- Мощный лазер своими руками
- Мощный лазер своими руками за один вечер
- Кратко.
- Предупреждение!
- Узнаём.
- Готовим.
- Делаем.
- Пробуем.
- Эстетика.
- Возможно.
- . : О том, как сделать твердотельный лазер со светодиодной накачкой : .
- ЛИРИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ №1 О названиях.
- МОЩНОСТЬ В ПОСТОЯННОМ РЕЖИМЕ
- ПОГЛОЩЕНИЕ НЕОДИМОМ В ЛАЗЕРНОМ СТЕРЖНЕ
- РАЗГОН В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ
- 20.04.2021
Мощный лазер своими руками
Электроника не стоит на месте и активно развивается. Подумать только, ещё каких-то 40 лет назад обычный светодиод был диковинкой, стоил больших денег и выглядел как нечто из сверхтехнологий. Сейчас же маломощные светодиоды стоят копейки, распространены повсеместно, и ими уже никого не удивить. Зато в наше время есть свои причудливые вещи, которые не валяются на каждом углу, и представляют для радиолюбителя и простого человека немалый интерес — речь идёт о лазерных диодах. Они также бывают разной мощности, маломощные (десятки, максимум сотни милливатт), так и средней и высокой мощности. Мощные лазеры стоят больших денег и используются в промышленности в первую очередь для художественного выжигания по дереву, резки древесины. Для этих целей они подходят как нельзя кстати — ведь они могут обеспечить быстрый нагрев дерева и других материалов до высоких температур в очень узкой точке, моментально и очень точечно превращая древесину в чёрный уголь. Для таких целей применяются лазеры мощность примерно от 5Вт и более, они стоят немало и требуют очень аккуратного обращения — ведь даже случайный блик от такого лазера может моментально лишить человека зрения. Лазеры с более маленькой мощностью активно применяются в пишущих DVD приводах для «выжигания» информации на оптических дисках. Конечно, они не способны моментально палить дерево или резать фанеру, но тоже умеют кое-что интересное, например, лопать шарики. Также такой лазер можно применить и с полезной целью — для выжигания по дереву. Скорость сего процесса будет не очень велика, но зато результат может получиться куда лучше, чем от выжигания привычным выжигателем по дереву с нагревательным элементов, ведь сфокусированный луч лазера «светит» строго в одну точку, а потому может позволить создавать на древесине интересные мелкие узоры.
Разобрать привод не составляет труда, он разбирается путём откручивания винтиков по периметру корпуса. Кстати, такой металлический корпус позже вполне может будет покрасить и использовать вновь для создания новых самоделок. Внутри корпуса можно увидеть каретку на направляющих, на которой будет закреплён механизм с линзой и лазером. Из неё в первую очередь нужно вынуть сам лазер, желательно не повредив при этом линзу — в дальнейшем она тоже может понадобится. Лазер довольно трудно с чем-либо перепутать, его внешний вид показан на картинке ниже.
Он имеет три вывода, два из них в дальнейшем понадобятся для подачи питания на лазер, третий использоваться не будет. При демонтаже лазера можно проследить по дорожкам на плате привода, какой контакт лазера является плюсом, и какой минусом, если расположение выводов лазера отличается от представленного на фото выше. Не следует прикасаться к ножкам лазера голыми руками, выпаивать его также желательно выключенным от сети предварительно разогретым, либо заземлённым паяльником. После выпаивания не помешает соединить все три ножки лазера медной оголённой проволокой либо фольгой. Эти мероприятия нужно для того, чтобы минимизировать риск повреждения лазера статическим напряжением с рук или с одежды, ведь такие лазеры крайне чувствительны к статике. После того, как лазер успешно демонтирован из привода, можно приступать к сборке схемы, она представлена ниже.
Схема включения лазера состоит из минимума компонентов. В самой левой её части показан элемент питания, в его роли может выступать как литий-ионный аккумулятор, так и зарядка от телефона на 5В. В общем, любой источник постоянного напряжения от 3,5 до 5В, способный отдавать ток как минимум 0,5А. Ключ S1 на схеме — выключатель питания. Является необязательным элементов, ведь можно вручную отключать схему от питания, но для удобства его можно поставить. Выключатель можно использовать как с фиксацией, так и без фиксации, в этом случае лазер будет светить только при удержании выключателя. После ключа идёт резистор R1 — ключевой элемент схемы. Этот резистор является токозадающим, от выбора его номинала будет зависеть ток, протекающий через лазер, и, соответственно, мощность свечения. Чем меньше будет его сопротивление, тем сильнее будет свечение, тем сильнее его нагрев. Необходимо подобрать номинал этого резистора так, чтобы ток в цепи был равен примерно 300 мА.
Конденсаторы С1 и С2 на схеме — фильтрующие по питанию, их номинал не критичен и может варьироваться в больших пределах. С1 — керамический либо плёночный конденсатор, С2 — электролитический. Под обозначением HL1 на схеме подразумевается сам лазер, при этом анод на схеме — плюс лазера, катод — минус. Обратите внимание, что ни коем случае нельзя путать полярность подключения лазера, иначе он мгновенно сгорит и выйдет из строя. Схема проста, а потому не требует создания печатной платы — собрать всё можно навесным монтажом.
Как видно на фото, габариты схемы легко укладываются в размеры спичечного коробка. При первом включении нужен контролировать температуру лазера и также ток в цепи. Амперметр (мультиметр) включается в разрыв цепи питания схемы. Для первого включения номинал резистора можно взять побольше (10-20 Ом), а затем плавно уменьшать его, подводя ток в цепи до нужного значения в 300 мА.
Для того, чтобы луч лазера не рассеивался, нужно использовать коллиматор — специальную линзу, которая собирает параллельный пучок лучей. Купить коллиматор отдельно можно в магазине радиодеталей:
Либо использовать готовый коллиматор из лазерной указки.
Также можно поэкспериментировать, используя в качестве коллиматор линзу из DVD привода, которая стояла там вместе с лазером. Ниже представлены фотографии луча лазера. Особое внимание стоит уделить технике безопасности — при каждом включении лазера надевать защитные затемняющие очки, ведь даже блик от такого лазера может причинить серьёзный вред органам зрения. Ни в коем случае не направлять луч лазера на людей или животных. Удачной сборки!
Источник
Мощный лазер своими руками за один вечер
Кратко.
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!
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.
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.
Источник
. : О том, как сделать твердотельный лазер со светодиодной накачкой : .
| Мысль сделать твердотельник с накачкой от светодиодов приходила и продолжает приходить каждому из тех, кто занимается лазерами, неважно специалисту или самодельщику. Предварительные рассуждения, сопровождающие эту мысль весьма соблазнительны: «Возьму пару светодиодов от прожектора, ватт на сто каждый, присобачу как-нибудь лазерный стержень. Авось, ватт пять — десять вылезет.» Почему пять-десять? Да потому, что человек ориентируется на широко разрекламированную цифру кпд лампового лазера в 1%, и думает, что со светодиодами непременно получится только лучше. Если же от предварительных измышлений перейти хотя бы к грубым, но оценкам, то получится вот что: Положим, что используется YAG:Nd — самая низкопороговая из доступных твердотельных сред. Пусть стержень имеет диаметр 3 мм и длину 50 мм. Пусть используются диоды в стандартном для мощных однокристальных корпусе (с диаметром основания 8 мм и куполообразной линзой).
Элементарные геометрические прикидки показывают, что вокруг стержня вплотную к нему можно разместить 6 поясов по 4 диода, итого 24 штуки:
По-видимому, на настоящий момент однокристальных диодов мощнее, чем на 10 Вт не бывает. (Примеры однокристальных 10-ваттных: Cree Xlamp T6, Cree XML XM2.) Да и то, светодиоды, в отличие от лазерных, маркируются по мощности питания, а не по мощности излучения. Сколько из подведенных 10 ватт LED справится выдать в виде света — неизвестно. В принципе, в листках данных на светодиоды обычно приводится их эффективность в люменах света, на ватт подводимой мощности, но люмен, это величина сложная, зависящая от спектра, и пересчет ее в энергетические единицы силами конечного пользователя, как минимум не прост, а часто и вовсе невозможен. Предположим пока, что диоды излучают в свет 20% подведенной к ним энергии. Тогда получится, что за время жизни верхнего лазерного уровня (250 мкс для YAG:Nd) 24 диода расположенные вокруг стержня успеют излучить: 24 шт * 10 Вт * 20% * 250e-6 сек = 0.012 Дж = 12 мДж. Сколько из этих двенадцати миллиджоулей дойдут до стержня и сколько смогут там поглотиться?
Угол, под которым виден стержень, довольно грубо, зато просто, можно оценить, как отношение диаметра стержня к расстоянию от кристалла диода до оси стержня. В нашем случае это 3мм/4мм = 0.75 радиан. А стало быть из всей энергии, излученной диодами, до стержня дойдет 0.75/3.1415 = 24%, т.е. 2.88 мДж. А сколько из дошедшей до стержня энергии останется в нем? Зависит от спектра. Для белых диодов, наверное, логично предположить, что поглотится порядка десяти процентов. Для диодов, которые светят точно в спектр поглощения кристалла, можно предположить, что поглотится 30..50%: 2.88 мДж*40%= 1.152 мДж. А дальше все просто: умножаем поглотившуюся энергию на отношение длин волн (накачки к генерации), например: 1.152 мДж*(590нм/1064нм) = 0.638 мДж — получаем энергию, запасенную на верхнем лазерном уровне. Здесь длина волны излучения светодиода была принята равной 590 нм (желтый LED). Полученную запасенную энергию введем в качестве исходных данных в калькулятор лазерного усиления который покажет нам, что в стержне YAG:Nd диаметром 3 мм усиление будет равно 1.04347, т.е. 4% на проход. Отсюда понятно, что если мы не обладаем выходным зеркалом с коэффициентом отражения больше 95%, то генерации нам не видать, как своих ушей. (Кто-то мог заметить, что если заднее зеркало отражает 100%, то на два прохода мы будем иметь 1.04^2 = 1.08, т.е. казалось бы минимально допустимый коэффициент отражения зеркала равен 92% а не 95%, однако этот кто-то вероятно мог забыть, что даже просветленные торцы стержня дают потери, а кроме того есть потери дифракционные, да и прозрачность лазерного стержня к своей длине волны тоже не идеальна. Все эти неидеальности, конечно, пренебрежимо малы, когда располагаемое усиление велико, но когда у Вас 4% на проход, дела обстоят, мягко выражаясь, «не очень».) Однако предположим, что через диоды можно пропустить ток, раз в 10 больше номинального (а выдержат ли?), а чтобы они не перегрелись, питать лазер импульсами большой скважности. Если теперь предположить, что светоотдача светодиода линейна по току (а так ли это на самом деле?) то запасенная в стержне энергия разом увеличится в 10 раз: от 0.638 мДж до 6.38 мДж. А это уже отвечает усилению в 1.53, т.е. 53% на проход, и лазер со светодиодной накачкой из чего-то маломощного и маловероятного, превращается в нечто вполне реалистичное. Только, вот сколько
Вот, собственно, на эти четыре вопроса я и пытаюсь дать ответ в этом веб-репорте. Закончится ли этот веб-репорт созданием лазера со светодиодной накачкой пока неясно даже мне. Однако, даже если дело и не закончится созданием «LEDpSSL», думаю, что в любом случае собранные данные о работе светодиодов в импульсных режимах будут интересны многим, а кому-то еще и пригодятся на практике. ЛИРИЧЕСКОЕ ОТСТУПЛЕНИЕ №1 О названиях.Прежде чем рассказывать о том, какие параметры измерялись и как, следовало бы остановиться на том, параметры чего именно измерялись. Любая мало-мальски серьезная работа по изучению параметров радиодеталей должна начинаться примерно так: «Исследовались транзисторы марки 2n2222 производства фирмы Phillips, партия такая-то, год выпуска такой-то. » Однако, тут-то нас и поджидает первая волчья яма. Все, что можно на эту тему сказать, звучит примерно так: «ИЗМЕРЯЛИСЬ ПАРАМЕТРЫ КИТАЙСКИХ СВЕТОДИОДОВ РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ЦВЕТОМ СВЕЧЕНИЯ И НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ.» Ни убавить ни прибавить. А все дело в том, что наши собратья из Поднебесной не утруждают себя тщательной каталогизацией продукции и выпускающих ее небольших фирмочек. На то имеются свои причины. Во-первых: если продукт раньше времени вышел из строя, его некуда возвращать. Во-вторых: если продукт нарушает чьи-то патенты, жаловаться не на кого. В третьих: фирмочек выпускающих и перепродающих светодиоды у них там действительно очень много. И отследить, от кого именно произросла та или иная партия, сложно даже для них. Да и смысла в этом немного: уровень производства у фирмочек примерно одинаковый, и большинство светодиодов имеет примерно одинаковые свойства. И так понятно, что если не откровенный брак, то все светодиоды светить будут. Одни чуть мощнее, другие чуть слабее. Цвет (спектр) у них будет примерно одинаковым, да и развалятся они примерно за одинаковое время. Так что конечного пользователя обычно не должно интересовать кем именно и когда именно произведен данный конкретный светодиод (ну, по крайней мере, они так считают). А приводит это к тому, что покупая светодиод даже у серьезных дистрибьютеров навроде Промэлектроники или Элитана, в каталоге (или в чеке, или в накладной) будет написано что-то типа: «LED белый, 1W, Китай.» Проблем с идентификацией светодиодов можно было бы избежать, если ориентироваться на «белую» продукцию «белых» фирм (Cree, OSRAM и т.п.). Их названия, как правило, хорошо известны. да и по характеристикам такие диоды, обычно, получше, чем «noname». Но в том-то и дело, что светодиодов для накачки лазера потребуется много, и Вас в первую очередь будут интересовать параметры дешевых «noname» диодов, нежели дорогих. Если бы цена Вас действительно не парила, вы бы и вовсе не заморачивались насчет лазера со светодиодной накачкой. Делали бы сразу с накачкой от лазерных диодов, как все «белые» люди во всем цивилизованном мире. Сделав это лирическое отступление можно с чистой совестью назвать объекты нашего внимания.
МОЩНОСТЬ В ПОСТОЯННОМ РЕЖИМЕИзлучаемая диодами мощность измерялась самодельным Пельтье калориметром. Излучающая часть диода устанавливалась вплотную к поверхности калориметра, но без физического контакта (воздушный зазор 0.2..0.5 мм). Поскольку рабочая площадка калориметра довольно велика (30х40мм) такая установка диода позволяла перехватывать почти все его излучение (угол охвата 158 х 162 градуса, что обычно больше, чем угол раскрыва диаграммы направленности светодиода). При измерениях диоды питались от двухтранзисторного стабилизатора тока, описанного здесь. Полученные результаты показаны в таблице №1. Не обольщайтесь количеством значащих цифр. Дрейф нуля Пельтье калориметра в условиях экспериментов был около 2 мВ, а именно он и дает основной вклад в погрешность. таблица №1. Результаты тестов LED на мощность излучения
Занятно, что кпд хотя бы некоторых диодов оказался довольно высок. Так например падение напряжения на глубоко красном (deep red, 730нм) диоде в рабочих режимах составляет около 2.4 Вольта. При токе 1.2 ампера это дает 2.9 Ватта подводимой мощности питания. А излучает диод при этом 0.86 Вт, что дает кпд 29%. И это при том, что перехвачен только свет, идущий в переднюю полусферу от диода. Излучение с обратной стороны кристалла лишь бесполезно греет подложку и корпус. Занятно и то, что 740-вые диоды, хотя и обозначены, как «3W» допустимый ток на упаковке указан в 700 мА. Падение напряжения указано там же на упаковке. Написано: «от 2 до 2.4 Вольта». Не знаю, как у Вас, но у меня при перемножении 0.7 Ампера, что на 2 Вольта, что на 2.4 Вольта, три ватта ну никак не получается. ПОГЛОЩЕНИЕ НЕОДИМОМ В ЛАЗЕРНОМ СТЕРЖНЕДаже имея очень много очень мощных светодиодов бессмысленно пытаться сделать на их основе лазер, если их излучение не поглощается лазерным стержнем. Как уже отмечено выше, в качестве лазерного стержня взят YAG:Nd, поскольку порог генерации для него самый низких сред. В нынешние времена такой стержень несложно купить на eb@y, aliехрress, 0z0n, amaz0n и других интернет торговых площадках — Были б деньги и желание. Полосы поглощения в рубине шире и интенсивнее, чем в YAG, поэтому подходящий по спектру LED для него подобрать проще. Но, к сожалению рубин не является достойной альтернативой. Дело в том, что рубин при комнатной температуре работает по трехуровневой схеме лазерной генерации, а это значит, что чтобы усиление в нем сравнялось с поглощением, нужно, чтобы ПОЛОВИНА всех содержащихся в стержне активных центров была в возбужденном состоянии. Даже для маленьких и тонких стержней накачать половину ионов означает вложить несколько джоулей в стержень, а, как мы видели из прикидок во введении, со светодиодами никаких джоулей не ожидается. Единицы миллиджоулей. В лучшем случае — десятки. Стекло с неодимом среда четырехуровневая, но она уступает алюмо-иттриевому гранату по всем параметрам, за исключением, быть может, цены. А в качестве активатора используется все тот же неодим. Неодим в YAG’е (да и в других средах) имеет 5 полос поглощения (См табл.2). Таблица №2. Оценочные характеристики полос накачки иона неодима (по данным [1])
Обратите внимание, что интенсивность поглощения в таблице указана в относительных единицах. Реальная величина поглощения будет зависеть от расстояния, которое свет проходит внутри лазерного материала (проще говоря — от диаметра стержня) и от концентрации ионов неодима. Поэтому сама по себе таблица еще не дает ответа на вопрос: «а какой процент излучения светодиодов поглотится в стержне?», но лишь позволяет ориентироваться в том, какие светодиоды использовать лучше, а какие вообще бессмысленно. На обе инфракрасные линии поглощения (880 нм и 808 нм) светодиодов в продаже не найдено. И это тем более странно, что линия 808 нм излюблена производителями лазерных диодов накачки для твердотельных лазеров. В литературе рекомендуют использовать диоды с центром линии излучения в 750 нм. Однако несмотря на заверения авторов статьи [2], что такие диоды доступны широко и стоят недорого, в продаже они тоже не обнаружились. Из близкого удалось найти лишь диоды на 730 и на 740 нм. Излучение таких диодов уже вполне хорошо видно невооруженным глазом, что и определило вид первого опыта: взять, да и посмотреть, насколько темнее выглядит включенный светодиод при рассматривании его сквозь лазерный стержень. Результат оказался несколько неожиданным: даже при рассматривании вдоль лазерного стержня длиной 100 мм субъективно не было замечено, чтобы свечение диода (3W 730nm) выглядело сколь-нибудь слабее. То же относится и к зеленым диодам. Единственный вид диодов, пригасание свечения которых при наблюдении сквозь стержень оказалось заметным визуально, это оранжево-желтые. После некоторого шока от полученного результата, было предположено, что неодим быстро выедает ту часть излучения, которая соответствует его пикам поглощения, а весь остальной свет путешествует по стержню почти беспрепятственно. Стало быть «на глаз» выводов не сделаешь. Надо мерить. Следующей была попытка «по тупому» засунуть стержень между светодиодом и калориметром и попытаться определить поглощение через разность показаний. Использовался стержень диаметром 3 мм. Результат: в пределах погрешностей измерений поглощения не обнаружено. Оно, в принципе, и понятно. Пусть даже поглощение в стержне есть 100%, но если стержень перехватывает лишь 10% света, идущего от светодиода, то и разность показаний со стержнем и без стержня не превысит 10%. А если, к тому же, 10% есть погрешность измерений, то, понятное дело, ничего вразумительного опыт не даст. В итоге изготовлена щелевая диафрагма на калориметр, позволяющая сделать так, чтобы свет, идущий мимо стержня, не вносил вклад в показания. Получающаяся схема измерений показана на следующем рисунке.
Модель для 3D печати диафрагмы на Пельтье элемент размерами 40х40 мм можно скачать по этой ссылке: Peltier_Slit.stl Полученные с диафрагмой результаты находятся в таблице 3: Таблица 3. Результаты измерений поглощения излучения светодиодов трехмиллиметровым стержнем YAG:Nd
Видно, что за счет применения диафрагмы полезный сигнал упал, и несмотря на то, что в этих измерениях дрейф нуля не превышал 0.5 mV относительная погрешность результата оказалась большой, и извлечь из него что-то полезное довольно трудно. Для сравнения можно сказать, что коэффициент Френелевского отражения на поверхности раздела воздух/алюмоиттриевый гранат равен 8..9%. Т.е. 16..18% на обе грани. А это значит, что если пользоваться пессимистическими оценками из доверительного интервала (см табл 3), то даже для диода на 730 нм поглощение, в общем-то, не обнаружено. Дабы снизить погрешность измерений и получить вразумительные оценки поглощения сделана попытка заменить Пельтье-калориметр на солнечную батарею. Однако датчик на основе солнечной батареи оказался существенно нелинейным и при измерениях в режиме фототока и в фотовольтаическом режиме. Причем где-то на самом начальном участке (единицы милливольт и микроампер) линейность, похоже, есть, но тут она ни в кассу, потому, как при столь малых сигналах погрешность окажется не лучше, чем с Пельтье. Заметим, что в (относительно) недавних опытах с довольно мощными лазерами линейность Пельтье калориметра была продемонстрирована аж до 30 Вт (см. напр. здесь). На барахолке найден фотодиод с довольно большой чувствительной областью. Вот его фото:
Маркировка на корпусе диода отсутствует, да и продавец его тип назвать, конечно-же, затруднился. В отличие от солнечной батареи фотодиод таки сподобился продемонстрировать хотя бы небольшую область линейности. В фотовольтаическом режиме область линейности найти не удалось, зато в режиме фототока данный фотодиод более менее линеен до токов в 1 мА. Для измерений фотодиод (как и Пельтье калориметр, как и солнечная батарейка) использовался совместно со щелевой диафрагмой. Общий вид датчика показан на следующем фото:
Результаты измерений, выполненных с фотодиодом в качестве датчика, даны в таблице 4. Таблица 4. Результаты измерений поглощения излучения светодиодов трехмиллиметровым стержнем YAG:Nd
В последнем столбце таблицы поглощение с учетом Френелевских потерь, но без учета поправки на люминесценцию самого стержня. Френелевские потери на одну грань рассчитывались следующим образом: Показатель преломления YAG:Nd 500nm : n(YAG, 500nm) = 1.8450 600nm : n(YAG, 600nm) = 1.83447 700nm : n(YAG, 700nm) = 1.8285 Френелевские потери F Поглощение считалось как: где Iо — фототок при облучении фотодиода светодиодом через диафрагму. Irod — то же, но когда между светодиодом и датчиком установлен стержень YAG:Nd. F — френелевские потери. Темновой ток фотодиода при измерениях был мал, и им пренебрегалось. Линейность фотодиода подтверждается тем, что для всех случаев (исключая зеленый светодиод) фототок при токе питания светодиода в 0.64 ампера был примерно вдвое больше фототока при токе питания светодиода в 0.32 ампера. Что до зеленого светодиода — он и сам не особо линеен для выбранных токов питания Несколько озадачивает, что поглощение для глубоко красного и желтого светодиодов получилось примерно одинаковым, хотя «на глаз» оно совершенно разное. Настораживает и явно завышенный результат поглощения для белого светодиода. Чтобы это «на глаз» превратить в нечто зримое, были сделаны фотографии люминесценции стержня под действием излучения светодиодов разного света. Снимки делались Фотокамерой Nikon Coolpix 4600 через сфетофильтр из стекла HWB850.
Фотография люминесценции стержня YAG:Nd под действием излучения светодиода с желтым цветом свечения.
Фотография люминесценции стержня YAG:Nd под действием излучения светодиода центром линии излучения вблизи 730нм.
Фотография люминесценции стержня YAG:Nd под действием излучения светодиода белого цвета свечения (теплый белый). Видно, что в стержне, подсвеченном желтым светодиодом люминесцирует короткий участок вблизи подсвеченного торца. При подсветке глубоко красным диодом (730 нм) люминесцирует довольно длинный участок стержня, что свидетельствует о меньшем поглощении. Излучение белого светодиода поглощается еще слабее. РАЗГОН В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕСледующий вопрос, на который необходимо ответить, это «какую максимальную энергию светодиод может высветить за 250 мкс?» Напомню, что 250 мкс — это время жизни верхнего лазерного уровня в YAG:Nd. Если длительность импульса свечения светодиода меньше 250 мкс, для накачки стержня становится важна только полная, выданная светодиодом за импульс, энергия света. Мощность не важна абсолютно. Напротив, если длительность импульса свечения светодиода много больше 250 мкс, то для накачки стержня становится важна мощность излучения, а полная энергия в импульсе становится неважной. (На самом деле и тут и там важна энергия, которую удается излучить за время жизни верхнего лазерного уровня, но во втором случае эта энергия прямо пропорциональна излучаемой мощности). Из сказанного понятно, что для данной конкретной задачи нет смысла питать светодиод килоамперными импульсами наносекундной длительности. Был собран генератор импульсов тока длительностью 250 мкс. Схема его приведена на следующем рисунке.
На самом деле схема, конечно же, не батарейная. Сигнальная часть схемы (та, что на 555-м чипе) питается от понижающего сетевого блочка питания (на схеме обозначен, как батарейка слева), а силовая часть схемы (та, что на IRFP460) питается от ЛАТРа с выпрямителем. Контур L1C3 настроен на основную частоту, соответствующую длительности импульса в 250 мкс. Контур L2C4 — на третью гармонику. Когда работает только контур L1C3 ток через светодиод имеет вид колоколо-образного импульса (половина синусоиды). Когда подключается контур L2C4 вершина импульса становится плоской (или даже с провалом, в зависимости от величины C4), а сам импульс становится ближе по форме к прямоугольному. При настройке схемы следует подобрать величину индуктивности L2 так, чтобы провал от осцилляций в контуре L2C4 сидел точно на вершине импульса, даваемого контуром L1C3. Если это условие не выполнено, подключение контура L2C4 может не улучшить, а ухудшить форму импульса. Когда импеданс (величина равная sqrt(L/C)) контура L1C3 больше сопротивления светодиода (точнее больше величины падения напряжения на светодиоде, отнесенной к величине тока через светодиод) схема работает как стабилизатор тока в светодиоде. Контроль тока через светодиод осуществляется путем подключения осциллографа к выводам резистора Rcurrent_sense. Изменяя величину зарядного напряжения C3 можно регулировать ток через диод. При насыщении ферритовых сердечников катушек L1 L2 форма импульса может искажаться, поэтому чем больший ток Вы желаете получить от этого драйвера, тем большего сечения ферриты следует выбирать. Импульсная выходная мощность светодиода регистрировалась датчиком на основе фотодиода BPW-34, нагруженного на сопротивление 300 Ом. Такой датчик прост по конструкции и, в то же время, более менее линеен, и дает достаточный для измерений сигнал. Область линейности датчика простирается до 1.1 Вольта. Если выходной сигнал превышал это значение фотодиод приходилось относить от светодиода подальше, а затем «сшивать» результаты измерений. Таблица 5. Результаты измерения излучаемой мощности светодиодов в зависимости от тока питания в импульсном режиме.
Приведенные в таблице 5 значения показаний датчика являются натуральными только до 1.1 В. Значения выше 1.1В восстановлены путем деления реальных показаний на коэффициент ослабления. Понятно, что показания не соответствуют реальной мощности. Однако, если путем ослабления сигнала мне удалось удержать линейность датчика, то полученные данные позволяют судить о том, насколько импульсная мощность светодиода на повышенном токе больше, чем мощность того же светодиода на номинальном токе. Мощности излучения светодиодов на номинальном токе были уже измерены ранее (см табл 1). Таким образом, чтобы узнать до какой мощности удается разогнать светодиод, нужно взять из таблицы 5 показания датчика для какого-либо из значений тока из таблицы 1 (проще всего для 0.64 ампера). Если в таблице 5 отсутствуют данные для выбранного тока, их надо получить путем экстраполяции или интерполяции. ПРИМЕР : экстраполированное к току 0.64 ампера значение для желтого светодиода будет Из таблицы 5 получаем, что максимально достигнутые показания датчика 2.6 Вольта. Т.е. достигнута мощность в 1.144 Вт. Эту процедуру надо проводить независимо для каждого из диодов, поскольку при измерениях разные диоды находились на разных расстояниях от датчика, т.е. значения показаний датчика (в милливольтах) для разных диодов не сравнимы между собой. Тип LED Достигнуто Желтый 1 Вт : 1.144 W зеленый 1 Вт: 2.02 W белый 1 Вт : 2.39 W 730нм 3 Вт : 2.17 W 740нм 3 Вт : 4.9 W Cree 10 Вт : 5.2 W 20.04.2021Итак получили, что белый Cree и трехваттный SMD 740nm могут быть в импульсе разогнаны до излучаемых мощностей свыше 4 Вт. В принципе этой информации совместно с величинами поглощения в стержне YAG:Nd должно хватать для расчета количества светодиодов, необходимого для лазера. Однако настораживает большое расхождение между величинами поглощения, оцененными с помощью Пельтье калориметра и величинами полученными с помощью фотодиода. Такое ощущение, что измерения по Пельтье занижают результат, а по фотодиоду — завышают. С чем это может быть связано? Ну, во-первых, при измерениях мы предполагаем, что энергия света светодиода, поглощенная в стержне, в стержне и остается, и не дает вклада в показания калориметра. На самом деле это не так. Будучи лазерной средой с хорошим квантовым выходом люминесценции, YAG:Nd является хорошим переизлучателем поглощенной энергии обратно в окружающее пространство. А поскольку, в отличие от кремниевого фотодиода, чувствительность калориметра слабо зависит от длины волны, излученный стержнем свет вполне может давать вклад в показания. Впрочем, этот вклад можно попытаться оценить из теоретических измышлений:
ПРОЩЕ ГОВОРЯ ПОГЛОЩЕНИЕ, ПОПРАВЛЕННОЕ НА ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ, РАВНО НЕПОПРАВЛЕННОМУ, ДОМНОЖЕННОМУ НА 1.39 Вот и вся поправка. Кстати говоря для желтого домножать надо не на 1.39 а на 1.29 а для зеленого на 1.25 Как видим, даже будучи поправленными на люминесценцию, значения, полученные по калориметру (таблица 3) изрядно не дотягивают до значений, полученных с фотодиодом (таблица 4). Для фотодиода результат домножать на поправку на люминесценцию не следует, поскольку чувствительность кремниевых фотодиодов вблизи 1064 нм на один-два порядка ниже чувствительности к излучению накачки. Объяснить занижение измеряемого при помощи калориметра значения поглощения люминесценцией не удалось. Что там может быть еще? Возможно, что тепло, выделяемое в стержне при поглощении излучения попросту не может выйти из-под коробочки со щелевой диафрагмой, и ему приходится выходить оттуда через поверхность Пельтье-элемента. В таком случае, сколько бы стержень ни поглощал, все подведенное светом накачки тепло в любом случае будет зарегистрировано калориметром. После этого предположения в корпус щелевой диафрагмы были добавлены вентиляционные отверстия. Это не помогло. Результат по прежнему заниженный. Тем не менее, в процессе измерений было замечено, что в первые 30 секунд измерения поглощение, вроде бы существенно, но по мере ожидания показания калориметра со вставленным стержнем начинают приближаться к показаниям без стержня. Температура тела (в данном случае поверхности калориметра), нагреваемого постоянным притоком мощности и имеющего сток тепла в виде постоянного теплового сопротивления может быть представлена в виде: T(t) = To*[1-exp(-t/tauT)], где To — постоянная температура (вообще говоря равная отношению притока тепла к тепловому сопротивлению оттока), tauT — температурная постоянная времени, зависящая от теплоемкости тела и от теплового сопротивления стока, t — момент времени (в который производятся Т.е. если нас интересует не абсолютная величина, а отношение величин, то совершенно необязательно ждать устоявшихся показаний калориметра. Достаточно оба отсчета (со стержнем и без) выполнить через один и тот же интервал времени, после включения светодиода. А это значит, не нужно дожидаться, когда стержень или светодиод основательно прогреются, и в дело вступят какие-нибудь неучтенные факторы, искажающие результат. Для SMD диода на 3W и 740 нм попытка выполнить измерения таким способом была сделана. Показания калориметра со стержнем и без стержня снимались на 30-й секунде после включения светодиода. Перед включением светодиода выжидалось, чтобы показания калориметра релаксировали до величины не более 0.5 мВ. Вот что получилось: Таблица 6. Результаты измерения поглощения излучения LED 3W 740 nm Пельтье калориметром по способу с укороченным временем измерения. В предпоследнем столбце — величина поглощения, вычисленная как ранее (с поправкой на Френелевские потери). В последнем столбце — величина поглощения дополнительно поправленная на люминесценцию (см. выше в тексте.)
Соглашусь, что приведенные выше измышления напоминают попытку «натянуть результат за уши.» С другой стороны они хотя бы выглядят вполне логично и позволяют до некоторой степени «свести концы с концами». С третьей стороны мне привычнее больше доверять показаниям калориметра, чем какого-то там фотодиода. Поэтому с моей собственной точки зрения, значения, приведенные в таблице 6 наименее ненадежны из всех результатов измерения поглощения. Теперь, когда поглощение в стержне более-менее как-то известно, можно вычислить, а сколько же диодов надо для лазера. Как и ранее предположим, что стержень имеет диаметр 3 мм (делать такой лазер на более крупном стержне — это откровенно нарываться, что гора в очередной раз породит мышь). Предположим, хотим, чтобы усиление было 1.5 на проход. Пользуясь калькулятором усиления узнаем, что запасенная на верхнем лазерном уровне энергия должна быть не менее 6.08 мДж. Требуемая поглощенная энергия накачки тогда: 6.08*1064/740 = 8.74 мДж. Поделив эту величину на поглощение в стержне получим требуемую энергию, дошедшую до поверхности стержня: 8.74 мДж/0.32 = 27.32 мДж. Угловой размер стержня при наблюдении из центра кристалла светодиода, когда стержень касается купола SMD LED, Равен около 80 градусов. Ширина раскрыва диаграммы направленности светодиода (по данным продавца) 146 градусов. Таким образом коэффициент доставки: 80/146 = 54% Стало быть, чтобы до поверхности стержня дошло 27.32 мДж, необходимо, чтобы диоды излучили 27.32/0.54 = 50.6 мДж в свете. Поскольку длительность импульса 250 мкс это соответствует мощности в 50.6e-3/250e-6 = 202 Вт. Закладывая так называемый «зазор безопасности» и считая, что более менее надежно каждый диод может излучить 4 Вт, получим что для накачки лазера нужно не менее 50.6 шт диодов. Считая, что «запас карман не тяготит» и с учетом того, что данные диоды продаются на ali партиями по 20 шт, «округлим» количество до 60 шт. Следующий вопрос: удастся ли разместить 60 светодиодов вплотную к стержню. Чисто геометрически ответ: ДА. Например, в виде 5 линеек по 12 диодов в каждой. Поперечный размер диода 3.5 мм, так что в длину такая сборка может быть 42 мм. Для проверки была сделана печатная плата. Шаблон для лута вот:
И на эту плату с помощью припоя ПОС-60, электроплитки и Божьей матери были напаяны 12 шт диодов. Вот что получилось:
Полная длина сборки получилась 50 мм, длина светящей части 42 мм. Неровность напайки — есть надежда, что мимо стержня не промажет. По видимому, вокруг стержня разместить 60 диодов действительно удастся. Стало быть надо пробовать собрать лазер. Диоды заказаны. Ждем. Через месяц-два, когда они придут, ждите результатов проб на лазерную генерацию.
Источник | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
