo del puntatore laser già pronto. Ma soluzione ottimale Potrebbe risultare fatto in casa, realizzato con un profilo di alluminio.
L'alluminio stesso è leggero e, allo stesso tempo, molto facile da lavorare. L'intera struttura sarà convenientemente posizionata al suo interno. Sarà anche conveniente metterlo in sicurezza. Se necessario, puoi sempre ritagliare facilmente il pezzo richiesto o piegarlo secondo i parametri richiesti.
Sicurezza e test
Una volta completato tutto il lavoro, è il momento di testare il potente laser risultante. Non è consigliabile farlo in ambienti chiusi. Pertanto, è meglio uscire in un luogo deserto. Allo stesso tempo, vale la pena ricordarlo il dispositivo realizzato è diverse centinaia di volte più potente di un puntatore laser convenzionale, e questo richiede un utilizzo con estrema cautela. Non dirigere il raggio verso persone o animali; fare attenzione che il raggio non si rifletta o non entri negli occhi. Quando si utilizza un raggio laser rosso, si consiglia di indossare occhiali verdi; ciò ridurrà significativamente il rischio di danni alla vista in casi imprevisti. Dopotutto, non è consigliabile guardare i raggi laser nemmeno dall'esterno.
Non dirigere il raggio laser su oggetti e sostanze infiammabili o esplosivi.
Il dispositivo creato, con un obiettivo configurato correttamente, può tagliare abbastanza sacchetti di plastica, brucia sul legno, scoppia palloncini e persino bruciare: una specie di laser da combattimento. È incredibile quello che puoi fare con un'unità DVD. Pertanto, quando si testa un dispositivo prodotto, è necessario ricordare sempre le precauzioni di sicurezza.