Мощный лазер своими руками за один вечер. Инструкция по изготовлению самодельного лазера

Пожалуй, каждый любитель электроники и радиотехники хоть раз в жизни мечтал о создании лазера своими руками. Ещё пару десятков лет назад его можно было сделать только в секретной лаборатории. Однако благодаря прогрессу и общедоступности компонентов, сейчас создать лазер вполне возможно из обычного DVD-привода.

Вкратце о лазере

Лазер, или как его называют по-научному, оптический квантовый генератор - это специальное устройство, которое преобразует входящую энергию в узконаправленный луч. В современном мире подобные изделия чаще всего используются в космической сфере и на производстве . Однако каждый любитель «покапаться» в электронике может сделать его самостоятельно, т. е. в домашних условиях своими руками и без применения специальных приборов.

Как было сказано выше, лазер можно сделать из двд-привода. Однако не стоит надеяться, что он по мощности будет аналогичен оружию «Звезды Смерти» из «Звёздных войн» . Оптический лазер, который сделан своими руками, вряд ли справится с железом или деревом. Однако им будет вполне возможно разрезать:

Если резьба не нужна, лазером из DVD-дисковода можно:

• Выжигать узоры или рисунки на деревянных поверхностях.
• Подсвечивать различные объекты, удалённые на большом расстоянии.
• Использовать в качестве украшения у себя дома.
• Делать прямые линии (т. к. луч хорошо виден), что будет особенно полезно при строительстве и ремонте.

Помимо вышепечисленных вариантов, лазеру, изготовленному своими руками из DVD-привода, можно придумать множество самых разнообразных заданий. Особенно его потенциал хорошо раскрывается в творческой сфере.

Необходимые инструменты

Чтобы сделать лазер, потребуются определённые компоненты. Все они продаются в обычных магазинах электроники, поэтому каких-либо лишних усилий прикладывать не придётся. Итак, для изготовления потребуются:

Как видно, чтобы сделать лазер из DVD-дисковода , не требуется каких-то сложных компонентов.

Требования к DVD-приводу

Как было сказано выше, очень важно, чтобы лазерный диод в устройстве был в рабочем состоянии. Поэтому не лишним будет удостовериться в этом. В ином случае комплектующие придётся покупать у людей, занимающихся продажей запчастей.

Также следует обратить внимание на марку изделия. Устройства от фирмы Samsung не подходят для создания лазера. Причина кроется в отстутствии специального корпуса , из-за которого диод особенно подвержен механическим повреждениям, загрязнению и тепловым нагрузкам. Его вполне возможно сломать простым прикосновением руки.

Наилучший вариант - дисководы от компании LG. Помимо защиты оптического диода, в них устанавливаются кристаллы различной мощности. Это позволяет знать, какой мощностью будет обладать сам лазер.

Помимо работоспособности диодов и марки изделия, также необходимо учитывать тип DVD-привода. Обычный дисковод предназначен сугубо для считывания информации с носителя . Поэтому для изготовления лазера потребуется записывающий дисковод, в котором имеется инфракрасный излучатель.

Резюмируя, можно выделить 3 основных требования к дисководу:

• Устройство может записывать информацию на диск (записывающие модели).
• Лазерные диоды в рабочем состоянии.
• Имеется защита диодов (дисковод не от компании Samsung).

Разбор дисковода

Данный процесс должен выполняться с особой осторожностью. При неаккуратном обращении, можно не только повредить устройство, но и нанести вред своим глазам . Дело в том, что лазер может ослепить на какое-то время и негативно сказаться на остроте зрения. Поэтому выполняйте все нижеперечисленные пункты не спеша:

Подача питания

Часть работы выполнена. Теперь самодельное устройство необходимо обеспечить электрическим током. Питание стандартного диода должно быть 3V, а расход до 400 мА . Эти значения могут меняться в зависимости от быстроты записи на диск.

Существует 2 способа питания, каждый из которых обладает преимуществами и недостатками. Тем не менее, каждый из работает от аккумулятора (батареек).

Первый вариант

Отличительная особенность первого способа - регуляция напряжения с помощью резистора. Лазеру не требуется большая мощность. Так, компонентам привода, скорость записи которого 16X, достаточно будет 200 мА . Повышать это значение максимум можно до 300 мА, иначе существует вероятность испортить кристалл и забыть о самодельном лазере.

Главные преимущества такого способа заключаются в надёжности изделия и простоте изготовления. Основной недостаток - возможные проблемы с размещением батареек.

Второй способ

Создать лазер по данному варианту будет сложнее. Кроме того, готовое устройство больше подходит для стационарного размещения. Дело в драйвере (микросхеме LM-317) , который из себя представляет плату для создания определённой мощности, а также ограничения электротока.

Как видно на схеме, для создания лазера потребуются:

• Непосредственно, микросхема LM-317.
• 2 резистора на 10 Ом.
• 1 переменный резистор на 100 Ом.
• 1 диод.
• Конденсатор на 100 мкФ.

Вне зависимости от окружающей среды, а также источника питания, драйвер будет поддерживать мощность 7V.

Оптика

Самодельный коллиматор проще всего изготовить из обычной лазерной указки. Подойдёт даже самый дешёвый китайский вариант . Всё, что требуется, это достать из «лазерки» оптическую линзу (она очень заметна).

Ширина луча будет больше 5 мм. Конечно, такой показатель считается очень большим и не может претендовать на звание лазера. Уменьшить диаметр до 1 мм как раз поможет стоковая линза коллиматора. Правда, для достижения такого результата придётся изрядно потрудиться. Главное - не спешить и не терять самообладание.

И в заключение

Создание лазера своими руками - очень увлекательный процесс. Здесь не требуется каких-то специальных компонентов или больших финансовых затрат. Вполне достаточно аккуратности и поверхностных знаний об электрике. При успешном изготовлении, можно начать пользоваться устройством. Режущий лазер без труда лопает воздушные шарики, прожигает бумагу и оставляет следы на дереве. Однако при использовании не следует забывать о технике безопасности.

При упоминании лазера большинство людей сразу вспоминают эпизоды из фантастических фильмов. Однако такое изобретение уже давно и плотно вошло в нашу жизнь и не является чем-то фантастическим. Лазер нашёл своё применение во многих сферах, начиная от медицины и производства и заканчивая развлечениями. Поэтому многим становится интересно, можно ли и как сделать лазер самому.

В зависимости от специфики и выдвигаемых требований, лазеры бывают совершенно разные, как по размерам (начиная от карманных указок и кончая габаритами с футбольное поле), так и по мощностям, используемым рабочим средам и другим параметрам. Конечно, мощный производственный луч сделать самостоятельно в домашних условиях невозможно, так как это не только технически сложные аппараты, но и очень капризные в обслуживании вещи. А вот простой, но надёжный и мощный лазер своими руками можно изваять из обычного DVD-RW привода.

Принцип работы

Слово «лазер» пришло к нам из английского языка «laser», что является сокращением из первых букв куда более сложного названия: light amplification by stimulated emission of radiation и дословно переводится как «усиление света посредством вынужденного излучения». Ещё его могут называть оптическим квантовым генератором. Видов лазеров очень много, а сфера их применения крайне обширна.

Принцип его работы заключается в преобразовании одной энергии (световой, химической, электрической) в энергию различных потоков излучения, то есть, в её основе содержится явление вынужденного или индуцированного излучения.

Условно принцип работы отображает следующий чертёж:

Необходимые для работы материалы

При описании основ работы лазера всё выглядит сложно и непонятно. На деле же сделать лазер своими руками в домашних условиях крайне просто. Понадобятся некоторые комплектующие и инструменты:

1. Самое основное, что нужно для создания лазера, это DVD-RW дисковод, т. е. пишущий привод от компьютера или проигрывателя. Чем выше скорость записи, тем мощнее будет и само изделие. Предпочтительнее брать приводы со скоростью 22X, так как его мощность наиболее высокая, порядка 300 мВт. При этом отличаются они и по цвету: красный, зелёный, фиолетовый. Что же касается непишущих ROM’ов, они слишком слабые. Ещё стоит обратить внимание на то, что после манипуляций с приводом он больше не будет работать, поэтому стоит брать или уже вышедший из строя, но с рабочим лазером, или такой, попрощаться с которым будет не жалко.
2. Ещё понадобится токовый стабилизатор, хотя и появляется желание обойтись без него. Но стоит знать, что все диоды (и лазерный не является исключением) «предпочитают» не напряжение, а ток. Наиболее дешёвые и предпочтительные варианты - это импульсный преобразователь NCP1529 или микросхема LM317 (аналог КР142ЕН12).
3. Выходной резистор подбирают в зависимости от тока питания лазерного диода. Рассчитывают его по формуле: R=I/1,25, где I - номинальный ток лазера.
4. Два конденсатора: 0,1 мкФ и 100 мкФ.
5. Коллиматор или лазерная указка.
6. Элементы питания стандарта ААА.
7. Провода.
8. Инструмент: паяльник, отвёртки, пассатижи и т. п.

Извлечение лазерного диода из DVD - привода

Основная часть, которую необходимо извлечь - лазер от dvd привода. Сделать это несложно, но стоит знать некоторые нюансы, которые помогут избежать возможных недоразумений во время работы.

Первым делом DVD привод нужно разобрать, чтобы добраться до каретки, на которой и находятся лазерные диоды. Один из них читающий - он слишком маломощный. Второй пишущий - именно то что нужно, чтобы сделать лазер из dvd привода.

На каретке диод установлен на радиатор и надёжно закреплён. Если не рассчитывается использовать другой радиатор, то вполне подойдёт и уже имеющийся. Следовательно, нужно снять их вместе. В противном случае - аккуратно отрезать ножки в месте входа в радиатор.

Так как диоды крайне чувствительны к статике, нелишним будет их защитить . Для этого тонкой проволокой нужно смотать между собой ножки лазерного диода.

Остаётся лишь собрать все детали воедино, а сам РОМ уже больше не нужен.

Сборка лазерного устройства

К преобразователю необходимо подключить извлечённый из сидирома диод, соблюдая полярность, так как в противном случае лазерный диод сразу же выйдет из строя и станет непригоден для дальнейшего использования.

С обратной стороны диода устанавливается коллиматор, чтобы свет мог концентрироваться в один пучок. Хотя вместо него можно использовать и входящую в состав рома линзу, или линзу, которую уже содержит в себе лазерная указка. Но в этом случае придётся проводить юстировку, чтобы получить необходимый фокус.

С другой стороны преобразователя припаиваются провода, соединяющиеся с контактами корпуса, где будут установлены элементы питания.

Поможет доделать лазер из двд привода своими руками схема:

Когда подключение всех составляющих выполнено, можно проверить работоспособность получившегося устройства. Если всё работает, то остаётся всю конструкцию поместить в корпус и надёжно там закрепить.

Корпус самодельной конструкции

Подойти к изготовлению корпуса можно по-разному. Отлично для этих целей подойдёт, к примеру, корпус от китайского фонарика. Можно использовать и уже готовый корпус лазерной указки. Но оптимальным решением может оказаться самодельный, из алюминиевого профиля.

Сам по себе алюминий имеет малый вес и, при этом отлично поддаётся обработке. В нём удобно расположится вся конструкция. Закрепить её тоже будет удобно. При необходимости всегда можно легко выпилить необходимый кусок или согнуть в соответствии с необходимыми параметрами.

Техника безопасности и тестирование

Когда все работы закончены, наступает время протестировать полученный мощный лазер. В помещении делать этого не рекомендуется. Поэтому лучше выйти на улицу в безлюдное место. При этом стоит помнить, что сделанное устройство в несколько сотен раз мощнее обычной лазерной указки , а это обязывает пользоваться им с особой осторожностью. Не стоит направлять луч на людей или животных, внимательно следить за тем, чтобы луч не отразился и не попал в глаза. При использовании красного луча лазера рекомендуется одевать зелёные очки, это значительно снизит риск повреждения зрения в непредвиденных случаях. Ведь даже со стороны смотреть на лазерные лучи не рекомендуется.

Не стоит направлять лазерный луч на легковоспламеняющиеся или взрывоопасные предметы и вещества.

Созданный прибор при правильно настроенной линзе вполне может резать полиэтиленовые пакеты, выжигать на дереве, лопать воздушные шарики и даже обжечь - своего рода боевой лазер. Невероятно, что можно сделать из двд привода. Поэтому тестируя изготовленный прибор, всегда стоит помнить о технике безопасности.

Хотели ли вы когда-нибудь изготовить настоящий лазер? На деле это не так сложно, как может показаться. Вам потребуются лишь DVD-привод и немного подручных материалов.

Давайте разберёмся, как сделать лазер в домашних условиях. Что для этого понадобится?

• DVD-привод c функцией перезаписи;
• лазерная указка;
• коллиматор для получения ровного пучка света;
• несколько отвёрток;
• канцелярский нож;
• ножницы по металлу;
• паяльник.

Ход действий

Разбираем DVD-привод и убираем с него верхнюю панель. Вас интересует местоположение каретки, потому что именно там находятся направляющие. Открутите болты и снимите каретку. Не забудьте отключить все разъёмы!

Начинаем процесс разборки каретки. В ней будут 2 диода. Один служит для считывания, другой применяется для прожига дорожек – он красного цвета. Нам нужен именно последний.

Обычно этот диод прикручен к плате болтами, которые следует аккуратно открутить небольшой отвёрткой. Проверьте его работоспособность, подключив к батарейке. Аккуратно извлеките диод из корпуса. Берём купленный коллиматор, проводим разборку. Внутри находится лазерный диод. Его убираем, на его место ставим тот, который был извлечен из привода.

Для демонтажа можно применить отвёртку. Если элемент упрямится, стоит применить острый нож. Удалять эту часть следует аккуратно, стараясь не причинить вреда другим компонентам платы.

Следующий шаг – монтаж диода в корпус. Его надо приклеить, воспользовавшись термостойким клеем. Важно установить его в то же положение, в каком стоял предыдущий. Берем паяльник, припаиваем провода к элементу с обязательным соблюдением полярности.

Настала очередь обработки лазерной указки. Откручиваем крышку, снимаем составляющие. Может потребоваться доработка отражателя. Сделайте ровными его края с помощью напильника. Не забываем убрать оргстекло.

Выньте батарейки, а затем вставьте на место излучателя конструкцию, собранную ранее. Далее собираем лазерную указку в обратном порядке, но без использования пластиковой линзы.

Последние штрихи

Теперь вам необходимо вернуть батарейки на их прежнее место и проверить созданное устройство. Никогда не наводите лазер на себя или окружающих вас людей и животных. Он не отличается высокой мощностью, но легко расплавит полиэтиленовый пакет или другой схожий по толщине материал. Длина луча превысит 100 м, с его помощью на таком расстоянии вы сможете поджечь спичку.

Собрать лазер собственноручно несложно, особых инструментов или вещей для этого не нужно. Важно не забывать, что в качестве игрушки данная вещь неприменима. Опасно направлять её на зеркала или прочие отражающие поверхности. Если же вам нравится экспериментировать, то это отличный способ создать интересную вещь.

Лазерный резак, сделанный своими руками, пригодится в каждом доме.

Конечно же, самодельный прибор не сможет обрести большую мощность, которую имеют производственные аппараты, но все же кое-какую пользу в быту от него можно будет получить.

Самое интересное, что изготовить лазерный резак можно с помощью старых ненужных предметов.

Например, своими руками изготовить лазерный прибор позволит применение старой лазерной указки.

Чтобы процесс по созданию резака продвигался как можно быстрее, необходимо подготовить следующие предметы и инструменты:

• указка лазерного типа;
• фонарик на аккумуляторных батареях;
• старый CD/DVD-RW пишущий, можно вышедший из строя, – из него понадобится привод с лазером;
• электропаяльник и комплект отверток.

Процесс по изготовлению резака своими руками начинается с разборки привода, откуда необходимо достать прибор.

Извлечение нужно сделать по максимуму аккуратным, при этом придется проявить терпение и быть внимательным. В устройстве присутствует много разных проводов с практически одинаковой структурой.

Выбирая DVD привод, нужно учитывать, чтобы он был пишущим, так как именно такой вариант позволяет делать записи с помощью лазера.

Запись выполняется в ходе испарения тонкого металлического слоя с диска.

В процессе чтения, лазер функционирует наполовину своих технических возможностей, слегка освещая диск.

В процессе демонтажа верхнего крепежного элемента взгляд упадет на каретку с лазером, который может передвигаться в нескольких направлениях.

Каретку необходимо бережно извлечь, аккуратно снять разъемы и шурупы.

Затем можно перейти к снятию красного диода, за счет него происходит прожиг диска – это легко можно сделать своими руками при помощи электропаяльника. Извлеченный элемент не стоит встряхивать, а тем более ронять.

После того как основная деталь будущего резака находится на поверхности, нужно сделать тщательно продуманный план сборки лазерного резака.

При этом необходимо учесть следующие моменты: как лучше поместить диод, как подсоединить его к источнику питания, ведь для диода пишущего устройства требуется больше электроэнергии, чем для основного элемента указки.

Данный вопрос можно решить несколькими методами.

Чтобы сделать ручной резак с более-менее высокой мощностью, необходимо достать находящийся в указке диод, после чего поменять его на элемент, извлеченный из DVD привода.

Поэтому лазерную указку разбирают также осторожно, как и привод пишущего DVD устройства.

Предмет раскручивают, затем разделяют его корпус на две половины. Сразу же на поверхности можно будет увидеть деталь, которую и нужно заменить своими руками.

Для этого родной диод из указки снимается и аккуратно заменяется более мощным, его надежное крепление можно выполнить с использованием клея.

Возможно, снять старый диодный элемент сразу не получится, поэтому его можно подковырнуть бережно кончиком ножа, затем слегка встряхнуть корпус указки.

На следующем этапе изготовления лазерного резака нужно сделать для него корпус.

Для этой цели пригодится фонарик с аккумуляторными батарейками, что позволит лазерному резаку получить электроподпитку, приобрести эстетичный вид, и удобство использования.

Для этого в корпус фонарика своими руками необходимо внедрить модифицированную верхнюю часть бывшей указки.

Затем нужно подключить к диоду зарядку, посредством находящейся в фонарике аккумуляторной батареи. Очень важно в процессе подключения точно установить полярность.

До того как фонарик будет собран, необходимо снять стекло и прочие лишние элементы указки, которые могут стать помехой лучу лазера.

На завершающем этапе проводится подготовка лазерного резака к использованию.

Для комфортной ручной работы все этапы работы над прибором необходимо строго соблюдать.

С этой целью нужно проконтролировать надежность фиксации всех внедренных элементов, правильность полярности и ровность установки лазера.

Итак, если все вышеизложенные в статье условия сборки были точно соблюдены, резак готов к применению.

Но так как самодельный ручной прибор наделен невысокой мощностью, то вряд ли из него получится полноценный лазерный резак по металлу.

Что идеально сможет выполнять резак, так это сделать отверстия в бумаге или полиэтиленовой пленке.

А вот наводить на человека лазерное приспособление, сделанное своими руками нельзя, здесь его мощности будет достаточно, чтобы навредить здоровью организма.

Как можно усилить самодельный лазер?

Чтобы сделать своими руками более мощный лазерный резак для работы по металлу, нужно использовать приборы из следующего списка:

• DVD-RW привод, нет разницы рабочий или нет;
• 100 пФ и мФ – конденсаторы;
• 2-5 Ом резистор;
• 3 шт. аккумуляторные батареи;
• паяльник, провода;
• коллиматор;
• стальной фонарь на светодиодных элементах.

Сборка лазерного резака для ручной работы происходит по следующей схеме.

С применением указанных приборов происходит сборка драйвера, впоследствии он посредством платы сможет обеспечивать лазерному резаку определенную мощность.

При этом к диоду ни в коем случае нельзя подсоединять электропитание напрямую, так как диод сгорит. Также нужно принять во внимание, что диод должен брать подпитку не от напряжения, а от тока.

В качестве коллиматора используется корпус, оснащенный оптической линзой, за счет которой будут скапливаться лучи.

Данную деталь легко отыскать в специальном магазине, главное, что в ней присутствует паз для установки диода лазера. Цена данного устройства небольшая, примерно составляет 3-7$.

Кстати, лазер собирается так же, как и вышерассмотренная модель резака.

В качестве антистатического изделия также может применяться проволока, ею обматывают диод. После чего можно приступать к компоновке драйверного устройства.

Прежде чем перейти к полной ручной сборке лазерного резака, нужно проверить работоспособность драйвера.

Сила тока замеряется с помощью мультимера, для этого берут оставшийся диод и проводят измерения своими руками.

С учетом скорости тока, подбирают его мощность для лазерного резака. К примеру, у одних вариантов лазерных устройств сила тока может равняться 300-350 мА.

У других, более интенсивных моделей, она составляет 500 мА, при условии использования другого драйверного устройства.

Чтобы самодельный лазер выглядел более эстетично, и им можно было удобно пользоваться, для него нужен корпус, в качестве которого вполне может использоваться стальной фонарик, функционирующий на светодиодах.

Как правило, упомянутый прибор наделен компактными размерами, которые позволят поместиться ему в кармане. Но во избежание загрязнений линзы, заранее нужно приобрести или сшить своими руками чехол.

Особенности производственных лазерных резаков

Не каждому по карману цена лазерного резака по металлу производственного типа.

Такое оборудование применяют для обработки и разделки металлических материалов.

Принцип действия лазерного резака строится на выработке инструментом мощного излучения, наделенного свойством испарять или выдувать металлический расплавленный слой.

Такая производственная технология при работе с разными типами металла способна обеспечить высокое качество среза.

Глубина обработки материалов зависит от вида лазерной установки и характеристик обрабатываемых материалов.

На сегодняшний день используется три вида лазеров: твердотельные, волоконные и газовые.

Устройство твердотельных излучателей основывается на использовании в качестве рабочей среды конкретных сортов стекла или кристаллов.

Здесь в пример можно привести недорогие установки, эксплуатируемые на полупроводниковых лазерах.

Волоконные – их активная среда функционирует за счет применения оптических волокон.

Данный тип устройства является модификацией твердотельных излучателей, но как утверждают специалисты, волоконный лазер успешно вытесняет свои аналоги с области металлообработки.

При этом оптические волокна являются основой не только резака, но и гравировального станка.

Газовые – рабочая среда лазерного устройства сочетает углекислый, азотный и гелиевый газы.

Так как КПД рассматриваемых излучателей не выше 20%, их используют для резки и сварки полимерных, резиновых и стеклянных материалов, а также металла с высокой степенью теплопроводности.

Здесь в пример можно взять резак по металлу выпускаемый компанией Ханса, применение лазерного устройства позволяет резать медь, латунь и алюминий, в данном случае минимальная мощность станков только выигрывает у своих аналогов.

Схема работы привода

Эксплуатироваться от привода может лишь настольный лазер, данный тип устройства представляет собой портально-консольную машину.

По направляющим рейкам устройства лазерный блок может перемещаться как вертикально, так и горизонтально.

В качестве альтернативы портальному устройству была изготовлена планшетная модель механизма, ее резак перемещается только по горизонтали.

Другие существующие варианты лазерных станков имеют рабочий стол, оснащенный приводным механизмом и наделенный свойством перемещаться в разных плоскостях.

На данный момент имеется два варианта управления приводным механизмом.

Первый обеспечивает перемещение заготовки за счет эксплуатации привода стола, или перемещения резака выполняется за счет функционирования лазера.

Второй вариант предусматривает одновременное перемещение стола и резака.

При этом первая модель управления по сравнению со вторым вариантом считается намного проще. Но вторая модель все-таки отличается высокой производительностью.

Общей технической характеристикой рассмотренных случаев является необходимость внедрения в устройство блока ЧПУ, но тогда цена для сборки прибора для ручной работы станет выше.

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.