Контакты
Главная / Светильники

Как сделать мощный лазер. Делаем мощный прожигающий лазер из DVD привода своими руками. Для того, чтобы сделать лазер самому, нам понадобится

Лазерная указка - полезный предмет, предназначение которого зависит от мощности. Если она не очень велика, то луч можно наводить на удаленные предметы. В этом случае указка может играть роль игрушки и использоваться для развлечения. Она же может нести и практическую пользу, помогая человеку показывать на тот объект, о котором он говорит. Используя подручные предметы, можно изготовить лазер своими руками.

Кратко об устройстве

Лазер был изобретен в результате проверки теоретических предположений ученых, занимающихся еще только начавшей тогда зарождаться квантовой физикой. Принцип, положенный в основу лазерной указки, был предсказан Эйнштейном еще вначале XX в. Недаром это приспособление так называется - «указка».

Более мощные лазеры используются для выжигания. Указка дает возможность реализовать творческий потенциал , например, с их помощью можно выгравировать на дереве или на оргстекле красивый качественный узор. Самые мощные лазеры могут разрезать металл, поэтому они применяются в строительных и ремонтных работах.

Принцип действия лазерной указки

По принципу действия лазер представляет собой генератор фотонов. Суть явления, которое лежит в его основе, состоит в том, что на атом оказывает воздействие энергия в виде фотона. В результате этот атом излучает следующий фотон, который движется в том же направлении, что и предыдущий. Эти фотоны имеют одну и ту же фазу и поляризацию. Разумеется, излучаемый свет в этом случае усиливается. Такое явление может произойти только в отсутствии термодинамического равновесия. Чтобы создать индуцированное излучение, применяют разные способы: химические, электрические, газовые и другие.

Само слово «лазер» возникло не на пустом месте. Оно образовалось в результате сокращения слов, описывающих суть процесса. На английском полное название этого процесса звучит так: «light amplification by stimulated emission of radiation», что на русский переводится как «усиление света посредством вынужденного излучения». Если говорить по-научному, то лазерная указка - это оптический квантовый генератор .

Подготовка к изготовлению

Как говорилось выше, можно сделать лазер своими руками в домашних условиях. Для этого следует подготовить следующие инструменты, а также простые предметы, которые практически всегда имеются в домашнем обиходе:

Этих материалов хватит, чтобы выполнить все работы по изготовлению как простого, так и мощного лазера своими руками.

Самостоятельная сборка лазера

Потребуется найти дисковод. Главное, чтобы его лазерный диод был исправен. Конечно, дома такого предмета может и не быть. В этом случае его можно приобрести у тех, у кого он есть. Зачастую люди выбрасывают оптические приводы, даже если их лазерный диод еще работает или продают их.

Выбирая привод для изготовления лазерного устройства, нужно обращать внимание на фирму, в которой он был выпущен . Главное, чтобы этой фирмой не была Samsung: приводы от этого производителя оснащены диодами, которые не имеют защиту от наружного воздействия. Следовательно, такие диоды быстро загрязняются и подвергаются тепловым нагрузкам. Они могут быть повреждены даже в результате легкого прикосновения.

Лучше всего для изготовления лазера подходят приводы от компании LG: каждая их модель оснащается мощным кристаллом.

Важно, чтобы привод при использовании по прямому назначению мог не только считывать, но и записывать информацию на диск. В записывающих принтерах есть инфракрасный излучатель, необходимый для сборки лазерного устройства.

Работа заключена в следующих действиях:

Готовая лазерная указка, сделанная своими руками, может с легкостью разрезать целлофановые пакеты и моментально взрывать воздушные шары. Если же навести этот самодельный прибор на деревянную поверхность, то луч сию же минуту прожжет ее. При использовании необходимо соблюдать меры осторожности.

Возможность изготовления из неиспользуемой или пришедшей в негодность техники чего-то полезного привлекает многих домашних мастеров. Одним из таких полезных устройств является лазерный резак. Имея в своем распоряжении подобный аппарат (некоторые делают его даже из обычной лазерной указки), можно выполнять декоративное оформление изделий из различных материалов.

Какие материалы и механизмы потребуются

Чтобы изготовить простейший лазерный резак своими руками, вам потребуются следующие материалы и технические устройства:

  • лазерная указка;
  • обычный фонарик, оснащенный аккумуляторными батарейками;
  • старый пишущий дисковод (CD/DVD-RW), оснащенный лазерным приводом (совершенно не обязательно, чтобы такой дисковод находился в рабочем состоянии);
  • паяльник;
  • набор слесарных инструментов.

Таким образом, можно изготовить простейшее устройство для лазерной резки, используя материалы, которые легко найти в домашней мастерской или в гараже.

Процесс изготовления простейшего лазерного резака

Основным рабочим элементом самодельного резака предложенной конструкции является лазерный элемент пишущего компьютерного дисковода. Выбирать именно пишущую модель дисковода следует потому, что лазер в таких устройствах отличается более высокой мощностью, позволяющей выжигать дорожки на поверхности установленного в них диска. В конструкции дисковода считывающего типа также присутствует лазерный излучатель, но его мощность, используемая лишь для подсвечивания диска, невысока.

Лазерный излучатель, которым оснащается пишущий дисковод, размещается на специальной каретке, способной передвигаться в двух направлениях. Чтобы снять излучатель с каретки, необходимо освободить его от большого количества крепежных элементов и разъемных устройств. Снимать их следует очень аккуратно, чтобы не повредить лазерный элемент. Кроме обычных инструментов, для извлечения красного лазерного диода (а для оснащения лазерного самодельного резака нужен именно он) потребуется паяльник, чтобы аккуратно освободить диод от имеющихся паяных соединений. Извлекая излучатель из посадочного места, следует соблюдать аккуратность и осторожность, чтобы не подвергать его сильному механическому воздействию, которое может стать причиной его выхода из строя.

Излучатель, извлеченный из пишущего компьютерного дисковода, необходимо установить вместо светодиода, которым изначально укомплектована лазерная указка. Для выполнения такой процедуры лазерную указку нужно разобрать, разделив ее корпус на две части. В верхней из них и находится светодиод, который следует извлечь и заменить на лазерный излучатель от пишущего компьютерного дисковода. Закрепляя такой излучатель в корпусе указки, можно использовать клей (важно только следить за тем, чтобы глазок излучателя располагался строго по центру отверстия, предназначенного для выхода луча).

Напряжения, которое вырабатывают источники питания в лазерной указке, недостаточно для того, чтобы обеспечить эффективность использования лазерного резака, поэтому применять их для оснащения такого устройства нецелесообразно. Для простейшего лазерного резака подойдут аккумуляторные батареи, используемые в обычном электрическом фонарике. Таким образом, совместив нижнюю часть фонарика, в которой размещаются его аккумуляторные батареи, с верхней частью лазерной указки, где уже находится излучатель от пишущего компьютерного дисковода, можно получить вполне работоспособный лазерный резак. Выполняя такое совмещение, очень важно соблюсти полярность аккумуляторных батарей, которые будут питать электроэнергией излучатель.

Перед сборкой самодельного ручного лазерного резака предложенной конструкции из наконечника указки необходимо извлечь установленное в нем стекло, которое будет препятствовать прохождению лазерного луча. Кроме того, надо еще раз проверить правильность соединения излучателя с элементами питания, а также то, насколько точно располагается его глазок по отношению к выходному отверстию наконечника указки. После того как все элементы конструкции будут надежно соединены между собой, можно приступать к использованию резака.

Конечно, при помощи такого маломощного лазера не получится разрезать металлический лист, не подойдет он и для работ по дереву, но для решения несложных задач, связанных с резкой картона или тонких полимерных листов, он годится.

По описанному выше алгоритму можно изготовить и более мощный лазерный резак, несколько усовершенствовав предложенную конструкцию. В частности, такое устройство необходимо дополнительно оснастить такими элементами, как:

  • конденсаторы, емкость которых составляет 100 пФ и 100 мФ;
  • резисторы с параметрами 2–5 Ом;
  • коллиматор – устройство, которое используется для того, чтобы собрать проходящие через него световые лучи в узкий пучок;
  • светодиодный фонарик со стальным корпусом.

Конденсаторы и резисторы в конструкции такого лазерного резака необходимы для того, чтобы создать драйвер, через который электрическое питание будет поступать от аккумуляторных батарей к лазерному излучателю. Если не использовать драйвер и пустить ток на излучатель напрямую, последний может сразу выйти из строя. Несмотря на более высокую мощность, такой лазерный станок для резки фанеры, толстого пластика и тем более металла также не получится.

Как изготовить более мощный аппарат

Домашних мастеров часто интересуют и более мощные лазерные станки, которые можно изготовить своими руками. Сделать лазер для резки фанеры своими руками и даже лазерный резак по металлу вполне возможно, но для этого необходимо обзавестись соответствующими комплектующими. При этом лучше сразу изготовить свой лазерный станок, который будет отличаться достойной функциональностью и работать в автоматическом режиме, управляясь внешним компьютером.

В зависимости от того, интересует вас своими руками или вам необходим аппарат для работ по дереву и другим материалам, следует правильно подбирать основной элемент такого оборудования – лазерный излучатель, мощность которого может быть различной. Естественно, лазерная резка фанеры своими руками выполняется устройством меньшей мощности, а лазер для резки металла должен оснащаться излучателем, мощность которого составляет не менее 60 Вт.

Чтобы изготовить полноценный лазерный станок, в том числе и для резки металла своими руками, потребуются следующие расходные материалы и комплектующие:

  1. контроллер, который будет отвечать за связь между внешним компьютером и электронными компонентами самого устройства, тем самым обеспечивая управление его работой;
  2. электронная плата, оснащенная информационным дисплеем;
  3. лазер (его мощность выбирается в зависимости от материалов, для обработки которых будет использоваться изготавливаемый резак);
  4. шаговые двигатели, которые будут отвечать за перемещение рабочего стола устройства в двух направлениях (в качестве таких двигателей можно применять шаговые электромоторы от неиспользуемых принтеров или DVD-плееров);
  5. охлаждающее устройство для излучателя;
  6. регулятор DC-DC, который будет контролировать величину напряжения, подаваемого на электронную плату излучателя;
  7. транзисторы и электронные платы для управления шаговыми электродвигателями резака;
  8. концевые выключатели;
  9. шкивы для установки зубчатых ремней и сами ремни;
  10. корпус, размер которого позволяет разместить в нем все элементы собираемой конструкции;
  11. шарикоподшипники различного диаметра;
  12. болты, гайки, винты, стяжки и хомуты;
  13. деревянные доски, из которых будет изготовлена рабочая рама резака;
  14. металлические стержни диаметром 10 мм, которые будут использоваться в качестве направляющих элементов;
  15. компьютер и USB-кабель, при помощи которого он будет соединяться с контроллером резака;
  16. набор слесарных инструментов.

Если лазерный станок вы планируете использовать для работ по металлу своими руками, то его конструкция должна быть усиленной, чтобы выдерживать вес обрабатываемого металлического листа.

Наличие компьютера и контроллера в конструкции такого устройства позволяет использовать его не только в качестве лазерного резака, но и как гравировальный аппарат. С помощью данного оборудования, работа которого управляется специальной компьютерной программой, можно с высокой точностью и детализацией наносить сложнейшие узоры и надписи на поверхность обрабатываемого изделия. Соответствующую программу можно найти в свободном доступе в интернете.

По своей конструкции лазерный станок, который можно изготовить своими руками, представляет собой устройство челночного типа. Его подвижные и направляющие элементы отвечают за перемещение рабочей головки по осям X и Y. За ось Z принимается глубина, на которую выполняется резка обрабатываемого материала. За перемещение рабочей головки лазерного резака представленной конструкции, как уже говорилось выше, отвечают шаговые электродвигатели, которые фиксируются на неподвижных частях рамы устройства и соединяются с подвижными элементами при помощи зубчатых ремней.

Подвижная каретка самодельного резка

Опора скольжения Головка с лазером и радиатором Каретка в сборе

Изготовление основания станка

Размещение каретки на стойках

Здравствуйте дамы и господа. Сегодня я открываю серию статей, посвященных мощным лазерам, ибо хабрапоиск говорит, что люди ищут подобные статьи. Хочу рассказать, как можно в домашних условиях сделать довольно мощный лазер, а также научить вас использовать эту мощь не просто ради «посветить на облака».

Предупреждение!

В статье описано изготовление мощного лазера (300мВт ~ мощность 500 китайских указок ), который может нанести вред вашему здоровью и здоровью окружающих! Будьте предельно осторожны! Используйте специальные защитные очки и не направляйте луч лазера на людей и животных !

Узнаём.

На Хабре всего пару раз проскакивали статьи о портативных лазерах Dragon Lasers , таких, как Hulk . В этой статье я расскажу, как можно сделать лазер, не уступающий по мощности продаваемым в этом магазине большинству моделей.

Готовим.

Для начала нужно подготовить все комплектующие:
- нерабочий (или рабочий) DVD-RW привод со скорость записи 16х или выше;
- конденсаторы 100 пФ и 100 мФ;
- резистор 2-5 Ом;
- три аккумулятора ААА;
- паяльник и провода;
- коллиматор (или китайская указка);
- стальной светодиодный фонарь.

Это необходимый минимум для изготовления простой модели драйвера. Драйвер - это, собственно, плата которая будет выводить наш лазерный диод на нужную мощность. Подключать напрямую источник питания к лазерному диоду не стоит - выйдет из строя. Лазерный диод нужно питать током, а не напряжением.

Коллиматор - это, собственно, модуль с линзой, которая сводит всё излучение в узкий луч. Готовые коллиматоры можно купить в радиомагазинах. В таких уже сразу имеется удобное место для установки лазерного диода, а стоимость составляет 200-500 рублей.

Можно использовать и коллиматор из китайской указки, однако, лазерный диод будет сложно закрепить, а сам корпус коллиматора, наверняка, будет сделан из металлизированного пластика. А значит наш диод будет плохо охлаждаться. Но и это возможно. Именно такой вариант можно посмотреть в конце статьи.

Делаем.

Сначала необходимо добыть сам лазерный диод. Это очень хрупкая и маленькая деталь нашего DVD-RW привода - будьте аккуратны. Мощный красный лазерный диод находится в каретке нашего привода. Отличить его от слабого можно по радиатору большего размера, нежели у обычного ИК-диода.

Рекомендуется использовать антистатический браслет, так как лазерный диод очень чувствителен к статическому напряжению. Если браслета нет, то можно обмотать выводы диода тонкой проволочкой, пока он будет ждать установки в корпус.


По этой схеме нужно спаять драйвер.


Не перепутайте полярность! Лазерный диод также выйдет из строя мгновенно при неправильной полярности подводимого питания.

На схеме указан конденсатор 200 мФ, однако, для портативности вполне хватит и 50-100 мФ.

Пробуем.

Прежде чем устанавливать лазерный диод и собирать всё в корпус, проверьте работоспособность драйвера. Подключите другой лазерный диод (нерабочий или второй, что из привода) и замерьте силу тока мультиметром. В зависимости от скоростных характеристик силу тока нужно выбирать правильно. Для 16х моделей вполне подойдет 300-350мА. Для самых быстрых 22х можно подать даже 500мА, но уже совсем другим драйвером, изготовление которого я планирую описать в другой статье.


Выглядит ужасно, но работает!

Эстетика.

Собранным на весу лазером похвастаться можно только перед такими же сумасшедшими техно-маньяками, но для красоты и удобства лучше собрать в удобный корпус. Тут уже лучше выбрать самому, как понравится. Я же смонтировал всю схему в обычный светодиодный фонарь. Его размеры не превышают 10х4см. Однако, не советую носить его с собой: мало ли какие претензии могут предъявить соответствующие органы. А хранить лучше в специальном чехле, дабы не запылилась чувствительная линза.

Это вариант с минимальными затратами - используется коллиматор от китайской указки:

Использование фабрично-изготовленного модуля позволит получить вот такие результаты:

Луч лазера виден вечером:

И, разумеется, в темноте:

Возможно.

Да, я хочу в следующих статьях рассказать и показать, как можно использовать подобные лазеры. Как сделать гораздо более мощные экземпляры, способные резать металл и дерево, а не только поджигать спички и плавить пластик. Как изготавливать голограммы и сканировать предметы для получения моделей 3D Studio Max. Как сделать мощные зеленый или синий лазеры. Сфера применения лазеров довольно широка, и одной статьёй тут не обойтись.

Нужно помнить.

На забывайте о технике безопасности! Лазеры - это не игрушка! Берегите глаза!

Сегодня мы поговорим о том, как сделать самостоятельно мощный зеленый или синий лазер в домашних условиях из подручных материалов своими руками. Также рассмотрим чертежи, схемы и устройство самодельных лазерных указок с поджигающим лучом и дальностью до 20 км

Основой устройства лазера служит оптический квантовый генератор, который, используя электрическую, тепловую, химическую или другую энергию, производит лазерный луч.

В основе работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение, то есть является его точной копией. Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу
Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых. В состоянии равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.). В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника.

В квантовом генераторе нет внешнего потока фотонов, инверсная заселенность создается внутри него с помощью различных источников накачки. В зависимости от источников существуют различные способы накачки:
оптический — мощная лампа-вспышка;
газовый разряд в рабочем веществе (активной среде);
инжекция (перенос) носителей тока в полупроводнике в зоне
р—п переходах;
электронное возбуждение (облучение в вакууме чистого полупроводника потоком электронов);
тепловой (нагревание газа с последующим его резким охлаждением;
химический (использование энергии химических реакций) и некоторые другие.

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора.

Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности - это так называемые гигантские импульсы. Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.
Лазерный луч представляет собой когерентный, монохромный, поляризованный узконаправленный световой поток. Одним словом, это луч света, испускаемый мало того, что синхронными источниками, так еще и в очень узком диапазоне, причем направленно. Этакий чрезвычайно сконцентрированный световой поток.

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим, вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.

От того, какое рабочее тело использовано в лазере, зависит рабочая длина его волны, а также остальные свойства. Рабочее тело подвергается "накачке" энергией, чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, который вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления. Простейшей формой оптического резонатора являются два параллельных зеркала (их также может быть четыре и больше), расположенных вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. До момента выхода наружу волна может отражаться многократно.

Итак, сформулируем кратко условия, необходимые для создания источника когерентного света:

нужно рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;
рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;
усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения выходного зеркала.

В конструкции лазеров могут быть использованы следующие типы рабочих тел:

Жидкость. Применяется в качестве рабочего тела, например, в лазерах на красителях. В состав входят органический растворитель (метанол, этанол или этиленгликоль), в котором растворены химические красители (кумарин или родамин). Рабочая длина волны жидкостных лазеров определяется конфигурацией молекул используемого красителя.

Газы. В частности, углекислый газ, аргон, криптон или газовые смеси, как в гелий-неоновых лазерах. "Накачка" энергией этих лазеров чаще всего осуществляется с помощью электрических разрядов.
Твёрдые тела (кристаллы и стёкла). Сплошной материал таких рабочих тел активируется (легируется) посредством добавления небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Обычно используются следующие кристаллы: алюмо-иттриевый гранат, литиево-иттриевый фторид, сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Твердотельные лазеры обычно "накачиваются" импульсной лампой или другим лазером.

Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, "накачиваются" электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо организовать обратную связь. В лазерах она достигается при помещении активного вещества между отражающими поверхностями (зеркалами), образующими так называемый "открытый резонатор" за счет того, что часть излученной активным веществом энергии отражается от зеркал и опять возвращается в активное вещество

В Лазере используются оптические резонаторы различных типов - с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. В оптических резонаторах, обеспечивающих обратную связь в Лазере, могут возбуждаться только некоторые определённые типы колебаний электромагнитного поля, которые называются собственными колебаниями или модами резонатора.

Моды характеризуются частотой и формой, т. е. пространственным распределением колебаний. В резонаторе с плоскими зеркалами преимущественно возбуждаются типы колебаний, соответствующие плоским волнам, распространяющимся вдоль оси резонатора. Система из двух параллельных зеркал резонирует только на определенных частотах - и выполняет в лазере еще и ту роль, которую в обычных низкочастотных генераторах играет колебательный контур.

Использование именно открытого резонатора (а не закрытого - замкнутой металлической полости - характерного для СВЧ диапазона) принципиально, так как в оптическом диапазоне резонатор с размерами L = ? (L - характерный размер резонатора,? - длина волны) просто не может быть изготовлен, а при L >> ? закрытый резонатор теряет резонансные свойства, поскольку число возможных типов колебаний становится настолько большим, что они перекрываются.

Отсутствие боковых стенок значительно уменьшает число возможных типов колебаний (мод) за счет того, что волны, распространяющиеся под углом к оси резонатора, быстро уходят за его пределы, и позволяет сохранить резонансные свойства резонатора при L >> ?. Однако резонатор в лазере не только обеспечивает обратную связь за счет возврата отраженного от зеркал излучения в активное вещество, но и определяет спектр излучения лазера, его энергетические характеристики, направленность излучения.
В простейшем приближении плоской волны условие резонанса в резонаторе с плоскими зеркалами заключается в том, что на длине резонатора укладывается целое число полуволн: L=q(?/2) (q - целое число), что приводит к выражению для частоты типа колебаний с индексом q: ?q=q(C/2L). В результате спектр излучения Л., как правило, представляет собой набор узких спектральных линий, интервалы между которыми одинаковы и равны c/2L. Число линий (компонент) при заданной длине L зависит от свойств активной среды, т. е. от спектра спонтанного излучения на используемом квантовом переходе и может достигать нескольких десятков и сотен. При определённых условиях оказывается возможным выделить одну спектральную компоненту, т. е. осуществить одномодовый режим генерации. Спектральная ширина каждой из компонент определяется потерями энергии в резонаторе и, в первую очередь, пропусканием и поглощением света зеркалами.

Частотный профиль коэффициента усиления в рабочем веществе (он определяется шириной и формой линии рабочего вещества) и набор собственных частот открытого резонатора. Для используемых в лазерах открытых резонаторов с высокой добротностью полоса пропускания резонатора??p, определяющая ширину резонансных кривых отдельных мод, и даже расстояние между соседними модами??h оказываются меньше, чем ширина линии усиления??h, причем даже в газовых лазерах, где уширение линий наименьшее. Поэтому в контур усиления попадает несколько типов колебаний резонатора.

Таким образом, лазер не обязательно генерирует на одной частоте, чаще наоборот, генерация происходит одновременно на нескольких типах колебаний, для которых усиление? больше потерь в резонаторе. Для того чтобы лазер работал на одной частоте (в одночастотном режиме), необходимо, как правило, принимать специальные меры (например, увеличить потери, как это показано на рисунке 3) или изменить расстояние между зеркалами так, чтобы и в контур усиления попадала только одна мода. Поскольку в оптике, как отмечено выше, ?h > ?p и частота генерации в лазере определяется в основном частотой резонатора, то, чтобы держать стабильной частоту генерации, необходимо стабилизировать резонатор. Итак, если коэффициент усиления в рабочем веществе перекрывает потери в резонаторе для определенных типов колебаний, на них возникает генерация. Затравкой для ее возникновения являются, как и в любом генераторе, шумы, представляющие в лазерах спонтанное излучение.
Для того, чтобы активная среда излучала когерентный монохроматический свет, необходимо ввести обратную связь, т. е. часть излученного этой средой светового потока направить обратно в среду для осуществления вынужденного излучения. Положительная обратная связь осуществляется при помощи оптических резонаторов, которые в элементарном варианте представляют собой два соосно (параллельно и по одной оси) расположенных зеркала, одно из которых полупрозрачное, а другое — «глухое», т. е. полностью отражает световой поток. Рабочее вещество (активная среда), в котором создана инверсная заселенность, располагают между зеркалами. Вынужденное излучение проходит через активную среду, усиливается, отражается от зеркала, вновь проходит через среду и еще более усиливается. Через полупрозрачное зеркало часть излучения испускается во внешнюю среду, а часть отражается обратно в среду и снова усиливается. При определенных условиях поток фотонов внутри рабочего вещества начнет лавинообразно нарастать, начнется генерация монохроматического когерентного света.

Принцип работы оптического резонатора, преобладающее количество частиц рабочего вещества, представленные светлыми кружками, находятся в основном состоянии, т. е. на нижнем энергетическом уровне. Лишь небольшое количество частиц, представленные темными кружками, находятся в электронно-возбужденном состоянии. При воздействии на рабочее вещество источником накачки основное количество частиц переходит в возбужденное состояние (возросло количество темных кружков), создана инверсная заселенность. Далее (рис. 2в) происходит спонтанное излучение некоторых частиц, находящихся в электронно-возбужденном состоянии. Излучение, направленное под углом к оси резонатора, покинет рабочее вещество и резонатор. Излучение, которое направлено вдоль оси резонатора, подойдет к зеркальной поверхности.

У полупрозрачного зеркала часть излучения пройдет сквозь него в окружающую среду, а часть отразится и снова направится в рабочее вещество, вовлекая в процесс вынужденного излучения частицы, находящиеся в возбужденном состоянии.

У «глухого» зеркала весь лучевой поток отразится и вновь пройдет рабочее вещество, индуцируя излучение всех оставшихся возбужденных частиц, где отражена ситуация, когда все возбужденные частицы отдали свою запасенную энергию, а на выходе резонатора, на стороне полупрозрачного зеркала образовался мощный поток индуцированного излучения.

Основные конструктивные элементы лазеров включают в себя рабочее вещество с определенными энергетическими уровнями составляющих их атомов и молекул, источник накачки, создающий инверсную заселенность в рабочем веществе, и оптический резонатор. Существует большое количество различных лазеров, однако все они имеют одну и ту же и притом простую принципиальную схему устройства, которая представлена на рис. 3.

Исключение составляют полупроводниковые лазеры из-за своей специфичности, поскольку у них всё особенное: и физика процессов, и методы накачки, и конструкция. Полупроводники представляют собой кристаллические образования. В отдельном атоме энергия электрона принимает строго определенные дискретные значения, и поэтому энергетические состояния электрона в атоме описываются на языке уровней. В кристалле полупроводника энергетические уровни образуют энергетические зоны. В чистом, не содержащем каких-либо примесей полупроводнике имеются две зоны: так называемая валентная зона и расположенная над ней (по шкале энергий) зона проводимости.

Между ними имеется промежуток запрещенных значений энергии, который называется запрещенной зоной. При температуре полупроводника, равной абсолютному нулю, валентная зона должна быть полностью заполнена электронами, а зона проводимости должна быть пустой. В реальных условиях температура всегда выше абсолютного нуля. Но повышение температуры приводит к тепловому возбуждению электронов, часть из них перескакивает из валентной зоны в зону проводимости.

В результате этого процесса в зоне проводимости появляется некоторое (относительно небольшое) количество электронов, а в валентной зоне до ее полного заполнения будет не хватать соответствующего количества электронов. Электронная вакансия в валентной зоне представляется положительно заряженной частицей, которая именуется дыркой. Квантовый переход электрона через запрещенную зону снизу вверх рассматривается как процесс генерации электронно-дырочной пары, при этом электроны сосредоточены у нижнего края зоны проводимости, а дырки — у верхнего края валентной зоны. Переходы через запрещенную зону возможны не только снизу вверх, но и сверху вниз. Такой процесс называется рекомбинацией электрона и дырки.

При облучении чистого полупроводника светом, энергия фотонов которого несколько превышает ширину запрещенной зоны, в кристалле полупроводника могут совершаться три типа взаимодействия света с.веществом: поглощение, спонтанное испускание и вынужденное испускание света. Первый тип взаимодействия возможен при поглощении фотона электроном, находящимся вблизи верхнего края валентной зоны. При этом энергетическая мощность электрона станет достаточной для преодоления запрещенной зоны, и он совершит квантовый переход в зону проводимости. Спонтанное испускание света возможно при самопроизвольном возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону с испусканием кванта энергии — фотона. Внешнее излучение может инициировать переход в валентную зону электрона, находящегося вблизи нижнего края зоны проводимости. Результатом этого, третьего типа взаимодействия света с веществом полупроводника будет рождение вторичного фотона, идентичного по своим параметрам и направлению движения фотону, инициировавшему переход.

Для генерации лазерного излучения необходимо создать в полупроводнике инверсную заселенность «рабочих уровней» — создать достаточно высокую концентрацию электронов у нижнего края зоны проводимости и соответственно высокую концентрацию дырок у края валентной зоны. Для этих целей в чистых полупроводниковых лазерах обычно применяют накачку потоком электронов.

Зеркалами резонатора являются отполированные грани кристалла полупроводника. Недостатком таких лазеров является то, что многие полупроводниковые материалы генерируют лазерное излучение лишь при очень низких температурах, а бомбардировка кристаллов полупроводников потоком электронов вызывает его сильное нагревание. Это требует наличия дополнительных охладительных устройств, что усложняет конструкцию аппарата и увеличивает его габариты.

Свойства полупроводников с примесями существенно отличаются от свойств беспримесных, чистых полупроводников. Это обусловлено тем, что атомы одних примесей легко отдают в зону проводимости по одному из своих электронов. Эти примеси называются донорными, а полупроводник с такими примесями — п-полупро- водником. Атомы других примесей, напротив, захватывают по одному электрону из валентной зоны, и такие примеси являются акцепторными, а полупроводник с такими примесями — р-полу- проводником. Энергетический уровень примесных атомов располагается внутри запрещенной зоны: у «-полупроводников — недалеко от нижнего края зоны проводимости, у /^-полупроводников — вблизи верхнего края валентной зоны.

Если в этой области создать электрическое напряжение так, чтобы со стороны р-полупроводника был положительный полюс, а со стороны п-полупроводника отрицательный, то под действием электрического поля электроны из п-полупроводника и дырки из /^-полупроводника будут перемещаться (инжектироваться) в область р-п — перехода.

При рекомбинации электронов и дырок будут испускаться фотоны, а при наличии оптического резонатора возможна генерация лазерного излучения.

Зеркалами оптического резонатора являются отполированные грани кристалла полупроводника, ориентированные перпендикулярно плоскости р-п — перехода. Такие лазеры отличаются миниатюрностью, поскольку размеры полупроводникового активного элемента могут составлять около 1 мм.

В зависимости от рассматриваемого признака все лазеры подразделяются следующим образом).

Первый признак. Принято различать лазерные усилители и генераторы. В усилителях на входе подается слабое лазерное излучение, а на выходе оно соответственно усиливается. В генераторах нет внешнего излучения, оно возникает в рабочем веществе за счет его возбуждения с помощью различных источников накачки. Все медицинские лазерные аппараты являются генераторами.

Второй признак — физическое состояние рабочего вещества. В соответствии с этим лазеры подразделяются на твердотельные (рубиновые, сапфировые и др.), газовые (гелий-неоновые, гелий- кадмиевые, аргоновые, углекислотные и др.), жидкосные (жидкий диэлектрик с примесными рабочими атомами редкоземельных металлов) и полупроводниковые (арсенид-галлиевые, арсенид-фосфид- галлиевые, селенид-свинцовые и др.).

Способ возбуждения рабочего вещества является третьим отличительным признаком лазеров. В зависимости от источника возбуждения различают лазеры с оптической накачкой, с накачкой за счет газового разряда, электронного возбуждения, инжекции носителей заряда, с тепловой, химической накачкой и некоторые другие.

Спектр излучения лазера является следующим признаком классификации. Если излучение сосредоточено в узком интервале длин волн, то принято считать лазер монохроматичным и в его технических данных указывается конкретная длина волны; если в широком интервале, то следует считать лазер широкополосным и указывается диапазон длин волн.

По характеру излучаемой энергии различают импульсные лазеры и лазеры с непрерывным излучением. Не следует смешивать понятия импульсный лазер и лазер с частотной модуляцией непрерывного излучения, поскольку во втором случае мы получаем по сути дела прерывистое излучение различной частоты. Импульсные лазеры обладают большой мощностью в одиночном импульсе, достигающие 10 Вт, тогда как их среднеимпульсная мощность, определяемая по соответствующим формулам, сравнительно невелика. У непрерывных лазеров с частотной модуляцией мощность в так называемом импульсе ниже мощности непрерывного излучения.

По средней выходной мощности излучения (следующий признак классификации) лазеры подразделяются на:

· высокоэнергетические (создаваемая плотность потока мощность излучения на поверхности объекта или биообъекта — свыше 10 Вт/см2);

· среднеэнергетические (создаваемая плотность потока мощность излучения — от 0,4 до 10 Вт/см2);

· низкоэнергетические (создаваемая плотность потока мощность излучения — менее 0,4 Вт/см2).

· мягкое (создаваемая энергетическая облученность — Е или плотность потока мощности на облучаемой поверхности — до 4 мВт/см2);

· среднее (Е — от 4 до 30 мВт/см2);

· жесткое (Е — более 30 мВт/см2).

В соответствии с «Санитарными нормами и правилами устройства и эксплуатации лазеров № 5804-91» по степени опасности генерируемого излучения для обслуживающего персонала лазеры подразделяются на четыре класса.

К лазерам первого класса относятся такие технические устройства, выходное коллиминированное (заключенное в ограниченном телесном угле) излучение которых не представляет опасность при облучении глаз и кожи человека.

Лазеры второго класса — это устройства, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз прямым и зеркально отраженным излучением.

Лазеры третьего класса — это устройства, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз прямым и зеркально отраженным, а также диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности, и (или) при облучении кожи прямым и зеркально отраженным излучением.

Лазеры четвертого класса — это устройства, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности.

Сделанный своими руками, пригодится в каждом доме.

Конечно же, самодельный прибор не сможет обрести большую мощность, которую имеют производственные аппараты, но все же кое-какую пользу в быту от него можно будет получить.

Самое интересное, что изготовить лазерный резак можно с помощью старых ненужных предметов.

Например, своими руками изготовить лазерный прибор позволит применение старой лазерной указки.

Чтобы процесс по созданию резака продвигался как можно быстрее, необходимо подготовить следующие предметы и инструменты:

  • указка лазерного типа;

  • фонарик на аккумуляторных батареях;

  • старый CD/DVD-RW пишущий, можно вышедший из строя, – из него понадобится привод с лазером;

  • электропаяльник и комплект отверток.

Процесс по изготовлению резака своими руками начинается с разборки привода, откуда необходимо достать прибор.

Извлечение нужно сделать по максимуму аккуратным, при этом придется проявить терпение и быть внимательным. В устройстве присутствует много разных проводов с практически одинаковой структурой.

Выбирая DVD привод, нужно учитывать, чтобы он был пишущим, так как именно такой вариант позволяет делать записи с помощью лазера.

Запись выполняется в ходе испарения тонкого металлического слоя с диска.

В процессе чтения, лазер функционирует наполовину своих технических возможностей, слегка освещая диск.

В процессе демонтажа верхнего крепежного элемента взгляд упадет на каретку с лазером, который может передвигаться в нескольких направлениях.

Каретку необходимо бережно извлечь, аккуратно снять разъемы и шурупы.

Затем можно перейти к снятию красного диода, за счет него происходит прожиг диска – это легко можно сделать своими руками при помощи электропаяльника. Извлеченный элемент не стоит встряхивать, а тем более ронять.

После того как основная деталь будущего резака находится на поверхности, нужно сделать тщательно продуманный план сборки лазерного резака.

При этом необходимо учесть следующие моменты: как лучше поместить диод, как подсоединить его к источнику питания, ведь для диода пишущего устройства требуется больше электроэнергии, чем для основного элемента указки.

Данный вопрос можно решить несколькими методами.

Чтобы сделать ручной резак с более-менее высокой мощностью, необходимо достать находящийся в указке диод, после чего поменять его на элемент, извлеченный из DVD привода.

Поэтому лазерную указку разбирают также осторожно, как и привод пишущего DVD устройства.

Предмет раскручивают, затем разделяют его корпус на две половины. Сразу же на поверхности можно будет увидеть деталь, которую и нужно заменить своими руками.

Для этого родной диод из указки снимается и аккуратно заменяется более мощным, его надежное крепление можно выполнить с использованием клея.

Возможно, снять старый диодный элемент сразу не получится, поэтому его можно подковырнуть бережно кончиком ножа, затем слегка встряхнуть корпус указки.

На следующем этапе изготовления лазерного резака нужно сделать для него корпус.

Для этой цели пригодится фонарик с аккумуляторными батарейками, что позволит лазерному резаку получить электроподпитку, приобрести эстетичный вид, и удобство использования.

Для этого в корпус фонарика своими руками необходимо внедрить модифицированную верхнюю часть бывшей указки.

Затем нужно подключить к диоду зарядку, посредством находящейся в фонарике аккумуляторной батареи. Очень важно в процессе подключения точно установить полярность.

До того как фонарик будет собран, необходимо снять стекло и прочие лишние элементы указки, которые могут стать помехой лучу лазера.

На завершающем этапе проводится подготовка лазерного резака к использованию.

Для комфортной ручной работы все этапы работы над прибором необходимо строго соблюдать.

С этой целью нужно проконтролировать надежность фиксации всех внедренных элементов, правильность полярности и ровность установки лазера.

Итак, если все вышеизложенные в статье условия сборки были точно соблюдены, резак готов к применению.

Но так как самодельный ручной прибор наделен невысокой мощностью, то вряд ли из него получится полноценный лазерный резак по металлу.

Что идеально сможет выполнять резак, так это сделать отверстия в бумаге или полиэтиленовой пленке.

А вот наводить на человека лазерное приспособление, сделанное своими руками нельзя, здесь его мощности будет достаточно, чтобы навредить здоровью организма.

Как можно усилить самодельный лазер?

Чтобы сделать своими руками более мощный лазерный резак для работы по металлу, нужно использовать приборы из следующего списка:

  • DVD-RW привод, нет разницы рабочий или нет;

  • 100 пФ и мФ – конденсаторы;

  • 2-5 Ом резистор;

  • 3 шт. аккумуляторные батареи;

  • паяльник, провода;

  • стальной фонарь на светодиодных элементах.

Сборка лазерного резака для ручной работы происходит по следующей схеме.

С применением указанных приборов происходит сборка драйвера, впоследствии он посредством платы сможет обеспечивать лазерному резаку определенную мощность.

При этом к диоду ни в коем случае нельзя подсоединять электропитание напрямую, так как диод сгорит. Также нужно принять во внимание, что диод должен брать подпитку не от напряжения, а от тока.

В качестве коллиматора используется корпус, оснащенный оптической линзой, за счет которой будут скапливаться лучи.

Данную деталь легко отыскать в специальном магазине, главное, что в ней присутствует паз для установки диода лазера. Цена данного устройства небольшая, примерно составляет 3-7$.

Кстати, лазер собирается так же, как и вышерассмотренная модель резака.

В качестве антистатического изделия также может применяться проволока, ею обматывают диод. После чего можно приступать к компоновке драйверного устройства.

Прежде чем перейти к полной ручной сборке лазерного резака, нужно проверить работоспособность драйвера.

Сила тока замеряется с помощью мультимера, для этого берут оставшийся диод и проводят измерения своими руками.

С учетом скорости тока, подбирают его мощность для лазерного резака. К примеру, у одних вариантов лазерных устройств сила тока может равняться 300-350 мА.

У других, более интенсивных моделей, она составляет 500 мА, при условии использования другого драйверного устройства.

Чтобы самодельный лазер выглядел более эстетично, и им можно было удобно пользоваться, для него нужен корпус, в качестве которого вполне может использоваться стальной фонарик, функционирующий на светодиодах.

Как правило, упомянутый прибор наделен компактными размерами, которые позволят поместиться ему в кармане. Но во избежание загрязнений линзы, заранее нужно приобрести или сшить своими руками чехол.

Особенности производственных лазерных резаков

Не каждому по карману цена лазерного резака по металлу производственного типа.

Такое оборудование применяют для обработки и разделки металлических материалов.

Принцип действия лазерного резака строится на выработке инструментом мощного излучения, наделенного свойством испарять или выдувать металлический расплавленный слой.

Такая производственная технология при работе с разными типами металла способна обеспечить высокое качество среза.

Глубина обработки материалов зависит от вида лазерной установки и характеристик обрабатываемых материалов.

На сегодняшний день используется три вида лазеров: твердотельные, волоконные и газовые.

Устройство твердотельных излучателей основывается на использовании в качестве рабочей среды конкретных сортов стекла или кристаллов.

Здесь в пример можно привести недорогие установки, эксплуатируемые на полупроводниковых лазерах.

Волоконные – их активная среда функционирует за счет применения оптических волокон.

Данный тип устройства является модификацией твердотельных излучателей, но как утверждают специалисты, волоконный лазер успешно вытесняет свои аналоги с области металлообработки.

При этом оптические волокна являются основой не только резака, но и гравировального станка.

Газовые – рабочая среда лазерного устройства сочетает углекислый, азотный и гелиевый газы.

Так как КПД рассматриваемых излучателей не выше 20%, их используют для резки и сварки полимерных, резиновых и стеклянных материалов, а также металла с высокой степенью теплопроводности.

Здесь в пример можно взять резак по металлу выпускаемый компанией Ханса, применение лазерного устройства позволяет резать медь, латунь и алюминий, в данном случае минимальная мощность станков только выигрывает у своих аналогов.

Схема работы привода

Эксплуатироваться от привода может лишь настольный лазер, данный тип устройства представляет собой портально-консольную машину.

По направляющим рейкам устройства лазерный блок может перемещаться как вертикально, так и горизонтально.

В качестве альтернативы портальному устройству была изготовлена планшетная модель механизма, ее резак перемещается только по горизонтали.

Другие существующие варианты лазерных станков имеют рабочий стол, оснащенный приводным механизмом и наделенный свойством перемещаться в разных плоскостях.

На данный момент имеется два варианта управления приводным механизмом.

Первый обеспечивает перемещение заготовки за счет эксплуатации привода стола, или перемещения резака выполняется за счет функционирования лазера.

Второй вариант предусматривает одновременное перемещение стола и резака.

При этом первая модель управления по сравнению со вторым вариантом считается намного проще. Но вторая модель все-таки отличается высокой производительностью.

Общей технической характеристикой рассмотренных случаев является необходимость внедрения в устройство блока ЧПУ, но тогда цена для сборки прибора для ручной работы станет выше.