Zielony wskaźnik laserowy i jego modyfikacja

   Od jakiegoś czasu w naszym kraju można kupić zielone wskaźniki laserowe, a ostatnio robią się one coraz tańsze. Wskaźniki takie są bardziej skomplikowane od czerwonych, są to lasery DPSS (diode pumped solid state) z generacją drugiej harmonicznej (SHG). Oznacza to, że światło zielone (532nm) nie jest emitowane bezpośrednio przez diodę laserową, a powstaje w ośrodku optycznie nieliniowym ze światła podczerwonego 1064nm w skutek podwojenia częstotliwości fali. Światło o długości fali 1064nm powstaje natomiast w laserze na ciele stałym, do którego energia dostarczana jest optycznie za pomocą diody laserowej (są tutaj dwa lasery). Poniżej nieco uproszczony rysunek przedstawiający budowę tego typu laserów (proporcje nie zachowane). Często pierwsza soczewka jest pominięta i światło z diody laserowej pada bezpośrednio na kryształ.

   Kryształ, tak właściwie MCA (multiple crystal assembly), to w tym przypadku sklejone ze sobą dwa kryształy: Nd:YVO₄ (Yttrium Vanadate) oraz KTP (KTiOPO₄ - Potassium Titanium Oxide Phosphate). Kryształ Nd:YVO₄ ma na końcach napylone powłoki odbijające, które stanowią rezonator optyczny, tak, że łącznie jest to prawdziwy laser na ciele stałym. Jako pompa energii dla kryształu pracuje dioda laserowa ("pompowanie optyczne") emitująca światło o długości fali 808nm. Światło o dł. fali 1064nm wytworzone przez akcję laserową zachodzącą w tym krysztale przechodzi bezpośrednio do kryształu KTP, gdzie częstotliwość promieniowania jest podwajana, co daje długość fali 532nm. Kryształ ten jest jednocześnie ośrodkiem nieliniowym oraz dwójłomnym. Następnie wiązka przechodzi przez soczewkę rozpraszającą (nie ma jej na powyższym schemacie), która ją rozszerza, a dalej jest kolimowana do wiązki równoległej za pomocą soczewki skupiającej, podobnie jak we wskaźnikach czerwonych. Za kolimatorem powinien znajdować się filtr podczerwieni blokujący pozostałości tego promieniowania (które jest niewidoczne ale mimo to niebezpieczne dla oczu), ale często go tam nie ma, zwłąszcza w tanich chińskich laserach :P Sprawność przetwarzania światła 808nm na 532nm jest na poziomie 10-15%, więc laser o mocy np. 20mW (moc samego światła zielonego) musi być wyposażony w podczerwoną diodę laserową o mocy rzędu 150-200mW.

   Na rynku są dostępne wskaźniki o różnej mocy emitowanego światła w zakresie od 5 do (rzekomo) 240mW, co czyni je za równo bardzo fajnymi jak i NIEBEZPIECZNYMI dla wzroku. Moc ta często ma niewiele wspólnego z prawdą, najczęściej albo liczona jest również nieodfiltrowana podczerwień, albo wartość jest w ogóle brana z kosmosu. Zielony laser o prawdziwej mocy 100mW potrzebuje do zasilania samej diody prądu około 1A i najczęściej jest chłodzony modułem peltiera ze sporym radiatorem, więc trudno wyobrazić sobie kieszonkowy wskaźnik zasilany dwoma bateryjkami AAA o takiej mocy, a co dopiero ponad 200mW...
   Zielony laser o mocy nawet 5mW (dla porównania czerwone wskaźniki mają zazwyczaj moc mniejszą niż 3mW) jest bardzo jasny a wiązkę światła bez problemu widać w czystym powiterzu nawet kiedy nie jest całkowicie ciemno - dlatego właśnie te wskaźniki laserowe to taki bajer :) Jasność ta jest spowodowana tym, że oko ludzkie jest 10-krotnie bardziej czułe na kolor zielony niż na czerwony. Największa czułość występuje w okolicy 555nm czyli bardzo blisko światła emitowanego przez te wskaźniki. Dzięki tym dwóm czynnikom, czyli czułości oka oraz większej mocy lasera, światło zielonych wskaźników jest widoczne nieporównywalnie lepiej niż czerwonych. Zależność względnej czułości oka ludzkiego od długości fali światła przedstawia wykres poniżej. Zaznaczyłem na nim kilka popularnych laserów.

   Ciekawym faktem jest, że większość wskaźników o małej mocy można znacznie podkręcić, o czym piszę nieco niżej. Na pewno w pewnym stopniu jest to nadwyrężanie diody laserowej (której żywotność spada gwałtownie gdy jest ona przeciążona, mimo że nie uszkodzi się od razu). Możliwe również, że niektóre wskaźniki małej mocy są robione z tych samych podzespołów co te wiekszej mocy, a ich moc jest celowo ograniczona ze względu na dopuszczenie do sprzedaży w niektórych krajach, albo i na to, że na wskaźniki o mniejszej mocy i przez to mniejszej cenie jest większy popyt - tego typu zabiegi marketingowe były już stosowane np. w pewnym modelu karty graficznej, można było przerobić ją na wyższy model przez zdjęcie blokad dodatkowych funkcji procesora grafiki.
   Dobra, wracając do tematu, poniżej na zdjęciu zielony wskaźnik laserowy, najtańszy z dostępnych, o mocy 5mW.

   Wewnątrz ładnej srebrnej obudowy (są też czarne) znajdują się dwa ogniwa AAA, mała płytka z driverem diody laserowej oraz zestaw optyki w mosiężnych tulejkach poskręcanych ze sobą. Wyjęcie modułu optyki z obudowy bez jej zniszczenia to nie lada problem, jednak jak trafi się na wskaźnik zawierający mało kleju (lub wcale) oraz ma się trochę sprytu i cierpliwości można tego dokonać. Osobiście trafiłem na dwa rodzaje wskaźników o różnej budowie optyki ale identycznym wyglądzie zewnętrznym [obecnie jest więcej rodzajów, w każdym są stosowane inne "patenty" - przypisane 31.01.2010]. Wydaje mi się, że jeden rodzaj jest po prostu starszy, bo daje takie same efekty a jest bardziej skomplikowany. Poniżej budowa wewnętrzna obu typów laserów, pierwsze dwa zdjęcia to ten mniej skomplikowany.

   Jak nie trudno zauważyć poziom skomplikowania konstrukcji jest kilkakrotnie wyższy od czerwonych wskaźników laserowych. Przy rozbieraniu takiego wskaźnika trzeba bardzo uważać, bo jego elementy są delikatne, malutkie, i bardzo nie lubią kurzu ani żadnych pyłków, dodatkowo producent skutecznie utrudnia sprawę pakując klej wszędzie gdzie się da. Sama dioda laserowa też często nie posiada obudowy (taka jest w laserze pierwszego typu z powyższych fotek), co drastycznie ułatwia zdemolowanie jej delikatnej struktury przez np. niewinne dotknięcie, za to umożliwia większe zbliżenie kryształu do struktury diody co pozwala na pominięcie soczewki.
   Poniżej ładne zdjęcia makro z zapałką dla skali, zrobione przez mojego brata. Na pierwszych dwóch MCA, na trzecim dioda laserowa. Sama dioda to ten fioletowy prostokącik na samym czubku (a obszar aktywny emitujący światło to tylko fragment tej struktury), ten większy prostokąt za nią to fotodioda wykorzystywana przez driver do stabilizacji mocy światła.

   

   No to budowa lasera jest już znana, teraz coś o zwiększaniu jego mocy :] Na początku warto przypomnieć, że te lasery stanowią na prawdę duże zagrożenie dla wzroku, przy zabawie należy bardzo uważać na siebie i innych. Jeśli laser z jakichkolwiek przyczyn odmówi posłuszeństwa nie wolno NIGDY zaglądać bezpośrednio do otworu lasera w celu sprawdzenia co się dzieje - prawo Murphy'ego mówi, że właśnie wtedy laser zadziała, a to może skończyć się przykro.

W internecie można znaleść wiele informacji na temat modyfikacji zielonych wskaźników laserowych, jednak większość sprowadza się do przekręcenia małego potencjometru zamontowanego na płytce drivera. Gorzej, jeśli tego potencjometru nie ma, tak jak u mnie :P Po prawej zamieszczony jest schemat drivera wykorzystanego w jednym z moich laserów (tym mniej skomplikowanym - nowszym). Mój wskaźnik podkręciłem przed narysowaniem tego schematu, po prostu podłączałem potencjometr zamiast rezystorów i patrzyłem co się dzieje podczas regulacji. Okazało się, że moc światła rośnie wraz ze spadkiem rezystancji R2. Wskaźnik świecił najjaśniej, kiedy zamiast 1k wstawiłem ... zwarcie :P Co prawda zwarcie to trochę przegięcie bo dolny tranzystor widoczny na schemacie zostaje wówczas na stałe całkowicie otwarty, ale w moim przypadku zadziałało całkiem nieźle.

   Poniżej różnica w jasności przed i po tej operacji, widziana okiem kamery.

   Na następnych zdjęciach porównanie wskaźnika przed i po zakończonej modyfikacji, oraz promień światła widoczny w powietrzu wieczorem i w nocy (przed modyfikacją nie było tego efektu wcale).

   Niestety taki zabieg ma duże szanse się nie udać, począwszy od wydobycia bebechów lasera z obudowy, co może być naprawdę trudne. Ale nawet jak wszystko się uda, laser o zwiększonej mocy ma znacznie mniejszą żywotność. Czy efekt jest tego warty każdy musi zdecydować sam :)

   Na zakończenie kilka zdjęć przedstawiających możliwości takiego laserka. Efekt oczywiście jest znacznie lepszy na żywo niż na zdjęciach ;)

   DODANO, 17.04.2009

   Poniżej zamieszczam widmo światła generowanego przez wskaźnik 5-miliwatowy.

   Widmo to zmierzyłem spektrometrem OceanOptics USB650 Red Tide, który jest dostępny dla studentów w jednym z laboratoriów na naszej Politechnice. Oś pionowa nie jest niestety wyskalowana w mocy tylko w impulsach z detektora, więc wartość niewiele mówi, ale proporcje są zachowane. Na tym obrazku widać prążki dla 532nm czyli tego o co nam chodzi, oraz dla 808nm czyli dla światła diody pompującej. Gdyby zakres pomiarowy był trochę szerszy byłoby też na pewno widać prążek na długości fali 1064nm, czyli dla światła spomiędzy Nd:YVO₄ a KTP.

   DODANO, 31.01.2010

   Ostatnio w sprzedaży (jeszcze nie w Polsce niestety) ukazały się chińskie zielone wskaźniki laserowe zasilane pojedynczą baterią AAA. Oczywiście musiałem sobie taki sprawić żeby zobaczyć cóż to za nowość, zwłaszcza, że są one tanie :D Wskaźnik jest na prawdę malutki, jak oni to potrafią tak upakować?! W zestawie dołączona jest dodatkowa końcówka z siatką dyfrakcyjną. Dostępne są wskaźniki o różnych mocach; te, które ja kupiłem są podpisane jako 10mW. Z moich pomiarów wynika, że moc całkowita to niecałe 20mW, ale okazuje się, że połowa z tego to podczerwień, więc moc się nawet zgadza z zadeklarowaną. Poniżej zdjęcia tego wskaźnika.

   W środku znajduje się driver diody laserowej, który oczywiście musi podnosić napięcie aby zasilić diodę - jest tam zamontowana mała przetwornica boost. Za driverem znajduje się dioda laserowa 5,6mm open can, a zaraz za jej strukturą (bez optyki ogniskującej) umieszczony jest kryształ Nd:YVO₄ sklejony z KTP. Za kryształem jest soczewka silnie rozpraszająca, która poszerza wiązkę światła a następnie soczewka skupiająca stanowiąca kolimator. Jak widać na poniższych zdjęciach wszystko to jest ultra-małe, wielkości czubka palca, a to przecież są dwa lasery wraz z układem zasilania, kryształ generujący drugą harmoniczną i optyka formująca wiązkę! Niesamowite.

   Poniższe zdjęcia przedstawiają kryształ zastosowany w opisywanym wskaźniku. Jak widać nie jest on zbyt duży, lepiej nie upuścić czegoś takiego na dywan :)