Из чего можно сделать лазерный резак по металлу. Как сделать лазерный резак своими руками

Каждый из нас держал в руках лазерную указку. Несмотря на декоративность применения, в ней находится самый настоящий лазер, собранный на основе полупроводникового диода. Такие же элементы устанавливаются на лазерных уровнях и .

Следующее популярное изделие, собранное на полупроводнике – записывающий DVD привод вашего компьютера. В нем установлен более мощный лазерный диод, обладающей термической разрушительной силой.

Это позволяет прожигать слой диска, нанося на него дорожки с цифровой информацией.

Как работает полупроводниковый лазер?

Устройства подобного типа недорогие в производстве, конструкция достаточно массовая. Принцип лазерных (полупроводниковых) диодов основан на использовании классического p-n перехода. Работает такой переход, как и в обычных светодиодах.

Разница в организации излучения: светодиоды излучают «спонтанно», а лазерные диоды «вынужденно».

Общий принцип формирования так называемой «заселенности» квантового излучения выполняется без зеркал. Края кристалла скалываются механическим путем, обеспечивая эффект преломления на торцах, сродни зеркальной поверхности.

Для получения различного типа излучения может использоваться «гомопереход», когда оба полупроводника одинаковые, или «гетеропереход», с разными материалами перехода.


Собственно лазерный диод является доступной радиодеталью. Его можно купить в магазинах, торгующих радиодеталями, а можно извлечь из старого привода DVD-R (DVD-RW).

Важно! Даже простой лазер, используемый в световых указках, может серьезно повредить сетчатку глаза.

Более мощные установки, с прожигающим лучом, могут лишить зрения или нанести ожоги кожного покрова. Поэтому при работе с подобными устройствами, соблюдайте предельную осторожность.

Имея в распоряжении такой диод, вы сможете легко изготовить мощный лазер своими руками. Фактически, изделие может быть вовсе бесплатным, или обойдется вам за смешные деньги.

Лазер своими руками из ДВД привода

Для начала, необходимо раздобыть сам привод. Его можно снять со старого компьютера или приобрести на барахолке за символическую стоимость.

В этой статье речь пойдет о том, как сделать мощный лазер из DVD привода. Но для начала немного теории.

Что такое лазер?

Лазер - это источник света со свойствами, резко отличающимися от всех других источников (ламп накаливания, люминесцентных ламп, пламени, естественных светил и так далее). Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч движется очень узким пучком с малой степенью расходимости (он достигает луны с фокусировкой в сотни метров). Лазерный луч обладает большой теплотой и может пробивать отверстие в любом материале. Световая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых сильных источников света.

Теперь приступим к практике. Для сборки лазера нам понадобится:

1. Паяльник и прочие инструменты
2. Пишущий DVD или CD привод. (с DVD будет больше мощность)

Чтобы определить пишущий привод или нет, нужно посмотреть на его название, которое находиться на верхней крышке, на наклейке. Если написано DVD-RW или CD-RW, то у вас пишущий дисковод, если написано DVD-R или CD-R, дисковод только для чтения.

Аккуратно разбираем дисковод и находим в нем то что нам нужно, а именно лазерную головку. Она находится на подвижной каретке. На фото выделено красным.

Чтобы достать лазерную головку, нам нужно снять каретку. Для этого открутите два болта, которые на фото отмечены стрелками.

После снятия каретки, нужно у лазерной головки спаять ножки вместе, чтобы она не сгорела от статического электричества. Я замкнул их куском тонкой медной проволоки.

Схема подключения ЛД

Напрямую к питанию лазерный излучатель подключать нельзя, так как ему нужен постоянный стабилизированный ток. Для этого соберем небольшую схему на стабилизаторе LM317. Вот сама схема:

Сопротивление можно использовать в приделах от 6,2 до 6,8 Ом. На лазерную головку не желательно подавать ток выше 250 мА, так что, если будете применять сопротивление в этом диапазоне, всё будет в порядке. Если не можете найти нужное сопротивление, используйте несколько резисторов, соединенных последовательно или же параллельно. Минусовой вывод лазера подключается напрямую к минусу питания, а плюсовой вывод через эту схему. Мощность лазерного диода составляет 260-270 мВ, то есть желательно применить дополнительный радиатор.

Напряжение питания - 3.7 В, например, можно питать от литиевого аккумулятора от телефона.

Теперь, если вы включите схему, вы увидите, что лазерный диод просто светится как обычный светодиод. Его нужно сфокусировать. Для этого вернемся к остаткам дисковода. Нам нужно извлечь линзу.

Также если у вас есть китайская лазерная указка, вы можете взять оптику из неё. Я так и сделал. Вот что получилось в итоге.

Слово "лазер" или «laser» является аббревиатурой от “light amplification by stimulated emission of radiation.” На русском: - «усиление света посредством вынужденного излучения», или оптический квантовый генератор. Первый лазер, в котором в качестве резонатора применили покрытый серебром рубиновый цилиндр, был разработан в 1960 году «Hughes Research Laboratories», Калифорния. .Сегодня лазеры используются для различных целей, начиная от измерения различных величин до чтения кодированных данных. Существует несколько способов сделать лазер, в зависимости от вашего бюджета и навыков.

Шаги

Часть 1

Для работы лазера необходим источник энергии. Лазеры работают путем возбуждения электронов активной среды лазера внешним источником энергии и стимулирования их к излучению света определенной длины волны. Этот процесс был впервые предложен в 1917 году Альбертом Эйнштейном. Для того чтобы электроны (в атомах активной среды лазера) излучали свет, они должны сначала поглотить энергию перейдя на более высокую орбиту, а затем отдать эту энергию в виде частицы света при возвращении на исходную орбиту. Такой способ ввода энергии в активную среду лазера, называют "накачкой".”

Канальное прохождение энергии через активную (усиливающую) среду. Усиливающая среда или активная лазерная среда увеличивает силу света за счет индуцированного (вынужденного) излучения выделяемого электронами. Усиливающей средой может быть любая структура или вещество из перечисленных ниже:

Установка зеркал для удерживания света внутри лазера. Зеркала, или резонаторы, удерживают свет в пределах рабочей камеры лазера, пока не накопится желаемый уровень энергии для излучения через маленькое отверстие в одном из зеркал или через линзу.

• Простейший резонатор или «линейный резонатор» использует два зеркала, размещенных на противоположных сторонах рабочей камеры лазера генерирующий один выходной луч.
• Более сложный «кольцевой резонатор» использует три или более зеркала. Он может генерировать несколько лучей или один луч с помощью оптического изолятора.

1. Применение фокусирующей линзы для направления света через усиливающую среду. Наряду с зеркалами, линза помогает сконцентрировать и направить свет так, что бы усилительная среда получит как можно больше света.

   Часть 2

   Построение Лазера

   Метод первый: Создание лазера из комплекта

   1. Покупка. Можно купить в магазине электроники или купить через интернет "лазерный комплект", "лазерный набор", "лазерный модуль» или «лазерный диод". Лазерный комплект должен включать в себя следующее:

      • Схема драйвера. Иногда продается отдельно от других компонентов. Подберите схему драйвера которая позволит регулировать ток.
      • Лазерный диод.
      • Регулирующая линза может быть из стекла или пластика. Как правило, диод и линза собраны вместе в небольшой трубке. Эти компоненты иногда продаваться отдельно без драйвера.

   2. Сборка схемы драйвера. Многие лазерные наборы продаются с несобранным драйвером. Эти наборы включают в себя печатную плату и соответствующие детали, а вам предстоит спаять их, следуя прилагаемой схеме. Некоторые наборы могут иметь драйвер в собранном виде.

      Подключите блок управления к лазерному диоду. Если у вас есть цифровой мультиметр, вы сможете включить его в цепь диода для контроля тока. Большинство лазерных диодов имеют ток находящийся в диапазоне от 30 до 250 миллиампер (мА). Диапазон тока от 100 до 150 мА даст достаточно мощный луч.

      • Можно дать и более мощный ток на лазерный диод, чтобы получить более мощный луч, но дополнительный ток сократит срок службы или даже сожжет диод.

   3. Подключите источник питания или аккумулятор к схеме драйвера. Лазерный диод должен ярко светиться.

   4. Вращая линзу сфокусируйте лазерный луч. Направьте его на стену и фокусируйте, пока не появится хорошая, яркая точка.

      • После того как вы отрегулировали линзу таким образом, поместите спичку на линию луча и вращайте линзу пока не увидите, что спичечная головка начнет дымить. Можно также попробовать лопать воздушные шары или прожечь отверстия в бумаге.

   Метод второй: Построение лазера на диоде из старого DVD или Blu-Ray привода

   1. Возьмите старый DVD или Blu-Ray пишущий плеер или привод. Выбирайте устройства со скоростью записи 16x или быстрее. Эти устройства имеют лазерные диоды с выходной мощностью 150мВт или больше.

      • DVD привод имеет красный лазерный диод с длиной волны 650нм.
      • Blu-Ray привод имеет синий лазерный диод с длиной волны 405нм.
      • DVD привод должен быть достаточно в хорошем состоянии, чтобы записывать диски, хотя и не обязательно успешно. Другими словами, его диод должен быть исправным.
      • Не стоит пытаться использовать читающий DVD, читающий и пишущий CD вместо пишущего DVD. Читающий DVD имеет красный диод, но не такой мощный, как в пишущем DVD. Лазерный диод в пишущем CD достаточно мощный, но излучает свет в инфракрасном диапазоне, и вы получите луч, который не виден глазу

   2. Извлечение лазерного диода из привода. Переверните привод нижней частью вверх. Вы увидите винты, которые придется открутить, прежде чем вы сможете отделить механизм привода и вытянуть диод.

      • После того как вы разберете привод, вы увидите пару металлических направляющих удерживаемых на месте с помощью винтов. Они поддерживают лазерный комплект. Отвинтите направляющие для того чтобы их удалить. Извлеките лазерный комплект.
      • Лазерный диод по размеру меньше, чем копейка. Он имеет три металлических контакта в виде ножек. Может быть помещен в металлическую оболочку с защитным прозрачным окном или без окна, а может быть ничем не закрыт.
      • Вам предстоит, вытянуть диод из лазерной головки. Возможно, будет легче если сначала снять теплоотвод со сборки, прежде чем пытаться извлечь диод. Если у вас есть антистатический браслет, используйте его во время удаления диода.
      • Обращайтесь с лазерным диодом осторожно, тем более, если это незащищенный диод. Если у вас есть антистатический контейнер, поместите диод в него, пока вы не начнете собирать лазер.

   3. Приготовьте фокусирующую линзу. Вам придется пропустить луч от диода через фокусирующую линзу, чтобы использовать его в качестве лазера. Вы можете сделать это одним из двух способов:

      • Использование увеличительного стекла как фокусирующей линзы. Вращайте линзу так чтобы найти нужное место для получения сфокусированного лазерного луча. При необходимости это придется делать каждый раз перед использованием лазера.
      • Купите маломощный лазерный диод, например 5мВт в сборе с линзой и трубкой. Затем замените его на лазерный диод от пишущего DVD.

Порой из хранящихся дома ненужных вещей можно смастерить что-то действительно невероятное и полезное. У вас дома завалялся старый DVD-RW (пишущий) привод? Мы подскажем вам, как сделать мощный лазер в домашних условиях, позаимствовав элементы из него.

Техника безопасности

Устройство, которое мы в итоге получим, - это не безобидная игрушка! Перед тем, как сделать лазер, позаботьтесь о своей безопасности: попадание луча в глаза губительно для сетчатки, особенно если изобретение мощное. Поэтому советуем вам производить все работы в специальных защитных очках, которые спасут ваше зрение, если что-то пойдет не так, и вы случайно направите луч лазера себе или товарищу в глаза.

Используя лазер в дальнейшем, помните о простой технике безопасности:

• Не направляйте лазерный луч на легковоспламеняющиеся или взрывоопасные предметы.
• Не светите в светоотражающие поверхности (стекла, зеркала).
• Даже пущенный с расстояния до 100 м луч лазера представляет опасность для сетчатки глаза человека и животных.

Работа с лазерным модулем

Главное, что нам нужно, - это пишущий привод. Заметьте, чем выше у него скорость записи, тем мощнее будет наш лазер из DVD. Само собой разумеется, что после извлечения лазерного модуля техника станет нерабочей, поэтому разбирайте только такое устройство, которое вам уже больше не понадобится.

А теперь начинаем:

Первая часть нашей работы позади. Переходим к следующему важному этапу.

Сборка схемы устройства

Схема нужна нам для того, чтобы контролировать мощность нашего устройства. В ином случае оно просто сгорит в первое же применение. Чертеж для лазера вы увидите далее.

Для нашего устройства вполне себе подойдет навесной монтаж. А теперь перейдем к обеспечению электропитанием изготовленного своими руками лазера.

Электропитание устройства

Минимально нам будет необходимо 3,7 В. Обеспечить это могут старые батареи от мобильных телефонов, пальчиковые батарейки. Необходимо только соединить их параллельно между собой. Для проверки работы устройства или стационарной лазерной указки подойдет стабилизационный блок питания.

На этом этапе уже можно протестировать работу устройства. Направьте его на стену, пол и включите питание. Вы должны увидеть пучок яркого красноватого цвета. В темноте выглядит как мощный инфракрасный фонарик.

Вы видите, что пока свечение далеко от лазерного: луч слишком широкий; он так и просит, чтобы его сфокусировали. Этим мы и займемся дальше.

Линза для фокусировки лазерного луча

Чтобы отрегулировать фокусное расстояние, можно обойтись позаимствованной у того же DVD-RW привода линзой.

Теперь снова подсоедините к питанию устройство, направив его свет на какую-либо поверхность уже через эту линзу. Получилось? Тогда переходим уже к заключительному этапу работы - помещению всех элементов в жесткий корпус.

Изготовление корпуса

Многие, советуя, как сделать лазер, говорят, что модуль проще всего поместить в корпус от маленького фонарика или китайской лазер-указки. Где, кстати, уже и есть линза. Но давайте разберем ситуацию, если ни того, ни другого у вас под рукой не оказалось.

Как вариант - поместить элементы в алюминиевый профиль. Он легко распиливается ножовкой, моделируется плоскогубцами. Сюда же можно присовокупить маленькую пальчиковую батарейку. Как это сделать, вас сориентирует фото ниже.

Обязательно заизолируйте все контакты. Следующим этапом идет закрепление в корпусе линзы. Крепить ее проще всего на пластилин - так вы сможете отрегулировать наиболее удачное положение. В некоторых случаях достигается лучший эффект, если вы перевернете линзу к лазерному диоду выпуклой стороной.

Включите лазер и отрегулируйте четкость луча. Как только вы добьетесь удовлетворительных результатов, зафиксируйте линзу в корпусе. Закройте затем его целиком, например, плотно замотав изолентой.

Как сделать лазер: альтернативный способ

Предложим вам еще один, несколько отличный способ изготовления самодельного мощного лазера. Вам будет нужно следующее:

• DVD-RW привод со скоростью записи 16х и более.
• Три пальчиковые батарейки.
• Конденсаторы 100 мФ и 100 пФ.
• Резистор от 2 до 5 Ом.
• Провода.
• Паяльник.
• Лазерная указка (или любой другой коллиматор - так называется модуль с линзой).
• Светодиодный стальной фонарь.

Теперь посмотрим, как изготовить лазер по этому методу:

1. Уже описанным способом извлеките из привода лазерный модуль, находящийся в каретке устройства. Не забывайте уберечь его от статического напряжения, обмотав выходы тонкой проволокой либо надев антистатический браслет.
2. По приведенной выше схеме произведите спайку драйвера - платы, которая будет выводить нашу самоделку на нужную мощность. Большое внимание уделите соблюдению полярности, чтобы не испортить чувствительный к этому лазерный диод.
3. На этом этапе мы будем проверять работоспособность только что собранного драйвера. Если лазерный модуль от модели со скоростью 16х, то для него вполне хватит силы тока в 300-350 мА. Если выше (до 22х), то остановитесь на 500 мА.
4. После того, как вы убедились в пригодности драйвера, его нужно поместить в корпус. Это может быть как основа от китайской лазерной указки с уже вмонтированной линзой, так и более подходящий по размерам корпус от светодиодного фонарика.

Тестирование лазера

А вот и то, ради чего вы интересовались тем, как сделать лазер. Переходим к практическому тестированию устройства. Ни в коем случае не проводите его дома - только на улице, вдали от пожаро- и взрывоопасных предметов, построек, сухостоя, куч мусора и т. д. Для опытов нам понадобится бумага, пластик, та же изолента, фанера.

Итак, начинаем:

• Расположите на асфальте, камне, кирпиче лист бумаги. Наведите на него уже хорошо сфокусированный луч лазера. Вы увидите, что через некоторое время листок начнет дымиться, а затем и вовсе загорится.
• Теперь перейдем к пластику - от воздействия лазерного луча он также начнет дымиться. Не советуем долго проводить такие опыты: продукты горения данного материала очень токсичны.
• Самый интересный опыт - с фанерой, плоской дощечкой. Сфокусированным лазером на ней можно выжечь определенную надпись, рисунок.

Домашний лазер - это, безусловно, тонкая работа и капризное изобретение. Поэтому вполне возможно, что ваша поделка скоро выйдет из строя, так для нее важны определенные условия хранения и эксплуатации, которые нельзя обеспечить дома. Мощнейшие же лазеры, с легкостью разрезающие металл, можно получить только в специализированных лабораториях, для любителей они, естественно, недоступны. Однако и обычное устройство очень опасно - направленное с большого расстояния в глаза человеку или животному, вблизи - на легковоспламеняющийся предмет.

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.