Тема: Как сделать лазерную установку для исследования среды

[MBG]

Указка действительно очень старая, вот жеж...  мне даже в голову не могло прийти что и лазеры теперь стали делать хуже. Как их вообще можно сделать хуже? Ладно, значит придется беречь указку.

А если понадобится хороший модуль, как его распознать - заказать?

Пыль значит.. чем ее убирать? туда не подобраться, а любая тряпка оставит после себя еще больше следов. Клизмой дунуть?

Пучок расширял именно плюсовой линзой, сдвигом фокусных. Я уже понял, что нужна короткофокусная оптика, иначе это все расползается на метры. Однако если сетку делать в масштабе, чтобы нивелировать ее огрехи, то придется брать видимо объектив от фотоаппарата и комбинировать все это.

У меня колимированый луч толстый - это просто неверно выставил оптику или толщина луча определяется выходным отверстием лазера?

*Регистрации от холофорума пока так и не пришло. Хотя, видимо, все равно пока мне рано к голограммам..

[Gall]

Указка действительно очень старая, вот жеж...  мне даже в голову не могло прийти что и лазеры теперь стали делать хуже. Как их вообще можно сделать хуже? Ладно, значит придется беречь указку.

Их не стали делать хуже, просто появились более дешевые варианты. Старая указка - дорогая указка, в ней стоял дорогой фирменный лазерный диод. Сейчас можно купить очень хорошие лазерные диоды и модули. Еще сейчас появились дешевые указки и модули, раньше их не было - в них лазеры более простой конструкции.

А если понадобится хороший модуль, как его распознать - заказать?

Да. Не проблема, на самом деле - у модуля есть марка, на него есть паспорт, в паспорте указаны характеристики. Если характеристики устраивают - модуль хороший. Просто не надо брать модули без какой-либо информации о них.

Пыль значит.. чем ее убирать? туда не подобраться, а любая тряпка оставит после себя еще больше следов. Клизмой дунуть?

Да, и в общем-то другого способа нет. К тому же там голый кристалл, его вообще трогать опасно. При чистке ориентироваться на получающуюся картину.

Для сравнения можно закрыть лазер стеклышком и посмотреть, как пылинки на стеклышке отражаются на луче. Тут пакость в том, что даже микронные невидимые пылинки дифракцию очень даже вызывают.

На практике пыль в луч всегда попадает, поэтому используют "пространственный фильтр". Идея очень простая: фокусируем луч и пропускаем через маленькое отверстие. Последствия пылинок не пройдут через отверстие и отсеются. Фильтрация может быть очень серьезной - например, микроскопный объектив и отверстие 20 мкм диаметром (требуется очень точная юстировка, чтобы попасть перетяжкой луча в отверстие). См. http://holography.ru/techrus.htm

Пучок расширял именно плюсовой линзой, сдвигом фокусных. Я уже понял, что нужна короткофокусная оптика, иначе это все расползается на метры. Однако если сетку делать в масштабе, чтобы нивелировать ее огрехи, то придется брать видимо объектив от фотоаппарата и комбинировать все это.

С длиннофокусной оптикой есть полезный хак: можно использовать зеркала и "сложить" схему в несколько раз. Луч не обязан идти длинный путь именно по прямой, можно сделать длинную ломаную траекторию.

У меня колимированый луч толстый - это просто неверно выставил оптику или толщина луча определяется выходным отверстием лазера?

Толщина луча (диаметр перетяжки) определяется фокусным расстоянием линзы. Короткофокусная линза собирает луч в одну точку, после которой луч сразу расходится. Длиннофокусная линза никогда не собирает луч в точку, зато луч имеет очень вытянутую в длину перетяжку - настолько вытянутую, что луч кажется цилиндрическим. Есть формула зависимости фокусного расстояния линзы, расходимости луча и наименьшего диаметра перетяжки, достижимого этой линзой (я ее где-то выше показывал на картинке).

Диаметр выходного отверстия лазера - несколько микрометров. Кристалл очень маленький.

*Регистрации от холофорума пока так и не пришло. Хотя, видимо, все равно пока мне рано к голограммам..

Сейчас напишу им. Там тот же email-адрес был, да?

[MBG]

Да, адрес тот же
Старая указка - ширпотреб купленный уж не помню за сколько копеек.
Я не знаю на какие параметры лазера смотреть чтобы отличить дешевый от хорошего. На что вообще надо ориентироваться? Чем отличается хороший от плохого? Есть примеры хороших лазерных модулей?
До зеркал мне еще подрасти надо тут хотя бы по прямой пройти.

[Gall]

У лазера вообще есть параметр "модовый состав луча". Этот параметр вообще очень сложный, но его части обычно в документации указаны.

Пространственные моды, точнее поперечные моды. TEM₀₀ - это круглое гауссово пятно. Любые другие цифры, отличные от 00, означают отличие от круглой формы (восьмерки, кресты, полосатости и т.д.); у любого лазера присутствует TEM₀₀ + примесь TEM_mn, паспорт регламентирует величину примеси.

Длина когерентности и продольные моды. Реальный лазер может давать луч, состоящий из нескольких близких длин волн. Если лазер работает на "одной" (с поправкой на ее неидеальность) длине волны, говорят о длине/времени когерентности лазера - т.е. о максимальном расстоянии между двумя точками в луче, между которыми луч еще когерентен. Если время - то имеется в виду время прохождения света между этими точками. У дешевых лазеров длина когеретности несколько сантиметров, у хорогших газовых может быть много метров и даже километров. Многие лазеры (и почти все указки) работают сразу на нескольких четко различимых (но очень близких) длинах волн, тогда говорят о нескольких продольных модах. (Длина когерентности не имеет никакого отношения к расстоянию, на которое бьет луч). В паспорте лазера может быть указано "single longitudal mode", что говорит само за себя.

Существуют методы "чистки" луча от паразитных мод, но они бесполезны, если паразитных мод в луче больше, чем основной моды. Тогда после чистки просто ничего не остается.

У дешевых лазерных модулей и указок модовый состав не регламентирован. Это лотерея, но попадаются модули с очень хорошим составом. У дорогих лабораторных лазеров характеристики всегда есть в паспорте. Чем больше параметров четко указано, тем дороже лазер. Некоторые комбинации параметров требуют использования особых типов лазеров - например, газовых. Если надо получить очень хороший красный луч 1 мВт, самый дешевый рецепт - маленький гелий-неоновый лазер.

[MBG]

Gall, спасибо. Я уже немного начинаю понимать что к чему.
Здесь вот какое дело. Вряд ли я осилю всю теоретическую базу лазерной техники, это явно избыточно для моего случая. Мне важно не делать грубых ошибок, принимать верные решения (это ведь все деньги), пусть в чем-то и пропуская теорию основ. По себе знаю, я все равно до нее дойду, но это будет уже потом, когда начнет складываться общая опытная картина и вопросы будут вырастать из этого опыта. Поэтому сейчас для меня, кроме общей теории, важно простое конкретное направление - "посмотри на эти лазеры у них то-то и то-то, должны подойти" "это стоит столько-то" или как-то в этом духе.
Нужна ли мне когерентность? А многомодовость излучения помешает или нет?Теоретическая суть обеих явлений мне ясна, но я не знаю как они проявляются на практике, нужно ли учитывать их конкретно для моей задачи, понимаете?
Предполагаю, что многомодовость видимо не важна, но когерентность?
Кроме красного, мне понадобятся еще 405, 435, 532 лазеры и к моменту их покупки, учитывая имеющийся опыт, я хотел бы ясно понимать что, у кого и почему покупать.  Дешевый рецепт это сколько в рублях? А где их берут вообще? Понимаете? Бюджет, к сожалению, мой очень мал и ошибаться у меня просто нет возможности.
Спасибо еще раз, Вы мне очень помогаете.

[Gall]

Ну, ВСЮ теоретическую базу и я не знаю, достаточно только основного понимания оптики СНАРУЖИ лазера. Она простая.

Длина когерентности: две части луча лазера способны интерферировать, если их разность хода (разность пройденных расстояний) не превышает длину когеретности. Для дифракции на щели достаточно долей миллиметра, для голограммы монеты - нескольких миллиметров, для голограммы человека в полный рост - метров, а для исследований атмосферы могут потребоваться километры когерентности. То есть надо в схеме найти самый короткий и самый длинный пути луча, сравнить их длины - разность и будет длиной когерентности. Тут, скорее всего, миллиметры или метры.

Продольные моды: это по сути уменьшение длины когерентности.

Поперечные моды: не мешают, если уметь их отсекать. Но могут унести с собой большую часть мощности лазера.

По типам лазеров. На самом деле существует очень много типов (самые распространенные), но эти - самые дешевые. 650, 445 и 405 - диодные лазеры, а вот 532 - твердотельный неодимовый. У 532 луч обычно довольно неплохой. У маломощных 650 - тоже (проверен голографией). У 445 луч кошмарен и часто даже не поддается фокусировке из-за страшной многомодовости (но при работе на очень малой мощности может стать хорошим, однако это всегда доработка модуля). У 405 он лучше, чем у 445, но хуже, чем у 650.

На 633 нм есть "дешевые" гелий-неоновые лазеры (~$100 с источником питания вместе), их цена уже сравнима с дорогим диодным модулем. Характеристики всегда хорошие и возможна доработка. При любых сомнениях можно их использовать.

[MBG]

Gall, спасибо, пока нет времени на опыты, чуть позже напишу. По лазерам стало понятнее немного. Я верно понимаю что мне видимо хватит лазерных диодов, но надо будет смотреть по паспортным данным, абы что не покупать. Если старая указка дает нормальный луч, то потребности в гелийнеоне видимо не возникнет, просто надо взять хороший ЛД?
Однако смотрю даташиты на модули на
http://www.egismos.com

параметров когерентности и мод не вижу, хотя вроде бы производитель не дешевый, не туда смотрю?

[Gall]

Здесь их просто не регламентируют, как обычно и бывает у модулей такого типа. Эти модули предназначены для подсветки, рисования "прицелов" и т.д., поэтому их когерентность особо никого не волнует.

Можно искать "голые" диоды (драйвер и корпус покупаются отдельно) - у них параметры пишутся почти всегда. Есть очень хорошие.

[Gall]

Вот, например, тупо поискал "SLM laser diode" в гугле, нашел вот такие модули:
http://www.gmp.ch/slmlaserdiodemodules405to808nmupto110mw-p-850.html
У этой фирмы еще много всего есть - это не совет, что покупать, а просто иллюстрация, как и что можно искать. Конкретно вот эти модули - ОЧЕНЬ дорогие.

"SLM" - это "single longitudal mode", "одна продольная мода".

[MBG]

Посмотрел по ссылке, не увидел цены, где ее смотреть?
В даташите непонятны параметры Noise, Polarization Ratio, Linewidth, BeamSize (2W) (чем этот бим определяется?) - что они значат? Непонятны параметры именно применительно к лазерам, сами параметры известны.

[MBG]

Продул все лазеры, без изменений, на выходе те же пятна. За счет чего в указке точка а этих лм такая муть?

[Gall]

За счет линзы. Если луч заставить пройти некоторое расстояние, муть разойдется в стороны, а луч останется. Этот метод работает почти всегда. Его вариант - пропустить луч (после линзы) через маленькое отверстие.

По ссылке цен действительно нет, но в других магазинах модули этой фирмы аж по $1000 продают.

Linewidth - спектральная ширина линии; количественная мера одномодовости.
Polarization ratio - тоже количественная мера одномодовости, по поляризации.
Noise - величина флуктуаций яркости луча.
BeamSize - надо разбиратьтся, что за параметр имели в виду. Скорее всего диаметр основной части луча.

[MBG]

Вот похоже что в новых лм стоят какие-то встроенные микролинзы, а в старой указке голый луч на выходе. Возможно такое?
По параметрам понятнее, хорошо, а можете привести примерно численные значения этих параметров для "плохих" и "хороших" лазеров? Как ориентиры.
О чем говорит:
Noise 0,25% в полосе 0-20МГц - почему полоса такая? Что это за частоты применительно к лазеру?
Polarization Ratio >100:1 - о чем это вообще?
Linewidth 50Мгц - это метры длины волны, не понимаю.
BeamSize (2W) - что такое 2W?

BeamDivergence 1 mrad - это значит что уже стоит коллимирующая оптика?

[Gall]

Вот похоже что в новых лм стоят какие-то встроенные микролинзы, а в старой указке голый луч на выходе. Возможно такое?

В старой тоже линза есть. Быть может, иначе сделана.

По параметрам понятнее, хорошо, а можете привести примерно численные значения этих параметров для "плохих" и "хороших" лазеров? Как ориентиры.
О чем говорит:
Noise 0,25% в полосе 0-20МГц - почему полоса такая? Что это за частоты применительно к лазеру?

Частоты применительно к лазеру имеют два смысла.

Частоту света можно измерить и в герцах (число колебаний в секунду), у лазера это сотни терагерц. Соответственно, разницу двух мод можно измерить тоже в герцах, и обычно она бывает от 1 ГГц и выше.

Здесь же имеется в виду банальная частота мерцания лазера. Лазер мерцает не более чем на 0.25% от своей мощности, если "мерцанием" считать колебания яркости с частотой не более 20 МГц.

Polarization Ratio >100:1 - о чем это вообще?

Луч лазера всегда поляризован, но разные моды могут иметь разную поляризацию. Мы можем поделить все моды на два класса: основная + те, которые поляризованы так же, как основная, и все остальные. Здесь сказано, что в сумме "все остальные" слабее как минимум в 100 раз, чем основная+похожие.

Linewidth 50Мгц - это метры длины волны, не понимаю.

Спектральная ширина линии лазера. Это значит, что самые длинные волны, излучаемые лазером, всего лишь на 50 МГц отличаются от самых коротких. Это очень хороший результат: выше я про ГГц писал.

BeamSize (2W) - что такое 2W?

Полуширина перетяжки луча в формулах обозначается буквой W₀; это - пояснение, что именно считается размером луча. А именно - 2*W₀, то есть как бы диаметр перетяжки.

BeamDivergence 1 mrad - это значит что уже стоит коллимирующая оптика?

Она всегда стоит, даже в самых дешевых модулях. "1 mrad" - это количественная характеристика, насколько хорошо эта оптика выполняет свою функцию.

[MBG]

ОК. В старой указке, если смотреть на сам модуль, я вижу очень малую точку в середине тонкого светящегося отрезка около 1 см. В новых этого отрезка нет, есть только неправильной формы пятно. Может все-таки в старом не было линзы, иначе откуда этот отрезок?

В параметрах простых ЛМ я видел параметр DivergenceAngle на уровне 0,2-0,8мрад, у дорогого - 1 мрад. Почему так?