воскресенье, 17 октября 2010 г.

Карманный лазер из... DVD-RW и АКБ мобильного

Многие наверняка смотрели "бондиаду" и "звездные войны" и помнят браслет агента 007 или "джедайский меч". Немногие знакомы с "современными" промышленными установками. Еще меньшее количество увлекалось импульсными жидкостными лазерами на красителях [1, 2]. Сегодня мы с вами создадим "миниатюрную" лазерную установку из старого CD-RW привода и аккумулятора мобильного телефона.

Сама идея использовать лазерный диод из привода CD/DVD не нова [3] и до сих пор ее реализация сдерживалась лишь дороговизной самих приводов. Но, как и для любой техники, износ их неизбежен, да и прогресс не стоит на месте: CD приводы постепенно уступили место DVD, DVD завоевывает все большие скорости и уже уступает Blu-ray. И у каждого пользователя такой техники рано или поздно появляется изношенный "девайс", который продать уже нельзя, а выкидывать жалко. Тем не менее, он вполне еще может послужить науке, например, для опытов по физике. Ведь лабораторное оборудование по оптике в наших университетах очень и очень недешево.

Краткий экскурс…

Первый твердотельный лазер на монокристалле рубина был создан Мейманом (США) в далеком 1960 году. А уже в 1966 году был создан первый лазер на углекислом газе. Позже появились лазеры на жидкостных красителях, He-Ne (гелий-неоновые), FEL- лазеры (рентгеновские) и наконец лазерные диоды.

Что же такое - лазерное излучение? Излучение лазера, как и любой другой свет - это электромагнитное монохроматическое излучение (все фотоны имеют одинаковую длину волны, частоту и энергию), причем когерентное (когда все фотоны являются синфазными как во времени, так и в пространстве) и коллимированное (все лучи в пучке почти параллельны друг другу). Сам спектр лазерного излучения находится от 150 до 10000 нм, т.е. от "жёсткого" ультрафиолета до инфракрасного (теплового) света.

В случае лазерных диодов, используемых в приводах CD/DVD, их излучение может иметь следующие длины:
  1. Инфракрасное 780, 808, 850 нм (в CD-RW и Combo- приводах).
  2. Красное 630-670 нм (в DVD-RW).
  3. Сине-фиолетовое 405нм (в высокоскоростных DVD-RW).
В зависимости от силы воздействия лазерное излучение распределено на несколько классов, по предельным значениям интенсивности облучения лазером и её опасности для глаз и кожи. Вот эти самые предельные значения и определяют класс лазера и регулируются международным стандартом EN60825-I (см. таблицу):

Таблица - Классификация no EN 60825-1


Меры предосторожности
Прежде всего, никогда не направляйте лазер в глаза! И сами не смотрите. Ведь вы помните про то, что нельзя смотреть без защитных очков на сварку. Лазерное излучение крайне опасно!
Из школьной программы вы помните, что хрусталик глаза фокусирует изображение на сетчатку. Так вот, даже расфокусированное лазерное излучение может сфокусироваться внутри глаза. Ведь стекловидное тело глаза - тоже линза, оптическое усиление которой порядка 100 единиц! Это означает, что излучение от 5 мВт/см2 через глаз будет эффективно увеличено до 500 мВт/см2, когда оно достигнет сетчатки. Установлено, что глаз прозрачен* лишь в области длин волн между 370 и 1400 нм. При инфракрасном-же излучении происходит перегрев внутренних тканей и сгорание или отделение роговицы, в результате человек может ослепнуть даже при взгляде на лазерный луч незначительной силы.
* длина волны "лазерного дальномера с безопасной длиной волны" для измерения расстояния до выбранного объекта в изделиях наземной, воздушной и морской техники военного и гражданского применения составляет 1540 нм.
Рассмотрим характерные воздействия длины волны лазерного излучения на глаза:
  1. Длины волн от 400 нм и 1400 нм, направлены на сетчатку.
  2. Длины волн от 300 до 400 нм, воздействуют на радужную оболочку глаза, хрусталик и стекловидное тело.
  3. Длины волн короче 300 нм или более 1400 нм, воздействуют на роговицу.
Хотя сетчатка может регенерировать от незначительных повреждений, при большей степени ранения это может привести к временной или постоянной потере остроты зрения или к полной слепоте. Это касается лазеров класса 3B то есть мощностью до 500 мВт. О чем красноречиво свидетельствует наклейка на приводе (см. рис.2):


Рис. 2. Наклейка на приводе

Средства защиты

К сожалению, прямое или отраженное попадание лазера класса 3B или 4 и отражений лазеров выше 4 класса может вызвать повреждения, прежде чем человек успеет рефлекторно закрыть глаза. И тут уже не обойтись без специальных очков с защитой. Например, такие как очки, защищающие** от рассеянного и отраженного лазерного излучения, марок ЗН-22 С3-С22 или ЗО-7 (см. рис.3).
** для защиты глаз нельзя использовать солнцезащитные очки!
Заметьте, отраженного, а не прямого попадания!


Рис. 3. Защитные очки ЗО-7 и ЗН22 от отраженного лазерного излучения

Приобрести такие очки можно в специализированных магазинах "Медтехника". Рассмотрим вкратце их характеристики:
  1. очки защитные ЗО-7 - для защиты глаз от рассеянного диффузно отраженного излучения медицинских лазерных терапевтических аппаратов в диапазоне длин волн 680…980 нм. Применяются при работе с аппаратами квантовой терапии РИКТА, КВАНТЕРРА, ЭСМИЛ, САПФИРИТ, оснащенных оптическими насадками, при косметологических и других процедурах на лице
  2. очки ЗН22 ЛАЗЕР - обеспечивают защиту от воздействия отраженного лазерного излучения в диапазоне длин волн 630 - 1400 нм. Линза - минеральное стекло
Извлекаем лазерный диод или… чем мы располагаем?

Непосредственно, для создания лазерной установки нам потребуется следующее:
  1. Б/у или новый пишущий привод CD-RW/DVD-RW или оптическая система от них.
  2. Скрепка.
  3. Отвертка.
  4. Пара радиоэлементов (резистор и конденсатор).
  5. Старый аккумулятор (АКБ) от мобильного телефона, желательно со встроенной защитой.
  6. Зарядка от мобильного (для испытаний макетного образца).
  7. Паяльник и "прямые" руки.
Перед разборкой привода (см. рис.4) выдвигаем лоток для дисков выпрямленной скрепкой через маленькое отверстие впереди и выщелкиваем переднюю панель:

Рис. 4. Б/У пишущий привод CD-RW/DVD-ROM

После этого, переворачиваем корпус привода и отверткой выкручиваем винты, чтобы снять крышку (см. рис.5):


Рис. 5. Процесс разбора привода. Снимаем крышку привода

Далее извлекаем оптическую часть (см. рис.6). Для этого, перевернув опять привод, отсоединяем все шлейфы и откручиваем платы, что мешают доступу к лазерному диоду, в нашем случае это будет ИК диод:

Рис. 6. Процесс разбора привода. Достаем оптику

Также нам понадобится латунный коллиматор и линза, что вы видите на фото, она установлена на модулирующих катушках. Ее нужно осторожно выломать кусачками из пластика. Сам лазерный диод относительно небольшой по размерам (см. рис.7), хотя бывают еще и бескорпусные варианты:


Рис. 7. Габариты лазерного диода

Распиновку и расположение его выводов видно из (см. рис.8):


где 1 - питание (+), 2 - общий (-), 3 - фотодиод обратной связи (опционально)
Рис. 8. Лазерный диод в корпусе ТО-56 и распиновка его выводов

Так как лазерный диод (ЛД) содержит оптический резонатор внутри себя, то он очень чувствителен к статическому электричеству, поэтому следует соблюдать осторожность при его выпайке и монтаже. Наилучший вариант - это старый проверенный способ работы с "полевиками": обмотать выводы проводом без изоляции и не снимать его до монтажа в схему и включения. Ну и конечно-же использовать антистатический браслет.

Схемы запитки лазерного диода

Поскольку лазерный диод является токовым элементом, то для его запитки следует ограничивать ток подаваемый на него. В простейшем случае, это конечно же будет токоограничивающее сопротивление и схема включения будет следующей (см. рис.9):


Рис. 9. Схема электрическая принципиальная опытного образца-1

Для тока ~ в 200мА сопротивление будет порядка 8 Ом. Как видно из схемы, АКБ имеет возможность подзарядки в процессе эксплуатации. Конечно, несмотря на очевидное достоинство данной схемы, как простота реализации, есть также один существенный недостаток: с течением времени АКБ разряжается и напряжение падает, а значит и ток, который к тому-же ничем не контролируется. "Что же делать?" - спросите вы. А теперь вспомним про китайские светодиодные фонарики на одном пальчиковом элементе. Там ведь напряжения от одной батарейки тоже явно недостаточно для зажигания*** сверхяркого светодиода и стоит повышающий преобразователь (электронный чип).
*** аналогия самая прямая: у лазерных диодов падение напряжения практически такое же, как и у светодиодов и составляет ~ 2В. На моем ИК ЛД оно составило 1.97 В.
Вот для решения этой "проблемы" и используется преобразователь, такой как на (рис.10):

Рис. 10. Схема электрическая принципиальная драйвера (DC-DC конвертора) опытного образца-2

Повышающий преобразователь выполнен на микросхеме LM2921 (в корпусе SO-8) по типовой схеме включения (см. DATASHEET [4]) и запитывается от одного элемента аккумулятора. Микросхема обеспечивает постоянный контролируемый стабильный ток в цепи питания ЛД, что в конечном итоге позволяет забыть на время "проблему подзарядки" аккумулятора.

Практика первых испытаний или… делаем опытный образец

Итак, приступим к основной задаче. Для отработки работоспособности приведенных выше схем была использована макетная плата (см. рис.11):

Рис. 11. Макетная плата опытного образца c питанием от зарядки

Линза с коллиматором была установлена так, чтобы иметь возможность регулировки фокусного расстояния до ЛД. После монтажа компонентов, для удобства наладки, запитка была произведена от зарядки мобильника. Поскольку излучение нашего ЛД находилось в инфракрасном участке спектра, очень удобным для наблюдения, да и в какой-то мере защиты зрения, оказалось использовать камеру мобильного телефона или "цифровик". Их матрицы довольно чувствительны**** к невидимому для человеческого глаза световому потоку.
**** достаточно вспомнить, что для проверки работоспособности пультов от ТВ достаточно на них взглянуть через камеру телефона со стороны излучающего светодиода и понажимать кнопки на пульте ДУ.
Включаем питание, и "свершилось"… пробуем выжигать надпись на кейсе от диска (см. рис.12):

Рис. 12. Испытание макетного образца (выжигаем надпись)

Успешные испытания сразу-же подводят нас к вопросу о миниатюризации и мобильности. Вот тут-то нам и понадобится старый аккумулятор от мобильного…

Конструктив лазерной установки

Плата опытного образца-2 [3], габаритами 35х10 мм, разведена в пакете OrCad и изготовлена по "утюжно-лазерной" технологии. В качестве элемента VD1 подойдут любые диоды Шоттки или импульсные в корпусе SOD-80. В качестве элементов С1, С3 подойдут любые SMD неполярные конденсаторы типоразмера соответствующих габаритов (см. плату - рис.13, 14).

Рис. 13. Печатная плата опытного образца-2 (зеркальная печать)

Рис. 14. Расположение элементов на плате опытного образца-2

Для L1 допускается применение любого малогабаритного покупного дросселя от нескольких единиц до десятков микрогенри или самодельного из нескольких витков проводом ПЭЛ/ПЭВШО на ферритовом кольце 1000НН. В качестве элемента R5 при отсутствии достаточно миниатюрного подстроечника временно впаиваем любой имещийся в наличии, и после подстройки по нужному току (см. справочные данные [3]) в цепи ЛД заменяют на постоянный SMD резистор типоразмера 0805. Как правило, ограничиваются током в 200-300 мА, тут все зависит от конкретного типа привода. Общее правило таково: чем выше была скорость привода в котором стоял ЛД, тем больший ток он способен выдержать в течении определенного периода без риска повреждения резонатора. Вот тут уже главную роль начинает играть его нагрев. Для его уменьшения, сам ЛД помещают в медную трубку (или гайку) соответствующего диаметра или в нашем случае просто обмотаем несколькими витками "голого" медного провода диаметром ~ 1 мм. Такой вот импровизированный радиатор (см. рис.15):

Рис. 15. Расположение элементов "лазера" в корпусе АКБ мобильного

Под опытный образец-1 печатная плата не изготавливалась и вся конструкция выполнена навесным монтажом. Как видите, все элементы комфортно уместились в корпусе старого Li-ION (литий-ионного) аккумулятора от мобильного телефона (см. рис.15). Платка встроенного стабилизатора, что там была изначально, удалена, а в самом пластиковом внешнем корпусе паяльником аккуратно "прожжены" 2 отверстия под линзу от коллиматора и разъема XT1 для подзарядки нашего аккумулятора. В отверстие оставшееся от внешних контактов аккумулятора идеально вошла кнопка SA (cм. схему) включения модуля. Сама кнопка посажена "на клей" непосредственно на аккумулятор, а линза на одну половинку корпуса:

Рис. 16. Лазерная установка в сборе. Внешний вид

В процессе наладки, изменением фокусного расстояния между ЛД и линзой добиваются минимального диаметра точки на какой-либо черной поверхности, т.е. максимума концентрации когерентного излучения на миллиметр квадратный.

НАПОМНЮ еще раз о технике безопасности: некоторые поверхности, особенно гладкие, могут отразить луч! И если в качестве ЛД вы выбрали излучащий элемент видимого диапазона, то этот процесс контролируется легко. Гораздо труднее, если у вас ЛД ИК диапазона, например от CD-RW привода. Поэтому, будьте внимательны и осторожны!

Как увеличить эффективность… или подбираем оптику

Если вам попался ЛД без линзы, что больше характерно для DVD приводов, то удобно использовать линзу от "китайской" лазерной указки. Кроме того, внешнюю (отдельную) линзу с самого привода можно укрепить с обратной стороны латунного коллиматора (самое интересное - что подходит по диаметру), а ЛД вставить с другой стороны, что решит проблему охлаждения, но конечно предварительно придется подобрать фокус и сточить лишние "миллиметры". В любом случае, и оптика и сам конструктив установки зависит от типа ЛД, что вам попадется под руки.

Видеоприложение к публикации



Заключение

Конечно, возможности такого карманного лазера не идут ни в какое сравнение с промышленными установками, но уже являются "поражающими" в прямом смысле этого слова и ее вряд-ли уже можно назвать просто опасной "игрушкой", хоть и крайне интересной.

Справочные данные по типовым лазерным диодам, используемых в приводах CD-R/CD-RW/DVD-RW, а также по микросхемам стабилизаторов и печатную плату опытного образца-2 (файл vd.zip) вы можете скачать с сайта автора http://raxp.radioliga.com.

Сокращенный вариант статьи опубликован в [5].

Ресурсы
  1. В.Ткаченко. Строим лазер. Юный техник. Москва, 1992, №11, с.68
  2. С.А.Батище, В.А.Мостовников, В.В.Тарковский. Широкодиапазонный лазер на красителях микросекундной длительности с двухкаскадным возбуждением. Квантовая электроника. Институт физики им. Степанова. Минск, 1995, №7, с.651
  3. Сайт-форум "фанатов лазеростроения" http://www.lasers.org
  4. Справочные данные лазерных диодов и плата драйвера ЛД (в формате GERBER RS-274X) http://raxp.radioliga.com/cnt/s.php?p=las.zip
  5. С.Бадло. Карманный лазер из привода CD-RW/DVD-RW и АКБ мобильного. DIGITAL KAZAKHSTAN, Астана, 2009, №2, с.48 http://raxp.radioliga.com/cnt/s.php?p=ls.djvu

Комментариев нет:

Отправить комментарий

В комментариях уважайте собеседника, внимательно читайте посты и не додумывайте. Просьбы и предложения из разряда: «можно ваш Skype/Viber/телефон», «напишите мне в vk/FB», а также другие им подобные — игнорируются. Выход новых версий ПО, внешняя ссылка, переставшая работать с течением времени и т.п. не является основанием для претензий. Желающие спокойно подискутировать и высказаться — Welcome. Желающие спонсировать блог — Donate. Нарушение этих простых правил ведет к бану и удалению комментариев без предупреждения.