Laser kuat buatan sendiri. Instruksi yang terjangkau: cara membuat laser di rumah dari bagian yang diimprovisasi

Hari ini kita akan berbicara tentang cara membuat laser hijau atau biru yang kuat sendiri di rumah dari bahan improvisasi dengan tangan Anda sendiri. Kami juga akan mempertimbangkan gambar, diagram, dan perangkat penunjuk laser buatan sendiri dengan sinar pengapian dan jangkauan hingga 20 km.

Dasar dari perangkat laser adalah generator kuantum optik, yang, menggunakan energi listrik, termal, kimia atau lainnya, menghasilkan sinar laser.

Pengoperasian laser didasarkan pada fenomena radiasi yang dirangsang (diinduksi). Radiasi laser dapat terus menerus, dengan kekuatan konstan, atau berdenyut, mencapai kekuatan puncak yang sangat tinggi. Inti dari fenomena ini adalah bahwa atom yang tereksitasi mampu memancarkan foton di bawah pengaruh foton lain tanpa penyerapannya, jika energi yang terakhir sama dengan perbedaan energi tingkat atom sebelum dan sesudah penyerapan. radiasi. Dalam hal ini, foton yang dipancarkan koheren dengan foton yang menyebabkan radiasi, yaitu salinan persisnya. Ini adalah bagaimana cahaya diperkuat. Fenomena ini berbeda dari emisi spontan, di mana foton yang dipancarkan memiliki arah propagasi, polarisasi, dan fase yang acak.
Probabilitas bahwa foton acak akan menyebabkan emisi terstimulasi dari atom tereksitasi persis sama dengan probabilitas penyerapan foton ini oleh atom dalam keadaan tidak tereksitasi. Oleh karena itu, untuk memperkuat cahaya, perlu ada lebih banyak atom tereksitasi dalam medium daripada yang tidak tereksitasi. Dalam keadaan setimbang, kondisi ini tidak terpenuhi, jadi kami menggunakan berbagai sistem pemompaan media aktif laser (optik, listrik, kimia, dll.). Dalam beberapa skema, elemen kerja laser digunakan sebagai penguat optik untuk radiasi dari sumber lain.

Tidak ada fluks foton eksternal dalam generator kuantum; populasi terbalik dibuat di dalamnya dengan bantuan berbagai sumber pompa. Tergantung pada sumbernya, ada berbagai cara pemompaan:
optik - lampu flash yang kuat;
pelepasan gas dalam zat kerja (media aktif);
injeksi (transfer) pembawa arus dalam semikonduktor di zona
transisi p-n;
eksitasi elektronik (iradiasi vakum semikonduktor murni oleh aliran elektron);
termal (memanaskan gas dengan pendinginan cepat berikutnya;
kimia (penggunaan energi reaksi kimia) dan beberapa lainnya.

Sumber utama pembangkitan adalah proses emisi spontan, oleh karena itu, untuk memastikan kelangsungan generasi foton, perlu ada umpan balik positif, yang menyebabkan foton yang dipancarkan menyebabkan tindakan emisi terstimulasi berikutnya. Untuk melakukan ini, media aktif laser ditempatkan dalam resonator optik. Dalam kasus paling sederhana, itu terdiri dari dua cermin, salah satunya tembus cahaya - sinar laser sebagian keluar dari resonator melalui itu.

Memantulkan dari cermin, sinar radiasi berulang kali melewati resonator, menyebabkan transisi yang diinduksi di dalamnya. Radiasi dapat berupa terus menerus atau berdenyut. Pada saat yang sama, menggunakan berbagai perangkat untuk mematikan dan menghidupkan umpan balik dengan cepat dan dengan demikian mengurangi periode pulsa, dimungkinkan untuk menciptakan kondisi untuk menghasilkan radiasi dengan daya yang sangat tinggi - inilah yang disebut pulsa raksasa. Mode operasi laser ini disebut mode Q-switched.
Sinar laser adalah berkas cahaya sempit yang koheren, monokrom, dan terpolarisasi. Singkatnya, ini adalah seberkas cahaya yang dipancarkan tidak hanya oleh sumber sinkron, tetapi juga dalam rentang yang sangat sempit, dan terarah. Semacam fluks bercahaya yang sangat terkonsentrasi.

Radiasi yang dihasilkan oleh laser adalah monokromatik, probabilitas memancarkan foton dengan panjang gelombang tertentu lebih besar daripada yang berjarak dekat terkait dengan pelebaran garis spektral, dan probabilitas transisi yang diinduksi pada frekuensi ini juga memiliki maksimum . Oleh karena itu, secara bertahap dalam proses pembangkitan, foton dengan panjang gelombang tertentu akan mendominasi semua foton lainnya. Selain itu, karena pengaturan khusus cermin, hanya foton yang merambat ke arah yang sejajar dengan sumbu optik resonator pada jarak kecil darinya yang disimpan dalam sinar laser, sisa foton dengan cepat meninggalkan volume resonator . Dengan demikian, sinar laser memiliki sudut divergensi yang sangat kecil. Akhirnya, sinar laser memiliki polarisasi yang ditentukan secara ketat. Untuk melakukan ini, berbagai polarizer dimasukkan ke dalam resonator, misalnya, mereka dapat berupa pelat kaca datar yang dipasang pada sudut Brewster ke arah perambatan sinar laser.

Fluida kerja apa yang digunakan dalam laser bergantung pada panjang gelombang kerjanya, serta sifat-sifat lainnya. Benda kerja "dipompa" dengan energi untuk mendapatkan efek inversi populasi elektron, yang menyebabkan emisi foton terstimulasi dan efek amplifikasi optik. Bentuk paling sederhana dari resonator optik adalah dua cermin paralel (mungkin juga ada empat atau lebih) yang terletak di sekitar badan kerja laser. Radiasi terstimulasi dari benda kerja dipantulkan kembali oleh cermin dan diperkuat lagi. Sampai saat keluar ke luar, gelombang dapat dipantulkan berkali-kali.

Jadi, mari kita rumuskan secara singkat kondisi yang diperlukan untuk menciptakan sumber cahaya yang koheren:

Anda membutuhkan zat yang bekerja dengan populasi terbalik. Hanya dengan demikian dimungkinkan untuk memperoleh penguatan cahaya karena transisi paksa;
zat kerja harus ditempatkan di antara cermin yang memberikan umpan balik;
keuntungan yang diberikan oleh zat yang bekerja, yang berarti bahwa jumlah atom atau molekul yang tereksitasi dalam zat yang bekerja harus lebih besar dari nilai ambang batas, yang tergantung pada koefisien refleksi cermin keluaran.

Jenis benda kerja berikut dapat digunakan dalam desain laser:

Cairan. Ini digunakan sebagai fluida kerja, misalnya, dalam laser pewarna. Komposisinya meliputi: pelarut organik(metanol, etanol atau etilen glikol) di mana pewarna kimia (kumarin atau rhodamin) dilarutkan. Panjang gelombang operasi laser cair ditentukan oleh konfigurasi molekul pewarna yang digunakan.

Gas. Khususnya, karbon dioksida, argon, kripton atau campuran gas, seperti pada laser helium-neon. "Memompa" energi laser ini paling sering dilakukan dengan bantuan pelepasan listrik.
Padatan (kristal dan gelas). Bahan padat dari benda kerja tersebut diaktifkan (paduan) dengan menambahkan sejumlah kecil ion kromium, neodimium, erbium atau titanium. Kristal yang biasa digunakan adalah yttrium aluminium garnet, yttrium lithium fluoride, sapphire (aluminium oksida), dan kaca silikat. Laser solid state biasanya "dipompa" dengan lampu flash atau laser lainnya.

Semikonduktor. Bahan di mana transisi elektron antara tingkat energi dapat disertai dengan radiasi. Laser semikonduktor sangat kompak, "dipompa" sengatan listrik, yang memungkinkan mereka untuk digunakan dalam peralatan rumah tangga seperti pemutar CD.

Untuk mengubah amplifier menjadi generator, Anda perlu mengatur umpan balik. Dalam laser, itu dicapai dengan menempatkan zat aktif di antara permukaan pemantul (cermin), yang membentuk apa yang disebut "resonator terbuka" karena fakta bahwa sebagian energi yang dipancarkan oleh zat aktif dipantulkan dari cermin dan kembali lagi. ke zat aktif.

Laser menggunakan resonator optik berbagai jenis- dengan cermin datar, bola, kombinasi datar dan bola, dll. Dalam rongga optik yang memberikan umpan balik di Laser, hanya jenis osilasi tertentu yang dapat dieksitasi medan elektromagnetik, yang disebut osilasi alami atau mode resonator.

Mode dicirikan oleh frekuensi dan bentuk, yaitu dengan distribusi spasial osilasi. Dalam resonator dengan cermin datar, jenis osilasi yang sesuai dengan gelombang bidang yang merambat di sepanjang sumbu resonator sebagian besar tereksitasi. Sistem dua cermin paralel beresonansi hanya pada frekuensi tertentu - dan juga memainkan peran dalam laser yang dimainkannya pada generator frekuensi rendah konvensional. sirkuit osilasi.

Penggunaan resonator terbuka (bukan yang tertutup - rongga logam tertutup - karakteristik jangkauan gelombang mikro) sangat penting, karena dalam jangkauan optik resonator dengan dimensi L = ? (L adalah ukuran karakteristik resonator,? adalah panjang gelombang) tidak dapat dibuat, dan untuk L >> ? resonator tertutup kehilangan sifat resonansinya karena jumlah mode osilasi yang mungkin menjadi sangat besar sehingga tumpang tindih.

Tidak adanya dinding samping secara signifikan mengurangi jumlah kemungkinan jenis osilasi (mode) karena fakta bahwa gelombang yang merambat pada sudut sumbu resonator dengan cepat melampaui batasnya, dan memungkinkan untuk mempertahankan sifat resonansi resonator di L >> ?. Namun, resonator dalam laser tidak hanya memberikan umpan balik dengan mengembalikan radiasi yang dipantulkan dari cermin ke zat aktif, tetapi juga menentukan spektrum radiasi laser, karakteristik energinya, dan arah radiasi.
Dalam pendekatan paling sederhana dari gelombang bidang, kondisi resonansi dalam resonator dengan cermin datar adalah bahwa sejumlah bilangan bulat dari setengah gelombang cocok di sepanjang resonator: L=q(?/2) (q adalah bilangan bulat), yang mengarah ke ekspresi untuk jenis frekuensi osilasi dengan indeks q: ?q=q(C/2L). Akibatnya, spektrum emisi L., sebagai suatu peraturan, adalah seperangkat garis spektral sempit, interval di antaranya sama dan sama dengan c / 2L. Jumlah garis (komponen) untuk panjang tertentu L tergantung pada sifat-sifat medium aktif, yaitu pada spektrum emisi spontan pada transisi kuantum yang digunakan, dan dapat mencapai beberapa puluh dan ratusan. Dalam kondisi tertentu, ternyata dimungkinkan untuk mengisolasi satu komponen spektral, yaitu, untuk menerapkan rezim generasi mode tunggal. Lebar spektral masing-masing komponen ditentukan oleh kehilangan energi dalam resonator dan, pertama-tama, oleh transmisi dan penyerapan cahaya oleh cermin.

Profil frekuensi penguatan dalam media kerja (ditentukan oleh lebar dan bentuk garis media kerja) dan himpunan frekuensi alami resonator terbuka. Untuk resonator terbuka dengan faktor kualitas tinggi yang digunakan dalam laser, bandwidth rongga ??p, yang menentukan lebar kurva resonansi mode individu, dan bahkan jarak antara mode yang berdekatan ??h, ternyata lebih kecil daripada gain linewidth ??h, dan bahkan dalam laser gas, di mana pelebaran garis minimal. Oleh karena itu, beberapa jenis osilasi resonator termasuk dalam rangkaian amplifikasi.

Jadi, laser tidak selalu menghasilkan pada satu frekuensi; lebih sering, sebaliknya, generasi terjadi secara bersamaan pada beberapa jenis osilasi, untuk keuntungan apa? lebih banyak kerugian di resonator. Agar laser beroperasi pada frekuensi tunggal (dalam mode frekuensi tunggal), biasanya perlu mengambil tindakan khusus (misalnya, meningkatkan kerugian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3) atau mengubah jarak antara cermin sehingga bahwa hanya satu mode. Karena dalam optik, seperti disebutkan di atas, ?h > ?p dan frekuensi pembangkitan dalam laser ditentukan terutama oleh frekuensi resonator, maka perlu untuk menstabilkan resonator agar frekuensi pembangkitan tetap stabil. Jadi, jika keuntungan dalam zat kerja menutupi kerugian di resonator untuk jenis osilasi tertentu, pembangkitan terjadi pada mereka. Benih untuk kemunculannya adalah, seperti pada generator apa pun, kebisingan, yang merupakan emisi spontan dalam laser.
Agar media aktif memancarkan cahaya monokromatik yang koheren, perlu untuk memperkenalkan umpan balik, yaitu bagian dari radiasi yang dipancarkan oleh media ini. fluks bercahaya dikirim kembali ke medium untuk emisi terstimulasi. Umpan balik positif dilakukan menggunakan resonator optik, yang dalam versi dasar adalah dua cermin koaksial (paralel dan sepanjang sumbu yang sama), salah satunya tembus cahaya, dan yang lainnya "tuli", yaitu, sepenuhnya memantulkan fluks cahaya. Substansi kerja (media aktif), di mana populasi terbalik dibuat, ditempatkan di antara cermin. Emisi terstimulasi melewati lingkungan aktif, diperkuat, dipantulkan dari cermin, melewati medium lagi dan diperkuat lebih lanjut. Melalui cermin tembus cahaya, sebagian radiasi dipancarkan ke media eksternal, dan sebagian dipantulkan kembali ke media dan diperkuat lagi. Dalam kondisi tertentu, fluks foton di dalam zat kerja akan mulai tumbuh seperti longsoran salju, dan generasi cahaya koheren monokromatik akan dimulai.

Prinsip pengoperasian resonator optik, jumlah partikel yang dominan dari zat yang bekerja, yang diwakili oleh lingkaran cahaya, berada dalam keadaan dasar, yaitu, pada tingkat energi yang lebih rendah. Tidak hanya sejumlah besar partikel yang diwakili oleh lingkaran hitam berada dalam keadaan tereksitasi secara elektronik. Ketika zat yang bekerja terkena sumber pemompaan, jumlah utama partikel masuk ke keadaan tereksitasi (jumlah lingkaran hitam meningkat), dan populasi terbalik dibuat. Selanjutnya (Gbr. 2c), terjadi emisi spontan dari beberapa partikel dalam keadaan tereksitasi secara elektronik. Radiasi yang diarahkan pada sudut sumbu resonator akan meninggalkan zat kerja dan resonator. Radiasi yang diarahkan sepanjang sumbu resonator akan mendekati permukaan cermin.

Pada cermin semitransparan, sebagian radiasi akan melewatinya ke lingkungan, dan sebagian lagi akan dipantulkan dan diarahkan kembali ke zat kerja, melibatkan partikel dalam keadaan tereksitasi dalam proses emisi terstimulasi.

Pada cermin "tuli", seluruh fluks sinar akan dipantulkan dan kembali melewati zat yang bekerja, menginduksi radiasi dari semua partikel tereksitasi yang tersisa, yang mencerminkan situasi ketika semua partikel tereksitasi melepaskan energi yang tersimpan, dan pada keluaran resonator, di sisi cermin semitransparan, fluks radiasi induksi yang kuat terbentuk.

Elemen struktural utama laser termasuk zat yang bekerja dengan tingkat energi tertentu dari atom dan molekul penyusunnya, sumber pompa yang menciptakan populasi terbalik dalam zat yang bekerja, dan resonator optik. Ada sejumlah besar laser yang berbeda, tetapi semuanya memiliki kesamaan dan, terlebih lagi, sederhana diagram sirkuit perangkat, yang ditunjukkan pada Gambar. 3.

Pengecualian adalah laser semikonduktor karena kekhususannya, karena mereka memiliki segalanya yang istimewa: fisika proses, metode pemompaan, dan desain. Semikonduktor adalah formasi kristal. Dalam atom yang terpisah, energi elektron mengambil nilai diskrit yang ditentukan secara ketat, dan oleh karena itu keadaan energi elektron dalam atom dijelaskan dalam tingkat. Dalam kristal semikonduktor, tingkat energi membentuk pita energi. Dalam semikonduktor murni yang tidak mengandung pengotor, ada dua pita: yang disebut pita valensi dan pita konduksi yang terletak di atasnya (pada skala energi).

Di antara mereka ada celah nilai energi terlarang, yang disebut celah pita. Pada suhu semikonduktor sama dengan nol mutlak, pita valensi harus terisi penuh dengan elektron, dan pita konduksi harus kosong. Dalam kondisi nyata, suhu selalu di atas nol mutlak. Tetapi peningkatan suhu menyebabkan eksitasi termal elektron, beberapa di antaranya melompat dari pita valensi ke pita konduksi.

Sebagai hasil dari proses ini, sejumlah (relatif kecil) elektron muncul di pita konduksi, dan jumlah elektron yang sesuai akan hilang di pita valensi sampai terisi penuh. Kekosongan elektron pada pita valensi diwakili oleh partikel bermuatan positif, yang disebut lubang. Transisi kuantum elektron melalui celah pita dari bawah ke atas dianggap sebagai proses pembangkitan pasangan elektron-lubang, dengan elektron terkonsentrasi di tepi bawah pita konduksi, dan hole di tepi atas pita valensi. Transisi melalui zona terlarang dimungkinkan tidak hanya dari bawah ke atas, tetapi juga dari atas ke bawah. Proses ini disebut rekombinasi lubang elektron.

Ketika semikonduktor murni disinari dengan cahaya yang energi foton agak melebihi celah pita, tiga jenis interaksi cahaya dengan suatu zat dapat terjadi dalam kristal semikonduktor: penyerapan, emisi spontan, dan emisi cahaya terstimulasi. Jenis interaksi pertama dimungkinkan ketika foton diserap oleh elektron yang terletak di dekat tepi atas pita valensi. Dalam hal ini, kekuatan energi elektron akan menjadi cukup untuk mengatasi celah pita, dan itu akan membuat transisi kuantum ke pita konduksi. Emisi spontan cahaya dimungkinkan ketika elektron secara spontan kembali dari pita konduksi ke pita valensi dengan emisi kuantum energi - foton. Radiasi eksternal dapat memulai transisi ke pita valensi elektron yang terletak di dekat tepi bawah pita konduksi. Hasil dari interaksi cahaya jenis ketiga ini dengan zat semikonduktor akan melahirkan foton sekunder, identik dalam parameter dan arah geraknya dengan foton yang memulai transisi.

Untuk menghasilkan radiasi laser, perlu untuk membuat populasi terbalik dari "tingkat kerja" dalam semikonduktor - untuk menciptakan konsentrasi elektron yang cukup tinggi di tepi bawah pita konduksi dan, dengan demikian, konsentrasi lubang yang tinggi di tepi dari pita valensi. Untuk tujuan ini, laser semikonduktor murni biasanya menggunakan pemompaan dengan berkas elektron.

Cermin resonator adalah tepi kristal semikonduktor yang dipoles. Kerugian dari laser tersebut adalah bahwa banyak bahan semikonduktor menghasilkan radiasi laser hanya pada tingkat yang sangat tinggi suhu rendah, dan pemboman kristal semikonduktor oleh aliran elektron menyebabkan pemanasan yang kuat. Ini membutuhkan perangkat pendingin tambahan, yang memperumit desain peralatan dan meningkatkan dimensinya.

Sifat semikonduktor yang didoping berbeda secara signifikan dari semikonduktor murni yang tidak didoping. Ini disebabkan oleh fakta bahwa atom-atom dari beberapa pengotor dengan mudah menyumbangkan salah satu elektronnya ke pita konduksi. Pengotor ini disebut pengotor donor, dan semikonduktor dengan pengotor semacam itu disebut n-semikonduktor. Atom pengotor lain, sebaliknya, menangkap satu elektron dari pita valensi, dan pengotor semacam itu adalah akseptor, dan semikonduktor dengan pengotor semacam itu adalah semikonduktor-p. tingkat energi atom pengotor terletak di dalam celah pita: untuk n-semikonduktor, tidak jauh dari tepi bawah pita konduksi, untuk f-semikonduktor, dekat tepi atas pita valensi.

Jika di area ini untuk membuat tegangan listrik sehingga terdapat kutub positif pada sisi semikonduktor p, dan kutub negatif pada sisi semikonduktor p, maka di bawah aksi Medan listrik elektron dari n-semikonduktor dan hole dari n-semikonduktor akan bergerak (menyuntikkan) ke daerah r-p- transisi.

Selama rekombinasi elektron dan lubang, foton akan dipancarkan, dan dengan adanya resonator optik, generasi radiasi laser dimungkinkan.

Cermin resonator optik adalah permukaan kristal semikonduktor yang dipoles, berorientasi tegak lurus pesawat p-p- transisi. Laser semacam itu dicirikan oleh miniaturisasi, karena dimensi elemen aktif semikonduktor bisa sekitar 1 mm.

Tergantung pada fitur yang dipertimbangkan, semua laser dibagi lagi sebagai berikut).

Tanda pertama. Merupakan kebiasaan untuk membedakan antara amplifier laser dan generator. Dalam amplifier, radiasi laser yang lemah disuplai pada input, dan pada outputnya juga diperkuat. Tidak ada radiasi eksternal di generator, itu muncul di zat kerja karena eksitasinya dengan bantuan berbagai sumber pompa. Semua perangkat laser medis adalah generator.

Tanda kedua adalah keadaan fisik zat kerja. Sesuai dengan ini, laser dibagi menjadi solid-state (ruby, safir, dll.), Gas (helium-neon, helium-cadmium, argon, karbon dioksida, dll.), cair (dielektrik cair dengan atom kerja pengotor langka logam tanah) dan semikonduktor (arsenide-gallium, arsenide-phosphide-gallium, selenide-lead, dll.).

Metode eksitasi zat kerja adalah yang ketiga tanda laser. Tergantung pada sumber eksitasi, ada laser dengan pemompaan optik, dengan pemompaan karena pelepasan gas, eksitasi elektronik, injeksi pembawa muatan, dengan pemompaan termal, kimia, dan beberapa lainnya.

Spektrum emisi laser adalah tanda klasifikasi berikutnya. Jika radiasi terkonsentrasi dalam rentang panjang gelombang yang sempit, maka laser biasanya dianggap monokromatik dan panjang gelombang tertentu ditunjukkan dalam data teknisnya; jika dalam rentang yang luas, maka laser harus dianggap broadband dan rentang panjang gelombang harus ditunjukkan.

Menurut sifat energi yang dipancarkan, laser berdenyut dan laser gelombang kontinu dibedakan. Konsep laser berdenyut dan laser dengan modulasi frekuensi radiasi kontinu tidak boleh dikacaukan, karena dalam kasus kedua kita mendapatkan, pada kenyataannya, radiasi diskontinyu dari frekuensi yang berbeda. Laser berdenyut memiliki daya tinggi dalam satu pulsa, mencapai 10 W, sedangkan daya pulsa rata-ratanya, yang ditentukan oleh rumus yang sesuai, relatif rendah. Untuk laser cw dengan modulasi frekuensi, daya yang disebut pulsa lebih rendah daripada daya radiasi kontinu.

Menurut daya radiasi keluaran rata-rata (fitur klasifikasi berikutnya), laser dibagi menjadi:

energi tinggi (menciptakan kekuatan radiasi kerapatan fluks pada permukaan objek atau objek biologis - lebih dari 10 W/cm2);

energi sedang (menciptakan kekuatan radiasi kerapatan fluks - dari 0,4 hingga 10 W / cm2);

energi rendah (menciptakan daya radiasi kerapatan fluks - kurang dari 0,4 W/cm2).

lunak (menciptakan paparan energi - E atau kerapatan fluks daya pada permukaan yang diiradiasi - hingga 4 mW/cm2);

rata-rata (E - dari 4 hingga 30 mW / cm2);

keras (E - lebih dari 30 mW / cm2).

Menurut " Standar sanitasi dan aturan untuk desain dan pengoperasian laser No. 5804-91" sesuai dengan tingkat bahaya radiasi yang dihasilkan untuk petugas layanan laser dibagi menjadi empat kelas.

Laser kelas satu adalah perangkat teknis, keluaran radiasi kolimasi (terkandung dalam sudut padat terbatas) yang tidak menimbulkan bahaya bila disinari ke mata dan kulit seseorang.

Laser kelas kedua adalah perangkat yang radiasi keluarannya berbahaya bila terkena mata oleh radiasi pantul langsung dan spekular.

Laser kelas ketiga adalah perangkat yang radiasi keluarannya berbahaya ketika mata terpapar langsung dan dipantulkan secara spekular, serta radiasi yang dipantulkan secara difus pada jarak 10 cm dari permukaan reflektif difus, dan (atau) ketika kulit terpapar untuk mengarahkan dan memantulkan radiasi secara specular.

Laser kelas 4 adalah perangkat yang radiasi keluarannya berbahaya ketika kulit terkena radiasi pantul difus pada jarak 10 cm dari permukaan pantul difus.

Pemotongan logam yang tepat bukanlah tugas yang mudah. Pemotong penggilingan, pemotong plasma, pemotong waterjet digunakan.

Baru-baru ini menjadi mungkin untuk digunakan perkembangan ilmiah dalam industri dan bahkan dalam kehidupan sehari-hari, dan pemotong laser untuk logam telah berubah dari aksesori yang fantastis menjadi alat biasa yang dapat dibeli. Termasuk untuk penggunaan pribadi.

Harga peralatan Industri melampaui akal sehat. Tetapi dengan volume penggunaan komersial tertentu, pembelian dimungkinkan. Jika area pemrosesan tidak melebihi 0,5 m kali 1 m, sangat mungkin untuk memenuhi 100 ribu rubel. Ini adalah jumlah yang nyata untuk bengkel pengerjaan logam kecil.

Pemasangan pemotongan laser logam - prinsip operasi

Kami tidak berbicara tentang insinyur hiperboloid Garin, mari kita tinggalkan topik ini untuk fiksi ilmiah. Dimensi emitor dan kekuatannya masih merupakan hambatan yang tidak dapat diatasi untuk pembuatan laser tempur portabel, atau alat pemotong berdasarkan mereka.

Instalasi industri untuk penggunaan manual sebenarnya bukan perangkat genggam. Instalasi itu sendiri tidak bergerak, dan memasok energi sinar laser ke kepala pemotong menggunakan serat optik. Ya, dan perlindungan operator harus setinggi astronot atau, paling buruk, pekerja baja.

Penting! Siapapun, bahkan sedikit laser yang kuat, jika dihidupkan secara tidak terkendali, dapat menyebabkan kebakaran, cedera serius, dan kerusakan properti.

Sebelum Anda mulai membuat laser dengan tangan Anda sendiri untuk memotong logam, dan terlebih lagi untuk melakukan uji coba, perhatikan langkah-langkah keamanan dan pelindung mata. Sinar yang dipantulkan dari logam juga memiliki daya rusak.

Prinsip operasi

Sinar laser menciptakan titik panas berlebih dari bahan yang sedang diproses, yang menyebabkan pelelehan, dan dengan paparan yang terlalu lama terhadap penguapan logam. Opsi terakhir lebih cocok untuk penghancuran, karena jahitan diperoleh dengan tepi bergerigi. Ya, dan uap logam diendapkan pada elemen mesin, terutama pada optik. Ini memperpendek umur layanan.

Membuat laser pembakaran yang kuat dengan tangan Anda sendiri adalah tugas yang sederhana, namun, selain kemampuan untuk menggunakan besi solder, perawatan dan akurasi pendekatan akan diperlukan. Perlu segera dicatat bahwa pengetahuan mendalam tentang teknik elektro tidak diperlukan di sini, dan Anda dapat membuat perangkat bahkan di rumah. Hal utama selama bekerja adalah mematuhi tindakan pencegahan keselamatan, karena paparan sinar laser merusak mata dan kulit.

Laser merupakan mainan berbahaya yang dapat membahayakan kesehatan jika digunakan secara sembarangan. Jangan arahkan laser ke orang atau hewan!

Apa yang akan dibutuhkan?

Setiap laser dapat dibagi menjadi beberapa komponen:

• pemancar fluks bercahaya;
• optik;
• sumber kekuatan;
• stabilizer daya saat ini (driver).

Untuk membuat laser buatan sendiri yang kuat, Anda harus mempertimbangkan semua komponen ini secara terpisah. Yang paling praktis dan mudah dirakit adalah laser berbasis dioda laser, dan kami akan mempertimbangkannya dalam artikel ini.

Di mana saya bisa mendapatkan dioda untuk laser?

Badan kerja laser apa pun adalah dioda laser. Anda dapat membelinya di hampir semua toko radio, atau mendapatkannya dari drive CD yang tidak berfungsi. Faktanya adalah bahwa ketidakmampuan drive jarang dikaitkan dengan kegagalan dioda laser. Memiliki drive yang rusak tersedia, Anda dapat biaya tambahan mendapatkan barang yang Anda inginkan. Tetapi Anda perlu memperhitungkan bahwa jenis dan propertinya bergantung pada modifikasi drive.

Operasi laser terlemah dalam jangkauan inframerah dipasang di drive CD-ROM. Kekuatannya hanya cukup untuk membaca CD, dan sinarnya hampir tidak terlihat dan tidak dapat membakar objek. CD-RW memiliki dioda laser yang lebih kuat, cocok untuk dibakar, dan dinilai untuk panjang gelombang yang sama. Ini dianggap yang paling berbahaya, karena memancarkan sinar dalam spektrum yang tidak terlihat oleh mata.

Drive DVD-ROM dilengkapi dengan dua dioda laser lemah, yang hanya memiliki energi yang cukup untuk membaca CD dan cakram DVD. Pembakar DVD-RW memiliki laser merah berdaya tinggi. Sinarnya terlihat dalam cahaya apa pun dan dapat dengan mudah menyalakan beberapa objek.

BD-ROM memiliki laser ungu atau biru, yang parameternya mirip dengan DVD-ROM. Dari penulis BD-RE Anda bisa mendapatkan dioda laser paling kuat dengan sinar ungu atau biru yang indah yang dapat terbakar. Namun, cukup sulit untuk menemukan drive pembongkaran seperti itu, dan perangkat kerja biayanya mahal.

Yang paling cocok adalah dioda laser yang diambil dari drive tulis Disk DVD-RW. Dioda laser kualitas tertinggi dipasang di drive LG, Sony, dan Samsung.

Semakin tinggi kecepatan rekaman DVD drive, semakin kuat dioda laser dipasang di dalamnya.

Pembongkaran drive

Dengan drive di depan mereka, hal pertama yang harus dilakukan adalah melepas penutup atas dengan membuka 4 sekrup. Kemudian mekanisme bergerak dilepas, yang terletak di tengah dan terhubung ke papan sirkuit tercetak dengan kabel fleksibel. Target selanjutnya adalah laser diode yang andal ditekan ke radiator yang terbuat dari aluminium atau paduan duralumin. Sebelum dibongkar, disarankan untuk memberikan perlindungan terhadap listrik statis. Untuk melakukan ini, ujung dioda laser disolder atau dibungkus dengan kawat tembaga tipis.

Selanjutnya, dua opsi dimungkinkan. Yang pertama melibatkan pengoperasian laser jadi dalam bentuk instalasi stasioner bersama dengan radiator standar. Opsi kedua adalah memasang perangkat di badan senter portabel atau penunjuk laser. Dalam hal ini, Anda harus menggunakan tenaga untuk menggigit atau memotong radiator tanpa merusak elemen yang memancar.

Sopir

Catu daya laser harus diambil secara bertanggung jawab. Seperti halnya LED, ini harus menjadi sumber arus konstan. Ada banyak sirkuit di Internet yang ditenagai oleh baterai atau baterai melalui resistor pembatas. Kecukupan solusi semacam itu diragukan, karena tegangan pada baterai atau baterai bervariasi tergantung pada tingkat pengisian. Dengan demikian, arus yang mengalir melalui dioda pemancar laser akan sangat menyimpang dari nilai nominal. Akibatnya, perangkat tidak akan bekerja secara efisien pada arus rendah, dan pada arus tinggi akan menyebabkan penurunan intensitas radiasi yang cepat.

Pilihan terbaik adalah menggunakan stabilizer arus paling sederhana yang dibangun atas dasar. Sirkuit mikro ini termasuk dalam kategori stabilisator terintegrasi universal dengan kemampuan untuk tugas mandiri arus dan tegangan keluaran. Sirkuit mikro beroperasi dalam berbagai tegangan input: dari 3 hingga 40 volt.

Analog dari LM317 adalah chip domestik KR142EN12.

Untuk percobaan laboratorium pertama skema yang cocok di bawah. Perhitungan satu-satunya resistor di sirkuit dilakukan sesuai dengan rumus: R = I / 1,25, di mana I adalah arus laser pengenal (nilai referensi).

Terkadang, pada output stabilizer, kapasitor polar 2200 uFx16 V dan kapasitor non-polar 0,1 uF dipasang secara paralel dengan dioda. Partisipasi mereka dibenarkan dalam hal memasok tegangan ke input dari catu daya stasioner, yang dapat melewatkan komponen variabel yang tidak signifikan dan kebisingan impuls. Salah satu sirkuit ini, yang dirancang untuk ditenagai oleh baterai Krona atau baterai kecil, disajikan di bawah ini.

Diagram menunjukkan nilai perkiraan resistor R1. Untuk perhitungan tepatnya, Anda harus menggunakan rumus di atas.

Setelah mengumpulkan diagram pengkabelan, Anda dapat membuat inklusi awal dan, sebagai bukti kinerja rangkaian, amati cahaya merah terang yang tersebar dari dioda pemancar. Setelah mengukur suhu aktual dan kasingnya, ada baiknya memikirkan perlunya memasang radiator. Jika laser akan digunakan dalam instalasi stasioner pada arus tinggi lama, maka perlu untuk memberikan pendinginan pasif. Sekarang, untuk mencapai tujuan, hanya ada sedikit yang tersisa: untuk fokus dan mendapatkan sorotan sempit daya tinggi.

Optik

Dalam istilah ilmiah, sudah waktunya untuk membangun kolimator sederhana, perangkat untuk mendapatkan berkas sinar paralel. Pilihan ideal untuk tujuan ini adalah lensa standar yang diambil dari drive. Dengan bantuannya, Anda bisa mendapatkan sinar laser yang cukup tipis dengan diameter sekitar 1 mm. Jumlah energi sinar seperti itu cukup untuk membakar kertas, kain, dan karton dalam hitungan detik, melelehkan plastik, dan membakar kayu. Jika Anda memfokuskan sinar yang lebih tipis, maka laser ini dapat memotong kayu lapis dan kaca plexiglass. Namun cukup sulit untuk menyesuaikan dan memasang lensa dengan aman dari drive karena panjang fokusnya yang kecil.

Jauh lebih mudah untuk membuat kolimator berdasarkan penunjuk laser. Selain itu, driver dan baterai kecil dapat ditempatkan di kasingnya. Outputnya akan menjadi balok dengan diameter sekitar 1,5 mm dengan efek pembakaran yang lebih kecil. Dalam cuaca berkabut atau dengan hujan salju lebat, efek pencahayaan yang luar biasa dapat diamati dengan mengarahkan fluks cahaya ke langit.

Melalui toko online Anda dapat membeli kolimator siap pakai, yang dirancang khusus untuk memasang dan menyesuaikan laser. Tubuhnya akan berfungsi sebagai radiator. Mengetahui dimensi semua komponen perangkat, Anda dapat membeli senter LED murah dan menggunakan bodinya.

Sebagai kesimpulan, saya ingin menambahkan beberapa frasa tentang bahaya radiasi laser. Pertama, jangan pernah mengarahkan sinar laser ke mata orang atau hewan. Hal ini menyebabkan gangguan penglihatan yang parah. Kedua, kenakan kacamata hijau saat bereksperimen dengan laser merah. Mereka mencegah lewatnya sebagian besar komponen spektrum merah. Jumlah cahaya yang melewati kacamata tergantung pada panjang gelombang radiasi. Lihatlah sinar laser dari samping tanpa peralatan pelindung hanya diperbolehkan untuk waktu yang singkat. Jika tidak, rasa sakit di mata mungkin muncul.

Baca juga

Kata "laser" atau "laser" adalah singkatan dari "amplifikasi cahaya dengan emisi radiasi terstimulasi". Dalam bahasa Rusia: - "penguatan cahaya dengan emisi terstimulasi", atau generator kuantum optik. Laser pertama, yang menggunakan silinder ruby ​​berlapis perak sebagai resonator, dikembangkan pada tahun 1960 oleh Hughes Research Laboratories, California. .Saat ini, laser digunakan untuk berbagai tujuan, mulai dari mengukur berbagai kuantitas hingga membaca data yang dikodekan. Ada beberapa cara untuk membuat laser, tergantung pada anggaran dan keterampilan Anda.

Langkah

Bagian 1

Memahami cara kerja laser

Laser membutuhkan sumber daya untuk beroperasi. Laser bekerja dengan eksitasi elektron dalam media aktif laser sumber luar energi dan merangsang mereka untuk memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Proses ini pertama kali diusulkan pada tahun 1917 oleh Albert Einstein. Agar elektron (dalam atom medium aktif laser) memancarkan cahaya, mereka harus terlebih dahulu menyerap energi dengan bergerak ke orbit yang lebih tinggi, dan kemudian memberikan energi ini dalam bentuk partikel cahaya ketika kembali ke orbit. orbit asli. Cara memasukkan energi ke dalam media aktif laser ini disebut "pemompaan."

Menyalurkan energi melalui media aktif (penguat). Media penguat atau media laser aktif meningkatkan intensitas cahaya karena emisi induksi (paksa) yang dipancarkan oleh elektron. Media penguat dapat berupa struktur atau zat apa pun yang tercantum di bawah ini:

Memasang cermin untuk menahan cahaya di dalam laser. Cermin, atau resonator, menyimpan cahaya di dalam ruang kerja laser sampai tingkat energi yang diinginkan terkumpul untuk dipancarkan melalui lubang kecil di salah satu cermin atau melalui lensa.

• Resonator paling sederhana atau "resonator linier" menggunakan dua cermin yang ditempatkan di sisi berlawanan dari ruang kerja laser untuk menghasilkan satu sinar keluaran.
• Sebuah "ring resonator" yang lebih kompleks menggunakan tiga atau lebih cermin. Hal ini dapat menghasilkan beberapa balok atau balok tunggal dengan isolator optik.

1. Penggunaan lensa pemfokusan untuk mengarahkan cahaya melalui media penguat. Bersama dengan cermin, lensa membantu memusatkan dan mengarahkan cahaya sehingga media penguat menerima cahaya sebanyak mungkin.

Bagian 2

Konstruksi Laser

Metode Satu: Membangun Laser dari Kit

Pembelian. Anda dapat membeli di toko elektronik atau membeli online "laser kit", "laser kit", "laser module" atau "laser diode". Kit laser harus mencakup yang berikut:

• Skema pengemudi. Terkadang dijual terpisah dari komponen lain. Pilih sirkuit driver yang memungkinkan Anda mengatur arus.
• dioda laser.
• Lensa pengatur dapat berupa kaca atau plastik. Biasanya, dioda dan lensa disatukan dalam tabung kecil. Komponen ini terkadang dijual terpisah tanpa driver.

1. Merakit sirkuit driver. Banyak kit laser dijual dengan driver yang belum dirakit. Kit ini termasuk PCB dan bagian terkait, dan Anda harus menyoldernya sesuai dengan diagram yang disediakan. Beberapa kit mungkin memiliki driver yang dirakit.

   Hubungkan unit kontrol ke dioda laser. Jika Anda memiliki multimeter digital, Anda dapat memasukkannya ke dalam rangkaian dioda untuk memantau arus. Kebanyakan dioda laser memiliki arus dalam kisaran 30 hingga 250 miliampere (mA). Kisaran arus dari 100 hingga 150 mA akan memberikan sinar yang cukup kuat.

   • Anda dapat memberikan lebih banyak arus ke dioda laser untuk mendapatkan sinar yang lebih kuat, tetapi arus ekstra akan mempersingkat masa pakai atau bahkan membakar dioda.

2. Hubungkan catu daya atau baterai ke sirkuit driver. Dioda laser harus bersinar terang.

3. Putar lensa untuk memfokuskan sinar laser. Arahkan ke dinding dan fokus hingga muncul titik terang yang bagus.

   • Setelah Anda menyesuaikan lensa dengan cara ini, tempatkan korek api sejajar dengan balok dan putar lensa sampai Anda melihat kepala korek api mulai mengeluarkan asap. Anda juga dapat mencoba pop balon atau membakar lubang di kertas.

Metode Dua: Membangun Laser Dioda dari DVD Lama atau Drive Blu-Ray

1. Dapatkan DVD atau Blu-ray burner atau drive lama. Pilih perangkat dengan kecepatan tulis 16x atau lebih cepat. Perangkat ini memiliki dioda laser dengan daya keluaran 150mW atau lebih.

   • Drive DVD memiliki dioda laser merah dengan panjang gelombang 650nm.
   • Drive Blu-ray memiliki dioda laser biru dengan panjang gelombang 405nm.
   • Drive DVD harus dalam kondisi cukup baik untuk membakar disk, meskipun belum tentu berhasil. Dengan kata lain, diodanya harus bagus.
   • Jangan mencoba menggunakan pembaca DVD, pembaca CD, dan penulis alih-alih penulis DVD. Pembaca DVD memiliki dioda merah, tetapi tidak sekuat pembakar DVD. Dioda laser dalam pembakar CD cukup kuat, tetapi memancarkan cahaya dalam kisaran inframerah, dan Anda akan mendapatkan sinar yang tidak terlihat oleh mata.

2. Melepaskan dioda laser dari drive. Balikkan drive. Anda akan melihat sekrup yang perlu dilepas sebelum Anda dapat memisahkan mekanisme drive dan mengeluarkan dioda.

   • Setelah Anda membongkar drive, Anda akan melihat sepasang rel logam yang ditahan dengan sekrup. Mereka mendukung kit laser. Lepaskan panduan untuk menghapusnya. Lepaskan perangkat laser.
   • Dioda laser lebih kecil dari satu sen. Ini memiliki tiga kontak logam dalam bentuk kaki. Itu dapat ditempatkan di cangkang logam dengan jendela transparan pelindung atau tanpa jendela, atau tidak dapat ditutup oleh apa pun.
   • Anda harus menarik dioda keluar dari kepala laser. Mungkin lebih mudah untuk melepaskan unit pendingin dari rakitan terlebih dahulu sebelum mencoba melepaskan dioda. Jika Anda memiliki gelang antistatis, gunakan saat melepas dioda.
   • Tangani dioda laser dengan hati-hati, terutama jika dioda tidak terlindungi. Jika Anda memiliki wadah antistatis, letakkan dioda di dalamnya sampai Anda mulai merakit laser.

3. Siapkan lensa fokus. Anda harus melewatkan sinar dari dioda melalui lensa pemfokusan untuk menggunakannya sebagai laser. Anda dapat melakukan ini dengan salah satu dari dua cara:

   • Menggunakan kaca pembesar sebagai lensa pemfokusan. Putar lensa untuk menemukan Tempat yang benar untuk menghasilkan sinar laser terfokus. Jika perlu, ini harus dilakukan setiap kali sebelum menggunakan laser.
   • Beli dioda laser berdaya rendah, seperti rakitan dioda laser 5mW dengan lensa dan tabung. Kemudian ganti dengan dioda laser dari DVD burner.

ketika di rumah tangga ada kebutuhan untuk memotong lembaran logam, maka Anda tidak dapat melakukannya tanpa pemotong laser, yang dirakit dengan tangan Anda sendiri.

Kehidupan kedua dari hal-hal sederhana

Seorang tuan rumah akan selalu menemukan kegunaan bahkan untuk hal-hal yang telah menjadi tidak dapat digunakan. Jadi, laser pointer tua dapat menemukan kehidupan kedua dan berubah menjadi pemotong laser. Untuk mewujudkan ide ini, Anda perlu:

1. Laser penunjuk.
2. Lentera.
3. Baterai (lebih baik mengambil baterai isi ulang).
4. Penulis CD/DVD-RW dengan drive dengan laser yang berfungsi.
5. Besi solder.
6. Obeng dalam satu set.

Pekerjaan dimulai dengan melepaskan pemotong laser dari drive. Ini adalah pekerjaan yang melelahkan yang membutuhkan perhatian maksimal. Saat melepas pengencang atas, Anda dapat menemukan kereta dengan laser bawaan. Itu bisa bergerak ke dua arah. Kereta harus dilepas dengan hati-hati, semua perangkat dan sekrup yang dapat dilepas dilepas dengan hati-hati. Selanjutnya, Anda perlu menghapus dioda merah yang terbakar. Pekerjaan ini dapat dilakukan dengan besi solder. Perlu dicatat bahwa detail penting ini membutuhkan perhatian lebih. Tidak disarankan untuk mengocok atau menjatuhkannya.

Untuk meningkatkan kekuatan pemotong laser pada penunjuk yang disiapkan, perlu untuk mengganti dioda "asli" dengan yang dikeluarkan dari perekam.

Pointer harus dibongkar secara konsisten dan hati-hati. Ini membuka gulungan dan terbelah menjadi beberapa bagian. Bagian yang perlu diganti terletak di bagian atas. Jika sulit untuk menghapusnya, maka Anda dapat membantu diri Anda sendiri dengan pisau, sedikit menggoyangkan penunjuk. Yang baru dipasang sebagai pengganti dioda "asli". Anda bisa memperbaikinya dengan lem.

Tahap pekerjaan selanjutnya adalah pembangunan gedung baru. Di sinilah senter tua berguna. Berkat dia, akan lebih mudah menggunakan laser baru, sambungkan ke catu daya. Bagian ujung penunjuk yang ditingkatkan dipasang di badan senter. Kemudian daya dihubungkan ke dioda dari baterai. Saat menghubungkan, sangat penting untuk mengatur polaritas dengan benar. Sebelum merakit senter, Anda harus melepas kaca dan bagian penunjuk yang tersisa sehingga tidak ada yang mengganggu jalur langsung sinar laser.

Sebelum menggunakan unit rakitan dengan tangan Anda sendiri, perlu untuk memeriksa sekali lagi apakah laser terpasang dengan benar dan dipasang secara merata, apakah polaritas kabel terhubung dengan benar.

Jika semuanya dilakukan dengan benar, unit dapat digunakan. Akan sulit untuk mengerjakan logam, karena perangkat memiliki sedikit daya, tetapi sangat mungkin untuk membakar kertas, polietilen, atau yang serupa.

Kembali ke indeks

model tingkat lanjut

Pemotong laser buatan sendiri yang lebih kuat dapat dibuat. Untuk bekerja, Anda perlu mempersiapkan:

1. Perekam CD/DVD-RW (model yang tidak berfungsi dapat digunakan).
2. Resistor 2-5 Ohm.
3. Baterai.
4. Kapasitor 100 pF dan 100 mF.
5. Kawat.
6. Besi solder.
7. kolimator.
8. Senter LED dalam kotak baja.

Pengemudi dirakit dari komponen-komponen ini, yang akan memberi pemotong daya yang diperlukan melalui papan. Harus diingat bahwa sumber arus tidak terhubung langsung ke dioda. Kalau tidak, dia akan jatuh ke dalam kerusakan total. Anda dapat menghubungkan daya hanya melalui resistor pemberat.

Tubuh dengan lensa bertindak sebagai kolimator. Dialah yang akan mengumpulkan sinar menjadi satu balok. Bagian ini dapat dibeli dari toko khusus. Detailnya bagus karena menyediakan soket untuk memasang dioda laser.

Laser ini diproduksi dengan cara yang sama seperti model sebelumnya. Selama bekerja, perlu menggunakan gelang antistatik yang memungkinkan Anda untuk menghilangkan tegangan statis dari dioda laser. Jika tidak mungkin untuk membeli gelang seperti itu, Anda dapat menggunakan kawat tipis, yang harus dililitkan di sekitar dioda. Kemudian Anda dapat melanjutkan untuk membangun driver.