Laser potente fatto in casa. Istruzioni convenienti: come realizzare un laser a casa da parti improvvisate

Oggi parleremo di come realizzare da soli un potente laser verde o blu a casa con materiali improvvisati con le tue mani. Considereremo anche disegni, diagrammi e il dispositivo di puntatori laser fatti in casa con un raggio di accensione e una 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 di un laser si basa sul fenomeno della radiazione stimolata (indotta). La radiazione laser può essere continua, a 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 di energie dei livelli dell'atomo prima e dopo il emissione. In questo caso, il fotone emesso è coerente con il fotone che ha causato la radiazione, cioè è la sua copia esatta. Così si amplifica la luce. Questo fenomeno differisce dall'emissione spontanea, in cui i fotoni emessi hanno direzioni casuali di propagazione, polarizzazione e fase.
La probabilità che un fotone casuale provochi l'emissione stimolata di 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 ci siano più atomi eccitati nel mezzo rispetto a quelli non eccitati. Nello stato di equilibrio, questa condizione non è soddisfatta, quindi usiamo vari sistemi pompaggio del mezzo attivo laser (ottico, elettrico, chimico, ecc.). In alcuni schemi, l'elemento di lavoro del laser viene utilizzato come amplificatore ottico per la radiazione da un'altra sorgente.

Non c'è flusso di fotoni esterni in un generatore quantistico; la popolazione inversa viene creata al suo interno con l'aiuto di varie sorgenti di pompa. 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 sotto vuoto di un semiconduttore puro da parte di un flusso di elettroni);
termica (riscaldando il gas con il suo successivo raffreddamento rapido;
chimico (uso di energia 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 necessario avere un feedback positivo, per cui i fotoni emessi provocano successivi atti di emissione stimolata. Per fare ciò, il mezzo attivo laser viene inserito in un risonatore ottico. Nel caso più semplice, è costituito da due specchi, uno dei quali è traslucido: il raggio laser esce parzialmente dal risonatore attraverso di esso.

Riflettendo dagli specchi, il raggio di radiazione passa ripetutamente attraverso il risonatore, provocando transizioni indotte in esso. La radiazione può essere continua o pulsata. Allo stesso tempo, utilizzando vari dispositivi per spegnere e riattivare rapidamente il feedback e quindi ridurre il periodo dell'impulso, è possibile creare condizioni per generare radiazioni di potenza molto elevata: questi sono i cosiddetti impulsi giganti. Questa modalità di funzionamento del laser è chiamata modalità Q-switched.
Il raggio laser è un fascio di luce stretto, monocromatico e polarizzato. In una parola, questo è un raggio di luce emesso non solo da sorgenti sincrone, ma anche in un raggio molto ristretto e diretto. Una sorta di flusso luminoso estremamente concentrato.

La radiazione generata dal laser è monocromatica, la probabilità di emettere un fotone di una certa lunghezza d'onda è maggiore di quella di uno ravvicinato associato all'allargamento della riga spettrale e anche la probabilità di transizioni indotte a questa frequenza ha un massimo . Pertanto, gradualmente nel processo di generazione, i fotoni di una data lunghezza d'onda domineranno su tutti gli altri fotoni. Inoltre, a causa della speciale disposizione degli specchi, solo quei fotoni che si propagano in una direzione parallela all'asse ottico del risonatore a una piccola distanza da esso vengono immagazzinati nel raggio laser, il resto dei fotoni lascia 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 vari polarizzatori, ad esempio possono essere lastre di vetro piatte installate all'angolo di Brewster rispetto alla direzione di propagazione del raggio laser.

Quale fluido di lavoro viene utilizzato nel laser dipende dalla sua lunghezza d'onda di lavoro, nonché da altre proprietà. Il corpo di lavoro viene "pompato" con energia per ottenere l'effetto di inversione della popolazione di elettroni, che provoca l'emissione stimolata di fotoni e l'effetto di amplificazione ottica. La forma più semplice di un risonatore ottico è costituita da due specchi paralleli (potrebbero essercene anche quattro o più) posizionati attorno al corpo di lavoro del laser. La radiazione stimolata del corpo di lavoro viene riflessa dagli specchi e nuovamente amplificata. Fino al momento dell'uscita verso l'esterno, l'onda può riflettersi molte volte.

Quindi, formuliamo brevemente le condizioni necessarie per creare una sorgente di luce coerente:

hai bisogno di una sostanza funzionante con una popolazione inversa. Solo così è possibile ottenere amplificazioni di luce dovute a transizioni forzate;
la sostanza di lavoro dovrebbe essere collocata 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 del valore di soglia, che dipende dal coefficiente di riflessione dello specchio di uscita.

I seguenti tipi di corpi di lavoro possono essere utilizzati nella progettazione di laser:

Liquido. Viene utilizzato come fluido di lavoro, ad esempio, nei laser a colorante. La composizione comprende solvente organico(metanolo, etanolo o glicole etilenico) in cui sono disciolti coloranti chimici (cumarine o rodamina). La lunghezza d'onda operativa dei laser liquidi è determinata dalla configurazione delle molecole di colorante utilizzate.

Gas. In particolare, miscele di anidride carbonica, argon, krypton o gas, come nei laser elio-neon. Il "pompaggio" dell'energia di questi laser viene spesso effettuato con l'aiuto di scariche elettriche.
Solidi (cristalli e vetri). Il materiale solido di tali corpi di lavoro viene attivato (legato) mediante l'aggiunta di una piccola quantità di ioni di cromo, neodimio, erbio o titanio. I cristalli comunemente usati sono il granato di ittrio e alluminio, il fluoruro di litio di ittrio, lo zaffiro (ossido di alluminio) e il vetro silicato. I laser allo stato solido sono solitamente "pompati" con una lampada flash o un altro laser.

Semiconduttori. Un materiale in cui la transizione degli elettroni tra i livelli di energia può essere accompagnata da radiazioni. I laser a semiconduttore sono molto compatti, "pompati" elettro-shock, che ne consente l'utilizzo in elettrodomestici come i lettori CD.

Per trasformare l'amplificatore in un generatore, è necessario organizzare il feedback. Nei laser si ottiene ponendo il principio attivo tra superfici riflettenti (specchi), che formano il cosiddetto "risuonatore aperto" per il fatto che parte dell'energia emessa dal principio attivo viene riflessa dagli specchi e ritorna nuovamente al principio attivo.

Il laser utilizza risonatori ottici vari tipi- con specchi piatti, sferici, combinazioni di piatti e sferici, ecc. Nelle cavità ottiche che forniscono feedback nel Laser, solo alcuni tipi di oscillazioni possono essere eccitati campo elettromagnetico, che sono chiamate oscillazioni naturali o modi del risuonatore.

I modi sono caratterizzati da frequenza e forma, cioè dalla distribuzione spaziale delle vibrazioni. In un risonatore con specchi piatti, i tipi di oscillazioni corrispondenti alle onde piane che si propagano lungo l'asse del risonatore sono prevalentemente eccitati. Un sistema di due specchi paralleli risuona solo a determinate frequenze e svolge anche il ruolo nel laser che svolge nei generatori di bassa frequenza convenzionali. circuito oscillatorio.

Fondamentale è l'uso di un risonatore aperto (piuttosto che chiuso - una cavità metallica chiusa - caratteristica della gamma delle microonde), 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 realizzato, e per L >> ? un risonatore chiuso perde le sue proprietà risonanti poiché il numero di possibili modi di oscillazione diventa così grande da sovrapporsi.

L'assenza di pareti laterali riduce notevolmente il numero di possibili tipi di oscillazioni (modi) poiché le onde che si propagano ad angolo rispetto all'asse del risonatore vanno rapidamente oltre i suoi limiti e consente di preservare le proprietà risonanti del risonatore a L >> ?. Tuttavia, il risonatore nel laser non solo fornisce feedback restituendo la radiazione riflessa dagli specchi al principio attivo, ma determina anche lo spettro della radiazione laser, le sue caratteristiche energetiche e la direttività della radiazione.
Nell'approssimazione più semplice di un'onda piana, la condizione di risonanza in un risonatore con specchi piatti è che un numero intero di semionde si adatti lungo la lunghezza del risonatore: L=q(?/2) (q è un numero intero), che porta ad un'espressione per la frequenza di tipo oscillazione con l'indice q: ?q=q(C/2L). Di conseguenza, lo spettro di emissione di L., di regola, è un insieme di righe spettrali strette, i cui intervalli sono gli stessi e uguali a c / 2L. Il numero di righe (componenti) per una data lunghezza L dipende dalle proprietà del mezzo attivo, cioè dallo spettro di emissione spontanea alla transizione quantistica utilizzata, e può raggiungere diverse decine e centinaia. In determinate condizioni, risulta essere possibile isolare una componente spettrale, cioè implementare un regime di generazione monomodale. L'ampiezza spettrale di ciascuna delle componenti è determinata dalle perdite di energia nel risuonatore e, prima di tutto, dalla trasmissione e dall'assorbimento della luce da parte degli specchi.

Il profilo di frequenza del guadagno nel mezzo di lavoro (è determinato dalla larghezza e dalla forma della linea del mezzo di lavoro) e dall'insieme delle frequenze naturali del risonatore aperto. Per risonatori aperti con un fattore di qualità elevato utilizzati nei laser, la larghezza di banda della cavità ??p, che determina l'ampiezza delle curve di risonanza dei singoli modi, e anche la distanza tra i modi adiacenti ??h, risultano essere inferiori al guadagno larghezza di linea ??h, e anche nei laser a gas, dove l'allargamento della linea è minimo. Pertanto, diversi tipi di oscillazioni del risonatore cadono nel circuito di amplificazione.

Pertanto, il laser non genera necessariamente ad una frequenza; più spesso, al contrario, la generazione avviene contemporaneamente a più tipi di oscillazioni, per quale guadagno? più perdite nel risuonatore. Affinché il laser funzioni ad una frequenza (nella modalità a frequenza singola), è solitamente necessario adottare misure speciali (ad esempio aumentare le perdite, come mostrato in Figura 3) o modificare la distanza tra gli specchi in modo che una sola moda. Poiché in ottica, come notato sopra, ?h > ?p e la frequenza di generazione in un laser è determinata principalmente dalla frequenza del risonatore, è necessario stabilizzare il risonatore per mantenere stabile la frequenza di generazione. Quindi, se il guadagno nella sostanza di lavoro copre le perdite nel risonatore per determinati tipi di oscillazioni, su di esse si verifica la generazione. Il seme per il suo verificarsi è, come in ogni generatore, il rumore, che è un'emissione spontanea nei laser.
Affinché il mezzo attivo emetta luce monocromatica coerente, è necessario introdurre un feedback, cioè parte della radiazione emessa da questo mezzo flusso luminoso rimandato al mezzo per l'emissione stimolata. Il feedback positivo viene 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 "sordi", cioè riflette completamente il flusso luminoso. La sostanza di lavoro (mezzo attivo), in cui si crea la popolazione inversa, è posta tra gli specchi. L'emissione stimolata passa ambiente attivo, amplifica, viene riflesso dallo specchio, attraversa nuovamente il mezzo e viene ulteriormente amplificato. Attraverso uno specchio traslucido, parte della radiazione viene emessa nel mezzo esterno e parte viene riflessa nel mezzo e nuovamente amplificata. In determinate condizioni, il flusso di fotoni all'interno della sostanza di lavoro inizierà a crescere come una valanga e inizierà la generazione di luce coerente monocromatica.

Il principio di funzionamento di un risonatore ottico, il numero predominante di particelle della sostanza di lavoro, rappresentato da cerchi di luce, sono allo stato fondamentale, cioè al livello di energia inferiore. Proprio no un gran numero di le particelle rappresentate dalle occhiaie sono in uno stato eccitato elettronicamente. Quando la sostanza di lavoro viene esposta a una fonte di pompaggio, il numero principale di particelle entra in uno stato eccitato (il numero di occhiaie è aumentato) e viene creata una popolazione inversa. Inoltre (Fig. 2c), si verifica l'emissione spontanea di alcune particelle in uno stato eccitato elettronicamente. La radiazione diretta ad un angolo rispetto all'asse del risonatore lascerà la sostanza di lavoro e il risonatore. La radiazione diretta lungo l'asse del risonatore si avvicinerà alla superficie dello specchio.

In uno specchio semitrasparente, parte della radiazione passerà attraverso di essa nell'ambiente e parte verrà riflessa e nuovamente diretta alla sostanza di lavoro, coinvolgendo particelle in uno stato eccitato nel processo di emissione stimolata.

Allo specchio "sordo", l'intero flusso di raggi verrà riflesso e passerà di nuovo attraverso la sostanza di lavoro, inducendo la radiazione di 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 il risonatore, sul lato dello specchio semitrasparente, si è formato un potente flusso di radiazione indotta.

I principali elementi strutturali dei 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 un gran numero di laser diversi, ma hanno tutti lo stesso e, inoltre, un semplice schema elettrico dispositivo, che è mostrato in Fig. 3.

L'eccezione sono i laser a semiconduttore per la loro specificità, poiché hanno tutto ciò che è speciale: la fisica dei processi, i metodi di pompaggio e il design. I semiconduttori sono formazioni cristalline. In un atomo separato, l'energia di un elettrone assume valori discreti rigorosamente definiti, e quindi gli stati energetici di un elettrone in un atomo sono descritti in termini di livelli. In un cristallo semiconduttore, i livelli di energia formano bande di energia. In un semiconduttore puro che non contiene impurità, ci sono 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, che è chiamato gap di banda. Ad una temperatura del semiconduttore uguale allo zero assoluto, la banda di valenza deve essere completamente riempita di elettroni e la banda di conduzione deve essere vuota. In condizioni reali, la temperatura è sempre al di sopra dello zero assoluto. Ma un aumento della temperatura porta all'eccitazione termica degli elettroni, alcuni di essi 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 e il corrispondente numero di elettroni mancherà nella banda di valenza fino a quando non sarà completamente riempita. Una vacanza di elettroni nella banda di valenza è rappresentata da una particella carica positivamente, che è chiamata lacuna. La transizione quantistica di un elettrone attraverso il gap di banda dal basso verso l'alto è considerata come il processo di generazione di una coppia elettrone-lacuna, con elettroni concentrati sul bordo inferiore della banda di conduzione e buchi sul bordo superiore della banda di valenza. Le transizioni attraverso la zona proibita 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 il gap di banda, in un cristallo semiconduttore possono verificarsi tre tipi di interazione della luce con una sostanza: 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 farà 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 una transizione alla 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 di un semiconduttore sarà la nascita di un fotone secondario, identico nei parametri e nella direzione del moto al fotone che ha avviato la transizione.

Per generare radiazione laser, è necessario creare una popolazione inversa di "livelli di lavoro" nel semiconduttore - per creare una concentrazione di elettroni sufficientemente alta sul bordo inferiore della banda di conduzione e, di conseguenza, un'alta concentrazione di fori sul bordo della banda di valenza. Per questi scopi, i laser a semiconduttore puro utilizzano solitamente il pompaggio con un raggio di elettroni.

Gli specchi del risonatore sono i bordi levigati 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 di cristalli semiconduttori da parte di un flusso di elettroni provoca il suo forte riscaldamento. Ciò richiede dispositivi di raffreddamento aggiuntivi, che complicano il design dell'apparato e ne aumentano le dimensioni.

Le proprietà dei semiconduttori drogati differiscono significativamente da quelle dei semiconduttori puri non drogati. 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 del donatore e un semiconduttore con tali impurità è chiamato n-semiconduttore. Atomi di altre impurità, al contrario, catturano un elettrone dalla banda di valenza e tali impurità sono accettori e un semiconduttore con tali impurità è un semiconduttore p. Livello di energia gli atomi di impurità si trovano all'interno del band gap: per i semiconduttori n, non lontano dal bordo inferiore della banda di conduzione, per i semiconduttori f, vicino al bordo superiore della banda di valenza.

Se in quest'area per creare tensione elettrica in modo che ci sia un polo positivo sul lato del semiconduttore p e un polo negativo sul lato del semiconduttore p, quindi sotto l'azione campo elettrico gli elettroni del semiconduttore n e le lacune del semiconduttore n si sposteranno (inietteranno) in zona rp- transizione.

Durante la ricombinazione di elettroni e lacune, verranno emessi fotoni e, in presenza di un risonatore ottico, è possibile la generazione di radiazione laser.

Gli specchi del risonatore ottico sono le facce levigate del cristallo semiconduttore, orientate perpendicolarmente aereo pp- transizione. Tali laser sono caratterizzati dalla miniaturizzazione, poiché le dimensioni dell'elemento attivo semiconduttore possono 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 e all'uscita viene amplificata di conseguenza. Non c'è radiazione esterna nei generatori, si verifica nella sostanza di lavoro a causa della sua eccitazione con l'aiuto di varie sorgenti 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 che lavorano atomi di raro metalli terrosi) e semiconduttori (arseniuro-gallio, arseniuro-fosfuro-gallio, seleniuro-piombo, ecc.).

Il metodo di eccitazione della sostanza di lavoro è il terzo segno distintivo laser. A seconda della sorgente di eccitazione, ci sono laser con pompaggio ottico, con pompaggio dovuto a scarica di gas, eccitazione elettronica, iniezione di portatori di carica, con pompaggio termico, chimico e alcuni altri.

Lo spettro di emissione del laser è il prossimo segno di classificazione. Se la radiazione è concentrata in un ristretto intervallo di lunghezze d'onda, è consuetudine considerare il laser come monocromatico e nei suoi dati tecnici viene indicata una lunghezza d'onda specifica; se in un'ampia gamma, il laser dovrebbe essere considerato a banda larga e dovrebbe essere indicata la gamma di lunghezze d'onda.

In base alla natura dell'energia emessa, si distinguono laser pulsati e laser ad onda continua. Non vanno confusi i concetti di laser pulsato e laser con modulazione di frequenza della radiazione continua, poiché nel secondo caso si ottiene, appunto, radiazione discontinua di diverse frequenze. I laser pulsati hanno un'elevata potenza in un singolo impulso, raggiungendo i 10 W, mentre la loro potenza media dell'impulso, determinata dalle formule corrispondenti, è relativamente bassa. Per i laser cw con modulazione di frequenza, la potenza nel cosiddetto impulso è inferiore alla potenza della radiazione continua.

In base alla potenza media della radiazione in uscita (la caratteristica di classificazione successiva), i laser sono suddivisi in:

alta energia (potenza di radiazione della densità di flusso creata sulla superficie di un oggetto o di un oggetto biologico - superiore a 10 W/cm2);

media energia (potenza di radiazione della densità di flusso creata - da 0,4 a 10 W / cm2);

a bassa energia (potenza di radiazione della densità di flusso creata - inferiore a 0,4 W/cm2).

Soft (esposizione all'energia creata - E o densità del 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 " Standard sanitari e le regole per la progettazione e il funzionamento dei laser n. 5804-91 "in base al grado di pericolosità della radiazione generata per personale di servizio i laser sono divisi in quattro classi.

I laser di prima classe sono dispositivi tecnici, la cui radiazione collimata (contenuta in un angolo solido limitato) non rappresenta un pericolo se irradiata agli occhi e alla pelle di una persona.

I laser di seconda classe sono dispositivi la cui radiazione in uscita è pericolosa se esposta agli occhi da radiazione diretta e riflessa speculare.

I laser di terza classe sono dispositivi la cui radiazione in uscita è pericolosa quando gli occhi sono esposti a radiazioni dirette e riflesse in modo speculare, nonché a radiazioni riflesse in modo diffuso a una distanza di 10 cm da una superficie riflettente in modo diffuso e (o) quando la pelle è esposta alla radiazione diretta e riflessa specularmente.

I laser di classe 4 sono dispositivi la cui radiazione in uscita è pericolosa quando la pelle è esposta a radiazioni riflesse in modo diffuso a una distanza di 10 cm da una superficie riflettente in modo diffuso.

Il taglio preciso del metallo non è un compito facile. Vengono utilizzate frese, frese al plasma, frese a getto d'acqua.

Recentemente è diventato possibile utilizzare sviluppi scientifici nell'industria e anche nella vita di tutti i giorni, e un laser cutter per metallo si è trasformato da fantastico accessorio in un ordinario strumento acquistabile. Compreso per uso personale.

Prezzo equipaggiamento industriale va oltre il buon senso. Ma con determinati volumi di uso commerciale, l'acquisto è possibile. Se l'area di lavorazione non supera 0,5 m per 1 m, è del tutto possibile soddisfare 100 mila rubli. Questo è un importo reale per un piccolo laboratorio di lavorazione dei metalli.

Installazione del taglio laser del metallo: il principio di funzionamento

Non stiamo parlando dell'ingegnere iperboloide Garin, lasciamo questo argomento alla fantascienza. Le dimensioni dell'emettitore e la sua potenza sono ancora un ostacolo insormontabile alla realizzazione di laser da combattimento portatili, o Strumento per tagliare in base a loro.

Gli impianti industriali ad uso manuale non sono infatti dispositivi palmari. L'installazione stessa è fissa e fornisce l'energia del raggio laser alla testa di taglio tramite una fibra ottica. Sì, e la protezione dell'operatore dovrebbe essere al livello di un astronauta o, nel peggiore dei casi, di un operaio siderurgico.

Importante! Chiunque, anche un po' laser potente, se acceso in modo incontrollato, può causare incendi, lesioni gravi e danni materiali.

Prima di iniziare a realizzare un laser con le tue mani per tagliare il metallo, e ancor di più per fare una prova, prendersi cura delle misure di sicurezza e protezione degli occhi. Il raggio riflesso dal metallo ha anche un potere distruttivo.

Principio di funzionamento

Il raggio laser crea un iperriscaldamento puntuale del materiale in lavorazione, portando alla fusione e con esposizione prolungata all'evaporazione del metallo. Quest'ultima opzione è più adatta per la distruzione, poiché la cucitura è ottenuta con bordi frastagliati. Sì, e sugli elementi della macchina si depositano vapori metallici, in particolare sull'ottica. Questo accorcia la vita di servizio.

Realizzare un potente laser a combustione con le tue mani è un compito semplice, tuttavia, oltre alla capacità di utilizzare un saldatore, saranno necessarie cura e precisione dell'approccio. Va notato subito che qui non è necessaria una profonda conoscenza dell'ingegneria elettrica e puoi realizzare un dispositivo anche a casa. La cosa principale durante il lavoro è l'osservanza delle precauzioni di sicurezza, poiché l'esposizione a un raggio laser è dannoso per gli occhi e la pelle.

Il laser è un giocattolo pericoloso che può essere dannoso per la salute se usato con noncuranza. Non puntare il laser su persone o animali!

Cosa sarà richiesto?

Qualsiasi laser può essere suddiviso in più componenti:

• emettitore di flusso luminoso;
• ottica;
• fonte di energia;
• stabilizzatore di potenza di corrente (driver).

Per realizzare un potente laser fatto in casa, dovrai considerare tutti questi componenti separatamente. Il più pratico e facile da montare è un laser basato su un diodo laser e lo considereremo in questo articolo.

Dove posso trovare un diodo per un laser?

Il corpo di lavoro di qualsiasi laser è un diodo laser. Puoi acquistarlo in quasi tutti i negozi di radio o acquistarlo da un'unità CD non funzionante. Il fatto è che l'inoperabilità dell'unità è raramente associata al guasto del diodo laser. Avendo a disposizione un disco rotto, puoi costi aggiuntivi prendi l'oggetto che desideri. Ma è necessario tenere conto del fatto che il suo tipo e le sue proprietà dipendono dalla modifica dell'unità.

Il laser più debole operante nella gamma degli infrarossi è installato nelle unità CD-ROM. La sua potenza è sufficiente solo per leggere i CD e il raggio è quasi invisibile e non è in grado di bruciare gli oggetti. Il CD-RW ha un diodo laser più potente, adatto alla masterizzazione e valutato per la stessa lunghezza d'onda. È considerato il più pericoloso, poiché emette un raggio nello spettro invisibile agli occhi.

L'unità DVD-ROM è dotata di due deboli diodi laser, che hanno solo energia sufficiente per leggere CD e Dischi DVD. Il masterizzatore DVD-RW ha un laser rosso ad alta potenza. Il suo raggio è visibile con qualsiasi luce e può facilmente accendere alcuni oggetti.

Il BD-ROM ha un laser viola o blu, che è simile nei parametri alla controparte DVD-ROM. Dagli autori di BD-RE puoi ottenere il diodo laser più potente con un bellissimo raggio viola o blu che può bruciare. Tuttavia, è abbastanza difficile trovare una tale unità per lo smontaggio e dispositivo funzionante costa caro.

Il più adatto è un diodo laser prelevato da un'unità di scrittura Dischi DVD-RW. I diodi laser di altissima qualità sono installati nelle unità LG, Sony e Samsung.

Maggiore è la velocità Registrazione su DVD drive, più potente è il diodo laser installato al suo interno.

Smontaggio dell'unità

Con l'unità davanti a te, rimuovi prima il coperchio superiore svitando 4 viti. Quindi viene rimosso il meccanismo mobile, che si trova al centro ed è collegato al circuito stampato con un cavo flessibile. Il prossimo obiettivo è un diodo laser pressato in modo affidabile in un radiatore in alluminio o lega di duralluminio. Prima di smontarlo, si consiglia di fornire protezione contro l'elettricità statica. Per fare ciò, i cavi del diodo laser vengono saldati o avvolti con un sottile filo di rame.

Inoltre, sono possibili due opzioni. Il primo prevede il funzionamento del laser finito sotto forma di un'installazione fissa insieme a un radiatore standard. La seconda opzione consiste nell'assemblare il dispositivo nel corpo di una torcia portatile o di un puntatore laser. In questo caso, dovrai applicare una forza per mordere o tagliare il radiatore senza danneggiare l'elemento radiante.

Autista

L'alimentazione del laser deve essere presa in modo responsabile. Come per i LED, questa deve essere una sorgente di corrente costante. Ci sono molti circuiti su Internet che sono alimentati da una batteria o da una batteria tramite un resistore di limitazione. La sufficienza di una tale soluzione è dubbia, poiché la tensione sulla batteria o sulla batteria varia a seconda del livello di carica. Di conseguenza, la corrente che scorre attraverso il diodo emittente del laser devierà fortemente da valore nominale. Di conseguenza, il dispositivo non funzionerà in modo efficiente a basse correnti e ad alte correnti porterà a una rapida diminuzione dell'intensità della sua radiazione.

L'opzione migliore è utilizzare lo stabilizzatore di corrente più semplice costruito sulla base. Questo microcircuito appartiene alla categoria degli stabilizzatori integrati universali con la capacità di compito indipendente corrente e tensione di uscita. Il microcircuito opera in un'ampia gamma di tensioni di ingresso: da 3 a 40 volt.

Un analogo dell'LM317 è il chip domestico KR142EN12.

Per il primo esperimento di laboratorio schema adatto sotto. Il calcolo dell'unico resistore nel circuito viene effettuato secondo la formula: R = I / 1,25, dove I è la corrente laser nominale (valore di riferimento).

A volte, all'uscita dello stabilizzatore, in parallelo al diodo sono installati un condensatore polare da 2200 uFx16 V e un condensatore non polare da 0,1 uF. La loro partecipazione è giustificata nel caso di alimentazione di tensione all'ingresso da un alimentatore stazionario, che può perdere una componente variabile insignificante e un rumore impulsivo. Di seguito viene presentato uno di questi circuiti, progettato per essere alimentato da una batteria Krona o da una piccola batteria.

Il diagramma mostra il valore approssimativo della resistenza R1. Per il suo calcolo esatto, è necessario utilizzare la formula sopra.

Avendo raccolto schema elettrico, puoi fare un'inclusione preliminare e, come prova delle prestazioni del circuito, osservare la luce diffusa rossa brillante del diodo emittente. Dopo aver misurato la sua corrente reale e la temperatura del case, vale la pena pensare alla necessità di installare un radiatore. Se il laser verrà utilizzato in un'installazione fissa con correnti elevate a lungo, quindi è necessario fornire un raffreddamento passivo. Ora, per raggiungere l'obiettivo, manca davvero poco: mettere a fuoco e ottenere un raggio stretto di alta potenza.

Ottica

In termini scientifici, è tempo di costruire un semplice collimatore, un dispositivo per ottenere fasci di fasci di luce paralleli. Un'opzione ideale per questo scopo sarebbe un obiettivo standard preso dall'unità. Con il suo aiuto, puoi ottenere un raggio laser abbastanza sottile con un diametro di circa 1 mm. La quantità di energia di un tale raggio è sufficiente per bruciare carta, tessuto e cartone in pochi secondi, fondere la plastica e bruciare il legno. Se metti a fuoco un raggio più sottile, questo laser può tagliare compensato e plexiglass. Ma è abbastanza difficile regolare e fissare saldamente l'obiettivo dall'unità a causa della sua ridotta lunghezza focale.

È molto più semplice costruire un collimatore basato su un puntatore laser. Inoltre, nella sua custodia possono essere riposti un driver e una piccola batteria. L'uscita sarà un raggio con un diametro di circa 1,5 mm di un effetto bruciante più piccolo. Con tempo nebbioso o con abbondanti nevicate, è possibile osservare incredibili effetti di luce dirigendo il flusso luminoso verso il cielo.

Tramite il negozio online è possibile acquistare un collimatore già pronto, appositamente studiato per il montaggio e la regolazione del laser. Il suo corpo fungerà da radiatore. Conoscendo le dimensioni di tutti i componenti del dispositivo, puoi acquistare una torcia a LED economica e utilizzarne il corpo.

In conclusione, vorrei aggiungere alcune frasi sui pericoli delle radiazioni laser. Innanzitutto, non dirigere mai il raggio laser negli occhi di persone o animali. Questo porta a una grave disabilità visiva. In secondo luogo, indossa occhiali verdi mentre fai esperimenti con il laser rosso. Impediscono il passaggio della maggior parte della componente rossa dello spettro. La quantità di luce che passa attraverso gli occhiali dipende dalla lunghezza d'onda della radiazione. Guarda il raggio laser dal lato esterno attrezzatura di protezione consentito solo per un breve periodo. Altrimenti, potrebbe apparire dolore agli occhi.

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La parola "laser" o "laser" è l'abbreviazione di "amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni". In russo: - "amplificazione della luce mediante emissione stimolata", o un generatore quantistico ottico. Il primo laser, che utilizzava un cilindro di rubino rivestito d'argento come risonatore, fu sviluppato nel 1960 da Hughes Research Laboratories, California. .Oggi, i laser vengono utilizzati per una varietà di scopi, che vanno dalla misurazione di varie quantità alla lettura di dati codificati. Esistono diversi modi per realizzare un laser, a seconda del budget e delle capacità.

Passi

Parte 1

Capire come funziona un laser

Il laser ha bisogno di una fonte di alimentazione per funzionare. I laser funzionano per eccitazione di elettroni nel mezzo attivo del laser fonte esterna energia e stimolarli a emettere luce di una certa lunghezza d'onda. Questo processo fu proposto per la prima volta nel 1917 da Albert Einstein. Affinché gli elettroni (negli atomi del mezzo attivo del laser) emettano luce, devono prima assorbire energia spostandosi su un'orbita più alta, quindi fornire questa energia sotto forma di particella di luce quando tornano al orbita originaria. Questo modo di introdurre energia nel mezzo attivo laser è chiamato "pompaggio".

Incanalare il passaggio dell'energia attraverso un mezzo attivo (amplificante). Il mezzo di amplificazione o mezzo laser attivo aumenta l'intensità della luce a causa dell'emissione indotta (forzata) emessa dagli elettroni. Il mezzo di amplificazione può essere qualsiasi struttura o sostanza elencata di seguito:

Installazione di specchi per trattenere la luce all'interno del laser. Gli specchi, o risonatori, mantengono la luce all'interno della camera di lavoro del laser fino a quando non viene accumulato il livello di energia desiderato per essere emesso attraverso un piccolo foro in uno degli specchi o attraverso una lente.

• Il più semplice risonatore o "risonatore lineare" utilizza due specchi posti ai lati opposti della camera di lavoro del laser per generare un raggio di uscita.
• Un "risuonatore ad anello" più complesso utilizza tre o più specchi. Può generare più raggi o un singolo raggio con un isolatore ottico.

1. L'uso di una lente di focalizzazione per dirigere la luce attraverso un mezzo di amplificazione. Insieme agli specchi, la lente aiuta a concentrare e dirigere la luce in modo che il mezzo di amplificazione riceva quanta più luce possibile.

Parte 2

Costruzione del Laser

Metodo uno: costruire un laser da un kit

Acquistare. Puoi acquistare in un negozio di elettronica o acquistare online "kit laser", "kit laser", "modulo laser" o "diodo laser". Il kit laser dovrebbe includere quanto segue:

• Schema del driver. A volte venduto separatamente dagli altri componenti. Scegli un circuito di pilotaggio che ti permetta di regolare la corrente.
• diodo laser.
• La lente di regolazione può essere di vetro o plastica. Tipicamente, il diodo e la lente sono raggruppati insieme in un tubicino. Questi componenti sono talvolta venduti separatamente senza driver.

1. Assemblaggio del circuito di pilotaggio. Molti kit laser sono venduti con un driver smontato. Questi kit includono il PCB e le relative parti e devi saldarli secondo lo schema fornito. Alcuni kit potrebbero avere il driver assemblato.

   Collegare l'unità di controllo al diodo laser. Se hai un multimetro digitale, puoi includerlo in un circuito a diodi per monitorare la corrente. La maggior parte dei diodi laser ha una corrente compresa tra 30 e 250 milliampere (mA). L'intervallo di corrente da 100 a 150 mA darà un raggio abbastanza potente.

   • Puoi dare più corrente al diodo laser per ottenere un raggio più potente, ma la corrente extra ridurrà la vita o addirittura brucerà il diodo.

2. Collegare l'alimentatore o la batteria al circuito di pilotaggio. Il diodo laser dovrebbe illuminarsi intensamente.

3. Ruotare l'obiettivo per mettere a fuoco il raggio laser. Puntalo verso il muro e metti a fuoco finché non appare un bel punto luminoso.

   • Dopo aver regolato la lente in questo modo, posiziona il fiammifero in linea con il raggio e ruota la lente finché non vedi che la testa del fiammifero inizia a fumare. Puoi anche provare a scoppiare Palloncini o bruciare buchi nella carta.

Metodo due: costruire un laser a diodi da un vecchio DVD o unità Blu-Ray

1. Procurati un vecchio masterizzatore o unità DVD o Blu-ray. Scegli dispositivi con velocità di scrittura 16 volte superiore o superiore. Questi dispositivi hanno diodi laser con una potenza di uscita di 150 mW o più.

   • L'unità DVD ha un diodo laser rosso con una lunghezza d'onda di 650 nm.
   • L'unità Blu-ray ha un diodo laser blu con una lunghezza d'onda di 405 nm.
   • L'unità DVD deve essere in condizioni sufficientemente buone per masterizzare i dischi, anche se non necessariamente correttamente. In altre parole, il suo diodo deve essere buono.
   • Non tentare di utilizzare un lettore DVD, un lettore CD e un masterizzatore invece di un masterizzatore DVD. Il lettore DVD ha un diodo rosso, ma non potente come il masterizzatore DVD. Il diodo laser nel masterizzatore CD è abbastanza potente, ma emette luce nella gamma degli infrarossi e si ottiene un raggio che non è visibile agli occhi.

2. Rimozione del diodo laser dall'unità. Capovolgere l'unità. Vedrai le viti che dovranno essere rimosse prima di poter separare il meccanismo di azionamento ed estrarre il diodo.

   • Dopo aver smontato l'unità, vedrai una coppia di binari metallici tenuti in posizione con viti. Supportano il kit laser. Svitare le guide per rimuoverle. Rimuovere il kit laser.
   • Il diodo laser è più piccolo di un centesimo. Ha tre contatti in metallo a forma di gambe. Può essere inserito in un guscio di metallo con finestra protettiva trasparente o senza finestra, oppure non può essere chiuso da nulla.
   • Devi estrarre il diodo dalla testina laser. Potrebbe essere più semplice rimuovere il dissipatore di calore dal gruppo prima di tentare di rimuovere il diodo. Se hai un cinturino da polso antistatico, usalo mentre rimuovi il diodo.
   • Maneggiare il diodo laser con cura, soprattutto se si tratta di un diodo non protetto. Se si dispone di un contenitore antistatico, posizionarvi il diodo fino a quando non si inizia ad assemblare il laser.

3. Preparare la lente di messa a fuoco. Dovrai far passare il raggio dal diodo attraverso una lente di focalizzazione per usarlo come laser. Puoi farlo in uno dei due modi seguenti:

   • Usando una lente d'ingrandimento come lente di messa a fuoco. Ruota l'obiettivo per trovare Posto giusto per produrre un raggio laser focalizzato. Se necessario, questo dovrà essere fatto ogni volta prima di utilizzare il laser.
   • Acquista un diodo laser a bassa potenza, come un gruppo diodi laser da 5 mW con obiettivo e tubo. Quindi sostituirlo con un diodo laser da un masterizzatore DVD.

Quando dentro domestico c'è bisogno di tagliare una lamiera, allora non puoi fare a meno di un laser cutter, assemblato con le tue mani.

La seconda vita delle cose semplici

Un padrone di casa troverà sempre un uso anche per quelle cose che sono diventate inutilizzabili. Quindi, un vecchio puntatore laser può trovare una seconda vita e trasformarsi in un laser cutter. Per dare vita a questa idea, avrai bisogno di:

1. Puntatore laser.
2. Torcia.
3. Batterie (è meglio prendere batterie ricaricabili).
4. Un masterizzatore CD/DVD-RW con un'unità con un laser funzionante.
5. Saldatore.
6. Cacciaviti in un set.

Il lavoro inizia con la rimozione della taglierina laser dall'unità. Questo è un lavoro certosino che richiede la massima attenzione. Quando si rimuovono i dispositivi di fissaggio superiori, è possibile imbattersi in un carrello con un laser integrato. Può muoversi in due direzioni. Il carrello deve essere rimosso con particolare cura, tutti i dispositivi smontabili e le viti vengono accuratamente rimossi. Successivamente, è necessario rimuovere il diodo rosso che brucia. Questo lavoro può essere eseguito con un saldatore. Va notato che questo importante dettaglio richiede una maggiore attenzione. Non è consigliabile scuoterlo o lasciarlo cadere.

Per aumentare la potenza del laser cutter nel puntatore predisposto, è necessario sostituire il diodo "nativo" con quello rimosso dal registratore.

Il puntatore deve essere smontato in modo coerente e accurato. Si srotola e si divide in pezzi. La parte da sostituire si trova in alto. Se è difficile rimuoverlo, puoi aiutarti con un coltello, scuotendo leggermente il puntatore. Ne viene installato uno nuovo al posto del diodo "nativo". Puoi aggiustarlo con la colla.

La fase successiva del lavoro è la costruzione di un nuovo edificio. È qui che torna utile una vecchia torcia. Grazie a lui, sarà conveniente utilizzare il nuovo laser, collegarlo all'alimentazione. La parte terminale migliorata del puntatore è installata nel corpo della torcia. Quindi l'alimentazione viene collegata al diodo dalle batterie. Durante il collegamento, è molto importante impostare correttamente la polarità. Prima di montare la torcia, è necessario rimuovere il vetro e le parti rimanenti del puntatore in modo che nulla interferisca con il percorso diretto del raggio laser.

Prima di utilizzare l'unità assemblata con le proprie mani, è necessario verificare ancora una volta se il laser è fissato saldamente e installato in modo uniforme, se la polarità dei fili è collegata correttamente.

Se tutto è stato eseguito correttamente, l'unità può essere utilizzata. Sarà difficile lavorare su metallo, poiché il dispositivo ha poca potenza, ma è del tutto possibile bruciare carta, polietilene o qualcosa di simile.

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modello avanzato

È possibile realizzare una taglierina laser fatta in casa più potente. Per il lavoro è necessario preparare:

1. Registratore CD/DVD-RW (può essere utilizzato un modello non funzionante).
2. Resistori 2-5 Ohm.
3. Batterie.
4. Condensatori 100 pF e 100 mF.
5. Il cavo.
6. Saldatore.
7. collimatore.
8. Torcia a LED in una custodia in acciaio.

Un driver viene assemblato da questi componenti, che forniranno alla taglierina la potenza necessaria attraverso la scheda. Va ricordato che la sorgente di corrente non è collegata direttamente al diodo. In caso contrario, cadrà in completa rovina. È possibile collegare l'alimentazione solo tramite il resistore di zavorra.

Il corpo con l'obiettivo funge da collimatore. È lei che raccoglierà i raggi in un unico raggio. Questa parte può essere acquistata da un negozio specializzato. Il dettaglio è buono in quanto fornisce una presa per il montaggio di un diodo laser.

Questo laser è prodotto allo stesso modo del modello precedente. Durante il lavoro, è necessario utilizzare braccialetti antistatici che consentano di rimuovere la tensione statica dal diodo laser. Se non è possibile acquistare tali braccialetti, è possibile utilizzare un filo sottile, che deve essere avvolto attorno al diodo. Quindi puoi procedere alla creazione del driver.