Полупроводниковые лазеры > Полупроводниковые лазерные диоды
Дальнобойный лазер 808 нм, возможно ли?
Gall:
--- Цитата: Obi Wan от 05 Апрель 2020, 03:09:43 ---Что, даже отраженное от дерева инфракрасное излучение опасно? Мне говорили, что опасно только прямое попадание и отраженное от блестящих поверхностей.
--- Конец цитаты ---
ДА. Опасно.
Утверждение про блестящие поверхности справедливо для лазеров 3-го класса, это где-то до 0.1 Вт. Лазер 1 Вт - это уже 4-й класс, для 4-го класса опасным считается отраженное и рассеянное излучение.
Впрочем, лет десять назад у нас один любитель словил в глаз от черной резины, которую пытался жечь. Красной указкой на 100 милливатт всего-навсего. Держать мощный лазер в руке - зло.
Вообще я лично считаю, что жечь лазером - это примерно как забивать гвозди микроскопом. Лазер умеет интерферировать, дифрагировать, им можно измерять расстояния, исследовать спектры, делать анализ веществ, записывать голограммы - огромное количество применений, каждое из которых намного интереснее, чем зажигать спички. А еще очень интересно сделать лазер с нуля - не купить лазерный диод, а, скажем, купить водопроводную трубу и пару кусков металла, пару зеркал и из всего этого сделать настоящий работающий лазер. Это так, идеи, чем еще можно заниматься.
--- Цитировать ---Но мне все равно интересно сделать такой лазер и провести эксперимент самому.
--- Конец цитаты ---
Легко. Причем я советую начать с экспериментов по фокусировке маломощных лазеров на большое расстояние. "Маломощный" - да хоть самую слабую игрушечную указку можно взять, на 1 милливатт. Причина не в безопасности, а в УДОБСТВЕ: тогда вы сможете работать без защитных очков, спокойно лезть руками под луч и делать что угодно, когда настраиваете оптику. Когда вы научитесь фокусировать красную указку на большом удалении, просто замените лазер. Тренируйтесь на "холостых", потом заряжайте "боевыми".
Правила безопасности простые: 1) использовать очки, 2) не держать ничего в руках, все закрепить (привинтить саморезами к деревяшке хотя бы, или в тисках зажать), и 3) не включать в присутствии идиотов и прятать под замок от гостей, которые могут оказаться не очень умными. Не недооценивайте чужой идиотизм: у нас одному идиоту дали мощный лазер посмотреть, и он первым делом направил его себе в глаз.
"Не держать ничего в руках" - не только правило безопасности, но и залог успеха. Оптике требуется большая точность. Ее невозможно достичь, если детали держатся на соплях. С самого начала ищите способ крепления. Идеально - из металла на станках. Неплохо - втыкать детали на палочках в утрамбованный песок. Сойдет - шурупами к деревяшке, деталями детского металлического конструктора. Никуда не годно (скорее всего ничего не получится) - лепить на термоклей и подпирать пластиковыми стаканчиками.
Первая книга, которую я тут рекомендую - Д. Стронг "Практика современной физической лаборатории" или "Техника физического эксперимента" (это очень похожие книги, берите ту, которую найдете). Главы про стеклодувное дело, высокий вакуум и прочее пропустите, они вам неинтересны. Вам нужно то, что в конце книги: как делать крепления и механизмы перемещений, когда нужна точность. Про платформы с опорой на шарики и все такое. Можете посмотреть и про литье и про шлифовку линз, для общего образования. Вряд ли вам захочется этим заниматься, но вдруг?
--- Цитировать ---Мне не совсем понятно, если диод с микролинзой (та, которая FAC), то нужна ли для него еще одна линза
--- Конец цитаты ---
Часто даже хуже, потому что это не такая линза, как нужна. Зависит от конкретного диода. Вообще от встроенной в диод линзы мы хотим, чтобы она корректировала астигматизм, а все остальное нам скорее вредит.
--- Цитировать ---Стоит ли делать драйвер самому или купить что-нибудь вроде этого
--- Конец цитаты ---
Стоит делать. Можно попытаться найти готовый, но большая часть того, что продается на eBay, это драйверы для фонариков. К лазерам они тоже подходят, но не рассчитаны на них.
--- Цитировать ---Почему тут такое отношение к новичкам? Разве у вас не было подобных вопросов при первом эксперименте с лазерами? Может ли кто посоветовать подходящую литературу по таким лазерам? Какие книги стоит в первую очередь прочесть новичку, чтобы более-менее нормально разбираться в этой теме?
--- Конец цитаты ---
В общем-то потому, что все эти темы многократно обсуждались и гуглится. Обсуждалось (здесь, на форуме) даже то, можно ли лазером достать до Луны. Многократно упоминалась оптика гауссовых пучков, есть список литературы в прикрепленной теме. Ожидается, что человек, прежде чем задавать вопросы, с базой ознакомится.
Именно поэтому на типовой вопрос "хочу лазер, чтобы мог все жечь" есть типовой ответ "не делай такой лазер". И "какую мощную указку купить, чтобы жечь" - "никакую". Еще типовой вопрос-ответ: "хочу сделать лазерный станок для выжигания" - "возьми лазер на CO2".
Бывают нетиповые новичковые вопросы. Новичковые, но нетиповые. Например: "в школе говорили про интерференцию света, хочу увидеть ее своими глазами". Такое объясняем охотно.
Ваш вопрос теперь стал другим: "теперь я понимаю опасность и передумал делать игрушку, а хочу эксперимент по фокусировке лазера на большие расстояния". Вот это уже совсем другое дело. Готовьтесь много работать руками и много считать.
Наша библия - Звелто "Принципы лазеров". Книга с кучей математики, из которой нам потребуется оптика гауссовых пучков. Я советую начать не с книги, а с Википедии: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D1%83%D1%81%D1%81%D0%BE%D0%B2_%D0%BF%D1%83%D1%87%D0%BE%D0%BA
Еще может помочь нормальный ВУЗовский учебник оптики - Сивухин или Матвеев или что угодно еще. Я лично рекомендую взять "Физическую оптику" Вуда 1920-х годов: тогда еще ничего не знали про лазеры и фотоны и даже про теорию относительности (учебник настолько старый, что в нем еще есть слово "эфир"!), но зато там есть практические инструкции, как делать расчеты оптики карандашом на бумаге с помощью геометрических построений, а не формул. В более новых учебниках такого нет. Что непонятно - спрашивайте.
Страшных формул тут не бойтесь, вам они не потребуются, а потребуется вот эта формулка и картинка:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D1%83%D1%81%D1%81%D0%BE%D0%B2_%D0%BF%D1%83%D1%87%D0%BE%D0%BA#%D0%A8%D0%B8%D1%80%D0%B8%D0%BD%D0%B0_%D0%BF%D1%83%D1%87%D0%BA%D0%B0
Эта формула позволяет определить размер пятна, в которое в идеальном случае можно сфокусировать луч лазера, w0. И обратите внимание на картинку, как идет луч: он сначала становится тоньше, потом достигает размера w0, потом снова начинает становиться толще. Отсюда вы можете определить диаметр линзы, необходимый для вашей задачи. Вы видите, что луч изначально должен быть очень толстым, и понятно, что он не может быть толще линзы.
Способность лазера жечь зависит от плотности энергии в пятне. Считая пятно круглым, поделите мощность лазера на площадь круга. Это оно и есть. Чем меньше будет пятно, тем лучше жжет даже при небольшой мощности.
Общий подход к построению конструкций: чтобы жечь на большом расстоянии, вам надо взять линзу большого диаметра с длинным фокусом, а луч расширить до диаметра этой линзы. В роли линзы можно использовать достаточно длиннофокусный объектив от фотоаппарата или что-то подобное. Качество линзы критично. Для расширения потребуется, наоборот, очень короткофокусная линза. Это может быть микроскопный объектив. Вся конструкция в целом будет какой-то разновидностью телескопа, но сколько там будет линз - уже надо считать в зависимости от того, на базе чего вы делаете. Теоретически, на бумаге можно сделать всего из двух тонких линз, практически из-за толщины линз, из-за невозможности купить то, что надо (помните про линзочку за $700?) и из-за необходимости делать из того, что есть, конструкция получится сложнее теоретической.
Как и из чего делать: встречный вопрос, а что у вас есть? У кого-то есть токарный станок в гараже, а у кого-то только картон и пистолет с термоклеем. На какие технические возможности мне рассчитывать свои советы? Я в свое время специально для работы с оптикой купил маленький токарник. Но я и делаю более сложные вещи.
Obi Wan:
И на этом спасибо, хоть что-то прояснили. Есть еще один вопрос. Что все-же такое линза fast axis collimator?
Я разобрал красный лазер, вынул из него линзу, и после этого он стал светить не как лазер, а как яркий красный фонарик. Исходя из первой схемы, я понял, что линза fast axis collimator нужна для того, чтобы лазер светил как лазер, лучом то есть, а не как фонарь, для уменьшения расхождения луча. А для чего нужна линза slow axis collimator, и нужна ли она вообще для моего эксперимента?
Возьмем такой диод, там есть линза fast axis collimator, значит для него корпус с линзой вроде такого https://www.ebay.com/itm/Focusable-IR-Laser-Diode-Housing-for-C-Mount-Lasers-w-Cooling-Fan-Glass-Lens/321596554289?hash=item4ae0a5fc31:g:RewAAOSwM0ZbSBJf#shpCntId не нужен? Можно крепить диод на втулку и светить в окуляр? Фокусировать планирую через телескоп, как наиболее дешевую, простую и доступную оптическую систему. Или корпус с линзой все-таки нужен? Хотя, думаю, что корпус нужен, так как имеет вентилятор, а значит более-менее нормальное охлаждение, в отличие от пассивного.Еще вы не сказали по поводу очков. Те очки из моего предыдущего поста подойдут для безопасной работы или нет? Если нет, то где искать подходящие очки?
Gall:
Очки - лотерея и русская рулетка. По форме выглядят нормально, но стекло подозрительно светлое, без малейшего цветного оттенка, такое бывает только на очень качественных фирменных. Или на бесполезных подделках, где стекло вообще ничего не фильтрует. Могут оказаться чем угодно. Лазер серьезный, лучше возьмите очки приличной фирмы с сертификатом, какие-нибудь там UVEX. Если что, логотип на этих очках - что-то вроде "Abibas". Закос под одну фирму, которая производит лазерную медтехнику.
Если уж очень хочется сэкономить и купить очки подешевле, поищите у себя в городе лабораторию, могущую за небольшую плату измерить их характеристики, и проверьте. Во многих околооптических НИИ так умеют, кое-где можно договориться "за пиво". А вслепую лучше не рисковать. Фирменные очки не настолько дорогие, а эти не настолько дешевые, чтобы экономия имела смысл.
--- Цитировать ---стал светить как фонарик
--- Конец цитаты ---
Добро пожаловать в мир гауссовых пучков! Это не "как фонарик", это все еще как лазер, и именно так ведет себя лазер, чей луч очень тонкий. Был.
Картинки, как вы показали, на самом деле сильно вводящие в заблуждение. Штука в том, что луч лазера никогда не бывает вот таким вот прямым, как рисуют. Все, что вам на самом деле нужно - это понять кухню гауссовых пучков, после которой все становится довольно просто.
Что происходит. "Прямой" луч, как его рисуют на разных красивых картинках, на самом деле невозможно сделать физически, и это не зависит от лазера. Свет - волна, свет дифрагирует! Помните школьный опыт с пропусканием света через маленькое отверстие?
Прошедший через отверстие луч сразу начинает расходиться.
Какое отношение это имеет к лазерам? Проделаем простой мысленный эксперимент: пусть луч лазера будет толщиной ровно с отверстие. После отверстия он будет, как мы уже знаем, расходиться. Но раз луч толщиной с отверстие, то отверстие с ним ничего не делает. Из чего следует, что любой луч света расходится так, как если бы он проходил через отверстие диаметром с сам луч. Причем этот закон применим к каждой точке луча.
Получается, что луч вовсе не цилиндр и даже не конус, как его часто рисуют, а вот такая штука:
Это самое важное, что надо знать о лучах лазеров, чтобы делать для них оптику. Свет ведет себя так и только так и никак иначе.
На этой же картинке нарисовано, что именно делает линза с лучом. Она меняет угол, под которым пучок сходится или расходится, и чаще всего заставляет расходящийся пучок снова сходиться. Линзу можно поставить и иначе, чтобы она уменьшала расхождение расходящегося пучка (но не заставляла его сходиться), или чтобы она ускоряла схождение уже сходящегося пучка. Это собирающая линза. Рассеивающая, разумеется, действует наоборот.
Важный закон, который надо помнить: чем тоньше луч, тем сильнее он расходится. Для этого закона есть точная формула (см. Википедию в прошлом посте).
Что происходит в типичном лазерном диоде? Рабочая область кристалла - малюсенькая. Из нее выходит "прямой" луч толщиной в микрометры. Этот луч, разумеется, немедленно начинает сильно расходиться, и уже в нескольких миллиметрах от кристалла из "прямого" превращается в "свет фонарика". Луч микронной толщины невозможно удержать тонким. Но нас это не устраивает, поэтому мы сразу же пропускаем луч через линзу. Эта линза превращает резко расходящийся луч в слабо сходящийся. (Как мы уже знаем, в параллельный - не расходящийся и не сходящийся - превратить невозможно никак.) Где будет находиться самое тонкое место луча, после которого он опять начнет расходиться (его еще называют перетяжкой)? Это можно посчитать, зная длину волны и диаметр луча на выходе из линзы, и для типичных лазерных указок, используемых на презентациях, это несколько метров, но при довольно большом диаметре самой перетяжки. Если мы хотим лазером жечь, то нам нужно уменьшить перетяжку, чего можно достигнуть либо увеличением толщины луча на выходе из линзы, либо уменьшением расстояния до перетяжки, и никаким другим способом. К примеру, в пишущем DVD-приводе расстояние от линзы до перетяжки всего около миллиметра, и это позволяет сделать перетяжку диаметром в доли микрометра (!) и лазером с мощностью всего-то 100 мВт на большой скорости жечь фталоцианин в записываемом диске.
Вы уже понимаете, что нужно для эксперимента: максимально толстый луч. Скорее всего луч придется даже специально расширять, чтобы сделать его как можно толще. Толщина может быть вплоть до нескольких сантиметров! По мере удаления от линзы луч будет становиться все тоньше, и на каком-то расстоянии превратится в "точку". Линзами маленького диаметра вы не сможете достичь этого эффекта.
Теперь - про slow axis и fast axis. До сих пор мы предполагали, что луч в сечении круглый. Но для лазерных диодов это ни фига не так. Рабочая область кристалла в сечении не круг, а сильно вытянутый прямоугольник, поэтому луч не круглый, а сильно вытянутый овал (почти линия), и вдоль и поперек прямоугольника имеет разную расходимость. Это очень важно, поскольку означает, что линзы вдоль и поперек прямоугольника должны тоже иметь разную оптическую силу. Направления "вдоль" и "поперек" называются "slow axis" и "fast axis" (fast и slow - в смысле, быстро расходится и медленно расходится). В схеме обычно достаточно одной цилиндрической линзы, которая бы уравнивала расходимости - fast axis collimator, после которой луч становится уже более-менее круглым. Во многих лазерных диодах эта линза наклеена непосредственно на кристалл (не на корпус лазера, а на сам кристалл) и не снимается вообще никак.
Про корпуса и прочее. Лазерный диод надо крепить на теплоотводе, и при очень большой мощности может даже потребоваться водяное охлаждение. При небольшой достаточно воздушного. Без охлаждения лазер перегреется и сгорит. Но еще важнее просто удержать диод на правильном месте. Мы помним, что его рабочая область - микрометры. Нам надо попасть этой рабочей областью на оптическую ось объектива, иначе схема не будет нормально работать. Чем дальнобойнее мы делаем систему, тем точнее придется попадать. И нам надо будет фокусировать все это.
Идея с телескопом скорее всего сработает, хотя тут неплохо бы посчитать, а что собственно получится. Скорее всего лучше не светить в окуляр, а снять окуляр и поставить лазер с линзой вместо окуляра. Можно попытаться приспособить переходник для камеры. Держать в руках даже не пытайтесь, не хватит точности.
Для точного прицеливания лазером в линзы я использовал такую конструкцию. Берется металлическая трубка с очень толстыми стенками (я ее выточил из алюминия 7075, толщина стенок у меня 15 мм). Внутрь вкладывается лазерный модуль (у меня он цилиндрический). Диаметр трубки должен быть таким, чтобы модуль в нем слегка не касался стенок. В стенках трубки сверлятся шесть отверстий, три спереди и три сзади, под углом 120 градусов. В два из них вкладываем шарик от подшипника, пружину и затыкаем снаружи, так, чтобы шарик давил на лазерный модуль. В остальных четырех нарезаем резьбу (у меня M6x0.5) и вкручиваем регулировочные винты (я использовал от фирменных подвижек Thorlabs). Лазерный модуль оказывается зажат между винтами и стальными шариками. Такая конструкция позволяет очень точно центрировать и наклонять лазер по всем направлениям. Добавление еще одной пружины спереди и еще одного винта сзади (трубку заткнуть пробкой, в пробке отверстие с резьбой и винт) позволит еще и фокусировать. Если есть станок или знакомый токарь, я могу набросать примерный чертеж, как такое делается. Если нет, подумайте, из чего еще и как вы можете сделать что-то похожее. Лазерный модуль должен опираться на шесть точек, из которых две должны двигаться винтами, а еще две быть подпружинены. Тогда вы сможете отцентрировать. Вместо пружины можно попытаться использовать резину, в том числе сплошной слой резины, но винтов все равно должно быть четыре (два для центровки и два для наклона). Очень точные регулировочные винты вместе с латунными гайками можно купить у китайцев как запчасть к лазерным резакам (винты для юстировки зеркал). Но и просто винтов M3, а лучше M6x0.5 (с мелкой резьбой) будет достаточно, по крайней мере для первых опытов. Я на обычных винтах М3 даже интерферометры Фабри-Перо делал, а там точность такая, что он даже на шаги рядом с ним реагировать может.
Избежать изготовления такой конструкции можно, если сразу делать все детали всех креплений с высокой точностью (хотя бы 0.05 мм). Но если что-то где-то встает не-пойми-как и на скотче, то регулировочные винты необходимы. Качество фокусировки очень сильно зависит от центровки. Помните, что по сути вы хотите сделать, чтобы выходящий из телескопа луч был толщиной с весь телескоп, а потом к нужному расстоянию сходился в точку.
Obi Wan:
--- Цитата: Gall от 07 Апрель 2020, 04:19:05 ---Скорее всего лучше не светить в окуляр, а снять окуляр и поставить лазер с линзой вместо окуляра. Можно попытаться приспособить переходник для камеры.
--- Конец цитаты ---
Так ведь окуляр будет использоваться как расширитель луча, зачем его убирать? Если все-таки снимать окуляр, то какую линзу ставить вместо него? Ведь если посветить тонким лучом на большую линзу телескопа, то не сфокусируется ведь далеко.
И какой мощности нужен диод, чтобы жечь на большом расстоянии? С диапазоном определился, ик 808 нм. А что по мощности? Часть мощности должна поглотиться оптикой, того же телескопа например. Другая часть может отражаться при входе луча в окуляр. И может получиться так, что лазер без телескопа жжет на маленьком расстоянии, но на большом при таком же пятне уже не жгет. 3 ватта достаточно или лучше взять 5 ватт, с запасом?
Gall:
--- Цитата: Obi Wan от 08 Апрель 2020, 01:11:31 ---Так ведь окуляр будет использоваться как расширитель луча, зачем его убирать? Если все-таки снимать окуляр, то какую линзу ставить вместо него? Ведь если посветить тонким лучом на большую линзу телескопа, то не сфокусируется ведь далеко.
--- Конец цитаты ---
Тут надо понимать, как вообще работает телескоп. Объектив телескопа формирует действительное изображение объекта где-то вблизи окуляра. Окуляр работает как лупа, в которую это действительное изображение рассматривают. Помещенный в плоскость изображения источник света будет великолепно спроецирован объективом. Туда же, в плоскость изображения, можно ставить и матрицу для астрофотосъемки.
Свет лазера в первом приближении похож на свет точечного источника на большом удалении. Мы хотим получить изображение этого точечного источника внутри телескопа в той плоскости, где телескоп обычно формирует изображение звезд. Линза окуляра может подойти или не подойти для этих целей. Для луча газового (например, гелий-неонового или на парах кадмия) лазера она бы подошла, там хорошая TEM00 с малой расходмостью. Полупроводниковый лазер - другой, и само получение от него такого луча - сложная задача. Поэтому может оказаться проще фокусировать лазер прямо на плоскости изображений телескопа, а не пытаться превратить его в параллельный луч, пригодный для окуляра.
--- Цитировать ---И какой мощности нужен диод, чтобы жечь на большом расстоянии?
--- Конец цитаты ---
Любой. От расстояния ничего не зависит. Зависит от фокусировки. Уже 10 мВт начнет жечь, если сфокусировать как следует. Можно даже меньше, только тогда потребуются очень большие линзы.
Наоборот, не гонитесь за высокой мощностью, вот почему. Во-первых, многие мощные диоды на 808 на самом деле импульсные. Их запрещено включать на такой мощности больше, чем на несколько миллисекунд. Во-вторых, многие мощные диоды - не одиночные, а линейки. У них много кристаллов рядом, и сфокусировать их в точку не удастся никак. Никакие линзы этого сделать не смогут, нужны либо граданы, либо ГОЭ. Практически подходящий лазер больше пары Вт скорее всего найти не удастся.
И еще: лазер небольшой мощности может оказаться с одной пространственной модой. Мощный лазер наверняка имеет высшие моды. Высшие моды - это чистая потеря мощности, они уйдут мимо. Результат с 0.2 Вт может получиться лучше, чем с 5 Вт.
--- Цитировать ---3 ватта достаточно или лучше взять 5 ватт, с запасом?
--- Конец цитаты ---
Смотрите не на мощность, а на тип лазера. Отсеките все импульсное. Отсеките все линейки. Отсеките все, что не сможете включить. Отсеките все, что есть только в каталогах, а на ценнике написано "звоните": такие стоят по 1000 долларов. Останется совсем мало.
Навигация
[0] Главная страница сообщений