Лазер на азоте своими руками

Добавил пользователь Валентин П.
Обновлено: 05.10.2024

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!

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.

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.

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.

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!

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:

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.

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

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Большинство людей представляют лазер как компактное устройство в виде рубиновых или гранатовых стержней, газовых трубок или полупроводниковых кристаллов, с зеркалами, играющими роль резонаторов, и мощными лампами накачки. Группа ученых Российского квантового центра пытается обойтись без всего этого, создав лазер прямо в атмосфере.

Лазеры давно стали привычной частью нашей жизни, и сейчас вряд ли можно найти современного человека, который не видел его или не держал в руках. На производстве лазер режет листы различных материалов, дома считывает музыку с дисков, а на улице контролирует скорость. Автомобили оснащаются лидарами (лазерными радарами), которые неутомимо ощупывают окружающую обстановку в поисках велосипедистов, пешеходов и других автомобилей, предотвращая столкновения. Лазеры используются и для изучения атмосферы, в частности, на предмет наличия в ней различных загрязнений. Когерентное узкополосное и узконаправленное излучение лазера делает его удобным инструментом для дистанционного (на расстоянии в десятки метров) обнаружения различных опасных химических веществ. Подобные приборы на основе лидаров нужны для контроля обстановки на различных потенциально опасных промышленных объектах, для мониторинга последствий различных техногенных катастроф или в случае террористических атак.

Лазерная система, созданная в Российском квантовом центре, генерирует мощные (более 300 ГВт) сверхкороткие импульсы длительностью менее 100 фемтосекунд энергией свыше 30 мДж на длине волны около 4 мкм. В этом диапазоне длин волн такие мощные сверхкороткие импульсы электромагнитного излучения получены впервые. Они создают в воздухе при атмосферном давлении плазменный филамент, который может служить активной средой лазера. Для дополнительного подогрева этой активной среды можно использовать другой лазер или СВЧ-излучение. Тогда, если филамент будет достаточно протяженным, в нем возникнет инверсная населенность и начнется генерация когерентного лазерного излучения — в том числе в направлении, обратном направлению основного импульса.

Лидары

Правда, лидарные приборы для изучения атмосферы имеют серьезный недостаток. Дело в том, что когерентное лазерное излучение может рассеиваться в обратном направлении только на кристаллической решетке (в твердых телах). А в газах этот процесс невозможен, поскольку запрещен законом сохранения импульса. Обойти это фундаментальное ограничение невозможно, поэтому лидарный мониторинг анализирует рассеянный в обратном направлении некогерентный сигнал, несущий столь малую часть энергии первоначального импульса, что этот метод плохо работает днем (а в ясную солнечную погоду может не работать вовсе), так как полезный сигнал слишком слаб на фоне шума.

Для лазерных экспериментов необходимы прецизионная оптика и приборы, чрезвычайно чувствительные к внешним воздействиям. Поэтому к лабораториям предъявляются повышенные требования в отношении защиты от пыли и вибраций, а также стабильности температуры и влажности. Установка собрана на стальном оптическом столе, который опирается на активные виброгасящие пневматические цилиндры. Вездесущая пыль задерживается специальной системой вентиляции. Пылинки, все же проникающие в лабораторию, тут же удаляются тщательно отрегулированными воздушными потоками. А во время экспериментов установки закрывают кожухами, чтобы еще более снизить влияние пыли на результаты измерений.

Без зеркал

В 1980-х годах ученые в шведском Университете Лунда, изучая процессы горения в двигателях внутреннего сгорания, решили использовать для мониторинга быстро происходящих химических реакций лазерное излучение. К своему удивлению, они обнаружили сильный направленный паразитный сигнал в обратном направлении.

Эксперименты продолжили исследователи Принстонского университета и Техасского университета A&M в 2011 году. Используя титан-сапфировый лазер с импульсами в 100 пикосекунд с длиной волны 226 нм, ученые получили в ответ обратный когерентный лазерный сигнал с длиной волны 845 нм. Активной средой в данном случае выступал кислород, причем накачка происходила довольно экзотически: сначала молекула кислорода, поглощая сразу два фотона, диссоциировала на атомы, а затем атомы возбуждались в результате еще одного двухфотонного поглощения.

Энергия накачки переводит атомы среды с основного уровня E1 в возбужденное состояние E3. С этого уровня атомы активной среды довольно быстро безызлучательно (отдавая энергию кристаллической решетке) переходят на метастабильный уровень E2, где они могут находиться существенно (на несколько порядков) дольше. Возникает момент, когда атомов с большей энергией E2 становится больше, чем атомов с меньшей E1. Такая ситуация с противоречащим классической термодинамике распределением атомов по энергиям называется инверсной населенностью. Именно инверсная населенность и делает возможным процесс лазерной генерации — излучательный переход атомов с метастабильного уровня на основной, индуцированный излучением под воздействием случайных фотонов.

Прожигая дорогу

В обзоре будет краткая информация по лазерным станкам, СО2 трубкам, дополнительному оборудованию и запчастям для сборки станка, схемы подключения и так далее. Внимание: много фотографий.

Привет всем читателям Mysku!

Хочу познакомить вас со специфическим оборудованием, предназначенным для сборки (или ремонта) лазерного режущего/гравирующего станка. Все наверняка слышали про лазерную резку и услуги раскроя лазером. Как правило, эти услуги оказываются на промышленных станках с мощным лазером. СО2 лазер – это один из самых дешевых вариантов, имеет низкую удельную стоимость ватта излучения. Распространенные СО2 трубки имеют мощность от 40W до 100W. Внутри смесь газов на основе СО2 и контур жидкостного охлаждения. Питается лазер от высоковольтного источника напряжения примерно 20…40кВ, в зависимости от мощности. Также от мощности лазера зависят размеры трубки: чем мощнее, тем длиннее трубка, ну еще и диаметр увеличивается.
Сам станок представляет собой станину с механикой по XY, привод по Z в бюджетных моделях отсутствует (там регулировка осуществляется исключительно фокусировкой лазерного пучка на нужную высоту). Работа осуществляется под управлением специальными контроллерами из программы на компьютере.

Основа любого подобного станка – это СО2 трубка. Есть и другие виды лазеров (твердотельные, волоконные), сейчас я их рассматривать не буду, так как СО2 все-таки до сих пор является наиболее дешевым источником лазерного излучения с большой мощностью.

Дисклеймер: лазерное излучение является потенциально опасным. Следует принимать меры предосторожности при работе и обслуживании лазера, а также использовать защитные средства (очки). Будьте внимательны при контакте с высоковольтной частью оборудования. Обязательно подключайте заземление к высоковольтной части и к корпусу станка. Лазер 40W режет фанеру, а что он может сотворить с тканями человеческого тела лучше не проверять

Углекислотный ла́зер, лазер на углекислом газе (CO2-лазер) — один из первых типов газовых лазеров (изобретен в 1964 году). Один из самых мощных лазеров с непрерывным излучением… Их КПД может достигать 20 %.
… Активной средой углекислотных лазеров является газообразная смесь CO2, азота (N2), гелия (He). Иногда в смесь также добавляется водород (H2) или ксенон (Xe).

Фотографии среднестатистического китайского лазерного станка

Для затравки покажу видео, на котором видна работа лазерного резака по прозрачному акрилу

Собственно говоря именно это видео и сподвигло меня собрать лазерный станок

Самостоятельная сборка лазерного станка не сложная, как правило не занимает долго времени и не требует специальных знаний (~~шутка~~)

Лазерный режущий станок представляет собой рабочую область с механизмом перемещения зеркал и линз, рядом установленную трубку и высоковольтный блок питания (ВВ). Все это закрывается кожухом/корпусом.
Иногда делают окошки для наблюдения, но это чревато – стекло не должно пропускать излучение СО2 лазера, около 10мкм.
В отличие от твердотельных лазеров, здесь не перемещается лазерный модуль непосредственно. Трубка громоздкая, хрупкая и требует водяного охлаждения. Вместо этого используют кинематическую схему с перемещающимися зеркалами.

Лазерное излучение выходит из трубки, попадает на зеркало, установленное под 45° и поворачивающее луч на 90° в рабочую зону. Следующее зеркало закреплено на профиле оси Х, перемещается вместе с этой осью. Оно также поворачивает луч на 90°. На самой оси установлена каретка с специальной головкой (laser barrel, laser focusing head), в которой помимо еще одного зеркала, поворачивающего луч из горизонтальной плоскости вертикально вниз, установлена фокусирующая линза, собирающая лазерный пучок в точку. Таким образом происходит перемещение лазерного излучения в плоскости XY.

Дополнительно на головку подводят сжатый воздух, с целью создания избыточного давления около линзы и отвода продуктов горения непосредственно от точки реза.
Как правило, кинематическая схема собрана на рельсовых направляющих (рельсы HWIN/MGN) либо ролики+профиль. Приводится в движение ремнями. Это дает большую скорость перемещение при легкой головке.
Для подключения трубки потребуется источник ВВ напряжения, система жидкостного охлаждения (насос, датчик протока жидкости, рабочая жидкость и трубки/фитинги). Плата управления совместимы с Mach3 либо сделаны под другой платный софт, бывают варианты под Arduino.

Несколько слов про электрическую часть и трубку.
Собственно говоря, информации по сборке или ремонту достаточно много. Можно модернизировать старый китайский станок установкой более мощной трубки и другой электроники, а можно собрать с нуля, большой сложности не представляется.

Профиль или рама для станка. Я использую конструкционный профиль типа 40х40 или 60х60
Рельсы MGN/SBR, недорогой и небольшой вариант можно сделать на валах 12-12 мм (лучше ограничить размеры обрабатываемой поверхности в этом случае). , то есть широкие 15 мм, черного цвета. . При покупке уточняйте дату заправки, так как со временем газ разлагается. Трубка стеклянная, так что упаковка и доставка должна быть качественная. Не ищите с бесплатной доставкой, лучше курьерской почтой. . В моем случае 40Вт , разъемы
Плата-контроллер для компьютера (есть варианты под Mach3, Linux CNC/EMC2 Control, есть под другой софт, есть с LPT, USB, LAN подключением, есть на основе Arduino).
Двигатели и драйверы. Также можно взять на ваш вкус. – фокусировочная трубка и крепежи зеркал.
Комплект зеркал (линз): три отражающих и одно фокусирующее. Обычно используют из селенида цинка ZnSe, или просто линзы покрытые чем либо отражающим (Si/Cu).
Мелочевка – метизы, крепежи, приводные звездочки и прочее.
Корпус. Можно изготовить самостоятельно из ДСП и прочих радостей.

Далее, на выходе два провода: высоковольтный (+) и низковольтный (-). Обязательно требуется заземление блока ВВ питания и корпуса станка.

Управляющая программа типа Mach3/LinuxCNC/LaserCut или другие, подает команды перемещения по плоскости, команды включения/выключения излучения, а также регулировки мощности (актуально для гравировки). Дополнительно включен насос для охлаждения, воздушный компрессор, вытяжка.

Теперь покажу, что успел приобрести. Все посылки доставлялись SPSR
Трубка СО2
Параметры:
Мощность: 40 Вт
Длина: 700 мм
Диаметр: 50 мм
Охлаждение: жидкостное.

Для питания трубки нужен ВВ источник
Достаточно увесистый.

Пришел в отдельной упаковке, даже отделной посылкой, несмотря на то, что ордер был один.

Весь проложен надутым материалом

Достаем картонную упаковку

Внутри большой металлический источник, похожий на компьютерные блоки питания. Но сходство только внешнее

Размеры сравнимы с компьютерным источником питания. Корпус оклеен защитной пленкой

Вид со стороны подключения.

Присутствует переключатель 110/220В

Вскрываем, внутри плата преобразователя, суть которой сходна с преобразователем строчной развертки ЭЛТ телевизора.

Установлены 2 шт TL494CN, остальное мелочевка. Реализована схема повышения на умножителе и повышающем трансформаторе.

Внешний вид платы

ВВ трансформатор (строчник)

ВВ провод для подключения. Характеристики: 22AWG, выдерживает 40kVDC, то есть до 40кВ напряжения постоянного тока. Присутствует двойная изоляция. Наружний диаметр 4,5мм.

маркировка

зачищен

ВВ разъем. Пришел вместе и другими запчастями, в простом пакете.

Комплект разъема представляет собой две половинки, два штырька, уплотнения. Соединение под винт.

Вот примерно как собирается вместе

Начинаем собирать разъем

При заказе обратите внимание, бывает кабельный, бывает блочный

Удобно для контроля тока подключить в разрыв минусовой цепи амперметр

Зеркала и линзы. Бывают отражающие, бывают фокусирующие

Нужно 3 отражающих и одно фокусирующее, лучше брать с запасом.
Линзы пришли в огромной коробке, проложенные мягким материалом внутри

убираем надутую пленку и достаем коробки

Внутри коробки одна или несколько зеркал в обертке

Упакованы в коробку

Зеркала и линзы небольшие

Также хорошо отражают свет

Виды линз и зеркал

Устанавливается в специальную фокусирующую трубку

При выборе нужно определиться с фокусом зеркал

Фокус у линзы фиксированный, бывает 1.5”, 2”, 2.5, 3” в зависимости от станка и толщины материала. Самый распространенный вариант это 2”.
Комплект держателей

Пример установки зеркал на оси

Фокусирующая трубка

К сожалению из-за специфики оборудования, я не могу пока предложить полный тест-драйв лазерной трубки. Вот хорошее видео с Ютуб.

Видео работы лазера по бальсе (моделисты меня поймут)

Лазер на молекулярном азоте.

Лазер на молекулярном азоте является одним из широко используемых лазеров в фотохимии и биологии с излучением в ультрафиолетовой области спектра ( ). Лазер работает в импульсном режиме.

Схема энергетических уровней лазера на молекулярном азоте приведена на рис. 3.33 .

Рис. 3.33 Схема рабочих энергетических уровней молекулярного азота.

Лазерный УФ переход в молекулярном азоте происходит между электронными уровнями молекулы (уровни 4 и 3 ). Второе состояние является метастабильным. Потенциальные кривые имеют минимумы, соответствующие равновесному расстоянию между ядрами атома азота в молекуле. Относительно положения равновесия ядра атомов могут совершать колебательные движения, образующие колебательные энергетические уровни. Ядра атомов колеблются намного медленнее, чем происходит переход электронов в возбужденное состояние. При переходе молекулы из одного электронного состояния в другое не меняются ни положение, ни скорости атомных ядер. Это утверждение называется принципом Франка-Кондона.

В соответствии с принципом Франка-Кондона электронное возбуждение также как и оптические переходы возможны только между возможными энергетическими электронными уровнями молекулы, у которых расстояние между ядрами атомов одинаковые. Таким образом, переход между уровнями , имеющими минимум потенциальной энергии практически при одних и тех же расстояниях между ядрами атомов азота, обладает в соответствии с принципом Франка-Кондона наибольшей вероятностью электронного возбуждения. Вероятность электронного возбуждения в каналах и очень мала, так как минимумы потенциальной энергии 2 и 3 уровней находятся на существенно больших, чем у уровня 1 межъядерных расстояниях. Уровни 2 и 3 при импульсном возбуждении разряда на начальной стадии импульса имеют заселенность равную нулю, так же как и заселенность уровня 3 у атомов меди. Так же как и у атомов меди, между уровнями молекул азота наблюдается глубокая инверсия заселенности. Длительность импульса генерации азотного лазера составляет .

Читайте также: