Apparecchi ed attrezzature usati per la realizzazione e le misure su questi apparati Alimentatore a corrente costante, visore IR (per quanto riguarda l’uso del diodo IR), termopila, tester, cronometro, oscilloscopio (per controllo sui circuiti).
Laser a luce rossa emissione a 650nm Potenza 100mW max Questo è stato il primo laser realizzato. Questo diodo è stato acquistato su ebay da un venditore sud coreano, ne avevo acquistati un certa quantità, erano diodi usati recuperati da masterizzatori, però funzionano senza problemi. Avevo preventivato di distruggerne più d’uno, cosa che si è poi verificata, il fatto è che maneggiare questi diodi non è come maneggiare un transistor, sono sensibili a cariche elettrostatiche, alle temperature elevate, la loro resistenza ai sovracarichi è molto bassa e anche brevissimi picchi di sovra tensione li distruggono immediatamente, inoltre vanno alimentati a corrente costante, é questo il parametro che va controllato, certo uno può acquistare gli alimentatori commerciali che sono in vendita e la maggior parte di questi problemi non si pongono, ma nel mio caso volevo assolutamente metterne a punto uno, i primi tentativi con circuiti a transistor sono stati un fallimento ed ho bruciato in questo modo 2 diodi, sono passato poi ai circuiti integrati ed in questo modo ho risolto i precedenti problemi che non si sono più posti anche con gli altri diodi.
il circuito operazionale usato un LM258 ha il vantaggio di poter essere alimentato con una tensione di soli 4,5V, 3 comuni pile in serie, prevede protezione da picchi di sovratensione all’atto dell’accensione del dispositivo, protezioni da radiofrequenze ( un telefonino in fase di trasmissione troppo vicino al dispositivo può friggere il diodo se questo non è protetto).
Sotto data sheet del diodo usato
Sotto una comparazione visiva tra la luce di questo laser munito di ottica con potenza stimabile intorno ad 80 mW e quella di uno commerciale di potenza dichiarata < 5mW ( a destra)
Non mi è stato possibile eseguire una misura precisa di potenza output perché la termopila che uso per queste misure da risultati affidabili a partire da un minimo di 300mW.
Considerazioni tecniche riguardanti la sicurezza sull’uso di laser di vario tipo Prima di proceder e alla descrizione degli altri laser alcune considerazioni tecnico pratiche riguardanti la sicurezza propria ed altrui nell’uso di questi dispositivi. Un raggio laser continuo proiettato e focalizzato sull’epidermide può provocare danni biologici che dipendono dalla sua lunghezza d’onda, dalla potenza per unità di superficie irradiata e naturalmente dai tempi di esposizione. Per esempio un raggio a luce rossa non viene assorbito subito dalla parte superficiale ma penetra in profondità ecco perché un raggio dio 100 200 mW non scotta. A differenza, raggi a lunghezza d’onda di 445 nm e 405 nm, blu e violetto vengono fortemente assorbiti dai primi strati dell’epidermide e quindi quando vengono focalizzati sulla pelle scottano terribilmente , anche con potenze di soli 80 – 100 mW, questo a breve distanza, alla distanza di 30 40 metri la densita di potenza data la divergenza del raggio è scesa quindi niente scottature anche con potenze di 500 mW Per quanto riguarda il raggio a 808 nm nel vicino infrarosso, focalizzato a breve distanza scotta decisamente, questo per potenze superiori a 300 mW a 15 - 20 e più metri di distanza anche potenze di 2 W non provocano alcuna scottature questo perché la divergenza a parità di altre caratteristiche cresce all’aumentare della lunghezza d’onda, in questo caso il raggio più direttivo è quello a 405 nm quello più divergente è quello a 808 nm Un discorso diverso riguarda l’occhio è qui che si possono avere danni irreparabili, più sono corte le lunghezze d’onda più sono pericolose, per l’occhio qualsiasi laser anche di bassa potenza è sempre pericoloso. L’occhio usa la sua lente il cristallino per concentrare la luce entrante in minute zone della retina dove forma l’immagine questo significa che un raggio che per sua natura possiede già una elevata densità di energia rispetto ad altre sorgenti luminose viene ulteriormente concentrato ed impatta sulla retina in un’area di pochi micron con una densità d’energia amplificata di 100.000 volte e il risultato in quella zona è devastante. Per sua fortuna l’occhio possiede alcuni sistemi di difesa per le le luci troppo forti che lo colpiscono: restringimento pupillare e chiusura della palpebra purtroppo i tempi di azione di questi meccanismi sono intorno a 0,2 - 0,25 sec troppo lunghi per proteggere dagli effetti di un raggio che colpisce l’occhio direttamente, quando la palpebra si chiude il danno è già fatto. A questo riguardo va ricordata l’estrema pericolosità per la vista, dei laser nel vicino IR per es. a 808 nm la luce viene percepita dall’ occhio come una sorgente di bassissima intensità perché la sua sensibilità è bassa a quella lunghezza d’onda, quello che si vede è una brace accesa, e quindi non intervengono i meccanismi di autodifesa sopracitati. Pericolosissimi anche i laser ad impulso in grado di rilasciare qualche joule in pochi ns e Q switch in grado di rilasciare energia in tempi dell’ordine dei ns.
Laser vicino IR emissione a 808 nm, potenza 1000 mW max Questo diodo l’avevo acquistato negli USA tramite ebay sotto un’immagine del diodo (per le prove su questo diodo è indispensabile l’uso di un visore IR)
La prima operazione fatta su questo diodo é stata quella di provarlo con un alimentatore a corrente costante, provare questo con un normale alimentatore equivale ad ucciderlo basta un niente per friggerlo non avevo il data sheet di questo diodo solo i parameri max di funzionamento V, e I era interessante misurare la corrente a cui inizia l’emissione laser (threshold current) con il visore all’infrarosso all’occhio uno schermo nero davanti al diodo sono partito con tensione di alimentazione 0 V facendo crescere lentamente la corrente assorbita, il diodo si comporta prima da LED IR a 162 mA è partita l’emissione laser ho controllato il diodo sino a un meno 10% della I max 1,2A. Osservando ad occhio la luce focalizzata su schermo nero opaco si vede appena una luminosità rosso cupo, osservata invece con il visore IR ricevo sull’obbiettivo una luce bianca abbagliante che si staglia sul fondo verde del visore , sotto foto del visore IR adoperato.
Questo visore IR l’avevo acquistato in un negozietto di Bologna che vendeva del surplus di provenienza militare. se ben ricordo all’inizio anni 90 il visore faceva parte del sistema di guida notturna del carro armato leopard (sistema a IR attivi) dismesso a fine anni 80 per un sistema più avanzato.
Prima di saldare il diodo l’alimentatore va dapprima regolato sulla corrente di funzionamento del diodo, inserendo un simulatore di diodo laser IR (visibile nello schema precedente) con in serie un tester per la misura della I, regolando il potenziometro P (un trimmer a filo multigiri) in questo caso l’alimentatore è stato regolato per erogare 1A.
Il diodo va quindi fissato al suo dissipatore in Al ci deve essere un ottimo contatto termico tra dissipatore e diodo , il diodo sopporta molto male i surriscaldamenti come si può osservare dallo schema il blocco dissipatore diodo deve essere completamente isolato dallo chassis metallico inoltre i fili di collegamento diodo- alimentatore devono essere il più corto possibile, l‘ottica è formata dalla combinazione di due lenti piano convesse inserite su tubo che si avvita sul dissipatore porta diodo per permettere la messa fuoco del raggio, di seguito foto del dispositivo
Misura sulla potenza in uscita Per questo mi avvalgo della termopila e di un tester con memoria, questa termopila è fatta per misurare l’energia erogate da laser ad impulso e mi da 0,180 mV di tensione per ogni joule assorbito dal sensore, ma si può con semplice calcolo ricavare la potenza continua emessa dal raggio in uscita, di seguito foto della termopila e del sistema di misura. Il raggio viene fatto entrare nella finestra di misura della termopila con tester impostato per memorizzare il massimo valore generato in mV questo per un tempo di t sec. preso con cronometro, il laser viene spento, sul tester resta memorizzato l’ultimo valore di tensione in mV.
- Joule erogati nel tempo t = V(mV)/0,180
Di seguito la termopila usata e l’arrangiamento usato per la misura , nella terza foto la fotocamera cattura la radiazione IR di debole intensità attorno alla finestra d’entrata del misuratore, che non è visibile ad occhio nudo, ad occhio si vede solo lo spot principale quello che è entrato attraverso la finestra, la misura fatta mi da una potenza in uscita dal diodo di 805 mW con una I assorbita di 1,0 A
A questo punto ho munito il laser di una lente collimatrice opportunamente sistemata come da foto seguente, dopo aver protetto il tutto con due gusci di lamiera per schermare da riflessi indesiderati, sotto la foto dell’apparato privo di un guscio di protezione.
In questo laser munito di collimatore, il raggio concentrato viene leggermente allargato e in questo modo si ha una diminuzione dell’angolo di divergenza , ho eseguito una serie di test servendomi di due specchi per arrivare ad una distanza di 20 m per valutare lo spot su schermo a 6 m ed a 20 m questo per valutare la densità dell’energia trasportata dal raggio. Sotto lo schema dei test eseguiti: le prime due dimensioni sono sperimentali le altre sono state ricavate graficamente . Alla fine della trattazione degli altri apparati farò un confronto fra i 2 laser più potenti e l’ energia trasportata a distanza con particolare riferimento alla sicurezza nell’uso di questi apparati..
Laser a luce violetta con emissione a 405nm.
Questo diodo con potenza emessa di 100mW ha una corrente max di funzionamento di 110 mA con tensione ai suoi capi di 5V. l’alimentatore per questo diodo è completamente diverso dai precedenti ed usa un C. I. LM317, l ‘alimentazione è garantita da 8 celle mini stilo ricaricabili del tipo NiMH con una tensione di 9,6V, sotto lo schema usato.
L’alimentatore viene tarato al solito modo, inserendo il simulatore di diodo laser da 405nm e regolando il potenziometro P da 100 ohm, (un trimmer a filo multigiri) fino a fargli assorbire 100 mA, non resta poi che saldare i terminali del diodo laser. La potenza emessa è di 80 – 90 mW stimati in base alle caratteristiche del diodo, ed è possibile regolare la messa a fuoco del raggio. Dati i bassi valori della potenza la lettura con termopila non è affidabile .
Effetti termici su materiali assorbenti con raggio messo a fuoco si osservano sino ad una distanza di 60 cm circa. La luce coerente emessa da questo laser fra i laser nel visibile da me testati è quella che presenta il minor angolo di divergenza ed è anche quella che presenta la minor visibilità, anche di notte lo spot è visibile entro un raggio di 20 m al massimo a differenza di quello rosso visibile all’osservazione ad 1Km di distanza.
Laser a luce blu con emissione a 455 nm
Sotto lo schema usato per alimentare questo diodo che è simile a quello usato nel precedente laser, come pile ho usato 8 celle al Ni-Cd da 3000 mAh
Prima di saldare il diodo laser l’alimentatore è stato regolato nel consueto modo per fargli erogare una corrente di 0,96 A , ho tenuto la corrente bassa rispetto al massimo consentito, questo consente di allungare la vita del diodo, ho proceduto poi alla consueta misura tramite termopila della potenza emessa che mi ha dato 800 mW. Di seguito l’ apparato con le sue parti principali parzialmente assemblato.
Questo diodo è quello che in assoluto mi ha dato le maggiori prestazioni , effetti termici a distanza sino a 4m, però siccome mi interessava scoprire i limiti del sistema ho piazzato un collimatore con lente concavo-convessa con distanza focale 50 cm davanti al blocco alimentatore – testa laser, sotto due foto dell’intero sistema
ho aggiunto anche un cannocchiale 16X40 per poter osservare la macchia di luce collimata a distanza lo spot è visibile chiaramente anche di giorno e sotto la luce solare.
Di seguito il laser in azione con collimatore montato, contro lastrina di gomma nera a 10m di distanza, con ingrandimento del cratere sulla lastrina tempo di esposizione 3 sec.
Ho eseguito una serie di test, servendomi di due specchi per arrivare ad una distanza di 37 m per valutare le dimensioni dello spot su schermo a 6 m a 20 m ed a 37m questo per valutare la densità dell’energia trasportata dal raggio, le rimanenti misure a 100, 200, 300m ed oltre sono state ricavate graficamente. Sotto lo schema dei test eseguiti:
Di seguito nella tabella una comparazione tra i 2 laser più potenti riguardante la sicurezza per l’occhio, la massima potenza sopportabile in relazione alla distanza dall’emettitore.
Con riferimento al laser a 455 nm su apparecchio con ottica standard (una lente per la messa a fuoco), si osserva che a 100m il raggio non rappresenta più un pericolo per la vista, mentre con laser munito di collimatore neanche a 500 m. il raggio è del tutto sicuro. I presenti dati riguardanti la sicurezza sono stati estratti dal grafico di seguito riportato riguardante la massima densità di potenza di un sorgente luminosa considerata sicura per la vista. Grafico da Wikipedia Laser_safety
Per concludere un breve cenno ai laser DPSS ed ai laser ad impulso. Un laser che non è stato qui citato è il laser DPSS a luce verde con emissione a 532 nm, molto usato come puntatore grazie all' ottima visibilità ed alla bassa divergenza del raggio uscente.
I laser ad impulso sono dei laser completamente fuori dalla portata dell'amatore molto costosi e se usati abitualmente richiedono una costosa manutenzione sotto foto inedite di un laser al Ti: zaffiro pompato da lampade flash
Tale laser ha lunghezza d’onda in uscita regolabile da 695 a 950nm impulsi in uscita 2-5µs ed in modalità Q-switch 15–50ns, max potenza per impulso 2,5J. frequenza regolabile da 2 a 20Hz.
Bibliografia: