Лазерная указка

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Лазерная указка — портативный генератор когерентных и монохроматических электромагнитных волн видимого диапазона в виде узконаправленного луча. В большинстве случаев изготавливается на основе красного лазерного диода, который излучает в диапазоне 635—670 нм. Из-за того, что диод излучает в широком телесном угле, значительная часть излучения падает на внутренние стенки корпуса и поглощается. В связи с этим КПД лазерной указки низкий. Для организации излучения в узконаправленный луч, как правило используется двояковыпуклая линза-коллиматор. Однако при качественной фокусировке луча (которую можно произвести самостоятельно подкручивая прижимную гайку линзы), указку можно использовать для проведения опытов с лазерным лучом (например, для изучения интерференции). Мощность наиболее распространенных красных лазерных указок не превышает 1-20 мВт. В продаже имеются и более мощные синие лазерные указки до 2 Вт. В большинстве из них лазерный диод не закрыт, поэтому разбирать их надо крайне осторожно. Со временем открытый лазерный диод «выгорает» из-за загрязнения зеркал резонатора и их повреждения излучением, из-за чего его мощность падает. Также в таких указках, как правило, отсутствует какая-либо стабилизация тока лазерного диода и его защита от статического электричества, к которому лазерные диоды чрезвычайно чувствительны, поэтому такие указки быстро выходят из строя. Зелёные лазерные указки имеют сложное строение и представляют собой твердотельный лазер с накачкой ИК лазерным диодом и последующим нелинейным элементом для удвоения частоты.

Лазерная указка

Типы лазерных указок[править | править вики-текст]

Ранние модели лазерных указок использовали гелий-неоновые (HeNe) газовые лазеры и излучали в диапазоне 633 нм. Они имели мощность не более 1 мВт и были очень громоздкими и дорогими. Сейчас лазерные указки, как правило, используют менее дорогие красные диоды с длиной волны 650—670 нм. Указки чуть подороже используют оранжево-красные диоды с λ=635 нм, которые делают их более яркими для глаз, так как человеческий глаз видит свет с λ=635 нм лучше, чем свет с λ=670 нм. Производятся и лазерные указки других цветов; например, зеленая указка с λ=532 нм — хорошая альтернатива красной с λ=635 нм, поскольку человеческий глаз приблизительно в 6[источник не указан 611 дней] раз чувствительнее к зелёному свету по сравнению с красным. В последнее время появились в продаже жёлто-оранжевые указки с λ=593,5 нм и синие лазерные указки с λ=473 нм.

Красные лазерные указки[править | править вики-текст]

Самый распространенный тип лазерных указок. В этих указках используется лазерные диоды с коллиматором. Мощность варьируется приблизительно от одного милливатта до ватта. Маломощные указки в форм-факторе брелка питаются от маленьких батареек-«таблеток» и на апрель 2012 года стоят порядка 1-5 долларов США. Мощные красные указки (длина волны 650 - 660 нм) мощностью от нескольких сотен милливатт до ватта, способные зажигать хорошо поглощающие излучение материалы (спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.), стоят порядка 50-60$.

Более редкие красные лазерные указки используют твердотельный лазер с диодной накачкой (англ. Diode-pumped solid-state laser, DPSS) и работают на длине волны 671 нм. Отличаются от указок на лазерном диоде круглым сечением луча (у обычной лазерной указки луч уплощен вследствие астигматизма резонатора лазерного диода).

Зеленые лазерные указки (532нм)[править | править вики-текст]

Устройство зеленой лазерной указки типа DPSS, длина волны 532nm.
Луч лазерной указки 100мВт, направленный в ночное небо.

Зеленые лазерные указки начали продаваться в 2000 году. Самый распространенный тип твердотельных с диодной накачкой (DPSS) лазеров. Лазерные диоды зелёного цвета не производятся, поэтому используется сложная оптическая схема, которая значительно усложняет и удорожает изделия.

Сначала мощным (обычно >200 мВт [1]) инфракрасным лазерным диодом с λ=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия, легированный неодимом (Nd:YVO4), где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия (KTiOPO4, сокр. KTP), частота излучения удваивается (1064 нм → 532нм) и получается видимый зелёный свет. Генерация и вывод зеленого излучения обеспечиваются зеркалами, одно из которых полностью отражает излучение с длиной волны 1064 и 532 нм и полностью пропускает излучение накачки 808 нм, а другое полностью отражает излучение 1064 нм, но полностью пропускает 532 нм. Частично отражается и излучение накачки.

В большинстве современных зеленых лазерных указок кристаллы ванадата иттрия и KTP вместе с зеркалами резонатора объединены в так называемый "микрочип" -- склейку из двух кристаллов с напыленными на грани зеркалами. Для генерации лазерного излучения достаточно сфокусировать внутри кристалла Nd:YVO4 излучение лазерного диода накачки.

КПД схемы сильно зависит от мощности накачки и может достигать не более 20 %. Кроме зеленого света такой лазер излучает значительную мощность в ИК на длинах волн 808 и 1064 нм, поэтому в таких указках обязательно нужно устанавливать инфракрасный фильтр (IR-фильтр[2]), чтобы убрать остатки ИК-излучения и избежать повреждения зрения. В недорогих вариантах зеленых указок такой фильтр могут не устанавливать, в таком случае даже указка с мощностью 1-5 мВт представляет серьезную опасность для зрения, так как мощность ИК-излучения может достигать десятков милливатт. Излучение 1064 нм сфокусировано почти так же хорошо, как и зеленое и представляет опасность при попадании в глаз даже на большой дистанции, тогда как излучение накачки 808 нм сильно расфокусировано и не сконцентрировано вдоль луча, представляя опасно на расстоянии до нескольких метров.

Стоит отметить высокое энергопотребление зелёных лазеров — потребляемый ток достигает сотен миллиампер. Так как эффективность генерации и удвоения с ростом мощности накачки быстро возрастает, увеличение выходной мощности с 5 до 100 мВт приводит к повышению потребляемого тока лишь примерно в два раза.

Малые размеры зеленой лазерной указки не позволяют установить в них систему стабилизации температуры лазерного диода и активных сред. Особенно сильное влияние температура оказывает на длину волны, излучаемую лазерным диодом, что приводит к уходу ее с максимума линии поглощения неодима и падению выходной мощности. Это приводит к тому, что такие указки нестабильно работают при изменении температуры. Частично этот недостаток устраняется путем стабилизации мощности излучения на выходе лазера. Для этого на выходе устанавливают светоделитель (роль которого исполняет ИК-фильтр, от которого отражается часть излучения) и фотодиод, и вводят отрицательную обратную связь. Недостатком такого решения является возможность выхода из строя лазерного диода при значительном отклонении температуры, при котором система стабилизации, компенсируя падение выходной мощности, вынуждена значительно поднять ток через него.

473 нм (бирюзовый цвет)[править | править вики-текст]

Данные лазерные указки появились в 2006 году и имеют схожий с зелёными лазерными указками принцип работы. 473 нм свет обычно получают путем удвоения частоты 946 нм лазерного излучения. Для получения 946 нм используется кристалл алюмо-иттриевого граната с добавками неодима (Nd:YAG).

445 нм (синий цвет)[править | править вики-текст]

В этих лазерных указках свет излучается мощным синим лазерным диодом в 1-3 Вт. Большинство подобных указок относится к 4-му классу лазерной опасности и представляет очень серьёзную опасность для глаз и кожи как непосредственно, так и в виде рассеянного поверхностью излучения.

Активное распространение синие указки получили в связи с серийным выпуском компанией Casio компактных проекторов[3], использующих вместо привычных ламп мощные лазерные диоды.

Фиолетовые лазерные указки (405нм)[править | править вики-текст]

Свет в фиолетовых указках генерируется лазерным диодом, излучающим луч с длиной волны 405 нм. Длина волны 405 нм находится на границе диапазона, воспринимаемого человеческим зрением и поэтому лазерное излучение таких указок кажется тусклым. Однако, свет указки вызывает флюоресценцию некоторых предметов, на которые он направлен, яркость которой для глаза выше, чем яркость самого лазера. Даже самые маломощные из них чрезвычайно опасны для кожи и глаз.

Фиолетовые лазерные указки появились сразу после появления Blu-ray-приводов, в связи с началом массового производства лазерных диодов на 405 нм.

Жёлтые лазерные указки[править | править вики-текст]

В жёлтых лазерных указках используется DPSS лазер, излучающий одновременно две линии: 1064 нм и 1342 нм. Это излучение попадает в нелинейный кристалл, который поглощает фотоны этих двух линий и излучает фотоны 593,5 нм (суммарная энергия 1064 и 1342 нм фотонов равна энергии фотона 593,5 нм). КПД таких жёлтых лазеров составляет около 1 %.

Использование лазерных указок[править | править вики-текст]

  • Лазерные указки обычно используются в образовательных учреждениях и на бизнес-презентациях вместо обычных указок. Бывают встроены в ПДУ проекторов или компьютерные ПДУ для презентаций. Красные лазерные указки могут использоваться в помещениях и вечером на открытых пространствах. Зеленые лазерные указки могут использоваться в тех же условиях, но они, в отличие от красных, хорошо видны на улице днем и на дальних расстояниях. Единственным недостатком лазерных указок при указывании на цель являются рывки точки, так как человеческая рука не может долго находиться в неподвижном состоянии из-за тремора.
  • Световое пятно, образуемое лазерной указкой, привлекает кошек, собак и других домашних животных, вызывая сильное стремление поймать его, что нередко используется людьми в играх с этими домашними животными. Однако, зеленые лазерные указки из-за значительно большей яркости луча могут пугать животное. Не следует также забывать, что луч лазерной указки, направленный в глаза человека или животного, может повредить сетчатку.
  • Зелёные лазерные указки могут использоваться для любительской астрономии. В безлунную ночь луч зелёной лазерной указки может использоваться для указывания на звезды и созвездия. Также лазерная указка может использоваться для юстировки телескопов и для исследования формы поверхностей зеркал телескопов (как теневым методом, так и интерферометрически).
  • Точно установленная лазерная указка может использоваться как лазерный целеуказатель, чтобы нацелить огнестрельное или пневматическое оружие.
  • Лазерные указки используют в своих конструкциях радиолюбители, в качестве элемента связи в пределах видимости.
  • Красная указка со снятым коллиматором используется в любительской голографии. Это одно из немногих применений лазера в быту, где используется именно наиболее ценное свойство лазера, в корне отличающее его от светодиода — когерентность излучения.
  • В лабораторной практике лазерная указка (особенно зеленая) является весьма полезным инструментом, имеющим множество применений -- в частности, она может быть использована для обнаружения в жидкости, газе или любом прозрачном веществе (например, оптическом стекле) малого количества механических примесей или взвесей, незаметного невооруженному глазу. Зеленая, а в особенности, синяя или фиолетовая указки в сочетании с подходящим светофильтром, не пропускающим ее излучение, позволяют визуально обнаружить слабую флюоресценцию, например, связанную с загрязнением поверхности органическими веществами.
  • Лазерная указка, как источник узконаправленного когерентного света, может быть использована на школьных уроках физики для демонстрации наглядных опытов по оптике: отражение и преломление света, дифракция и интерференция, световоды и т.п.

Безопасность[править | править вики-текст]

Лазерное излучение опасно при попадании в глаза.

Обычные лазерные указки имеют мощность 1-5 мВт и относятся к классу опасности 2 — 3А и могут представлять опасность, если направлять луч в человеческий глаз достаточно продолжительное время или через оптические приборы. Лазерные указки мощностью 50-300 мВт относятся к классу 3B и способны причинить сильные повреждения сетчатке глаза даже при кратковременном попадании прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого.

В лучшем случае лазерные указки оказывают только раздражающее воздействие. Но последствия будут опасными, если луч попадает в чей-то глаз или направлен в водителя или пилота и может отвлечь их или даже ослепить. Если это приведёт к аварии, то повлечёт за собой уголовную ответственность.

Всё более многочисленные «лазерные инциденты» вызывают в России, Канаде, США и Великобритании требования ограничить или запретить лазерные указки. Уже сейчас в Новом Южном Уэльсе предусмотрен штраф за обладание лазерной указкой, а за «лазерное нападение» — срок лишения свободы до 14 лет.

Использование лазерных указок запрещено правилами безопасности на футбольных стадионах ФИФА[4]. Одним из примеров применения этого запрета стал штраф в 50000 швейцарских франков, наложенный на Алжирскую федерацию футбола за направление болельщиками лазерной указки на вратаря сборной России Игоря Акинфеева и другие нарушения в матче Алжир — Россия на ЧМ-2014[5].

Также важно учесть, что у большинства дешёвых китайских лазеров, работающие по принципу накачки (то есть зелёные, жёлтые и оранжевые) отсутствует ИК-фильтр ради соображения экономии, и такие лазеры фактически представляют большую опасность для органов зрения,о чем заявлено производителями.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Casix - Crystal, precision optics products, lenses and coatings. Проверено 30 января 2013. Архивировано из первоисточника 2 февраля 2013.
  2. Обычно представляет собой голубоватую стеклянную пластинку размером 3×3×1 мм.
  3. http://www.laserpointersafety.com/rules-general/lawsuggestions/lawsuggestions.html " it was not affordable by most persons. But Casio Green Slim projectors sell for around USD $800. Thus, the harvested diodes cost 800/24 or just $34 each. … On June 9, 2010, Wicked Lasers began using harvested Casio diodes to make their Spyder III "
  4. FIFA Stadium Safety and Security Regulations — стр. 96, пункт «g»
  5. Evans, Simon. Algeria zapped with FIFA fine over lasers, Рейтер (1 июля 2014 года). Проверено 2 июля 2014.

Литература[править | править вики-текст]

Обухов С. Лазерная указка // Квант : журнал. — 2000. — № 3. — С. 18—22.

Ссылки[править | править вики-текст]