|
Почему UN DIY ING? Да потому что лазерный диод это готовый покупной лазер и
DIY тут приложимо разве что в создании источника питания, фетишного корпуса и
формирующего объектива (и то, если нужен). Перевод слова undying на русский
язык звучит как "нечисть". Нечто, вызывающее страх и отвращение. Мощные
лазерные диоды страха и отвращения, конечно не вызывают. Скорее зависть. Но для "трушного" разработчика самодельных лазеров "докатиться" до пользования
готовыми лазерами это, как бы "не комильфо".
Тем не менее как бы там ни было, но текст, посвященный использованию
лазерных диодов в конце концов появился на этом сайте. Гайдом этот текст не
является. Скорее уж учебно-справочным пособием. Поэтому и размещен в разделе "технологии".
Необходимо сразу предупредить, что данный текст адресован "саберостроителям"
- тем, кто считает, что лазер должен резать и жечь. Поэтому вопросы применения
лазерных диодов малой мощности (менее 1 Вт) а также специфические вопросы,
вроде ширины спектра или стабильности частоты лазерного излучения, здесь не
рассматриваются.
Оглавление
- ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ
- ПРОСТЫЕ АНАЛОГОВЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ТОКА
Приведены простые схемы аналоговых стабилизаторов тока, хорошо
зарекомендовавшие себя при питании мощных лазерных диодов. Схемы
доступны для повторения электронщиками начального уровня.
- ИМПУЛЬСНЫЕ СХЕМЫ
Приведены схемы импульсных стабилизаторов тока, напряжения
и гибридные схемы.
ВНИМАНИЕ! Для сборки и наладки этих схем может потребоваться
специалист - электронщик квалификации выше средней.
- ЛАЗЕРНЫЕ ДИОДЫ И ИХ ПАРАМЕТРЫ
Объясняется значение основных параметров лазерного диода. Даются
рекомендации по выбору лазерного диода при покупке.
- ОПТИКА
Напоминаются базовые сведения по геометрической оптике. Объясняется
значение основных терминов. Рассматриваются типовые оптические схемы,
важнейшие для применения совместно с лазерами. Приведены простые формулы
и способы расчета оптических систем. Приведены примеры расчетов.
- УВЕЛИЧЕНИЕ МОЩНОСТИ ПУЧКА ПУТЕМ СЛОЖЕНИЯ ЛУЧЕЙ ОТ НЕСКОЛЬКИХ ЛАЗЕРОВ
- ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ СЛОЖЕНИЕ
Описывается как создать систему сложения популярного типа "knife-edge"
без использования дорогостоящего оборудования и материалов. Приведен
пример сбора света от четырех лазерных диодов практически в один луч,
общей мощностью 16 Вт.
- ПОЛЯРИЗАЦИОННОЕ СЛОЖЕНИЕ
Описан способ сложения двух пучков лазеров в один луч.
- ЦВЕТОВОЕ (СПЕКТРАЛЬНОЕ) СЛОЖЕНИЕ
Описан способ сложения нескольких пучков лазеров разного цвета в один
луч.
Так уж повелось, что само название этого текста настраивает на религиозно -
мистический лад. Ну а где религия, там и догмы. Вот список догм, бытующих в
технике полупроводниковых лазеров. О том, как их следует понимать, и как к
ним относиться, читайте в тексте:
Источники питания лазерных диодов
↑
Кстати об источнике питания. Уже довольно широко известно, что лазерные диоды
следует питать от стабилизатора тока, а не от стабилизатора напряжения. Проще
всего выглядят аналоговые стабилизаторы. Вот пара хороших схем:
Схема №1
↑
Схема на КРЕН-ке включенной стабилизатором тока:
____________
/ O \
| |
--------------
| KPEH22A |
| LT1083-CT |
| |
|Adj Out In |
-+----+-----+-
| | |
| +--+ |
| | | SW1 6 Amp
R2..R5 +-/\/\/-+ | /
1.0 Ohm | | +---------+----+ +------+
each +-/\/\/-+ | | |
| | | | 2 x 18650 |
+-/\/\/-+ | | Li-Ion |
| | | | cells -----
5W +----->>--+-----------+-------+-/\/\/-+ | | ===
808 nm | | | C1 | C2 | R6 -----
_+_ / R1 | >400uF | >400 uF / 10 kOhm ===
Laser \ / \ 10 kOhm --- LOW ESR --- \ |
Diode -+- / --- --- / |
| | | | | |
+----->>--+-----------+------------------+---------+--------------+
Резисторы R1 и R6 служат лишь для разрядки электролитических конденсаторов
C1 и C2. Напряжения здесь везде не выше 10 вольт, так что для Вашей жизни эти
конденсаторы не опасны. А вот для жизни лазерного диода, при случайном контакте,
заряд накопленный на этих конденсаторах летален.
Конденсатор С2 служит для устранения звона выключателя SW1.
Конденсатор C1 весьма важен. Как показывает моделирование в LTSpice и
макетирование на реальных деталях существует некоторое положительное отличное
от нуля значение емкости этого конденсатора, ниже которой схема не работает -
генерирует выброс тока перерегулирования и убивает диод. Это значение
индивидуально и зависит от параметров конкретно взятой КРЕН-ки. Для большинства
кренок оно лежит в районе 100-200 мкф. Такчто если взять C1>400 мкф, схема
будет иметь "запас прочности".
Резисторы R2..R5 - токоизмерительные/токозадающие. Собственно и принцип - то
работы всей схемы заключается в том, что КРЕНка стабилизирует напряжение на
резисторе фиксированной величины, стабилизируя таким образом и ток, текущий
через нагрузку. Резисторов много по трем причинам:
- на них рассеивается изрядная мощность;
- резисторы имеют отклонение сопротивления от номинального значения и
маловероятно, что у всех из них отклонение будет в одну и ту же сторону.
Таким образом получающийся составной резистор слегка точнее, чем каждый из
резисторов, его составляющих.
- изменяя количество подпаянных резисторов можно изменять величину тока
стабилизации (мощность лазера)
Боже Вас упаси использовать на этом месте переменный резистор! Это верный
способ отправить диод на тот свет! Количество подключенных резисторов менять
только пайкой. Ну или джамперами, если Вы уверены в их надежности.
Достоинства схемы:
Схема очень проста и сделана на доступных деталях. При этом имеет высокую
точность стабилизации и множество всякого рода встроенных защит: от короткого
замыкания, от перегрева, от перенапряжения по входу и т.д...
Недостатки схемы:
Схема не защищена от переполюсовки. Вставляя батарейки будьте внимательны.
Схема терпеть не может плохой контакт при подключении диода. Действительно,
когда контакт нарушается, стабилизатор тока, пытаясь поддержать ток, поднимает
напряжение на C1. А в момент, когда контакт восстанавливается, весь заряд из
C1 мощным импульсом идет через диод и надежно приканчивает его. Этот недостаток
в той или иной мере свойственен всем стабилизаторам тока. Используйте надежные
проверенные провода и пайку. Подключение диода к стабилизатору "методом тыка"
недопустимо!
Схема довольно тормознутая. Характерное время нарастания и спада тока при
включении и выключении составляет порядка миллисекунды и определяется емкостями
конденсаторов С1 и С2. Но ведь и они выбраны исходя из необходимости подавления
перерегулирования КРЕН-ки. Т.е. на самом деле схема тормознутая из-за низкого
быстродействия самой применяемой микросхемы.
Еще схема плохо относится к динамическому изменению нагрузки. Оно и понятно -
между толстой буферной емкостью C1 и лазерным диодом никакого ограничения нет.
С мощнымими арсенид-галлиевыми лазерными диодами это прокатывает. А вот с
нитрид-галлиевыми - не всегда. Похоже нитрид галлиевые (синие и зеленые) диоды
при определенных условиях ведут себя так, как будто имеют участок
отрицательного дифференциального сопротивления (а-ля туннельный диод) со всеми
вытекающими последствиями.
В продаже ходит довольно много поддельных КРЕНок. К нашим КРЕН22 это не
относится, а вот в корпусах с маркировкой LT1083. LM196, LM338 запросто можно
встретить что-нибудь не то. Поэтому после сборки новой схемы ВСЕГДА ТЩАТЕЛЬНО
ПРОВЕРЯЙТЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СХЕМЫ ПЕРЕД ТЕМ КАК ПОДКЛЮЧИТЬ К НЕЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДИОД.
Для проверки лучше всего грузить ее на резисторы разного номинала и смотреть
как зависит от нагрузки ток стабилизации. Подсказка: при изменении нагрузки в
разумных пределах (скажем от короткого замыкания до одного ома) выходной ток
не должен заметно меняться.
Кроме того если есть осциллограф крайне желательно проконтролировтаь фронт и
спад тока при включении и выключении схемы.
Вообще впечатления о работе схемы самые положительные. "Попробовал раз - ем и
сейчас." Для пущей безопасности следовало бы поставить между батарейкой и
КРЕНкой диод, защищающий от переполюсовки, а последовательно с лазером включить
резистор на 0.5-1.0 Ома. Но, к сожалению, эти улучшения - сильный оверхед,
бьющий в размер батарейки. Даже в имеющемся виде схема требует двух
литий-ионных аккумуляторов (7.4 вольта) в то время, как падение на диоде
составляет лишь 2.4 вольта. Т.е. кпд не превышает 32%. А если еще прибавить
лишний вольт падения на защитном диоде и 2.5..5 вольт падения на
стабилизирующем резисторе, то все будет смотреться куда хуже.
КПД схемы тем больше, чем больше падение напряжения на диоде. Так используя
аналогичный стабилизатор для питания синего диода (4.3 вольта) или двух
инфракрасных диодов последовательно (4.8 вольта) можно добиться кпд под 50%.
На счету этой схемы:
- Два устойчиво и довольно давно работающих пятиваттных лазерных диода на
808 нм.
- Один сожженый диод из DVD-привода - попытка регулировать ток на ходу
потенциометром.
- Один сожженый 6-ваттный голубой диод. Сожжен однако на токе почти втрое
меньшем его ожидаемого рабочего тока, так что возможно - подлог продавца.
 Вернуться к оглавлению
Схема №2
↑
Стабилизатор тока об двух транзисторах. Существует в нескольких вариациях,
объединенных единой идеей.
NPN + MOSFET:
/
+--+ +---|>|-------+---------------------+
| SW1 10A10 | |
| | |
| \ R1 |
| / 100 Ohm irf3205 |
| \ |-+Drain
| / Gate||
| |__________________J|-+
| | | |-+Source
| |Collector | |
| 2 cells \ | |
| Li-Ion 2n2222 \|Base | |
| 18650 /|----------)-------+
| / | |
----- |Emitter R2 \ \ R3
=== | 10k / / 0.14 Ohm
| | \ \
| | / /
----- | | |
=== +-------------+-------+
| |
| +-----+------+ 5W
| | C1 | | 808 nm
| R4 \ 10u| | Laser
| 10k / --- _+_
| \ --- \ /
| / | -+-
| | | |
+----------------------------+-----+------+
NPN + NPN:
/
+---+ +---|>|-------+---------------------+
| SW1 10A10 | |
| \ TIP41C |
| / R1 2N3055 |
| \ 100 Ohm kt819 |
| / |
| | |/ Collector
| +-------------+-----|
| | | Base|\
| |Collector | |Emitter
| 2 cells \ | |
| Li-Ion 2n2222 \|Base | |
| 18650 |----------)-------+
| /| | |
----- /Emitter R2 \ \ R3
=== | 10k / /
| | \ \
| | / /
----- | | |
=== +-------------+-------+
| |
| +-----+------+
| | C1 | |
| R4 \ 10u| | Laser
| 10k / --- _+_
| \ --- \ /
| / | -+-
| | | |
+----------------------------+-----+------+
В принципе можно представить и MOSFET+MOSFET, однако из-за довольно высокого
напряжения открытия MOSFETов падение напряжения на токоизмерительном резисторе
R3 должно было бы составлять не менее 2.5-3 вольт даже для MOSFETов логического
уровня. А это серьезный оверхед.
В варианте NPN+NPN схема опробована на пятиваттный диод на 808 нм. При
имевшемся напряжении батарей ток как-то не захотел лезть через КТ819, поэтому
пришлось поставить три таких модуля впараллель на один диод. "Крупнокалиберная
лазерная указка" долго-долго пахала от этой схемы. Тот диод был, в конечном
итоге, спален при попытке перехода на покупной китайский импульсный стабилизатор
тока. Такким образом на счету схемы ни одного сожженного диода.
Еще вариант, для батарейного питания. (Показана схема "лазерной указки" целиком):
/
+--+ +--+--|>|-----+---------------------+-----+
| SW1 | 10A10 | | |
| | + C3 | | 5W
| --- C1 / SW2 3.3n --- _+_ 808 nm
| --- >100uF + --- \ / laser
| | | | -+-
----- | \ | |
=== | / +-----+
|18650 | \ R1 |
|2 cells | / 100 Ohm irl540 |
|Li-Ion | | |-+Drain
----- | +------+ Gate||
=== | | |__________________J|-+
| | | | | |-+Source
| | | |Collector | |
| | | \ | |
| | | 2n2222 \|Base | |
| | | /|----------)-------+
| | | / | |
| | --- |Emitter R2 \ \ R3
| | --- C2 | 10k / / 0.14 Ohm
| | | 0.2 | \ \
| | | uF | / /
| | | | | |
+--------+---+------+-------------+-------+
Как видно, если ранее Диод был включен просто последовательно со стабилизатором
тока (это возможно благодаря тому, что стабилизатор тока стабилизирует ток на
любом участке цепи, включенном последовательно с ним), то теперь он (Диод)
переставлен в цепь стока MOSFET'a. Таким образом падение напряжения на диоде
не вычитается из напряжения питания схемы и все напряжение батареи становится
доступным для управления затвором.
Недостатком такого подключения является то, что лазерный диод "висит" не на
общем проводе (не на земле). Внезапная закоротка на землю - и ему хана. Тем
не менее в батарейных схемах понятие "земли" вообще довольно условное. Поэтому
на такое подключение можно пойти, если не планируется питать "указку" от
сетевого блока питания.
Если используется MOSFET логического уровня (например irl540 или irlr2905),
если лазерный диод длинноволновый (красный или инфракарсный) и если исключить
(закоротить) защитный диод 10A10, схема становится работоспособна от одного
литий-ионного аккумулятора. Это дешевле, компактнее, а еще и значительно ниже
тепловыделение на MOSFET'е. Ценой за это, однако, становится опасность убить
ценный Диод, неправильно вставив батарейку.
Во всех вариациях этой схемы резистор R3 также имеет смысл делать наборным.
На нужный ток стабилизации схема настраивается подпаиванием необходимого
количества резисторов параллельно/последовательно в набор резисторов, вместе
составляющих резистор R3. Понятно, что делать это следует только заменив
лазерный диод на что-нибудь менее ценное. Например на резистор номиналом
в 0.5-1.0 Ома или на пару-тройку последовательно включенных мощных
выпрямительных диодов.
Конденсатор C1 - защита от звона выключателя SW1. Звон выключателя SW2 влияет
заметно меньше, поскольку через SW2 течет небольшой ток, ограниченный
резистором R1. Плавное включение/выключение схемы обеспечивается цепочкой
R1C2. Емкость С2 должна быть достаточной для того, чтобы звон SW2 не влиял
на включение/выключение схемы.
Недостатком схемы является отсутствие источника опорного напряжения. На
практике это выражается в необходимости подбора величины резистора R3
индивидуально для каждого экземпляра схемы. Компенсация температурного
дрейфа параметров также отсутствует. Впрочем, в любом случае, по независимым
причинам Вы не станете эксплуатировать схему ни зимой при низкой температуре,
ни летом в сильную жару. В первом случае существует опасность убить диод из-за
конденсации влаги на его внутренней и внешней оптике, а во втором - опасность
перегрева, от которого схема также не имеет защиты.
Достоинство схемы - возможность работы от одного аккумулятора (при
использовании MOSFET'а логического уровня и отсутствии диода защиты от
переполюсовки) и практически полное отсутствие конденсатора параллельно
лазерному диоду, что дает отличные характеристики по отношению к динамическому
изменению нагрузки.
Отдельным недостатком схемы является ее крупный габарит, определяющийся,
в основном габаритами радиатора силового MOSFET'а. Если, как это часто бывает,
Вас парит не КПД, а перегрев транзистора схему можно сделать весьма
малогабаритной перенеся основную долю расеиваимой мощности с MOSFET'a на
резистор. Просто последовательно лазерному диоду подключите термостойкий
резистор, величину которого Вам придется подобрать в зависимости от тока
питания Вашего Диода и от напряжения питающей аккумуляторной батареи. (Для
мощных диодов, питаемых от пары литий-ионных аккумуляторов, оптимальная
величина резистора обычно составляет порядка одного ома). Падение напряжения
на MOSFET'e при этом снизится и его жизнь существенно облегчится. Резисторы
же зачастую могут нормально существовать при температуре градусов двести
Цельсия и радиатора не требуют.
На фотографиях ниже показан пример миниатюрной сборки двухтранзисторного
стабилизатора тока с разгрузкой резистором, предназначенного для использования
внутри корпуса стандартной мощной лазерной указки.
Обе схемы достаточно просты и при условии отсутствия ошибок монтажа работают
сразу. Настройка заключается лишь в подборе величины токоизмерительного/токозадающего резистора (R2-R5 в схеме с КРЕН-кой и R3 в схеме об двух
транзисторах). Для этого вместо лазерного диода на выход схемы припаяйте
эквивалент нагрузки (в простейшем случае - резистор на 0.5-1.0 Ома) и
подбирайте величину токозадающего резистора до тех пор, пока не получите
на выходе нужный ток.
Ток через нагрузку можно измерять несколькими способами:
- Если в качестве нагрузки используется обыкновенный резистор или набор
резисторов можно попросту измерять падение напряжения на нем с помощью
мультиметра. Искомый ток при этом вычисляется по закону Ома.
- Можно последовательно с нагрузкой подключить мультиметр в режиме
амперметра. Для таких измерений НАСТОЯТЕЛЬНО рекомендую сделать для
мультиметра отдельный комплект щупов, коротких (не более 10 см) и из
толстого провода.
- Можно Последовательно с нагрузкой включить дополнительный токоизмерительный
резистор и измерять падение напряжения на нем. В особенности этот метод
пригоден, для измерений не мультиметром, а осциллографом.
- Наконец можно измерять падение напряжения на токозадающем резисторе. Однако
чтобы этот метод хорошо работал должны быть соблюдены два условия:
Первое: сопротивление токозадающего резистора должно быть хорошо известно.
Обычно это легко выполнимо, если в качестве токозадающего резистора
используется набор фабричных резисторов известного номинала. Если же в
качестве токозадающего резистора Вы используете кусок нихромовой проволоки
и подбираете его длину до получения необходимого тока стабилизации, то
сопротивление этого куска провода Вы обычно не в состояниии ни измерить
ни вычислить с приемлемой точностью.
Второе: побочные токи, текущие через токозадающий резистор должны быть
пренебрежимо малы по сравнению с током нагрузки. К побочным токам относится
ток вывода Adj в схеме с КРЕН-кой или ток базы управляющего транзистора
во второй схеме. Это условие довольно легко выполняется при питании мощных
лазерных диодов, когда необходимый ток нагрузки составляет несколько ампер.
При питании диодов малой и средней мощности это условие может не выполняться.
Иногда схема проявляет склонность к возбуждению по высокой частоте (~30 МГц).
Иногда это происходит только в моменты включения/выключения, когда напряжение
питания проходит определенные значения, а иногда возбуждается и на рабочих
режимах. Постоянное возбуждение можно диагностировать мультиметром. Если
выдаваемый ток слишком мал по сравнению с ожидаемым значением - вероятнее всего
имеет место ВЧ возбуждение. Кратковременное возбуждение в моменты включения
и выключения диагностируется только осциллографом.
Если имеет место ВЧ возбужение драйвера его можно попытаться подавить
поставив резистор ом на пятьдесят между базой управляющего транзистора (2n2222)
и точкой съема измеряемого напряжения на токоизмерительном резисторе R3. Еще
можно воспользоваться так называемыми ферритовыми бусинами, которые собственно
и придуманы для подавления ВЧ возбуждения схем. Еще можно заменить управляющий
транзистор 2n2222 на менее высокочастотный. Хорошие результаты на этом месте
дает отечественный кт3102 практически с любой буквой.
Ну и конечно самым
правильным и радикальным методом подавления ВЧ возбуждения является перекройка
геометрии печатной платы.
Настроив схему ОБЯЗАТЕЛЬНО проверьте действительно ли она стабилизирует ток.
Для этого подключайте в качестве нагрузки резисторы разного номинала. При этом
ток через нагрузку не должен существенно меняться. (Для схемы об двух
транзисторах изменение тока на 5% нормально и допустимо.)
Надо помнить, что для того чтобы схемы работали, падение напряжения на
нагрузке должно быть меньше, чем напряжение питания за вычетом падения
напряжения на токозадающем резисторе и дополнительного падения напряжения на
стабилизирующем элементе (порядка 1 В на КРЕН-ке и кремниевых биполярных
транзисторах и порядка падения напряжения на сопротивлении открытого канала
для MOSFET'ов). Другими словами Вы не можете выбрать сопротивление нагрузки
больше определенной величины.
С другой стороны Вы свободно можете выбирать величину нагрузочного
сопротивления достаточно малой, вплоть до короткого замыкания. Поскольку схема
стабилизирует ток это не приведет к ее сгоранию или сбою работы. Тем не менее
если Вы измеряете ток по падению напряжения на нагрузке, использование слишком
малого сопротивления может дать недопустимо большую погрешность.
Если имеется осциллограф (а если Вы занимаетесь источниками питания лазерных
диодов - лучше бы он у Вас имелся) то ДО ПОДКЛЮЧЕНИЯ РЕАЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО
ДИОДА на выход схемы проконтролируйте отстутствие выбросов тока при включении
и выключении схемы. Для схемы об двух транзисторах неплохо еще и
проконтролировать отсутствие выбросов тока при динамическом изменении нагрузки.
Для этого эквивалент нагрузки собирается по вот такой схеме:
o--------------------+-----+
| |
| +
| / SW
| +
| |
/ /
\R1 \ R2
/ /
| |
o----+---/\/\/---+---+-----+
| R3 |
^ ^
A B
Где R1 и R2 имеют величину порядка сопротивления диода на рабочем режиме
(например для пятиваттного инфракрасного диода: R1 = R2 = 2.4V / 5 A = 0.48 Ом),
а резистор R3 имеет номинал в 5-10 раз меньший.
Щуп осциллографа подключается параллельно резистору R3 (точки А и В на схеме).
При замыкании/размыкании выключателя SW на осциллограммах не должно быть
выбросов и звона.
Вообще мощные лазерные диоды являются сильно перенапряженными устройствами
(по плотности энергии, по напряженности электрического поля и т.д) и дохнут
от каждого чиха. А денег они стоят бешеных, и потеря даже одного из них - это
трагедия и траур. Поэтому пользование лазерными диодами это не столько наука
сколько религия и мистика. Наука строится на фактах и аксиомах, религия - на
догмах.
ДОГМАТ ПЕРВЫЙ - ДОГМАТ НЕПОГРЕШИМОСТИ ДИОДА
Формулируется так: ЕСЛИ СДОХ ЛАЗЕРНЫЙ ДИОД - ВИНОВАТ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ.
Есть и другие догматы, но пока остановимся на этом.
Считается, что недопустим даже ничтожный выход за пределы разрешенных
параметров. Например листок данных на пятиваттный инфракрасный диод декларирует
максимальный ток равным пять ампер. Это следует понимать как: "недопустимо
превышение даже на один миллиампер даже на одну наносекунду." Кроме того,
считается, что недопустима даже ничтожная переполюсовка - подача напряжения
обратной полярности. Т.е. Вы можете убить лазерный диод даже прозванивая его
мультиметром в попытке определить, где у него "плюс", а где "минус".
(На практике, не помню ни одного случая убоя диода при прозвонке мультиметром,
но сомневаться в догмах - это ЕРЕСЬ.)
Что еще хуже, считается, что недопустимо превышать максимальную разрешенную
выходную мощность (даже на милливатт даже на наносекунду). Почему хуже? Потому
что, вообще говоря, ватт-амперная характеристика диода (или проще говоря его
кпд) зависит, как минимум, от температуры. И даже не превышая предельно
допустимый ток, Вы можете превысить допустимую мощность, например вынеся диод
на мороз. Считается, что по хорошему драйвер лазерного диода должен
обеспечивать не только стабилизацию выходного тока, но и обладать обратной
связью по световой мощности лазерного диода. За дальнейшими подробностями,
пожалуй отошлю Вас на Sam's Laser FAQ, поскольку здесь мы этим заниматься не
будем, иначе наш простенький драйвер обрастет сотнями защит и тысячами точек
контроля, а заодно и дата-центром, необходимым, чтобы обрабатывать информацию
со всех датчиков, и принимать на ее основе стратегически взвешенные решения...
В нашем случае догмат непогрешимости лазерного диода приводит к двум вещам:
| Первое: |
если не хотите лить слез по поводу безвременно ушедших из жизни
лазерных диодов ("наша пре-е-лесть") для Вас не должно быть слов "лень" и "забыл":
"Забыл проверить ток..."
"Забыл проверить на
выбросы..."
"Да лень проверять, все равно я уже кучу таких схем
собрал, что там может пойти не так?.." |
| Второе: |
Зная о том, что недопустимо даже малейшее превышение разрешенных
параметров, и о том, что любая реальная схема имеет конечный, не
равный нулю, разброс этих самых параметров, Вы должны применять
процедуру, называемую в англоязычной литературе "derating". Т.е.
предусматривать некоторый зазор между величиной тока, на которую
Вы настраиваете Ваш драйвер и максимально разрешенным током лазерного
диода. Причем величина этого зазора должна быть достаточной, чтобы
ни при каких условиях превышения ни по мощности ни по току ни по
еще чему нибудь не произошло. |
Занимаясь дератизацией, ой, простите, "дерейтингом", Вы находитесь между
двух крайностей: с одной стороны Вы не хотите давать слишком большую мощность,
чтобы Ваш диод не сгорел, а с другой не хотите давать слишком мало - поскольку
не проще ли было тогда купить стомилливаттную указку в ближайшем киоске?
Понятно, что если не превышать половины, от указанного предельного тока
(двух с половиной ампер для пресловутого пятиваттного инфракрасного диода,
который уже как-то повелось приводить в пример) то Ваш диод почти с гарантией
находится в безопасности, однако выходная мощность Вас вряд-ли устроит.
Хорошо, если в Вашем распоряжении имеется целая партия лазерных диодов и Вы
можете себе позволить загубить пару-тройку из них дабы выяснить границы
допустимого. Однако обычно от этой возможности Вы благополучно избавлены.
Иногда производитель сам предлагает оптимальную на его взгляд величину
дерейтинга. Так например диоды NUBM08 фирмы Nichia настоятельно рекомендуется питать током не более 3-х ампер, в то время как в графе "абсолютный максимум"
стоит 3.5 ампера. Впрочем большинство производителей таким уважением к клиенту
не страдает.
Конкретная величина максимального тока на который Вы рискнете пойти зависит:
- От Вашей уверенности в надежности схемы драйвера.
Чем ниже точность стабилизации тока, тем больше должен быть зазор
безопасности.
- От Вашей уверенности в надежности лазерного диода.
Диоды "элитных пород" навроде nLight или Osram с большой вероятностью будут работать
на токах в 95-99% от максимально допустимого. "Noname" диоды неизвестного
происхождения рекомендую питать током, соответствующим мощности излучения
60%-80% от заявленной. (Если нет измерителя мощности - питайте током в
60%-80% от заявленного максимального тока.)
- От толщины Вашей мошны.
Действительно, если сжечь диод-другой для Вас это "невелика потеря", то Вы
без лишней осторожности сразу выведете диод на максимально допустимый ток,
а возможно и больше. И даже если каждый второй диод придется пустить в брак,
зато потом можно будет хвастаться "самой мощной в мире" лазерной указкой,
которой ни у кого еще нет.
- Ну и наконец от Вашей смелости/наглости.
Если Вы по природе игрок, рекомендую выбирать ток питания диода равным
110%-120% от заявленного производителем максимального тока. Если выдержит -
станете обладателем "самой мощной" лазерной указки. Если не выдержит -
считайте, что "неподфартило".
Выбирать ток в 150% не рекомендую даже азартным игрокам и любителям риска.
Есть еще одна, сравнительно интересная схема стабилизации тока,
которая
носит название "токовое зеркало":
Принцип ее работы состоит в том, что транзистор (неважно полевой или
биполярный), будучи на линейном участке своей рабочей характеристики сам по
себе является источником (читай - стабилизатором) тока. Важно лишь подобрать
смещение на его базе (затворе). Поскольку точность этого подбора должна быть
высокой, делается это не вручную. Левая часть схемы, по сути и является
генератором смещения для правой части. За счет того, что база левого
транзистора накоротко соединена с его коллектором, смещение на базе
транзистора само устанавливается таким, чтобы через транзистор мог протекать
ток, задаваемый резистором R1. Безусловно, этот ток не равен V1/R1, поскольку
падение напряжения на транзисторе Q2 отнюдь не равно нулю. На практике, измеряя
ток в цепи коллектора Q2 или измеряя падение напряжения на R1 оказывается
достаточно несложно подобрать величину R1 для задания нужного тока.
При этом смещение на базе транзистора Q1 окажется таким же, как и у
транзистора Q2, соответственно, если транзисторы одинаковы, то и ток в цепи
нагрузки будет одинаковым: I(Rload) = I(R1), для любых, для которых выполнено:
Rload < R1. При этом говорят, что правая часть схемы "отражает" ток левой части.
Отсюда и название "токовое зеркало".
Если бы этим все и ограничивалось, то ценность схемы для питания лазерных
диодов была бы в точности равной нулю. Действительно, кого охота заберет
вхолостую гонять три ампера в левом плече схемы, только ради того, чтобы
получить три ампера в правом? Но на самом деле не все так плохо. Попробуйте
поставить маломощный транзистор в задающее плечо схемы и мощный транзистор
в стабилизирующее плечо. Этот подход работает и с полевыми транзисторами и
с биполярными:
При этом окажется, что ток в плече с нагрузкой значительно больше тока в
плече с токозадающим резистором, т.е. холостой расход энергии источника питания
снизился, а кпд схемы вырос. Получилось, так сказать, "кривое токовое зеркало".
Теперь о недостатках схемы:
Понятно, что если повышать напряжение питания, то ток в задающем плече будет
расти, а соответственно, будет расти ток и в нагрузке. Т.е. схема оказывается
стабилизатором тока "по нагрузке", но не "по питанию". В отличие от схемы, которая
стабилизировала ток и в случае, если меняется нагрузка, и в случае, если
меняется напряжение питания.
Впрочем то, что схема является стабилизатором тока только "по нагрузке" не
является сильным недостатком, с учетом того, что в стационарных схемах легко
обеспечить стабилизацию питающего напряжения, а в портативных устройствах
напряжение батарей обычно хорошо известно и в процессе работы только падает.
Так что, если при свежезаряженной батарее максимально допустимый ток лазерного
диода не превышен, то превышения не произойдет и при разряде батареи.
-
Вторым недостатком является то, что ток, выдаваемый транзистором при
заданном смещении на базе/затворе довольно существенно зависит от температуры.
Чтобы стабилизатор тока не "ходил за погодой", оба транзистора ставят на один
радиатор, и как можно ближе друг к другу, чтобы грелись они, по возможности,
одинаково. Однако температурные характеристики даже транзисторов одного типа
имеют разброс. Что уж говорить о случае, когда используется пара совершенно
различных? В результате, по мере прогрева схемы ток стабилизации плывет. Причем
в зависимости от соотношения температурных характеристик транзисторов, равно
как и в зависимости от их взаимного расположения на радиаторе, ток может плыть,
как в меньшую, так и, к сожалению, в большую сторону.
-
Третьим недостатком схемы является то, что не все пары транзисторов
совместимы. Понятно например, что если в токозадающее плечо схемы поставить
германиевый npn транзистор, а в силовое плечо - кремниевый npn транзистор, то
схема работать не будет - падения напряжения на базе германиевого транзистора
существенно меньше, чем надо, чтобы хотя бы приоткрыть кремниевый. Еще больше
это касается MOSFET'ов. Разброс напряжений на затворе, требуемых для открытия
разных типов MOSFET'ов особенно велик. В пример можно привести обычные MOSFET'ы
и MOSFET'ы "логического уровня". Понятно, что в паре в схеме "токовое зеркало"
они работать не будут. К сожалению даже в пределах одного класса транзисторов
нет никаких гарантий. Например, пара силовых MOSFET'ов обычного уровня или
пара кремниевых силовых биполярных транзисторов тоже может оказаться
несовместимой с точки зрения работы в плечах схемы "токовое зеркало".
Фактически это означает, что под каждую конкретную задачу (под каждое
конкретное значение тока стабилизации и напряжения питания) работоспособную
пару типов транзисторов придется подбирать. После того, как пара выбрана
(например 2N2222 фирмы Fairchild и 2N3055 фирмы STM), Вы можете сколько угодно
раз воспроизводить схему. От экземпляра к экземпляру придется всего лишь слегка
откорректировать значение токозадающего резистора. Но как только один из типов
транзисторов оказывается недоступным, Вы, внезапно, оказываетесь "у разбитого
корыта" и проектировать схему приходится заново.
"А на черта мне тогда такая схема?" - можете спросить Вы.
Первый ответ совершенно стандартен: "чем больше у Вас есть вариантов решения
задачи, тем больше вероятность, что Вы ее успешно решите." А вот второй вариант
ответа менее тривиален: это самая низковольтная из известных мне простых схем
стабилизации тока. В ней отсутствует токоизмерительный резистор последовательно
с нагрузкой, а значит и падение напряжения на нем не вычитается из напряжения
источника питания. Если требуемые управляющие напряжения достаточно малы
(например "токовое зеркало" собрано на паре биполярных транзисторов), то
становится возможным питать инфракрасный лазерный диод от всего лишь одного
литий-ионного аккумулятора, да и то довольно крепко посаженного.
Для пробы и демонстрации такая схема была собрана. Не богат биполярными транзисторами,
так что пары пришлось подбирать из чего попало. Из того что имелось подобрать удалось
лишь в pnp формате. В токозадающем плече стоит отечественный кт644б, а в силовом плече
пара кт818г. Почему пара - потому что сопротивление одиночных транзисторов даже в
открытом состоянии великовато, чтоб через него пошел ток в 3-5 ампер при напряжении
питания в 3.7..4 вольта.
Вот Вам, кстати, и еще один прием подбора транзисторов в эту схему. Вместо одного в плечо
можно ставить и несколько. При сопротивлении R1 в токозадающем плече равном 4 ома схема
стабилизирует ток в три ампера. При равном трем омам - около пяти ампер.
На следующем фото показано как от этой схемы работает пятиваттный инфракрасный лазерный
диод.
Да, по нынешним меркам (после всяческих NUBM08, NUBM44 и NUBM31T) мощность, конечно не
впечатляет, ну да суть не в этом. Суть в том, что диод с успехом работает от одной литий
ионной банки и ток при этом вполне стабилизируется.
На следующей картинке показано, как подобная схема может быть сварганена на MOSFET'ах
Как было уже сказано выше, подобрать нужную пару среди MOSFET'ов еще сложнее, чем среди биполярников. Это потому, что разброс напряжения открытия слишком велик. В особенности среди MOSFET'ов так называемого "логического" уровня. На практике преодолеть эту проблему удается, вставив небольшое сопротивление в цепь истока силового транзистора. На схеме выше это резистор на 0.1 Ом.
На следующей картинке показано, как пятиваттный инфракрасный диод работает от одной литий-ионной банки через такую схему:
Вернуться к оглавлению
ИМПУЛЬСНЫЕ СХЕМЫ
↑
"В музыке всего семь нот..." - говорят, когда хотят сказать, что ничто
не ново под луной и все, что можно было бы изобрести, уже известно. Эта же
самая поговорка приходит в голову, когда начинаешь разбираться со схемотехникой
импульсных источников питания лазерных диодов.
Не так уж и много существует вариантов топологии схемы, с помощью которой
можно эффективно перекачать энергию из источника электричества в нагрузку,
параметры которой не являются согласованными с параметрами данного, конкретно
взятого источника. Мне удалось насчитать 8:
- Топология boost (повышающий конвертор)
- Топология buck (понижающий конвертор)
- Топология buckboost (понижающе-повышающий конвертор)
- Схема Чука
- Схема SEPIC
- Обратноходовой трансформаторный преобразователь
- Прямоходовой трансформаторный преобразователь
- "Альтернативщина"
На самом деле по-настоящему различных вариантов еще меньше, поскольку, как
показывается в учебниках радиотехники [см. например здесь,
а также в статьях Википедии по ключевым словам Cuk, buckboost, и SEPIC],
схема Чука, инвертирующий buckboost и SEPIC эквивалентны двум последовательно
примененным преобразователям типов "boost" и "buck" с последующей оптимизацией
получившихся схем по количеству деталей, а обратноходовой преобразователь это
идеологически тот же boost, только с перекидыванием тока с одной обмотки
трансформатора на другую через общий магнитный поток.
Что до "альтернативщины", включающей многочисленные варианты схем с реактивным
балластом, стабилизаторов на резонансном контуре, а также разнообразных
зарядовых насосов, в том числе прямую и обращенную схемы Аркадьева-Маркса, то
при всей своей идейной привлекательности не обеспечивают такие схемы высокого
кпд, а зачастую страдают еще и завышенными массой и габаритами. В заключение
раздела обязательно рассмотрим пару примеров из этой области, а сейчас давайте
вернемся к рассмотрению "мейнстрима".
Рассмотрим, для начала топологию "boost". На следующем рисунке приведена ее
базовая схема и осциллограмма тока в нагрузке.
Для пояснения принципа работы схемы напомню, что сопротивление канала
современных силовых полевых транзисторов (MOSFET'ов) в открытом состоянии очень
мало, а в закрытом состоянии весьма велико, так что с хорошей точностью MOSFET
можно считать просто ключом. Замкнутым в открытом состоянии и разомкнутым в
запертом состоянии.
Цикл работы схемы начинается с подачи положительного смещения на затвор
транзистора. Открываясь, транзистор замыкает правый по схеме вывод катушки
индуктивности на землю (на общий провод). Через катушку начинает идти ток
и она в полном соответствии с законом E=L*I^2/2 начинает запасать энергию.
Затем смещение с затвора убирают, транзистор запирается, размыкая цепь
батарея-катушка индуктивности и току, запасенному в катушке, становится
попросту некуда деться, кроме как пойти в нагрузку через диод.
Далее цикл повторяется. Транзистор вновь открывают, и правый по схеме
вывод катушки оказывается соединен с землей. При этом с землей оказывается
соединен не только правый вывод катушки, но и левый по схеме вывод диода,
через который питается нагрузка. То есть, пока замкнут ключ-транзистор,
ток через нагрузку идти не может, что и видно по осциллограмме.
Таким образом в схеме топологии 'boost' ток через нагрузку идет прерывистый.
И ничем, кроме добавления сглаживающего конденсатора параллельно нагрузке это
изменить нельзя. Разве что изменить взаимное положение катушки ключа и нагрузки,
но тогда это будет что угодно, но не 'boost'.
Чем плох прерывистый ток? В принципе, лазерные диоды, при условии не
превышения максимально допустимого тока, вполне прекрасно работают и при
пульсирующем питании. Но надо помнить, что в периоды, когда ток равен нулю,
диод не излучает. Средняя выходная мощность будет равна максимально допустимой
мощности диода, деленной на скважность. И сомневаюсь, что кто-то станет
покупать пятиваттный лазерный диод, чтобы снять с него жалких полтора ватта
в свете.
Чем плох сглаживающий конденсатор? Был бы ничем не плох, если бы лазерный диод обладал бы пусть и нелинейной, но постоянной зависимостью падения напряжения от тока. К сожалению
это не так. В любой момент, от нагрева ли, от попадания обратного излучения,
от других ли причин, лазерный диод может внезапно увеличить свою проводимость,
и сглаживающий конденсатор с удовольствием воспользуется представившимся
случаем, чтобы устроить превышение максимально допустимого тока.
Побороть это можно, поставив между сглаживающим конденсатором и лазерным
диодом какой-либо стабилизатор. Например вроде аналогового стабилизатора тока,
описанного тут. Однако, в этом случае главные функции по заданию и
стабилизации тока в лазерном диоде берет на себя уже этот дополнительный
стабилизирующий элемент, а вовсе не рассматриваемая схема типа 'boost'.
На следующем рисунке приведена базовая схема топологии 'buck'и осциллограмма
тока в ее нагрузке.
Здесь принцип работы схемы уже позволяет иметь непрерывный ток в нагрузке
без применения сглаживающих конденсаторов. Как следствие данная топология
оказывается весьма пригодной для создания различного рода стабилизаторов тока,
предназначенных для питания лазерных диодов. Варианты таких схем будут подробно
рассмотрены далее.
Следующий рисунок содержит базовую схема топологии 'buckboost'и осциллограмму
тока в ее нагрузке (при большой скважности управляющих импульсов, приложенных
к точкам A и B на схеме).
Схема имеет два режима работы. Условно говоря, режим 'boost', когда бОльшую
часть времени транзистор держат включенным и лишь на короткие интервалы
выключают, давая катушке возможность разгрузиться в нагрузку. В этом режиме
ток в нагрузке ведет себя почти также, как и в обычной схеме типа 'boost':
имеет вид коротких импульсов с большими паузами. Очевидно, что этот режим
точно также непригоден для питания лазерного диода, как и режим обыкновенной
схемы 'boost' и точно по тем же причинам.
Второй режим (условно 'buck') реализуется, когда транзистор бОльшую часть
времени держат запертым, давая току в цепи катушка-нагрузка циркулировать
свободно. И лишь на короткие интервалы транзистор включают, давая катушке
возможность набрать энергию от источника питания. В этом случае, при
соответствующем выборе параметров схемы, ток в нагрузке может быть близким к
номинальному в течение большей части рабочего цикла. Однако в отличие от
того, что имело место в схеме 'buck', импульсы медленно спадающего тока здесь
разделены друг от друга провалами до нуля. В периоды "подзарядки" напряжение
источника питания, оказывается приложенным через открытый полевой транзистор
к катоду развязывающего диода D1, причем приложенным противоположно току,
идущему в контуре нагрузка-диод-катушка. В результате это напряжение вызывает
запирание диода D1 и прерывание тока в цепи нагрузки.
Понятно, что такая форма тока в принципе позволяет создать источник питания
лазерного диода, с которым диод будет способен отдать бОльшую часть своей "паспортной" мощности без применения сглаживающего конденсатора. Однако на
практике к этому встретится ряд препятствий. И, в первую очередь, шум.
Выбросы самоиндукции, шум переключения развязывающего диода, периодическая
переполюсовка через его не равную нулю емкость и т.д. и т.п. Мало того, что
эти шумы осложняют жизнь и затрудняют измерения, так еще и большинство
производителей едины в том, что считают, шумы очень вредными для состояния
здоровья лазерного диода.
Вторым недостатком, осложняющим применение этой схемы на практике является
слишком большой потребный запас по напряжению. Чтобы получить большой
коэффициент заполнения (большой процент доступной мощности лазерного диода)
длительность периодов подзарядки индуктивности Вы будете выбирать малой, а чтобы
индуктивность за это малое время успевала подзарядиться, напряжение питания
придется выбирать с большим запасом. Обычно не менее утроенной величины падения
напряжения на нагрузке.
Третьим недостатком является то, что при равной частоте преобразования в
схеме 'buckboost' требуемая величина индуктивности намного больше, чем в
обычной схеме 'boost'. А это дает отдачу и в кпд и в массу и в габариты.
Единственным достоинством схемы является защищенность лазерного диода.
Действительно, в случае сбоя управления транзистором или в случае его выгорания
нагрузка оказывается отсеченной от источника питания встречно включенным диодом
D1. Таким образом ток в нагрузку поступает, только когда источник питания
работает правильно. Зато сгореть он волен с минимальным ущербом.
Защищенность лазерного диода - штука, конечно, хорошая, но цена, которую
приходится за нее заплатить, как-то вот не особо приемлема. Да и защищенность
схемы не стопроцентная. Представьте себе, что произойдет, если в показанной
на рисунке схеме подключить батарею V1 в неправильной полярности? MOSFET будет
проводить ток вне зависимости от напряжения на его затворе - начнет проводить
"встроенный" диод. Развязывающий диод D1 тоже теперь не в помощь. И если
источник питания справится создать достаточное падение напряжения на катушке
L1 (или пережечь ее), то уничтожение нагрузки Вам гарантировно. Понятно, что
по питанию последовательно со схемой можно включить еще один диод для защиты
от переполюсовки, но это уже дополнительная мера, не имеющая к рассматриваемой
схеме прямого отношения. В реальной схемотехнике контура:
"батарея-MOSFET-катушка" и "катушка-развязывающий диод-нагрузка" могут быть
связаны через цепи контроля и управления, что дает дополнительные "уязвимости
в системе безопасности". Такчто в целом схема типа 'buckboost' на самом деле
все-таки мало пригодна в качестве основного задающего и стабилизирующего ток
элемента.
На самом деле подобный режим может быть реализовани и во многих
других схемах, обеспечивающих прерывистый ток в нагрузке (SEPIc, прямоход,
обратноход), но и недостатки его применения будут теми же самыми.
Чук и СЕПИК (CuK and SEPIC) обеспечивают еще большую степень безопасности
нагрузки, поскольку она отделена от источника питания уже не диодом, а
конденсатором.
Схема SEPIC приведена на рисунке ниже.
Подробное описание ее работы можно найти, например здесь. Так же, как и схема типа 'boost', схема SEPIC не способна поддерживать
непрерывный или хотя бы почти непрерывный (с кратковременными провалами) режим
тока через нагрузку. Соответственно, так же, как и схема типа 'boost', схема
SEPIC не может служить в качестве основного задающего и стабилизирующего ток
элемента при питании лазерных диодов.
Схема топологии 'CuK' и осциллограмма тока через нагрузку в режиме, близком
к оптимальному для питания лазерного диода показаны на следующем рисунке.
Видно, что схема позволяет реализовать режим питания, при котором средний ток
через лазерный диод мало отличался бы от пикового тока. А, стало быть, хотя бы
в принципе, схема может быть применена в качестве основного задающего и
стабилизирующего ток элемента.
Однако, желающих использовать топологию CuK ожидает несколько интересных
подводных камней. Первое: разделительная емкость, обозначенная по схеме как С1,
в процессе работы накапливает и хранит ненулевой заряд. Если эта емкость велика,
то накопленный заряд может быть значительным, что в итоге приведет к
уничтожению питаемого лазерного диода. Конденсатор С1 к нагрузке напрямую не
подключен и здесь все сложнее, чем в случае применения сглаживающего
конденсатора. Можно считать, что постоянная составляющая напряжения на
конденсаторе С1 может считаться входным параметром для 'buck' стадии схемы
'Cuk' (выше уже отмечалось, что схема 'CuK' может быть представлена как
последовательно соединенные схемы 'boost' и 'buck' с последующим сокращением
количества используемых деталей). Накопленный емкостью С1 заряд, как минимум,
вносит запаздывание в цепь регулирования тока, а как максимум, полностью
срывает режим стабилизации, ставя получившийся источник питания по
характеристикам ближе к стабилизаторам напряжения, нежели к стабилизаторам
тока. А это прямой путь к тому, чтобы сжечь лазерный диод. Если же емкость
С1 мала, то схема по свойствам приближается к зарядовым насосам (см. далее)
со всеми присущими им недостатками.
С учетом заряда, накапливающегося на конденсаторе С1 зависимость тока через
нагрузку от скважности (или от коэффициента заполнения) становится не только
нелинейной, но даже и не монотонной функцией, что делает задачу стабилизации
тока не то чтобы невыполнимой, но крайне щепетильной. (Напомню, что зависимость
выходного напряжения Vout при заданном входном напряжении Vin от коэффициента
заполнения d_c для схемы типа 'CuK' выражается монотонной функцией вида:
Vout=Vin*d_c/(1-d_c) , что делает задачу регулирования напряжения тривиальной.)
Таким образом схема Чука это второй после схемы 'buck' кандидат на роль
главного задающего и стабилизирующего ток узла импульсной системы питания
лазерных диодов, при условии, что удастся справиться с трудностями в ее
управлении. Впрочем, с учетом того, что схема Чука может быть представлена в
виде последовательно соединенных 'boost' и 'buck' этот вариант можно считать
разновидностью первого.
Трансформаторные схемы обеспечивают еще более высокий уровень защиты нагрузки
от аварии схемы питания. В общем случае они не требуют гальванической связи
цепи нагрузки с первичной цепью питания даже по одному проводу.
Схема и осциллограмма тока в нагрузке для обратноходового преобразователя,
как водится, приведены на следующем рисунке:
Уже было сказано, что Обратноходовой преобразователь, это тот же 'boost',
только с прокидыванием тока с одной обмотки трансформатора на другую через
общий магнитный поток. Подчиняясь в целом тем же закономерностям, что и 'boost',
обратноходовой преобразователь точно так же неспособен поддерживать непрерывный
или близкий к непрерывному ток через нагрузку и точно так же непригоден в
качестве эффективного узла для задания и поддержания тока через лазерные диоды.
Что до прямоходового преобразователя, то в общем случае вследствие наличия
трансформатора он также не способен обеспечить непрерывный ток в нагрузке.
Есть, правда, один специальный случай - питание трансформатора полностью
симметричным меандром с коэффициентом заполнения в точности равным 50% и
подключение нагрузки через диодный мост.
Нетрудно убедиться, что любое отклонение формы питающего импульса от
симметричной (относительно среднего или средневзвешенного уровня) приведет
к провалам или паузам тока в нагрузке. Это проиллюстрировано на следующем
рисунке.
  
Поскольку для поддержания непрерывного тока мы обязаны поддерживать
симметричную форму импульса, мы теперь не можем использовать скважность для
регулирования выходного напряжения или тока. Не является альтернативой и
вариант, когда питание первичной обмотки осуществляется пачками симметричных
импульсов и длительность этих пачек регулируется. Дело в том, что сглаживающего
конденсатора нет, а это значит никакого усреднения не ожидается - форма тока
в нагрузке будет повторять огибающую пачек импульсов, т.е. разрывы тока
неизбежны.
Вот, собственно, все основные варианты импульсных стабилизаторов и
рассмотрены. Подходящим для задания и стабилизации тока в лазерном диоде
оказался только 'buck'- конвертор, либо схемы ему эквивалентные.
Таким образом, если не брать во внимание "альтернативщину", то блок схема
импульсного блока питания лазерных диодов сводится к последовательному
применению трех блоков:
- Первичный источник питания
- Стабилизированный преобразователь напряжения
- Стабилизатор тока на основе 'buck'-конвертора либо эквивалентной ему схемы.
В более осложненных случаях может присутствовать еще схема управления,
обеспечивающая, скажем, регулировку мощности лазерного диода по командам
пользователя, или 'мигание' в том или ином режиме.
Под первичным источником питания здесь понимается батарея (аккумулятор) или
сетевой выпрямитель.
Стабилизированный преобразователь напряжения может быть собран по любой из
миллионов известных схем. Главное, что он должен делать, это с минимальными
потерями согласовывать эдс и внутреннее сопротивление первичного источника
питания с потребностями блока, обеспечивающего стабилизацию тока. Поскольку
нагрузкой для стабилизированного преобразователя напряжения работает не
капризный и дорогущий лазерный диод, а устройство стабилизации тока, тут Вы
можете применять сглаживающие емкости и фильтры, как заблагорассудится.
Стабилизированный преобразователь напряжения может и вовсе отсутствовать,
если параметры первичного источника питания более менее согласованы с тем,
что необходимо для питания импульсного стабилизатора тока. Такая схема наиболее
оптимальна для портативных лазеров, где важны габариты. Первичным источником
питания в этом случае служит аккумуляторная батарея.
Прежде чем перейти к рассмотрению стабилизирующих ток 'buck' конверторов,
хочу отметить еще один вариант построения источника питания лазерного диода.
Это "гибридный" вариант, сочетающий в себе импульсный стабилизированный
преобразователь напряжения, нагруженный на аналоговый стабилизатор тока.
Если стабилизированный преобразователь напряжения обеспечивает на выходе ровно
столько, сколько нужно для нормальной работы аналоговому стабилизатору тока и
ни вольтом больше, то можно ожидать, что кпд аналоговой части будет довольно
большим, а тепла будет выделяться сравнительно мало.
Примером может служить следующая схема:
Она состоит из преобразователя топологии SEPIC, собранного на микросхеме
NE555, используемой в качестве ШИМ-контроллера, и транзисторе U2, используемом
в качестве основного переключающего элемента. Катушки L1 L2, конденсатор C2 и
диод D1 и образуют скелет схемы SEPIC. Далее идет трехзвенный фильтр L3-L7,
C3, C9, C10. К выходу фильтра подключен аналоговый стабилизатор тока, собранный
по классической двухтранзисторной схеме: Q2 U3. Схема подробно описана в
разделе ПРОСТЫЕ АНАЛОГОВЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ ТОКА.
Через резистор R15 и фильтр R10, R13, R14, C11 проброшен сигнал обратной
связи, управляющий транзисторами Q1 и U4, которые в свою очередь вызывают
изменение скважности импульсов, генерируемых микросхемой NE555. Делителем
R7 R4 схема настраивается так, чтобы рост напряжения, выдаваемого импульсным
преобразователем на аналоговый стабилизатор, заканчивался как только оно
на пару вольт превысит пороговое напряжение - то, при котором через нагрузку
(обозначена на схеме резистором Rload) начинает идти ток.
При разработке схема предназначалась для питания половины матрицы NUBM08
(4 диода 450 нм по 4.5 Вт последовательно) от автомобильного аккумулятора
напряжением 12 вольт. Выбор пал на SEPIC а не на обычный 'boost' чтобы была
возможность питания и от 24-вольтового аккумулятора.
По результатам сборки и настройки схема оказалась вполне работоспособной,
однако несмотря на минимально необходимый для стабильной работы аналоговой
части запас по напряжению, полностью избавиться от радиатора на транзисторе U3
не удалось. Кроме того выбор схемы SEPIC в качестве преобразователя напряжения
оказался неудачным. Шум переключения диода D1 и другие импульсные помехи столь
велики, что потребовали трехзвенного LC фильтра (изначально его на схеме не
было). В итоге габариты схемы сильно выросли и практического применения она
не нашла. Результаты, полученные со схемами импульсных стабилизаторов тока
топологии 'buck' оказались значительно лучше.
Поскольку проведенный выше анализ показывает выделенность (если не сказать: "уникальность") схемы типа 'buck' для построения импульсных источников питания
лазерных диодов, рассмотрим этот тип преобразователя подробнее. Он состоит из
схемы управления (т.наз. ШИМ-контроллер),
транзистора-ключа и индуктивности с
диодом, расположенных как показано на следующем рисунке:
Если руководствоваться таким расположением элементов буквально, то в полный
рост встает проблема, известная в электронике, как проблема управления верхнего
ключа (high side switch). С другой стороны, совершенно необязательно, чтобы
нагрузка и управляющая схема имели общий минусовой провод. В этом случае схему
можно перерисовать и так:
При этом проблемы верхнего ключа как не бывало.
Далее, для того, чтобы преобразователь стал полноценным стабилизатором тока,
потребуется внести обратную связь, действие которой будет укорачивать
длительность фазы включения ключа, когда ток слишком велик, и наоборот,
продлять время включенного состояния ключа, когда ток через нагрузку слишком
мал. И первое, что потребуется для организации обратной связи, это некий
элемент, выдающий электрический сигнал пропорционально току, проходящему через
нагрузку. В простейшем случае этим элементом может быть резистор, включенный
последовательно с нагрузкой:
Введя обратную связь таким образом, получим схему стабилизатора тока на
основе 'buck'-конвертора. Назовем ее 'whitebuck'. Почему именно 'white' будет
объяснено далее. Показанный на рисунке способ считывания тока в нагрузке
является, безусловно, самым правильным, однако создает ряд схемотехнических
проблем. В первую очередь это то, что сигнал с токоизмерительного резистора
идет относительно плюсовой шины питания, в то время, как для большинства схем
управления, построенных на распространенной элементной базе, было бы удобнее,
если бы сигнал шел относительно минусовой шины питания (земли).
Проблема перекидывания сигнала с уровня на уровень чем-то сродни проблеме
верхнего ключа и решается тем сложнее, чем выше напряжение питания.
Второе неудобство такого подключения токоизмерительного резистора - то, что
нагрузка (хотя на рисунке она и обозначена, как Rload, но мы-то с Вами помним,
что это должен быть лазерный диод) не имеет общего провода ни с минусовой шиной
ни с плюсовой. Чем это плохо? Дело в том, что большинство лазерных диодов имеет
один из выводов питания совмещенным с их корпусом. Да и разработчики лазеров
не стесняются устанавливать лазерный диод прямо на корпус лазерного устройства
в целях теплоотвода. Далее, если как это часто бывает, и корпус устройства
электрически соединен с одним из общих проводов схемы (с плюсовым или
минусовым), то почти автоматически получается, что корпус устройства
используется в качестве одной из шин питания (или, по крайней мере дублирует
ее). При этом для того, чтобы внести токоизмерительный резистор в цепь питания
лазерного диода потребуется изолировать диод от корпуса. А это мало того, что
сложно, так еще и эффективность теплоотвода теряется.
Глядя на схему 'buck'-конвертора, можно заметить, что в тот момент, когда
транзистор открыт, ток через него почти равен току через нагрузку. А когда
транзистор закрыт ток через нагрузку никак не может превысить тот, который был
в период открытого транзистора. Поэтому, несколько потеряв в точности, можно
сильно выиграть в удобстве, вынеся токоизмерительный резистор за пределы
контура L1-D1-Rload:
Такая топология с легкой руки пользователей Интернета получила название
'blackbuck'. Строго говоря название не является в полном смысле общепринятым,
однако оно довольно распространено. А поскольку оно еще и удобно, то будет
здесь использоваться и далее. В противоположность топологии 'blackbuck', где
токоизмерительный резистор вынесен за пределы контура нагрузки, и ток
измеряется 'по черному', топологию с токоизмерительным резистором внутри
контура нагрузки, где ток измеряется 'по белому' логично назвать 'whitebuck',
с чем и связано приведенное ранее название.
В качестве схемы управления whitebuck и blackbuck может использоваться одна
из многочисленных микросхем ШИМ-контроллеров, а также любая другая схема,
содержащая компаратор, триггер Шмитта, и формирователь задержек. Применение
555-го таймера в качестве ШИМ-контроллера давно уже стало притчей во языцех.
Следует, однако помнить, что лазерные диоды, обычно являются весьма мощной
нагрузкой, и для обеспечения необходимого тока потребуется схема со внешним
MOSFET'ом. Нагрузочная же способность 555-го таймера, равно как и большинства
других ШИМ-контроллеров, не позволит Вам эффективно управлять MOSFET'ами на
желаемых частотах. И придется либо городить буферные каскады управления
затвором, либо использовать готовое решение: микросхему - драйвер затвора.
МИКРОСХЕМА ДРАЙВЕРА ЗАТВОРА - ЭТО НЕБОЛЬШОЙ И СРАВНИТЕЛЬНО НЕДОРОГОЙ
ЧИП, КОТОРЫЙ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ ЗАМЕНЫ МАССИВНОГО РАДИАТОРА НА ВАШЕМ MOSFET'e.
Драйверов, способных обеспечить нужное быстродействие при необходимом
выходном токе, существует довольно много. Можно упомянуть серии TC442x, MIC442x,
UCC3732x, 1EDN75x, 1EDN85x. Не связывайтесь с вещами вроде IR2110 - пусть они и
предназначены для работы с высокими напряжениями, зато их рабочие частоты по
нашим, "лазерным", меркам малы.
Частоту преобразования, обычно, хочется выбирать порядка 200..500 кГц - при
этом она уже достаточно высока, чтобы обеспечить малые габариты схемы и, в то
же время достаточно низка, чтобы на ней могли работать распространенные ферриты,
а время переключения MOSFET'ов было пренебрежимо мало по сравнению с
длительностью рабочего цикла.
Пример схемы стабилизатора тока топологии 'blackbuck' приведен на рисунке
ниже.
Схема выполнена с соблюдением всех 'правил хорошего тона' импульсной силовой
электроники: каждый каскад имеет развязку по питанию (диод D1 и конденсатор C2
для задающего генератора на 555-м таймере, диод D2 и конденсатор C3 для каскада
управления затвором на 4420-м драйвере), затвор транзистора U3 'приземлен'
резистором R7 во избежание открытия статикой, когда выходы 4420-й заперты,
по питанию 4420-й помимо электролитического конденсатора C3 установлен еще и
керамический конденсатор C4 на 100 нФ. Причем монтаж конденсатора C4 делается
прямо на ноги 4420-й. Сигнал обратной связи, поступающий на базу транзистора
Q1 фильтруется цепочкой R8C5 от высокочастотных помех. Кроме того на схеме в
явном виде разрисован токоизмерительный резистор, состоящий из четырех
резисторов R3, R4, R5, R6, по одному ому, включенных впараллель. Задание
желаемого тока лазерного диода делается подключением и отключением необходимого
количества резисторов. В дальнейшем на схемах токоизмерительный резистор не
будет разрисовываться столь подробно. Если на этом месте будет обозначено
сопротивление 0.25 ома, следует читать: "четыре резистора по одному ому
впараллель, причем должны быть предусмотрены меры по их отключению/подключению".
В качестве 555-го таймера настоятельно рекомендую использовать чип LMC555.
Это практически полный аналог микросхемы NE555, за исключением того, что
собран по КМОП технологии, а кроме того, способен работать на частотах до 3 МГц.
Обычные 1006ВИ1 на требуемых частотах либо вовсе неработоспособны либо работают
нестабильно. На месте MOSFET'а можно использовать любой MOSFET на 20 и более
ампер тока и напряжение 20 и более вольт. IRLU2905 (IRLR2905) интересен тем,
что имеет малое сопротивление в открытом состоянии (дает малые потери) и
при этом выпускается в небольшом корпусе DPAK(IPAK). Кроме того этот MOSFET
имеет логический уровень управления, что бывает полезно, когда батарея
разряжена и имеются проблемы с питанием. В качестве диода D3 используйте
любой диод Шоттки с номинальным током не менее 5 Ампер. Максимальное обратное
напряжение здесь не так важно, и, тем не менее, не очень хорошо выбирать его
равным менее 30 Вольт.
Собрав каскад на 555-й, проверьте его на генерацию. В отсутствие обратной
связи на выходе (нога 'OUT') 555-й микросхемы должны быть прямоугольные
импульсы с частотой 100-200 кГц, причем длительность высокого состояния должна
быть 80-90% от периода следования импульсов. Если частота другая - подберите
конденсатор С1. Если микросхема не генерирует или слишком велика скважность,
подберите делитель R1/R2. Приведенные на схеме номиналы делителя соответствуют
микросхеме LMC555 и напряжению питания 8.4 вольта (два литий-ионных
аккумулятора). При изменении типа микросхемы и/или напряжения питания, делитель,
вероятнее всего придется подобрать. Помните, что скважность нелинейно зависит
от соотношения плеч делителя. При R2<2*R1 схема, как правило, не работает.
Далее соберите каскад на 4420-й и проверьте его работоспособность, нагрузив
вместо затвора на емкость в 5-10 нанофарад. Драйвер должен четко передавать
импульсы. Фронты не должны быть завалены. Должен отсутствовать 'звон'.
Затем соберите каскад на MOSFET'е и цепь обратной связи (R8, C5, Q1). Вместо
лазерного диода включите резистор на 1 Ом. Из комплекта токоизмерительных
резисторов оставьте подключенным только один. Включите питание. Измерьте ток
нагрузки и скважность импульсов на выходе 555-го таймера. Ток нагрузки будет
около 0.5 ампера, а скважность импульсов сильно увеличится по сравнению со
свободной генерацией схемы. Увеличение скважности - результат работы цепи
обратной связи. Если обратная связь функционирует неправильно, схема не будет
стабилизировать ток.
Собрав схему полностью, проверьте качество стабилизации тока. Подключайте
на место нагрузки в 0.5, 1 и 2 Ома. Ток при этом будет изменяться (это же
все-таки не 'whitebuck') однако изменение должно быть не больше 20%. Также
проверьте на отсутствие выбросов тока при включении и выключении тока. (Для
этой задачи используемый Вами осциллограф должен быть запоминающим. У некоторых
цифровых осциллографов режим 'Single' работает неправильно или не работает вовсе.
Такие осциллографы для данной задачи непригодны.)
Проверьте также устраивают ли Вас пульсации тока. Амплитуда пульсаций
напрямую зависит от соотношения индуктивности L1 и сопротивления нагрузки. Если
Вам кажется, что пульсации слишком велики - повысьте частоту, уменьшив емкость
C1 либо увеличьте индуктивность L1. Помните, однако, что чрезмерно увеличив
количество витков, Вы можете попасть в насыщение феррита. Схема при этом
потеряет работоспособность.
При измерениях Вам будут сильно мешать импульсные помехи. Дешевые модели
'бытовых' осциллографов обычно плохо экранированы и могут показывать выбросы
там, где их нет. Если на фоне красивого зигзага тока в нагрузке Вы видите
остренькие выбросы, амплитудой в несколько ампер и длительностью 10-100
наносекунд, помните, что этого физически не может быть. Индуктивность L1
просто не в состоянии пропустить такие импульсы в нагрузку.
Убедившись в правильной стабилизации тока и отсутствии выбросов при работе,
при включении/выключении и при механических встрясках, можете заменить
эквивалент нагрузки на настоящий лазерный диод и использовать схему по
назначению. А предназначена она для питания лазерных диодов токами от 0.5 до
5 ампер. Сюда попадают практически все мощные одиночные лазерные диоды.
Дальнейшего упрощения схемы и сокращения габаритов можно добиться избавившись
от отдельно стоящего задающего генератора на 555-м таймере или другом
ШИМ-контроллере. Вспомнив, что драйвер затвора уже содержит и компаратор и
триггер Шмитта, можно организовать генератор прямо на нем самом.
Схема топологии blackbuck на неинвертирующем (4420-м) драйвере затвора
показана на следующем рисунке.
Как видите, для сокращения габаритов здесь опущена развязка каскада на 4420-м
драйвере от силовой части схемы. Токоизмерительное сопротивление также показано
в виде одного резистора. Резистор R4 - опционален. Он используется для
подавления склонности схемы к самовозбуждению на радиочастотах. Если Ваш
экземпляр схемы не проявляет признаков этого возбуждения в виде звона затвора,
резистор можно не использовать. Также вместо этого резистора с успехом может
быть применена ферритовая бусина, надетая на вывод затвора силового MOSFET'а.
Если сильно жмут габариты, а напряжение питания низкое, можно опустить и диод
D3, который используется для защиты базы транзистора Q1 от переполюсовки.
Конденсатор C3, как и ранее монтируется прямо на ноги микросхемы драйвера.
Требования к силовому MOSFET'у и диоду D1 точно такие же, как и в приведенной
выше схеме на 555-м таймере. Диод D3 может быть взят меньшей мощности: на ток
~1 ампер и обратное напряжение менее 20 вольт. В качестве транзистора Q1
способен работать почти любой маломощный npn транзистор. Следите, однако за тем,
чтобы допустимый ток коллектора был не менее 50 мА, а допустимое напряжение
коллектор-эмиттер было не менее удвоенного напряжения питания схемы. При больших
напряжениях питания, чтобы сохранить ток коллектора в пределах допустимого,
может потребоваться увеличить резистор R3. Это не очень хорошо сказывается на
стабильности работы схемы. В таких случаях, возможно, лучше подумать о выборе
более мощного транзистора в качестве Q1.
При использовании SMD-компонентов схему удается уложить в размеры платы
25х15 мм, что позволяет разместить ее внутри корпуса мощной лазерной указки.
Не будучи специалистом в области ферритов, ничего вразумительного по поводу
намотки катушки L1 посоветовать не могу. Вам следует либо купить готовый
дроссель на 15..20 мкГн на ток в 5 ампер, либо подбирать ферритовый сердечник
из доступных самостоятельно. В зависимости от феррита число витков катушки L1
составляет 5-15. Провод желательно использовать не самый тонкий. Эмалированная
медная проволока диаметром 0.5-0.75 мм дает вполне пристойные результаты.
В отличие от предыдущей, схема является единым узлом и не может быть отлажена
по частям в процессе сборки. Спаяв схему, подключите на ее выход резистор
номиналом ~1 Ом вместо лазерного диода. Токозадающий резистор R1 сделайте, для
начала, равным одному ому. Включите схему и наблюдайте осцилляции на затворе
транзистора U2 с помощью осциллографа. Если осцилляций нет, попробуйте
увеличить емкость конденсатора положительной обратной связи С4. Добившись
стабильных автоколебаний, переходите к измерению качества стабилизации тока.
При изменении нагрузки в пределах 0.5..2 Ома ток должен изменяться не более,
чем на 20%. Вообще большая часть сказанного о настройке blackbuck схемы на
555-м таймере сохраняет силу и здесь.
Завершив настройку и проверив на отсутствие выбросов тока можете подключать
на выход схемы настоящий лазерный диод.
В приведенном виде схема позволяет питать одиночные лазерные диоды токами
0.5..5 Ампер. Если микросхему U1 и транзистор Q1 обеспечить независимым
питанием, а силовой каскад питать бОльшим напряжением, то схема позволяет
питать гирлянды лазерных диодов, соединенных последовательно:
Если питание низковольтное, а лазерный диод - нитридный, то бывает непросто
выдоить со схемы более трех ампер. (Действительно, два литий ионных
аккумулятора под нагрузкой могут просесть до 6 вольт, а падение напряжения на
синем лазерном диоде достигает 4.5 Вольта. Итого "на то, чтобы гудеть" схеме
остается всего полтора вольта. А стало быть, чтобы получить ток, например в
5 ампер, сумма всех паразитных сопротивлений должна составлять не более 0.3 Ома.
За вычетом токоизмерительного сопротивления, на долю всей остальной схемы
останется 0.2 ома. А там и катушка, и дорожки на плате. Да и сам MOSFET в
открытом состоянии. В общем, - дело непростое.)
Однако проблему несложно решить, поскольку драйверы топологии 'blackbuck'
легко параллелятся. Для лучшей устойчивости следует всего лишь добавить
развязывающие диоды на выходе, как на следующей схеме:
Рядом со схемой включения показана (расчетная) осциллограмма тока через диод.
Правый и левый blackbuck'и включаются неодновременно, что хорошо видно по
диаграмме тока.
Естественно, что схемы работают независимо, поэтому суммарные пульсации тока
имеют вид биений между частотами генерации обеих схем, и в максимуме могут
составлять арифметическую сумму амплитуд пульсаций, даваемых обеими схемами.
Этот факт следует учитывать при использовании нескольких драйверов впараллель,
и либо увеличивать зазор безопасности в планируемом токе питания лазерного
диода, либо принимать меры по уменьшению пульсаций в обеих схемах (увеличивать
частоту, либо увеличивать L1 и L2).
Схему топологии whitebuck удобнее собирать на инвертирующем драйвере затвора
(например типа 4429):
Токоизмерительным и токозадающим резистором здесь является R3. Принцип работы
очень прост: как только ток через нагрузку достигнет заданной величины
(определяется величиной резистора R3) открывается транзистор Q1, подающий
положительное смещение на вход инвертирующего драйвера и вызывающий таким
образом отсечку тока источника питания через нагрузку. Далее ток питания,
запасенный в индуктивности плавно спадает. После того, как ток через нагрузку
станет меньше заданного, драйвер не может включиться мгновенно, поскольку
положительное смещение на входе 'помнит' конденсатор C1. И лишь после его
разряда через R1 схема может вновь подать ток на подпитку контура лазерного
диода - цикл работы повторяется.
Кроме отмеченного выше недостатка, присущего большинству whitebuck'ов - того,
что нагрузка не имеет контакта ни с одним из общих проводов (ни с плюсом ни с
минусом), данное конкретное воплощение схемы whitebuck имеет и ряд своих
собственных недостатков. Проблема проброса сигнала обратной связи с уровня на
уровень, решенная здесь простейшим способом - с помощью каскада на
pnp-транзисторе Q1 с нагрузкой R1 - начинает давать о себе знать с повышением
напряжения питания. Так, если при питании в 8.4 вольта (2xLi-Ion) схема ведет
себя хорошо, то уже при 12 вольтах питания становится трудно получить
необходимую величину скважности. При 24 и, тем более, при 36 вольтах схема
неработоспособна, причем симулирующая программа LTSpice этого не выявляет.
Кроме того для получения нормальной зависимости скважности генерируемых
импульсов от нагрузки транзистор Q1 должен иметь плавную переходную
характеристику. Так, например, с отечественным КТ3107 схема работоспособна,
а с импортным якобы его аналогом 2N3906 - нет.
Казалось бы, если схема имеет такие серьезные недостатки, зачем ее вообще
приводить? А затем, что в каждой мышеловке есть свой бесплатный сыр:
при всяческих вариациях нагрузки, ток через нее стоит, как у волкА в морозную
ночь. Если в схемах типа 'blackbuck' при изменении нагрузки в 4 раза (от 0.5
до 2 Ом) нормальным было изменение тока на 20%, то при том же изменении
нагрузки для схемы 'whitebuck' изменение тока не удается зарегистрировать
'бытовыми' измерительными приборами. Помните, однако, что при сильном изменении
напряжения питания (например при переходе от 8 к 12 вольтам) Вам придется
перекалибровать токозадающий резистор.
Поскольку схема плохо относится к повышению напряжения питания, перекроить
ее в высоковольтный вариант и приспособить для питания 'гирлянд' лазерных
диодов (как было с blackbuck'ом) не удается. С распараллеливанием тоже имеются
свои тонкости:
По общим проводам схемы теперь соединять нельзя. Ни по плюсовому ни по
минусовому. Да и развязывающие диоды из опциональных становятся обязательными.
Приведенными схемами варианты исполнения схем типа 'buck' и им эквивалентных
отнюдь не ограничиваются. Существуют преобразователи с самовозбуждением,
подобные приведенным схемам на 442х, и с внешним управляемым генератором,
подобные приведенной схеме на 555-м таймере. Причем принципиальные схемы и
логика действия обратных связей могут быть весьма изощренными, включая десятки
видов защит и ограничений.
Отдельного внимания заслуживают многофазные схемы. Выше уже было отмечено,
что импульсные стабилизаторы тока могут включаться параллельно на общую
нагрузку. Однако в рассмотренном случае преобразователи работали не синхронно
и напряжения пульсаций складывались. Если же несколько импульсных
стабилизаторов тока объединены общей схемой управления, заставляющей каждый из
них работать в паузах работы других, то получается многофазный стабилизирующий
преобразователь. Мощь такого подхода настолько велика, что он позволяет,
например, получить практически постоянный ток в нагрузке от нескольких схем
даже типа 'boost'. Однако и цена, которую приходится за это заплатить, тоже
значительна: N фаз это N MOSFET'ов, N драйверов затвора, N дросселей,
микроконтроллер, и два, а то и три, напряжения питания (5 В для логики, 12 В
для драйверов и, скажем 30 В для силовой части). Микроконтроллер здесь
появляется изза того, что сложность управления всем этим хозяйством настолько
велика, что единственным разумным в нынешние времена решением управляющей схемы
является применение программного управления. Понятно, что в корпус лазерной
указки все это уже не впихнешь. Да и по стоимости вещь получается не самой
дешевой. Все это вместе взятое приводит к тому, что для портативных лазеров
(да и для стационарных, при токах питания ампер до тридцати) на предмет
многофазного стабилизирующего модуля питания лучше не заморачиваться.
АЛЬТЕРНАТИВЫ
Есть старая добрая схема подключения лазерного диода, которая и сейчас широко
используется в дешевых (брелковых) лазерных указках. Это подключение диода к
источнику напряжения через резистор:
Если сопротивление резистора R1 много больше, чем сопротивление диода, то
ток через диод будет определяться только величиной R1 и напряжением источника
V1. Строго говоря, сопротивление диода непостоянно и неизвестно. Поэтому можно
говорить лишь о среднем сопротивлении диода, равном падению напряжения на диоде,
деленному на ток через диод в рабочем режиме, и надеяться, что истинное
сопротивление диода отличается от среднего не более чем в два-три раза.
Чем плох такой подход? Исключительно своим низким кпд и сумасшедшими объемами
выделяемого тепла. Пусть, например, используется диод NUBM44. Падение напряжения
на нем в рабочем режиме около 4.5 вольт. Рабочий ток тоже около 4.5 Ампер.
Стало быть среднее сопротивление диода составляет порядка 1 Ом. Предположим,
что мы выбрали сопротивление балластного резистора в 10 раз большим
сопротивления диода, т.е. R1=10 Ом. Тогда для получения тока в 4.5 ампера через
такую цепь нам потребуется источник напряжения с эдс 50 Вольт, а мощность,
выделяемая на резисторе слегка зашкалит за 200 Вт.
Первое, что приходит в голову, глядя на подобную схему, это то, что избежать
таких потерь можно, заменив активное сопротивление реактивным. Как известно,
реактивное сопротивление не преобразует подведенную к нему электрическую
мощность в тепло (по крайней мере в идеале). В качестве реактивного
сопротивления может использоваться индуктивность (дроссель) или конденсатор.
Схему питания люминесцентной лампы с дросселем многие встречали, или по крайней
мере, о ней знают. В основу этой схемы положен именно такой принцип -
ограничение тока через лампу индуктивным сопротивлением, не вносящим потерь.
На следующем рисунке показан вариант схемы, где в качестве реактивного
балластного сопротивления используется конденсатор. Чтобы реактивное
сопротивление работало, питать схему приходится переменным током, поэтому не
удивляйтесь появлению на схеме выпрямителя в виде диодного моста.
Ну а где выпрямитель, там и сглаживающий конденсатор. Чтобы удержать величину
заряда, запасенного в сглаживающем конденсаторе, на более менее безопасном для
диода уровне, приходится выбирать сглаживающую емкость небольшой (~100nF) и
сильно поднимать частоту (на рисунке 100 МГц).
Существует, конечно, трехфазный выпрямитель (схема Ларионова), позволяющий
обходиться вообще без сглаживающего конденсатора:
Это позволяет сильно снизить частоту питающего генератора, зато дает
необходимость иметь ТРЕХфазный ВЧ генератор и плюс к тому три балластных
конденсатора и целых шесть быстродействующих диодов. Не лучше обстоят дела и в
схеме с индуктивностью, в качестве балластного элемента.
Таким образом видимая простота и эффективность схемы с реактивным балластом
оказываются обманчивыми.
Еще одним заманчивым вариантом выглядит стабилизация тока на резонансном
колебательном контуре, как на следующем рисунке:
Ток через резистор нагрузки определяется только напряжением источника питания
и импедансом контура. От изменения же величины самой нагрузки в очень широких
пределах ток не зависит. Однако, это лишь идеальный случай. При учете конечной
величины добротности контура и конечной точности попадания частоты генератора
в резонанс все становится заметно хуже. Действительно, за счет чего происходит
изменение напряжения на клеммах нагрузочного резистора при изменении его
величины? За счет раскачки контура. Если R1 велико, контур шунтирован слабо и
раскачивается до бОльших напряжений. Если R1 мало, контур шунтирован сильно и
раскачивается до меньших напряжений. Так и происходит стабилизация тока через
нагрузку. Если же добротность контура низка или имеет место неточное попадание
в резонанс эффективность стабилизации тока сильно страдает. Отдельной
неприятной особенностью схемы с резонансным колебательным контуром является то,
что она довольно плохо относится к питанию прямоугольными импульсами. Все
отличия формы питающего напряжения от идеального sin(w*t) сказываются на
качестве стабилизации. С другой стороны для повышения кпд Вы будете стремиться,
чтобы Ваш ВЧ генератор работал в ключевом режиме - т.е. выдавал бы как раз-таки
прямоугольные импульсы.
Еще хуже обстоят дела, если к выходу схемы вместо абстрактного резистора
подключен лазерный диод. Опять появляется выпрямительный мост, опять
сглаживающая емкость, и опять из требования ограничить величину сглаживающей
емкости приходится уходить в область очень высоких частот. (Те же 100 МГц, как
и в предыдущем примере.)
Принцип действия простейшего зарядового насоса показан на следующем рисунке:
Конденсатор С1 периодически подключается то к источнику напряжения V1, то к
нагрузке. При каждом подключении к источнику конденсатор накапливает заряд
q=C1*V1. Понятно, что ток через нагрузку никак не может быть больше, чем
C1*V1*F, где F - частота переключений. Вот и весь принцип если не стабилизации,
то по крайней мере ограничения тока. Изменяя частоту переключений и/или
напряжение заряда, можем регулировать ток в нагрузке.
На самом деле электрически схема эквивалентна схеме с емкостным реактивным
балластом (см.выше), с той лишь разницей, что питание производится не
синусоидой, а прямоугольными импульсами. Соответственно, и недостатки присущи
все те же самые - прерывистость тока через нагрузку, а значит неизбежность
сглаживающего конденсатора и ухода в область очень высоких частот.
Несколькими приведенными выше вариантами все многообразие альтернативных
схем стабилизации тока отнюдь не ограничивается. Можно, например, еще упомянуть
схему с балластом в виде ограниченного магнитного потока в трансформаторе с
разрывом в сердечнике. Набор физических явлений, с помощью которых можно
организовать стабилизацию тока в нагрузке, по-видимому неограничен. Однако
ни одна из подобных альтернативных схем на настоящий момент не смогла
составить конкуренции "мейнстриму" в виде комбинации импульсного стабилизатора
напряжения и импульсного стабилизатора тока, которая была нами рассмотрена
в предыдущей части этого раздела.
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ ИМПУЛЬСНЫЕ СХЕМЫ:
- Преобразователь типа 'buck' оказался весьма пригоден для построения схем
стабилизации и задания тока через лазерный диод. Существуют и другие
схемы ведущие себя подобным образом (CuK) но более проблемные.
- Некоторые из схем, обеспечивающих прерывистый ток через нагрузку, хотя и
могут быть введены в режим, когда провалы тока коротки и основное время
цикла ток близок к номинальному, но в этих режимах они, скорее, являются
'недоделанным' buck-преобразователем, чем самостоятельными схемами. Так не
лучше ли применять нормальную схему типа buck?
- Альтернативщина от электроники похоже не созрела в достаточной степени, чтобы
предложить серьезные альтернативы классическому подходу.
Вернуться к оглавлению
ПЛАВНЫЙ СТАРТ
↑
В автогенераторных импульсных преобразователях тока/напряжения обычно не так
просто организовать так называемый "плавный старт", т.е. режим, когда ток
в нагрузке не сразу достигает своего номинального значения, а плавно подходит
к нему на протяжении некоторого интервала времени. Применительно к импульсным
схемам, в которых скорость нарастания тока в принципе ограничена
индуктивностью, можно сказать, что "мгновенный старт" - это когда уже в первом
(после включения) импульсе достигается номинальный ток в нагрузке, в то время,
как "плавный старт" - это когда номинальный ток достигается только по
прошествии нескольких импульсов преобразования (а возможно и нескольких
десятков).
Как выяснилось, организовать плавный старт тока в нагрузке стабилизатора тока
практически любого типа можно с помощью следующей несложной схемы. Для
понятности нагрузка на рисунке выше показана в виде лазерного диода.
По существу, это обычный (и нелюбимый) сглаживающий конденсатор параллельно
нагрузке. Только подключен он не непосредственно, а через резистор R1. Для
правильной работы схемы величина этого резистора должна быть как можно ближе
к эквивалентному сопротивлению нагрузки. В случае лазерного диода сопротивление
нагрузки равно падению напряжения на диоде (на рисунке обозначено, как U(LD)) к
току через диод (на рисунке обозначен, как I(LD)). Причем и падение напряжения
на диоде и ток через диод должны браться для номинального режима. Для мощных
синих диодов типов NUBM08 и NUBM31 эта величина несколько больше одного ома
(на диод), для NUBM44 Несколько меньше одного ома (на диод). Для мощных (5Вт)
инфракрасных диодов эквивалентное сопротивление на рабочем режиме составляет
около половины ома.
Зная величину R1 и необходимое время нарастания тока в нагрузке (на рисунке
выше обозначено, как "tau"), из соотношения tau=R1*C1 нетрудно определить
необходимую величину емкости конденсатора C1. Обычно эта величина лежит
в пределах от единиц до десятков микрофарад.
Резистор R2 нужен для разряда буферной емкости C1. В зависимости от схемы
драйвера лазерного диода, к которому задерживающая цепочка подключается своими
выводами (обозначены, как порты "+" и "-" на рисунке), необходимость в
резисторе R2 может быть, и может отсутствовать. Однако току он отъедает немного,
да и площадь занимает небольшую, так что, вероятно, этот резистор лучше
использовать, чем не использовать. В целях универсальности и "на всякий случай".Целиком схема включения диодов с плавным стартом может выглядеть, например,
так:
На рисунке приведена схема питания одной ветви матрицы NUBM31T от 30-вольового
литий-полимерного аккумулятора (5 лазерных диодов последовательно).
Достоинство схемы понятно - она позволяет удалять пики и выбросы на начальном
этапе после включения драйвера, и выводит лазерные диоды на рабочий режим
плавно, что продляет им жизнь.
Недостатком схемы является то, что увеличивается время реакции драйвера на
изменение эквивалентного сопротивления лазерного диода. Буферный конденсатор
в этой схеме - это, в сущности, эквивалент сглаживающего конденсатора обычных
стабилизаторов напряжения и грубых стабилизаторов тока. Поэтому, если лазерному
диоду взбредет в голову внезапно уменьшить свое сопротивление, то накопленный
в буферном конденсаторе заряд несомненно потечет через лазерный диод, и будет
стремиться устроить превышение предельно допустимого тока. В отличие от
типового случая со сглаживающим конденсатором, ситуация здесь облегчена тем,
что буферный конденсатор подключен не непосредственно, а через резистор. Т.е.
даже если лазерный диод устремит свое собственное сопротивление к нулю, ток
через него все равно будет ограничен. Однако, это не есть гарантия выживания
лазерного диода, а всего лишь повышение вероятности. Поэтому вопрос о
применении и применимости приведенной схемы имплементации плавного старта
должен решаться в каждом случае индивидуально.
Тот факт, что арсенидные диоды успешно удается питать от драйверов с низким
быстродействием (на аналоговых стабилизаторах типа LM317) показывает, что у
них нет склонности быстро сильно и внезапно менять свое сопротивление. А значит,
для арсенидных диодов схема применима (за одним исключением, о котором ниже).
С другой стороны, нитридные диоды уже спалились (и в буквальном и в переносном
смысле) на тенденции к изменению своего внутреннего сопротивления, поэтому
с ними нужно соблюдать особую осторожность, применяя рассматриваемую схему
плавного старта.
Тем не менее схема была испытана при питании диодов NUBM08 и NUBM31T и
продемонстрировала работоспособность. Типичная осциллограмма тока при включении
показана на следующем рисунке (провал на осциллограмме - звон выключателя,
заметьте, что несмотря на звон предельно допустимый ток диода не превышен, а
огибающая нарастает плавно.)
Отдельно надо сказать о случае, когда возможен возврат значительной части
лазерного излучения в лазерный диод. Это как раз тот случай, когда сопротивление
диода может меняться быстро сильно и внезапно. Часто это происходит при попытке
резать хорошо отражающие металлы. Даже необязательно полированные - в любом
случае в области реза образуется "ванна" расплавленного металла, и как поведет
себя ее отражающая способность заранее предсказать сложно. Избегая лишних слов,
можно просто порекомендовать не использовать приведенную схему плавного старта
(равно, как и другие схемы, замедляющие отклик регулирования стабилизатора тока)
во всех случаях, когда возможен возврат заметной доли лазерного излучения
обратно в лазерный диод.
ЛАЗЕРНЫЕ ДИОДЫ
↑
При выборе/покупке лазерного диода надо обращать внимание на:
- Мощность
- Яркость
- Цвет (длину волны)
- Живучесть
Мощность - это главная характеристика, если Вам надо лазером что-то резать.
Например пилить фанеру CNC станком. Диод более-менее применим для обработки
материалов начиная с мощности в 5 Вт (ну, может быть в 3 Вт).
Для использования в качестве лазерной указки важнее всего яркость. На видимую
яркость сильно влияет цвет. Так, например, воспринимаемая глазом яркость пятна
зеленой указки (532 нм) почти в 10 раз выше чем воспринимаемая яркость пятна
синей (450 нм) или красной (650 нм) указок при той же излучаемой мощности в
Ваттах.
Если отвлечься от крышесдирательных светотехнических величин, то яркость это
всего лишь излучаемая мощность, деленная на площадь излучающей поверхности и на
(телесный) угол расходимости излучения. В этом понимании яркость напрямую
означает дальнобойность. Причем не только в смысле возможности указать на
стоящий в пяти километрах памятник архитектуры, но и в дальности связи Вашего
сфетотелефона, где лазер используется в качестве передатчика, и в смысле
возможности зажечь спичку на расстоянии в пять-десять метров.
Если Вам нужна дальность - выбирайте яркость. Даже в ущерб мощности.
Яркость - это в определенном смысле величина обратная энтропии. Повысить ее,
не совершив работу внешних сил, нельзя. А вот понизить - возможностей хоть
отбавляй.
Для того чтобы определить яркость лазерного диода мало знать мощность и
расходимость. Надо знать еще и размеры светящей области. Вот устройство
обычного среднестатистического лазерного диода со снятой крышкой:
Светящая облать определяется размерами h и d. Высота h - это толщина pn -
перехода. Можно считать ее по порядку величины равной длине волны излучения.
Ширина светящей области d не всегда равна ширине кристалла (как на рисунке).
Обычно ее можно узнать из datasheet'a на диод. Если datasheet'a нет -
принимайте ее равной ширине кристалла, так будет надежнее. Если имеется
возможность включить диод и есть с собой линза, размер светящей области можно
узнать проделав следующий простой опыт:
Излучение лазерного диода сфокусируйте линзой на экран (которым может быть
ближайшая стенка). Лучше, если диод включен не на полную мощность - меньше
вероятность спалить обои. Измерьте расстояние от диода до линзы l, от линзы
до экрана L и длину полоски на экране D. Ширину светящей области d можно найти
из очевидного соотношения: D/d = L/l.
При учете расходимости излучения надо помнить, что она у лазерного диода
резко неоднородна. Взятый без всякой оптики (внешней и внутренней) лазерный
диод дает пятно в виде длинной и довольно узкой полоски:
Вдоль оси, ортогональной плоскости кристалла (плоскости перехода) угол
расходимости O_|_ велик и составляет обычно до 60 и даже до 90 градусов.
Поэтому эта ось называется "быстрой" осью (ось вдоль которой излучение
расходится быстро), а сам угол называется углом расходимости по быстрой оси.
Вдоль оси, параллельной плоскости кристалла, луч расходится медленно.
Обычно с углом градусов 8-12. Соответственно и сама ось называется медленной.
То, что расходимость вдоль медленной оси меньше еще не значит, что "качество"
излучения по этому направлению лучше. Напротив, вспоминая, что толщина
pn-перехода весьма мала, и рассматривая задачу только в плоскости, содержащей
быструю ось, можно понять, что в такой двумерной задаче, лазерный диод
представляет собой практически идеальный точечный источник. А значит и
излучение может быть сформировано линзой в практически идеальный параллельный
пучок (ограниченный лишь дифракционной расходимостью и аберрациями формирующей
линзы).
Совершенно иная ситуация имеет место, если рассматривать задачу как двумерную
в плоскости, содержащей медленную ось. Теперь источник отнюдь не точечный, а
имеет вполне определенный размер. И, пытаясь сфокусировать пучок на отдаленный
экран, Вы всегда будете иметь дело с изображением источника (как на рисунке
по определению размера светящей области). Меньше, чем это изображение, пятно
Вам сделать не удастся.
Столь "дурацкая" форма луча лазерного диода серьезно осложняет жизнь, если
его надо сколлимировать или сфокусировать. (Коллимирование - делание луча
параллельным, до той степени, до которой это вообще удается. Обычно делается
с помощью линзы, в один из фокусов которой ставится излучающая область
лазерного диода. Линза, примененная с целью коллимирования, называется
коллимирующей линзой или коллиматором.) Чтобы нормально справлятся с этой
задачей, требуется так называемая "астигматическая" оптика - цилиндрические
линзы или анаморфотные призмы (см. далее в разделе ОПТИКА). Однако такие
оптические детали менее доступны и стоят дороже обычных (сферических) линз.
Чтобы облегчить жизнь тем, кто не хочет связываться с астигматической
оптикой, выпускаются диоды со встроенной цилиндрической линзой, частично
компенсирующей расходимость по быстрой оси. Такая линза называется линзой,
компенсирующей быструю ось: Fast Axis Compensating lens или просто FAC lens.
Не надо думать, что FAC линза увеличивает яркость диода. Напротив, платой
за снижение расходимости по быстрой оси будет серьезное ухудшение качества
пучка. В большинстве случаев на практике Вы можете считать, что диод с
FAC-линзой имеет в качестве светящей области уже не саму область pn перехода
(у многих мощных диодов она имеет размер 1-10х100 мкм или 1-10х200 мкм) а
подсвеченную часть компенсирующей линзы.
Пусть, например, исходный диод без линзы имеет светящую область размерами
20х200 мкм и мощность 5 Вт. Тогда с помощью объектива с фокусным расстянием
в 100 мм Вы сможете сфокусировать излучение такого диода на расстоянии в 5
метров в полоску размерами 1х10 мм и иметь интенсивность около 50 Вт/кв.см,
что более чем достаточно для поджигания спички, протыкания бумаги и многих
других "полезных" опытов.
Если этот же диод снабжен FAC-линзой, имеющей форму цилиндра диаметром
100 мкм (такое часто встречается на практике), то можете считать, что светящая
область стала иметь размеры в 100х220 мкм. (Увеличение ширины с 200 мкм до 220
мкм имеет место за счет аберраций цилиндрической линзы.) Вновь воспользовавшись
объективом с фокусным расстоянием 100 мм на расстоянии пяти метров теперь Вы
сможете получить полоску размерами 5х11 мм и интенсивность составит лишь
9 Вт/кв.см. - почти в пять раз ниже чем без FAC-линзы.
Т.е. все стало в пять раз хуже.
Однако, в первом случае Вам требуется объектив с фокусным расстоянием 100 мм
и диаметром никак не меньше тех же 100 мм. Минимальный размер линзы ограничен
тем условием, что она должна перехватывать все или почти все излучение диода,
а расходимость по быстрой оси велика. Линзу таких размеров, да еще и с фокусным
расстоянием порядка самого диаметра, достать как минимум непросто, что ставит
под сомнение весь проект. Зато во втором случае линза требуется диаметром всего
лишь 20-30 мм (фокусное расстояние те же 100 мм), а это уже очень доступно.
Из приведенного примера, надеюсь, ясно, что однозначно сделать выбор в пользу
диода с FAC-линзой или без нее трудно - все зависит от будущего применения
приобретаемого диода и Ваших возможностей по созданию коллимирующей/фокусирующей оптики. В целом, если Вам нужно резать что-то в трех-пяти
сантиметрах от диода, разумнее выбрать диод без компенсирующей линзы. Если же
Вам нужна дальность, а возможности по подбору объектива ограничены, то стоит
задуматься о приобретении диода с FAC-линзой.
Цвет (длина волны) влияет не только на воспринимаемую глазом яркость
лазерного пятна. От него сильно зависит поглощательная способность материалов,
а значит и легкость с которой режется/сверлится деталь. Классический пример -
белая бумага, которая с легкостью дырявится синей указкой, но для протыкания
зеленой указкой требует уже острой фокусировки и твердых рук, а красной
указке и вовсе не поддается.
Тем не менее для обработки материалов цвет - все-таки величина вторичная
после мощности. Органические материалы (дерево, пластики, ткани) легко
обугливаются и начинают хорошо поглощать излучение почти любой длины волны.
Металлы для увеличения поглощения можно покрасить и/или отжечь. А стекло,
если не цветное, достаточно хорошо пропускает и синее и зеленое и красное,
чтобы вообще не было смысла браться за его обработку лазерным диодом.
Из того, что наблюдается сейчас на еbау и аlieхрrеss, можно сделать вывод,
что существуют диоды следующих цветов (данные на начало 2018 года):
- Невидимые инфракрасные (940, 980 нм) - мощностью до 10 Вт, по цене ~1200 Руб/Вт
- Видимые инфракрасные (808 нм) - мощностью до 10 Вт, по цене ~1700 Руб/Вт
- Красные (разного цвета в пределах 630-670 нм) - мощностью до 1.2 Вт,
по цене ~5000 Руб/Вт
- Зеленые (520 нм) - мощностью до 1 Вт, по цене >5000 Руб/Вт
- Синие (в пределах 440-460 нм) - мощностью до 6 Вт, по цене <1000 Руб/Вт
(до 500 руб за ватт, когда в сборках навроде
NUBM06-NUBM08)
- Фиолетовые (405 нм) - мощностью до 1 Вт, по цене 4000 Руб/Вт
Понятно, почему зеленые диоды стоят дорого - они появились совсем недавно и
находятся в дефиците. Не очень понятно, почему мощность красных диодов, первыми
появившихся на рынке не особо желает расти.
Инфракрасные и красные диоды делаются на основе арсенида галлия: GaAs. На
самом деле там внутри целый слоеный пирог из полупроводников разного состава
(так называемая "гетероструктура"), но мы, самодельщики, в нее вмешаться не
можем, поэтому проще считать, что диод основан на простом арсениде галлия.
Зеленые и синие диоды делаются на основе нитраида галлия: GaN.
Что нам, как самодельщикам, такое знание дает? Можно, например, попытаться
как-то связать свойства и особенности диодов с материалом, на основе которого
они сделаны.
Выше уже говорилось, что все, без исключения, имевшиеся у меня диоды на
основе арсенида галлия прекрасно работали от стабилизатора тока, собранного
на КРЕН-ке, что предполагает, быть может и нелинейную,
но монотонно возрастающую вольт-амперную характеристику. С другой стороны
случаи выгорания голубых диодов при питании от такого драйвера имели место.
Если это связано со свойством полупроводника, то можно предположить, что все
нитридные диоды (синие, фиолетовые и зеленые) обладают свойством динамического
изменения сопротивления, а значит и питание их от драйверов любого типа,
имеющих на выходе большую сглаживающую емкость, как минимум противопоказано.
Еще одно наблюдение - разная чувствительность к температуре/перегреву. Я
самолично угробил немало арсенидных диодов, включая их на мощность с
недостаточным охлаждением. Бывало, что такие диоды дохли и от перегрева при
пайке. С другой стороны за нитридными диодами такого не водится. Nichia,
например, допускает работу своих диодов до 70оС а хранение - до 85оС.
Повышенная термостойкость нитридных диодов необязательно напрямую связана со
свойствами полупроводника. Это может зависеть, например, от типа припоев,
использованных при сборке диода. Но, в конце концов, и сами припои подбираются
исходя из совместимости с полупроводником. Для арсенидных диодов они одни,
а для нитридных другие.
Важность живучести для лазерного диода в CNC-станке понятна. Не столь
очевидна важность живучести лазерного диода в лазерной указке, где за все
время ее существования полная наработка запросто может составлять не больше
часа по суммарному времени излучения. И здесь надо знать, что помимо
"наработки на отказ", которую с гордостью приводит в своем datasheet'е любой
производитель, существует так называемое "время жизни на полке". А вот
эту то величину предпочитают аккуратно замалчивать. И как бывает обидно,
годика через три достать с полки трехваттное "ее сиятельство" и обнаружить,
что обращаться к ней следует теперь не иначе, как: "Ваша серость"...
ВОт пример: две моих (покупных) лазерных указки. Естественно, не фирмы
Wicked Lasers. Поскольку производитель и продавец малоизвестны остается
называть их "синяя одноваттная" и "синяя двухваттная".
| Данные измерений: |
| |
июль 2015 |
январь 2018 |
| "синяя одноваттная" |
650 мВт |
576 мВт |
| "синяя двухваттная" |
1160 мВт |
710 мВт |
Наработка на каждой из указок всячески не больше 10 часов (да и то это
оценка сверху с хорошим запасом). Аккумуляторы в обоих случаях использовались
новые и свежезаряженные. Ток через диод, правда, не измерялся, но
предполагается, что драйвер умеет поддерживать его на одном уровне.
Стало быть влияет срок хранения.
По инфракрасным диодам у меня столь красивых данных нет. Из двух купленных
одновременно в 2014 году пятиваттных диодов один был благополучно спален а
другой до недавних пор даже не распечатывался. Тем не менее, могу привести две
цифры: тот, который гонялся в 2014 году, выдавал тогда 3 Вт при токе 3.5 Ампера,
а тот, который был распечатан и включен в 2018 году выдает 3.2 Вт на токе 4.7
Ампера. Если предположить, что оба диода были вначале одинаковыми и если взять
порог генерации равным 0.5 Ампера, то получается что в 2014 году диоды
выдавали 1 ватт на ампер, а сейчас - только 0.76 ватта на ампер. Мутно, конечно... Надо было мерить точнее, но тенденция просматривается в ту же
сторону, что и с указками.
Почему я считаю, что в наблюдающемся снижении мощности виноваты лазерные
диоды? Можно было бы сказать, что загрязнилась оптика (нет не загрязнилась -
проверено) или что уплыла калибровка измерителя мощзности (нет не уплыла -
тоже проверено), или что ток питания, измеренный тогда, не отвечает току,
измеренному сейчас (в обоих случаях ток измерялся вполне новым китайским
мультиметром, разве что китайцы сменили свой стандарт ампера)... А еще
можно было бы сказать, что виновата температура, атмосферное давление,
влажность, время года, фаза луны...
ДОГМАТ ВТОРОЙ - ПРЕЗУМПЦИЯ ДЕГРАДАЦИИ
Что такое деградация? Про способность лазерных диодов дохнуть от каждого чиха
выше уже писалось. Так вот, деградация - это способность постепенно дохнуть
даже БЕЗ ЧИХА. При нормальной работе или при отлеживании на полке.
Считается, что самое главное свойство лазерных диодов - их деградация. Ну,
может быть, не самое главное, но уж как минимум второе после способности
излучать свет. Надеюсь, Вы понимаете, что написуючи это, я, конечно, наполовину
стебусь, но как говорится, в каждой шутке есть доля правды...
"Физика процесса" мне, честно говоря, непонятна. Привычнее иметь дело с
элементами, имеющими определенную и независимую вероятность сбоя. Как с
транзисторами или диодами. Если, например, новый транзистор имеет вероятность
отказа 10% за 3000 часов работы, Вы можете быть уверены, что точно такую же
вероятность отказа имеет и транзистор уже проработавший 3000 часов. Ровно
по тем же причинам, по которым и вероятность того, что при броске монеты
выпадет "решка", нисколечки не зависит от того, сколько раз подряд выпала решка
при предыдущих бросках.
С другой стороны, скончаемость ресурса лазерного диода предполагает, что
внутри него есть что-то исчерпаемое или изнашиваемое. В порядке бреда могу
предположить, что в полупроводнике имеется ненулевая ионная проводимость.
Незаметная, конечно, на фоне электронно-дырочной проводимости, но все же есть.
А раз есть ионная проводимость - есть и электролиз. Вот и растут дендриты из
металла контактов сквозь полупроводник снижая его прозрачность и в конце концов
приводя к выходу из строя. Бред, конечно, но все же лучше, чем считать, что в
диоде заканчиваются электроны с дырками. Или что все имевшиеся фотоны вылетают
наружу.
Вернуться к оглавлению
ЛИНЕЙКИ И МАТРИЦЫ
↑
Когда Вы захотите двинуться дальше в область больших мощностей, в поле Вашего
внимания начнут попадаться сборки из множества диодов той или иной степени
интеграции.
Наиболее распространены так называемые линейки лазерных диодов (diode bars)
и матрицы лазерных диодов (diode arrays). В основном они предназначены для
накачки твердотельных лазеров. Под это заточены и их технические параметры.
С точки зрения непосредственного использования в лазерных указках или в
устройствах для резки чего-либо линейки и матрицы обладают двумя существенными
недостатками:
- непомерных размеров тело свечения;
- охлаждение специально подготовленной водой.
Рассматривая габариты, выходную мощность и доллары за ватт отдельно от этих
двух недостатков, можно прийти к выводу, что использование лазерных диодных
линеек и/или матриц весьма привлекательно. Но, вот задумайтесь: тело свечения
большинства линеек имеет характерный размер порядка 10 мм. Т.е. при фокусном
расстоянии коллиматора в 100 мм (а это не мало) вы будете иметь расходимость
в 100 мрад (см в разделе ОПТИКА подраздел
КОЛЛИМАТОР). Уже на расстоянии в один
метр Вы будете способны сфокусировать луч лишь в полоску длиной не менее 10 см.
БОльшие расстояния, думаю, и рассматривать не имеет смысла. То же и с
фокусировкой. Если одиночные диоды позволяют в фокальном пятне достигать
интенсивностей свыше 10 кВт/кв.см. и резать сталь, то с линейкой или матрицей
лазерных диодов Вы будете ограничены интенсивностями в пару-тройку сотен ватт
на квадратный сантиметр и справляться такой лазер будет только с картоном и
деревяшками. Зато картон такая система будет "резать оптом" - быстро и в
больших количествах. Только вряд ли это как раз то, что Вам нужно.
Можно, конечно, поступить, как описано в разделе УВЕЛИЧЕНИЕ МОЩНОСТИ ПУЧКА
ПУТЕМ СЛОЖЕНИЯ ЛУЧЕЙ ОТ НЕСКОЛЬКИХ ЛАЗЕРОВ, и попытаться тем или иным образом
сложить излучение всех диодиков в линейке или матрице в единый луч,
постаравшись не потерять яркость. Однако основным препятствием на этом пути
станет основное достоинство линеек и матриц - их компактность. Отдельные диоды
настолько малы и расположены настолько плотно, что чтобы суметь сделать с
пучком что-либо вразумительное, придется учиться делать растры микролинз (или
микрозеркал) да еще и индивидуально подогнанные под каждый излучатель.
Парадокс в том, что отдельные диоды или сборки редко стоящих диодов (вроде
NUBM08, NUBM44) позволяют в конечном итоге (после геометрического сложения)
получить более плотный (а точнее - более яркий) луч, чем линейки, где
диоды расположены так плотно, как только можно.
Примечание: крупное тело свечения и большая расходимость, как правило, не
являются большим недостатком, если матрицы и линейки применяются для накачки
твердотельных лазеров. Лазерный стержень там достаточно большой, да и
расположен близко, так что проблема попадания в стаю орлов из семиствольного
ружья не стоит. Другое дело, что рекомендовать самодельщику связываться с
постройкой полномасштабного твердотельного лазера с диодной накачкой я бы не
стал. Дело в том, что даже при хорошем раскладе, на выходе стержня вы получите
не более 40% от суммарной мощности использованных лазерных диодных излучателей
накачки. И чтобы получить даже такую эффективность, Вам придется уже не просто
охлаждать лазерные диоды, а именно термостабилизировать. А полноценная
система термостабилизации это и габариты и вес и цена и потребляемая мощность.
Плюс к этому - придется находить где-то дефицитные лазерные стержни и зеркала.
(Причем не абы какие, а с точно подобранными радиусами кривизны и пропусканием,
иначе опять: "прощай, мощность.") И, наконец, пройдя "все тяготы и невзгоды" Вы
можете с удивлением обнаружить, что расходимость пучка, в конечном итоге,
получилась вовсе не настолько малой, как Вам того хотелось. Так "стоило ли
платить больше"?
Что касается второго недостатка - необходимости охлаждения водой, то особенно
остро он ощущается при использовании диодных излучателей в портативных системах
(машину на основе стоваттной лазерной линейки как то язык не поворачивается
назвать "лазерной указкой"). Впрочем и в настольных CNC станках для лазерного
выжигания жидкостная система охлаждения это серьезный overhead. Тем более, что
обычная водопроводная вода для охлаждения не подойдет. Не подойдет даже
дистиллированная вода. Требуется специальным образом очищенная вода с
пониженной коррозионной активностью. Так называемая "деионизованная вода".
Благо она нынче доступна - продается в супермаркетах для заправки утюгов.
Однако если Ваша система охлаждения не оснащена специальным фильтром -
деионизатором, то сохранность деионизованного состояния воды в ней будет
от нескольких часов до нескольких дней. Соответственно с таким же интервалом
придется менять воду. Или, по крайней мере, контролировать (по электрическому
сопротивлению воды). В противном случае вода разъест микроканальные холодильники
Ваших линеек и матриц ничуть не хуже, чем серная кислота разъедает одежду.
Плюс к этому микроканальные холодильники имеют обыкновение забиваться
взвешенными в воде частицами. Поэтому требуется злостная фильтрация воды от
механических загрязнений. Причем обычного среднестатистического автомобильного
топливного фильтра для этих целей, как правило, недостаточно.
Есть еще и третий недостаток, о котором следует по крайней мере упомянуть -
подавляющее большинство лазерных диодных линеек и матриц выпускается в
бескорпусном виде. А это значит - их лицевая (излучающая часть) не защищена
от пыли и грязи. В принципе и одиночные диоды выпускаются в бескорпусном
исполнении и к ним этот недостаток относится в полной мере. Но с ними все
проще - можно порекомендовать избегать покупки бескорпусных диодов и
использовать только их версии в защитном корпусе. Для бескорпусных линеек
и матриц альтернатива, как правило, отсутствует.
Здесь уместно привести
ДОГМАТ ТРЕТИЙ - ДОГМАТ ЧИСТОТЫ И НЕПОРОЧНОСТИ ("НЕ ОСКВЕРНИ СВОИ СВЕТЫНИ")
Формулируется так: ЕСЛИ СДОХ ЛАЗЕРНЫЙ ДИОД И БЛОК ПИТАНИЯ КАКИМ ТО ЧУДОМ ОКАЗАЛСЯ НЕ ВИНОВАТ -
ЗНАЧИТ ВО ВСЕМ ВИНОВАТА ГРЯЗЬ.
На практике это означает что все операции с бескорпусными лазерными диодами
Вы должны проводить в так называемой "чистой зоне". Для того чтобы лучше понять,
что это такое, посмотрите рекламные ролики о сборке микропроцессоров фирмы
Intel. Да-да, те, где показывается, как по сверкающим белизной помещениям ходят
мужики в скафандрах.
Вдумайтесь. Пусть у нас есть лазерный диод, излучающий 5 ватт. Длина
излучающей полоски 100 мкм. Высота - порядка одного микрона. Стало быть все эти
пять ватт приходятся на площадь в одну миллионную квадратного сантиметра.
Интенсивность получается в 5 МЕГАВАТТ на квадратный сантиметр.
При такой интенсивности любая, мало-мальски поглощающая свет материя
взрывается мгновенно. Поэтому любая пылинка, севшая на излучающий торец
лазерного диода взорвется сама, а заодно и повредит выходное зеркало. Именно
такими соображениями руководствуются те, кто настаивает на обращении с
лазерными диодами исключительно в чистых зонах.
Другое дело, что площадь выходного зеркала в диоде очень мала и вероятность
попадания пылинки "примерно как вероятность падения астероида на землю."
Художественные метафоры, конечно красивы, но можно и в цифрах. Содержание
пыли в помещении, где регулярно выполняется влажная уборка составляет 1e5-1e6
частиц на кубометр воздуха. То есть не более одной частицы на кубический
сантиметр. Предполагая, что воздух движется со скоростью не более 1 м/c (скажем,
небольшой сквозняк) получаем плотность потока: 100 частиц через сантиметр
квадратный в секунду. Умножая плотность потока на рабочую площадь выходного
зеркала (одна миллионная квадратного сантиметра) получаем, что вероятность
пылинке упасть на зеркало каждую секунду составляет одну десятитысячную. Или
по другому: в таких условиях в среднем должно пройти два с половиной часа,
прежде чем пылинке удастся приземлиться на выходное зеркало.
В результате оценок получили, что вероятность диоду выйти из строя изза пыли
неособо внушительная, но вполне требующая учета. Понятно, что хранить и
эксплуатировать бескорпусные диоды вне герметичного корпуса - идея довольно
плохая. С другой стороны, если комната чистая (в бытовом смысле), и если Вы
диод не храните, а только переносите из упаковки в герметичный корпус Вашего
лазера, и если эта операция занимает, скажем, не более 10 минут, то вероятность
успеха весьма высока. Если воздух в комнате стоячий, она увеличивается еще
больше.
Для линеек и матриц следовало бы учесть, что суммарная рабочая площадь всех
диодов значительно больше, а значит, больше и вероятность повреждения (меньше
время до первого фейла). С другой стороны, а следует ли считать ли неисправной
линейку (а тем более матрицу) с одним единственным выгоревшим диодом? А если
принять, что исправной является линейка, в которой не менее 70% диодов
исправны, то время жизни линейки в загрязненном воздухе будет того же порядка,
что и время жизни одиночного диода.
Вернуться к оглавлению
МОДУЛИ СО СВЕТОВОДНЫМ ИЛИ ОПТОВОЛОКОННЫМ ВЫХОДОМ
↑
Существует еще пара разновидностей изделий лазерной диодной промышленности,
которые стоит здесь упомянуть. Это сборки диодов с объединенным световодным или
оптоволоконным выходом. В данном контексте световод от оптоволокна отличается
в основном диаметром (и типом разъема). Световоды имеют диаметр порядка
миллиметра и ими оснащаются лазерные диодные сборки большой мощности (от
нескольких сот ватт до киловатта) предназначенные для применения в технологиях
(резка, сварка, закалка). Оптоволокна - те же световоды, только гибкие, имеют
диаметр порядка ста микрон. Соответственно и оснащаемые ими лазерные диодные
модули имеют мощность поменьше - порядка нескольких десятков ватт. Основное их
применение - накачка оптоволоконных лазеров.
С точки зрения самодельщика, занятого конструированием "самой мощной в мире
лазерной указки" или лазерной режущей головки для своего CNC станка, такие
модули это идеальный продукт. В них уже решена задача геометрического сложения
лучей от множества диодов, причем решена не на кустарном уровне (см. раздел
УВЕЛИЧЕНИЕ МОЩНОСТИ ПУЧКА ПУТЕМ СЛОЖЕНИЯ ЛУЧЕЙ ОТ НЕСКОЛЬКИХ ЛАЗЕРОВ) а на
вполне профессиональном. Тем не менее, на всю бочку меда и здесь найдется
несколько ложек дегтя.
Первое, что необходимо знать, приобретая такой модуль: серийные устройства
подобного рода в настоящее время в широкой продаже отсутствуют. То, что нам
встречается на интернет-аукционах, это осколки разобранных на запчасти лазерных
устройств или остатки разгромленных научно-исследовательских лабораторий. А
значит, если Вы спроектировали свой прибор под использование такого модуля,
и если этот модуль по тем или иным причинам вышел из строя, то заменить его
будет не на что. Вероятность того, что Вам удастся добыть другой такой же
модуль стремится к нулю. Под модуль другого типа Вам придется полностью
перекраивать весь свой прибор.
Второе: модули подобного рода продаются зачастую без документации. Установить
же требуемые параметры питания только по внешнему виду модуля практически
невозможно - неизвестно по сколько диодов последовательно соединено там внутри
и по сколько таких цепочек спаяно впараллель. Продавец обычно тоже не в
состоянии вразумительно ответить на такие вопросы. И наконец, вскрывать такой
модуль самостоятельно, не имея чистой зоны, значит сразу попасть в область
действия третьего догмата.
Третье: если Вы приобрели модуль с оптоволоконным выходом и собираетесь
использовать его в CNC станке для резки фанеры, рекомендую сразу избавиться от
выходного волокна и заменить выходной разъем на апертуру с защитным стеклом, РАЗМЕЩЕННЫМ ВНЕ ФОКУСА ВНУТРЕННЕЙ ФОКУСИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ! Понятно, что делать
это надо аккуратно и чисто (см. догмат третий). Если этого не сделать, то
выходное волокно попросту сгорит, едва подвергнется воздействию дыма и пыли
при работе станка. Можно еще попытаться соорудить над оптоволоконным выходом
герметичную головку с коллиматором, но вероятнее всего, дело кончится тем, что
волокно все равно сгорит.
Вернуться к оглавлению
ОПТИКА
↑
В раздел "Оптика" я собрал для Вас подборку самых важных и нужных выводов к
которым приводит геометрическая оптика. Таких, которые не раз и не два
пригодятся Вам при конструировании собственных лазерных указок и подобного
рода систем. Утверждения приведены с доказательствами. Упрощенными, но вполне
строгими. Для тех, кто считает себя специалистами, и считает, что все это
знает: берем свое чувство собственной важности и засовываем в подобающее ему
место. А затем читаем раздел. Не пожалеете. Что до новичков с чувствами лени
и опасения перед математическими формулами... Я попытался объяснить все как
можно проще. Так, чтобы хватало школьной математики, да и то, самых ее основ.
Думаю, что Вы справитесь. Если что, всегда можно вернуться к непонятному
позже, когда будет больше опыта и желания. Всегда помните - формула, она,
как и картинка, стоит тысячи слов. Знаешь число - знаешь только одну точку на
графике, одну линзу, одну оптическую систему. Знаешь формулу - знаешь, как они
себя ведут все.
Трудно представить себе практическое применение, где Вас устраивал бы луч
именно такой формы, какой выходит из лазерного диода. Разве что использовать
диод в качестве фонарика. Да еще, может быть, для голографии, хотя там есть
другие трудности, препятствующие использованию лазерных диодов.
В остальных случаях требуется либо пятно, как можно меньших размеров с как
можно большей интенсивностью, либо более менее параллельный, слабо расходящийся
луч. Чтобы сформировать параллельный луч (сколлимировать излучение) или чтобы
сфокусировать его, потребуется, как минимум линза. Т.е. оптика.
И самое первое, что тут необходимо знать, это то, что ЛЮБАЯ ОПТИКА ВНОСИТ
ПОТЕРИ. Профессионалы, имеющие доступ к разнообразным высококачественным
оптическим элементам с высококачественными покрытиями, привыкли гонять луч,
как им заблагорассудится, используя для этого многолинзовые объективы,
множество призмочек, пластинок, зеркалец... Самодельщик, как правило, от
такой возможности избавлен. И дело даже не в том, что все эти оптические
элементы (т.наз. "стекляшки") труднодоступны. Дело именно в потерях.
Коэффициент отражения на каждой границе раздела двух прозрачных сред при
нормальном падении луча выражается известной формулой Френеля:
(n2 - n1)^2
R = -------------
(n2 + n1)^2
где n1 - показатель преломления одной среды, n2 - показатель преломления
другой среды. Например каждая граница стекло-воздух (n1=1, n2=1.5) отражает
по 4%. И это в лучшем случае, без учета загрязнений и неидеальностей обработки
поверхности. К сожалению ряд факторов (таких как необходимость защиты лазерных
диодов от их же собственного отраженного излучения, расходимость луча при
отражении от линз и т.д.) заставляет однозначно "списывать" отраженный луч в
потери. А это, в свою очередь означает, каждая линза, каждая призмочка или
стекляннное окно сокращают мощность на 8..10%.
Возьмем, к примеру, пятиваттный диод. После оснащения коллимирующей линзой
на выходе останется 4.6 Вт. Двухэлементный объектив с защитным стеклом на
выходе подрежет мощность уже до 3.9 Вт. А полноценная оптическая система с
компенсацией астигматизма, состоящая из двух цилиндрических линз, двух
сферических линз и, разумеется, защитного стекла, "оставит в живых" только
3.3 ватта.
Неужели все так плохо? Ведь есть же, в конце концов, просветление оптики...
Есть-то оно есть, вот только, как говорится: "не про нашу честь". Дело в том,
что длины волн мощных лазерных диодов либо вовсе не попадают в "видимый
диапазон", либо находятся на его краю. А этот край не берется в расчет
производителями доступной "бытовой" оптики, которая может быть найдена в
биноклях, фотоаппаратах, кинопроекторах и т.д. Исключение из этого правила
когда-нибудь составят лишь мощные зеленые диоды. Да и то... Когда они начнут
выдавать ватта по три, хотя бы, и когда цена на них перестанет вызывать
истерический хохот. Применение же оптики, просветленной не на ту длину волны,
или имеющей "декоративное просветление" вместо ожидаемого улучшения пропускания
даст только ухудшение. Там, где было по 4% потерь на каждую границу раздела
сред, легко может стать по 10%, и одна только коллимирующая линза будет
превращать Ваш пятиваттный диод в четырехваттный, а полноценная пятиэлементная
система низведет его до состояния полутора-двухваттного.
Основные выводы, которые следуют из сказанного:
- Используйте максимально простые оптические схемы. Не ставьте зеркало, чтобы
повернуть луч, если можно повернуть сам лазер. Не используйте перископ, чтобы
сместить луч, если можно сместить сам лазер и т.д.
- Используйте только оптику, просветленную на длину волны Вашего диода. Если
таковой нет, лучше пользуйтесь "голой" ("лысой") оптикой.
Простота применяемых оптических схем и низкое качество излучения лазерных
диодов приводят к тому, что для описания поведения лучей практически во всех
случаях Вам будет достаточно геометрической оптики и тех базовых знаний,
которым учат на уроках физики в школе. Тем не менее, думаю, будет нелишне
напомнить некоторые законы и соотношения, необходимые для понимания.
Вернуться к оглавлению
А. Линза
↑
Линзу будем считать тонкой, и работающей в так называемых параксиальных лучах
(лучах имеющих небольшие отклонения от оптической оси). Линза характеризуется
своей оптической осью, оптическим центром - некоторой точкой на оптической оси,
в большинстве случаев находящейся в том месте, где оптическая ось пересекает
тело линзы, а также фокусами. Фокуса лежат на оптической оси и их положение
симметрично относительно оптического центра (правое и левое фокусные расстояния
тонкой линзы, одинаковы, при условии, что справа и слева от линзы одна и та же
среда).
Линза подчиняется следующим четырем правилам:
- Луч, проходящий через оптический центр линзы не смещается и не изменяет
своего направления. Независимо от того справа или слева идет луч и
независимо от того выпуклая линза или вогнутая:
- Луч, проходящий через фокус линзы, преломившись в линзе идет дальше
параллельно ее оптической оси. Для вогнутой линзы - то же самое, но фокуса надо
как бы поменять местами. Т.е. луч, шедший так, что он должен был бы пройти
через фокус линзы (лежащий по другую ее сторону) преломившись в линзе
пойдет параллельно ее оптической оси:
- Третье правило, по сути есть разновидность второго: луч, шедший
параллельно оптической оси линзы, преломившись в ней пройдет через фокус. Для
рассеивающей линзы - луч, шедший параллельно оптической оси выйдет из линзы
так, как если бы он шел через ее фокус (находящийся с той стороны, с которой
луч падает на линзу):
- Следующее правило, в принципе, следует из первых трех, но доказательство
того факта, что оно из них следует, довольно муторно - требуется много
вспомогательных построений и рассуждений. Поэтому примем его, как отдельное,
независимое правило.
Любой параллельный пучок лучей, проходящий через собирающую линзу (пусть даже
и не параллельно ее оптической оси) соберется в точку, лежащую в плоскости,
перпендикулярной оптической оси линзы, и находящейся от линзы на расстоянии,
равном фокусному расстоянию линзы. Эта плоскость (являющаяся геометрическим
местом точек фокусировки всех параллельных лучей) называется "фокальной
плоскостью линзы."
Для рассеивающей линзы любой параллельный пучок лучей, проходящий через нее,
после преломления пойдет так, как если бы исходил из точки, лежащей в плоскости,
перпендикулярной оптической оси линзы, и находящейся от линзы на расстоянии,
равном фокусному расстоянию линзы:
Надо помнить, что правила эти не точные, а приближенные, и выполняются не
всегда. Впрочем, в оптике принято считать, что выполняются они всегда, но с
некоторыми отклонениями. Эти отклонения называют аберрациями.
Вот, собственно и все. А дальше, гак говорится "с помощью циркуля и линейки",
применяя законы геометрии, Вы можете рассчитать поведение света в любой системе
линз, какая Вас заинтересует. (Это, правда, может быть сложно, но это другой
вопрос).
- В частности, Вы сможете доказать, что если источником лучей являются точки
некоторого двумерного предмета, то лучи от каждой из точек соберутся в точках,
составляющий другой двумерный предмет, геометрически подобный первому. Т.е.
линза "строит изображение" предмета:
Причем, расстояние от линзы до предмета A, расстояние от линзы до изображения
A' и фокусное расстояние линзы f окажутся связанными так называемой "формулой
тонкой линзы": 1/f = 1/A + 1/A'
Здесь принято, что если расстояние от линзы до изображения A' является
отрицательным, то само изображение является мнимым, т.е. лучи после преломления
в линзе не фокусируются в соответствующих точках изображения, а расходятся, но
идут так, как если бы они исходили из точек изображения, находящегося по ту же
сторону от линзы, что и предмет. Иногда знак расстояния от объекта и его
изображения выбирают как в системе координат: если слева от линзы - знак
отрицательный, если справа - знак положительный. При таком выборе знаков
формула тонкой линзы будет выглядеть несколько иначе. Будьте внимательны.
- Величина, обратная фокусному расстоянию, которая стоит в формуле тонкой
линзы слева, называется оптической силой линзы. Если линза сделана из
прозрачного материала с показателем преломления n и ограничена сферическими
поверхностями с радиусами r1 и r2, то оптическая сила линзы будет равна:
1/f=(n/n0-1)(1/r1+1/r2)
где n0 - показатель преломления окружающей среды. Если среда - воздух или
вакуум, разумно взять n0=1.
Радиусы считаются положительными, если поверхность выпуклая и отрицательными,
если поверхность вогнутая. Можно обратить внимание, что в приведенном выражении
правую часть можно расписать как сумму:
(n/n0-1)(1/r1)+(n/n0-1)(1/r2).
Фактически это сумма двух оптических сил: 1/f1=(n/n0-1)(1/r1) и
1/f2=(n/n0-1)(1/r2). Т.е. оптическая сила линзы, ограниченной сферической
поверхностью радиуса r1 и плоскостью плюс оптическая сила линзы, ограниченной
сферической поверхностью радиуса r2 и опять же плоскостью. Линза, ограниченная
двумя сферическими поверхностями как бы распалась на две линзы, ограниченные
плоскостью и сферой, сложенные друг с другом вплотную. Суммарная оптическая сила
"двоякосферической" линзы оказалась равной сумме оптических сил
составляющих ее "плоско-сферических" линз: 1/f=1/f1+1/f2.
- На самом деле, верно и более общее выражение: две тонкие линзы, сложенные
вплотную друг к другу, можно рассматривать как одну линзу, оптическая сила
которой равна сумме оптических сил ее составных частей.
Фокусное расстояние f и оптическая сила 1/f считаются положительными для
собирающих линз и отрицательными для рассеивающих линз. Если показатель
преломления линзы больше показателя преломления окружающей среды, то собирающей
всегда будет выпуклая линза (или "более выпуклая, чем вогнутая"
для выпукло-вогнутых линз). Соответственно вогнутая линза (или "более вогнутая чем
выпуклая") будет рассеивающей.
- Сама по себе формула тонкой линзы может быть понята и еще одним интересным
образом, который иллюстрируется следующим рисунком:
А именно: линза, осуществляющая фокусировку лучей, исходящих из объекта,
находящегося на расстоянии A от линзы в точку изображения, находящуюся на
расстоянии A' от нее же, может быть представлена в виде двух линз: одной, с
фокусным расстоянием A, преобразующей расходящиеся лучи от точки источника в
параллельный пучок, и другой, с фокусным расстоянием A', фокусирующей этот
параллельный пучок в точку, находящуюся на фокусном расстоянии (на A').
Вернуться к оглавлению
Б. Зеркало
↑
"тонкое зеркало" немногим отличается от тонкой линзы. Могут быть применены
все те же формулы и способы построения хода лучей. Надо лишь помнить о том,
что отраженный луч распространяется в обратную сторону и что оптическая сила
зеркала будет выражаться формулой:
1/f = 2/r, где r - радиус кривизны зеркальной поверхности. Ни показатель
преломления материала, из которого зеркало сделано, ни радиус кривизны тыльной
стороны зеркала по понятным причинам в формулу не входят.
Распространение лучей в обратную сторону создает трудности при вычерчивании
их хода - возникает мешанина из падающих и отраженных лучей. Поэтому удобнее
для построения хода лучей временно считать зеркало линзой с соответствующим
фокусным расстоянием, просто помня о том, что в реальной оптической системе
лучи преломленные при построении станут отраженными и будут идти в
противоположную сторону.
Вернуться к оглавлению
В. Расходимость
↑
Понятно, что вставив в лазерный луч линзу, можно заставить луч сходиться или
расходиться, почти как заблагорассудится. Однако, когда говорят о расходимости
лазерного излучения, не это имеется в виду. Расходимость, привнесенную линзой,
с тем же успехом можно и убрать. При помощи другой линзы. Ту часть расходимости,
которую можно убрать линзой называют "белой расходимостью" или "расхождением",
но чаще о ней просто не говорят - ибо зачем говорить о тривиальном?
Ту часть расходимости лазерного излучения, которую невозможно устранить
никакой линзой, называют "серой расходимостью" или просто расходимостью.
Пусть, например, пучок состоит из нескольких параллельных пучков лучей,
идущих под небольшими углами друг к другу. (Эти отдельные пучки, формирующие
целостный пучок, могут отвечать, например, модам резонатора). Если углы, под
которыми пучки наклонены друг к другу невелики, то при наблюдении глазом на
небольшом участке пучок, состоящий из таких субпучков, будет казаться
параллельным. Однако, если взять линзу и попытаться сфокусировать такой пучок,
то в фокальной плоскости он соберется уже не в точку, а в пятно конечного и
совершенно определенного размера:
Если максимальный угол, под которым отдельные пучки идут к оси общего пучка,
составляет α, а фокусное расстояние линзы f, то радиус пятна в фокальной
плоскости, как видно из рисунка будет равен f*tg(α). Или, если вспомнить,
что для малых углов tg(α)~~α, то можно считать, что радиус пятна равен
f*α, где α выражен в радианах.
Если весь пучок осесимметричен, то α, угол, соответствующий максимальному
отклонению от оси отвечает половинной расходимости. Нетрудно понять, что
ДИАМЕТР фокального пятна будет равен f*2*α, где (2*α) - угол ПОЛНОЙ
расходимости (опять же для случая малых расходимостей).
Читая этот же рисунок справа налево, можно заметить, что источник света,
диаметром delta, будучи помещен в фокальную плоскость линзы, даст на выходе
пучок света с расходимостью delta/f (в радианах). Что это дает, мы посмотрим
позже в разделе "Коллиматор".
Здесь же имеет смысл остановиться еще на одном случае. Пусть, например, мы
фокусируем линзой пучок (слабо) расходящихся лучей, другими словами: линза
ставится в пучок имеющий и расхождение и (неустранимую) расходимость
одновременно. Если фокусировка на самом деле имеет место (т.е. если пучок за
линзой сначала сходится, до некоторого минимального поперечного размера
(диаметра) а далее начинает расходится вновь, то можно поступить как в
подпункте 8 подраздела "ЛИНЗА": представить себе, что линза состоит из двух
частей, первая из которых компенсирует расхождение пучка, а вторая -
осуществляет фокусировку пучка, имеющего только (серую) расходимость:
Покажем, что расходимость пучка может (при определенных условиях, которые
выясним позднее) быть определена (в радианах), как диаметр пучка в самой
узкой его части, деленный на расстояние от этой узкой части до линзы (на
рисунке это расстояние обозначено как A).
Действительно, направляя лучи на вышеприведенном рисунке в обратную сторону
и рассматривая рисунок справа налево, можно убедиться, что пучок с устраненным
расхождением (идущий в промежутке между линзами) формируется правой линзой из
лучей, как бы испускаемых некоторым источником конечного размера. Причем за
источник можно взять любое из поперечных сечений пучка. В зависимости от того,
какое из сечений пучка взято, соответствующая величина расхождения будет равна
delta/A, где "a" - размер (диаметр) сечения, A - расстояние от линзы до этого
сечения. Однако мы ищем не абы какое расхождение а неустранимую расходимость.
Стало быть, надо выбрать такое сечение пучка, которое даст минимально возможное
значение a/A.
Предположим, можно считать, что пучок имеет приблизительно конический вид:
Если выбрать систему координат как на рисунке, поместив начало координат в
место наиболее узкого сечения луча, то ход линии, окаймляющей пересечнеие
конуса лучей с плоскостью yz можно описать уравнением: y(z) = a + k|z|, где
k - некоторый коэффициент (угловой коэффициент прямой), величина которого нас
будет интересовать мало.
Половина угла расходимости отсюда определится как:
y(z) a+k|z|
min(-----) = min (-------)
z A+z z A+z
Взяв производную от функции под знаком минимума можно убедится, что нулей она
не имеет и единственная особенность связана с точкой z=0. Стало быть и сама
функция, если и имеет минимум, то принимает его в точке z=0. А значит в
выбранном приближении расходимость пучка в точности равна размеру (диаметру)
самого узкого сечения пучка, отнесенному к расстоянию от этого сечения до
линзы.
Единственное потребовавшееся приближение - коничность формы пучка. Отсюда
следует и условие, при котором полученная формула работает: коническая форма
должна хорошо описывать форму фокусируемого пучка лучей. Другими словами:
фоксировка должна быть достаточно острой, или еще: длина перетяжки луча должна
быть много меньше расстояния от линзы до самого узкого сечения пучка.
Вернуться к оглавлению
Г. Каустика
↑
Из сказанного видно, что реальный пучок лучей, обладающий конечной
расходимостью, фокусируется линзой не в точку, а в некоторое пятно конечного
размера. А значит, вблизи сечения, где пучок принимает наименьший размер,
можно выделить некоторую область пучка, в пределах которой его размер
незначительно превышает минимальный размер. Эта область называется "перетяжкой"
или "каустикой" пучка.
Некоторая неопределенность лежит в том насколько "незначительно" должен
измениться диаметр пучка в пределах области, чтобы эту область можно было
все еще считать каустикой. Если Вы устремите допуск к нулю, то и длина каустики
будет стремиться к нулю независимо от того, насколько велик диаметра пятна или
от того, насколько быстро или медленно которой пучок сходится и расходится.
И обратно: сильно расширив допуск можно весь пучок отнести к каустике.
В качестве разумного и достаточно простого приближения каустикой можно
считать ту зону, в пределах которой идеальный (не имеющий серой расходимости)
пучок, будучи сфокусирован линзой имеет диаметр, не превышающий наименьшего
диаметра, до которого реальный (имеющий расходимость) пучок может быть
сфокусирован той же линзой:
Для реального пучка это будет отвечать размерам области, в пределах которой
текущий диаметр пучка не более чем вдвое превышает диаметр этого же пучка
в наиболее узком его месте.
Из подобия треугольников на рисунке видно, что:
Lc/2 A A
------- = ----- => Lc = 2*delta*---
delta/2 Do/2 Do
При таком выборе длины каустики Lc интенсивность на оси пучка в пределах
каустики меняется вчетверо. Действительно: диаметр пучка растет вдвое от центра
такой каустики к ее краю, а значит площадь сечения пучка растет вчетверо.
Мощность излучения, переносимая пучком, естественно, не изменяется, а стало
быть интенсивность, как отношение световой мощности к площади сечения пучка
меняется вчетверо, так же, как и площадь.
Можно определить каустику и как зону вдвое меньшей длины. Тогда назойливая
двойка из формулы для длины каустики исчезнет: Lc=delta*A/Do. Прирост же
диаметра пучка к краям такой каустики составит 1.5 раза. Соответственно
интенсивность в пределах каустики, определенной таким образом, будет меняться
в (1.5)^2 = 2.25 ~~ 2 раза.
Двукратное снижение интенсивности заметно слабее влияет на изменение "сверлильно - режущих" свойств пучка, поэтому в дальнейшем будем пользоваться
именно таким выбором размеров каустики.
Минимальный диаметр луча в перетяжке delta = alfa*A = alfa*D*(A/Do).
Глядя на рисунок можно заметить, что Do/2A есть тангенс половины угла, под
которым сходятся лучи. В приближении малых углов тангенсы и синусы равны
величинам самих углов в радианах, стало быть Do/A - есть угол схождения пучка
при фокусировке. Обозначим его как gamma.
Т.е. delta = alfa*Do*(A/Do) = alfa*Do/gamma.
Угловая расходимость луча вообще говоря не является независимым параметром.
Наоборот, пропуская пучок через оптические системы мы можем менять расходимость.
Далее (см. в разделах "коллиматор" и "телескоп") будет показано, что угловая
расходимость луча обратно пропорциональна его диаметру, т.е. alfa~1/Do или
alfa=k/Do, где k - зависящий только от начальных условий коэффициент
пропорциональности, конкретная величина которого в данный момент представляет
мало интереса.
В итоге: delta = alfa*Do/gamma = (k/Do)*Do/gamma = k/gamma.
Т.е. оказывается, что минимальный диаметр пучка при фокусировке обратно
пропорционален углу схождения лучей или, как еще говорят: "угловой апертуре".
Вернуться к оглавлению
Д. Коллиматор
↑
Коллиматором называется устройство для получения параллельного пучка чего-нибудь. Например света. Нас будет интересовать простейший коллиматор, состоящий
из одной линзы. Как следует буквально из второго правила тонкой линзы: если
имеется точеченый источник света и он помещен в одном из фокусов линзы, то
все лучи, исходящие из этого источника, линза соберет в параллельный пучок
света, следующий вдоль оптической оси.
Реальный источник света имеет конечный размер delta и конечную угловую
расходимость лучей alfa. Если поместить такой источник в фокальную плоскость
собирающей линзы с фокусным расстоянием f, то после преломления в линзе лучи
сформируют пучок расходимостью alfa'= delta/f.
Тут надо иметь в виду, что размер источника delta должен быть достаточно
мал, чтобы выполнялось условие alfa' < alfa. В противном случае может случиться
конфуз, вроде показанного на следующем рисунке:
На этом рисунке условие alfa'<alfa не соблюдено и пучок в фокальной плоскости
имеет меньший поперечный размер, чем в плоскости изображения.
Т.е. когда размер источника мал, а расходимость его излучения велика,
расходимость пучка после коллиматора определяется размером источника (и
фокусным расстоянием линзы).
Но когда размер источника велик, а расходимость его излучения мала, то именно
она и является определяющей. Это, в частности, имеет место в "классических"
лазерах, когда, например, кристалл имеет диаметр порядка сантиметра, а
расходимость исходящего из него излучения, скажем, порядка 1 мрад. Диаметр
пятна фокусировки такого лазера определяется вовсе не размером изображения
торца кристалла, а именно начальной расходимостью пучка. Кстати говоря и сам
такой пучок, имеющий малую расходимость и большой диаметр можно считать несущим
информацию о некотором (виртуальном) объекте-источнике размер которого и
расстояние до которого могут быть вычислены с помощью уже известных нам правил.
Вернемся к случаю использования коллимирующей линзы, когда размер источника
достаточно мал. Тогда, как уже было сказано, этот размер и определяет
расходимость пучка после коллиматора ( alfa'= delta/f ). Начальная же
расходимость alfa определяет размер линзы, необходимый для того, чтобы собрать
весь свет от источника в коллимированный пучок.
Остановимся на этом подробнее. На самом деле ничего не мешает взять
коллимирующую линзу произвольного диаметра. Расходимость коллимированного пучка
от этого зависеть не будет.
Вот пример (А): лампочка от карманного фонаря имеет нить длиной 3 мм. Значит,
достаточно взять линзу с фокусным расстоянием каких-нибудь 3 метра, чтобы
достичь "вполне лазерной" величины расходимости в 1 мрад. Пусть, например,
диаметр этой линзы 100 мм. С учетом того, что лампочка светит равномерно во все
стороны, площадь поверхности сферы, которую пересекает свет на расстоянии 3
метра от лампочки равна 4*pi*R^2 = 1.1 млн кв.см. Из них только 78 кв. см.
занимает наша стомиллиметровая линза. Т.е. только 0.007% света, излученного
лампочкой, перехватывается линзой и направляется в виде коллимированного пучка.
Пример (Б): лазерный диод, с шириной излучающей полоски 100 мкм. Расходимостью
10 градусов по медленной оси и 60 градусов по быстрой оси. Чтобы получить
расходимость 1 мрад достаточно взять линзу с фокусным расстоянием 100 мм. На
этом расстоянии свет от диода будет иметь вид полоски шириной 17.5 мм и длиной
115 мм. Взяв линзу диаметром 100 мм мы смогли бы собрать 87% света в
коллимированный пучок с расходимостью 1 мрад по медленной оси и с еще меньшей
расходимостью по быстрой оси. Однако тут есть две закавыки.
Первое: поскольку линза диаметром 100 мм освещена полоской света 18х115 мм,
большая часть площади линзы попусту простаивает.
Второе: У нас получилось, что линза имеет диаметр 100 мм и фокусное
расстояние 100 мм. Вспоминаем формулу для оптической силы линзы:
1/f=(n/n0-1)(1/r1+1/r2)
где r1 - радиус кривизны первой (выпуклой) поверхности, ограничивающей линзу,
r2 - радиус кривизны второй (выпуклой) поверхности, ограничивающей линзу,
n0 = показатель преломления окружающей среды,
n - показатель преломления стекла, из которого сделана линза,
f - фокусное расстояние.
Положив для простоты r2 равным бесконечности (плоско-выпуклая линза) и приняв
n0=1 (воздух) n=1.5 (обычное стекло):
1/f=(n-1)(1/r1) => 1/f = (n-1)(1/r1) => r1 = (n-1)*f => r1~~0.5*f.
Если мы потребуем, чтобы диаметр линзы был равен фокусному расстоянию, то
получится, что требуемый радиус кривизны должен составлять половину от диаметра,
т.е. линза превратится в полусферу. Нетрудно догадаться, что фокусное
расстояние шара, сделанного из обычного стекла составляет примерно половину от
его диаметра, т.е. его радиус. И это, в общем-то, предел. Еще короче фокусное
расстояние при заданном диаметре линзы сделать уже не удастся. Собственно с
этим и связано то, что чем выше оптическая сила линзы, тем меньше ее диаметр.
В приложении к рассматриваемому примеру это означает, что из-за слишком
большой расходимости по быстрой оси потребовалась линза, у которой мало того,
что 80% площади никак не используется, так и еще она сама должна быть выпуклой
настолько, что приобретет форму полусферы. Фокусирующие свойства такой линзы
вследствие аберраций будут очень далеки от идеала, и расходимость
сколлимированного пучка от лазерного диода будет определяться в основном
аберрациями.
Пример В: точно такой же лазерный диод, как и в предыдущем примере (ширина
излучающей полоски 100 мкм, расходимость 10 градусов по медленной оси) но
снабженный FAC линзой, корректирующей расходимость по быстрой оси до тех же 10
градусов.
В этом случае на расстоянии 100 мм сечение пучка от лазерного диода будет
17.5 x 17.5 мм и его можно полностью перехватить линзой, имеющей диаметр 25 мм.
Если диаметр цилиндра FAC линзы составляет 100 мкм, то взяв этот размер за
размер источника света в направлении быстрой оси получим, что после
коллимирующей линзы с фокусным расстоянием 100 мм пучок будет иметь расходимость
1 мрад х 1 мрад.
Пример Г: Возьмем источник света, размером delta с расходимостью alfa и
поместим его в фокальную плоскость линзы, имеющей фокусное расстояние f.
Если размером delta по сравнению с величиной alfa*f можно пренебречь, то
диаметр пучка на линзе составит alfa*f, а расходимость после линзы будет
delta/f:
Посмотрим, во сколько раз уменьшилась расходимость, т.е. рассмотрим
отношение alfa'/alfa:
alfa' delta/f delta
----- = --------- = ------
alfa alfa alfa*f
Получили, что отношение расходимости после линзы к расходимости источника
равно отношению размера источника к размеру пятна на линзе.
Другими словами: во сколько раз увеличили диаметр луча, во столько раз
снизили его расходимость.
Или вот еще: угловое увеличение обратно линейному увеличению.
Рассмотрев задачу в трехмерном пространстве и соотнеся расходимость с
площадью сечения луча можно прийти к еще более общему выводу: пренебрегая
потерями можно утверждать, что яркость луча после коллиматора равна яркости
источника.
Пользуясь этим правилом можно сразу, без промежуточных выкладок, сказать,
что чем меньше мы хотим сделать расходимость, тем больше нам потребуется
диаметр оптики.
Говоря о применении надо помнить, что расходимость сама по себе мало кого
интересует. Чаще интересует интенсивность - мощность, переносимая лазерным
лучом, деленная на площадь лазерного пятна. Соответственно интересуют и размеры
лазерного пятна.
Из рисунков выше очевидно, что имея начальный диаметр (на линзе) равный
alfa*f, по мере удаления от линзы на расстояние z пучок растет в диаметре как
alfa'*z. Т.е. диаметр коллимированного пучка равен Dc = alfa*f + alfa'*z.
В тех случаях, когда alfa'*z >> alfa*f = Dc(z=0) (в так называемой "дальней
зоне") площадь пятна определяется только расходимостью и тут уже ничего не
поделаешь. Но в тех случаях, когда начальный диаметр пучка Dc(z=0) порядка или
больше прироста диаметра пятна за счет расходимости, этот начальный диаметр
можно исключить путем фокусировки.
Предположим, нам нужно сфокусировать пятно на расстянии L от коллиматора.
Сразу за коллиматором поставим линзу с фокусным расстоянием L:
Как мы уже знаем, две линзы, стоящие рядом друг с другом можно считать одной,
с оптической силой, равной сумме оптических сил составляющих линз. Очевидно,
что в рассматриваемой ситуации суммарная оптическая сила будет больше
оптической силы исходного коллиматора, соответственно фокусное расстояние
станет короче, и источник окажется от линзы на некотором расстоянии, большем
чем фокусное расстояние новой (комбинированной) линзы.
Т.е. для осуществления фокусировки в нужную точку на самом деле необязательно
добавлять к коллиматору некоторую дополнительную линзу. Достаточно имеющуюся
линзу поместить на расстоянии L*f/(L-f) от источника. (Можно заметить, что
для любых положительных L это расстояние больше фокусного расстояния
используемой линзы).
Размер пятна delta' при этом будет равен угловой расходимости умноженной на
расстояние от линзы до пятна. (Если углы сравнительно большие и нельзя
пренебрегать отличием tg(alfa) от alfa то на расстояние придется домножать
не расходимость а удвоенный тангенс угла половинной расходимости. Формула
станет заметно сложнее, но на качественном уровне результат будет вести себя
так же.) Угловая же расходимость в рассматриваемом случае будет равна отношению
размера источника delta к расстоянию до линзы:
delta delta*(L-f)
delta' = L * --------- = ----------- = delta*(L/f - 1)
L*f/(L-f) f
Отсюда, например видно, что на больших расстояниях, когда L/f>>1
delta' = delta*L/f. Т.е. для получения маленького пятна на больших расстояниях,
выгоднее использовать длиннофокусные линзы.
Можно пойти и по другому. Домножив числитель и знаменатель дроби на
расходимость излучения источника alfa:
delta * alfa L*delta*alfa
delta' = L * -------------- = ---------------
L*f/(L-f)*alfa Do
... и заметив, что в знаметателе стоит произведение расходимости источника на
расстояние от источника до линзы, то есть диаметр пучка на линзе Do можно
прийти к выводу, что:
При заданных характеристиках источника (размер и расходимость) минимально
достижимый размер пятна на заданном расстоянии L обратно пропорционален
диаметру рабочей (занятой пучком света) области линзы.
Завершая рассказ о коллиматоре нельзя не упомянуть еще один, ценный для
лазерных диодов случай: коллиматор с компенсацией расходимости по быстрой оси
цилиндрической линзой.
Если рассматривать задачу в проекции на плоскость медленной оси, то она ничем
не отличается от уже рассмотренного случая однолинзового коллиматора:
Некоторым смещением лучей при проходе плоскопараллельного стеклянного
образования пренебрежем, так как линзу считаем тонкой.
Если же рассматривать задачу в плоскости быстрой оси, где цилиндрическая
линза обладает значительной оптической силой, то мы имеем двухлинзовую систему,
рассмотрение которой предваряет рассмотрение телескопа (см. ниже в подразделе "телескоп"):
Ранее уже говорилось, что, в принципе, освещенную пучком зону цилиндрической
линзы можно считать источнком света известного размера и расходимости и
пользоваться этим для расчета коллиматора. Такой подход неплох, если линза
мала (например встроенная в диод FAC линза). Напротив, если линза велика
(например, если Вы пользуетесь пятимиллиметровой стеклянной палочкой для
компенсации расходимости по быстрой оси) то такой подход становится слишком
груб. Не то чтобы его нельзя применить. Он вполне работает. Но если Вы
настроите коллиматор на передачу изображения с цилиндрической линзы всместо
передачи изображения самого диода, Вы получите расходимость куда больше, чем
могли бы получить.
С другой стороны, результаты, получаемые, при настройке коллиматора на
взятие изображения с самого диода зависят от того, каким образом установлена
цилиндрическая линза. Так например, если она установлена на полную компенсацию,
и лучи после нее параллельны, то как ни устанавливай коллимирующую сферическую
линзу, лучи в этой плоскости сойдутся в ее фокусе (третье правило тонкой линзы).
А поскольку перетяжка пучка в плоскости медленной оси во всех практически
значимых случаях находится довольно далеко от фокуса линзы, мы в этой ситуации
почти никогда не будем иметь оптимальной фокусировки. Отсюда ясно, что
установка компенсирующей линзы на полную коллимацию невыгодна. Возникает вопрос,
а какая установка компенсирующей линзы выгодна?
Выше мы видели, что достижимый размер пятна фокусировки, как правило,
тем меньше, чем до большего размера пучок был разведен перед фокусировкой.
Отсюда следует, что неплохим выбором положения компенсирующей линзы будет такое,
при котором площадь выходной линзы в максимальной степени заполнена светом.
В типичных случаях линзы квадратного или круглого поперечного сечения это
означает что размеры пучка от источника на выходной линзе должны быть равны
друг другу вдоль быстрой и вдоль медленной осей. Поэтому на рисунке выше и
отмечено равенство alfay = alfax.
Т.е. цилиндрическую линзу, компенсирующую расходимость по быстрой оси,
выгодно устанавливать так, чтобы пучок после нее продолжал расходиться. (И
это остаточное расхождение было бы прблизительно равно расходимости излучения
источника по медленной оси.)
Посмотрим, как это влияет на работу коллиматора.
Пусть начальная расходимость излучения источника по быстрой оси составляет
allfa_y_0. Пусть цилиндрическая линза имеет фокусное расстояние fc и
установлена так, что расхождение лучей после нее составляет alfa_y. Тогда
выходная линза "видит" лучи, как если бы они исходили не из самого источника,
а из его (мнимого) изображения.
Пользуясь формулой тонкой линзы, рассматривая ход окаймляющих лучей и делая
выкладки, чуть более сложные, чем хотелось бы здесь приводить, можно получить,
что мнимое изображение источника, из которого исходят лучи, находится несколько
дальше от выходной линзы, чем сам источник. Причем смещение (обозначим его S)
равно:
S = fc * (alfa_y/alfa_y_0 + alfa_y_0/alfa_y -2) .
А сам источник должен для этого располагаться на расстоянии:
A = fc * (1 - alfa_y/alfa)
от цилиндрической линзы.
Таким образом, если мы устанавливаем коллимирующую линзу так, что в плоскости
медленной оси источник находится в фокусе линзы (или в плоскости резкого
изображения), то в плоскости быстрой оси источник оказывается как бы "за
фокусом" на расстоянии S. И наоборот, если мы наводим наш объектив на резкость
в плоскости быстрой оси, то в плоскости медленной оси источник оказывается на
расстоянии S "впереди фокуса". Т.е. в любом случае "настройка на резкость"
оказывается "сбитой". Как же быть?
Первое, что приходит в голову, - добавить цилиндрическую линзу к выходной
сферической. Ровно такой оптической силы, чтобы скомпенсировать этот сдвиг
в расстояниях. (Или, как еще говорят: "скомпенсировать астигматизм.") Однако,
во первых: цилиндрические линзы довольно редки и подобрать линзу нужного
размера, да еще и с нужной оптической силой, непросто и дорого. Во-вторых:
такой подход противоречит приведенному в самом начале раздела "оптика" совету
не плодить излишних оптических элементов и оптических поверхностей.
Что еще можно сделать?
Оказывается, выходную линзу можно наклонить. При этом в соответствии с
правилами геометрических проекций и ее фокусное расстояние и радиус кривизны,
отвечающие прохождению луча вдоль прежней оси, сократятся в косинус из угла
наклона раз:
Данное утверждение можно доказать и более строго: вычисляя оптическую
разность хода между различными лучами и соотнося ее с расстоянием между лучами - получая "стрелу прогиба" волнового фронта.
Замечу, что это утверждение находится в вопиющем противоречии с четвертым
правилом тонкой линзы. Однако надо помнить, что эти правила приближенные, а
свойство наклонной линзы иметь различные фокусные расстояния по отношению к
пучкам лучей, лежащих в разных плоскостях, носит название "астигматизма" и
является аберрацией - т.е. поправкой к идеализации, выражаемой правилами
тонкой линзы.
Угол и направление наклона линзы можно выбрать таким образом, чтобы в
плоскости медленной оси сам источник находился в фокусе наклонной линзы, а
в плоскости медленной оси в фокусе наклонной линзы оказывалось мнимое изображение
источника, как на рисунке ниже:
ПРИМЕР С ЧИСЛАМИ:
Пусть имеется диод с расходимостью 60 градусов по быстрой оси и 10 градусов
по медленной оси. Цилиндрической линзой с фокусным расстоянием 3 мм расхожения
по осям выровнены (сделаны равными друг другу). Для дальнейшего преобразования
излучения в (квази)параллельный пучок используется линза с фокусным расстоянием
100 мм. Определить угол наклона линзы.
РЕШЕНИЕ: в принятых нами обозначениях alfa_y_0 = 60 градусов,
alfa_y = alfa_x = 10 градусов; fc = 3 мм; а = 100 мм.
Находим разность координат между положением самого источника и положением его
мнимого изображения, даваемого цилиндрической линзой:
S = fc * (alfa_y/alfa_y_0 + alfa_y_0/alfa_y -2) = 3*(6+1/6-2) ~~ 12 мм.
Максимальное фокусное расстояние наклонной линзы равно f, минимальное - равно
f*cos(theta), где theta - угол наклона линзы. Стало быть разность фокусных
расстояний равна f-f*cos(theta) = f(1-cos(theta)).
Но с другой стороны эта величина как раз и должна быть равна расстоянию между
источником и его изображением в цилиндрической линзе, т.е. величине,
обозначенной как S. Эта величина уже была вычислена ранее:
f(1-cos(theta)) = S => 1-cos(theta) = S/f => cos(theta) = 1 - S/f
Подставив сюда S=12 мм и f = 100 мм получим:
cos(theta) = 1 - 0.12 = 0.88 => theta = 28 градусов.
Видим, что наклон вполне серьезный. При таких наклонах кроме астигматизма
могут начать проявляться другие, нежелательные аберрации. Например кома.
Чтобы избежать этого надо бы иметь угол наклона поменьше, т.е. фокусное
расстояние цилиндрической линзы желательно выбирать покороче. Замечу, кстати,
что фокусным расстоянием в 3 мм обладает цилиндрическая линза, сделанная из
заполненной водой (стеклянной) трубки (внутренним) диаметром 4 мм.
ДРУГОЙ ПРИМЕР: Пусть все условия одинаковы с предыдущим примером, за
исключением того, что фокусное расстояние цилиндрической линзы составляет
fc = 120 мкм - т.е. используется встроенная линза диода.
РЕШЕНИЕ:
S = fc * (alfa_y/alfa_y_0 + alfa_y_0/alfa_y -2) = 0.12*(6+1/6-2) ~~ 0.5 мм.
cos(theta) = 1 - S/f = 1 - 0.5/100 = 0.995 => theta = 5.7 градусов.
Здесь наоборот: наклон невелик, и в грубых самодельных конструкциях может не
превышать угловой погрешности установки коллимирующей линзы.
ЕЩЕ ПРИМЕР:
В коллиматоре используется (сферическая) линза с фокусным расстоянием f=100мм.
Определить требуемые пределы смещения линзы, если минимальное расстояние, на
которое необходимо фокусировать излучение, равно Lmin=0.7 метра, а максиамльное
расстояние фокусировки Lmax=5 метров. Определить требуемый размер линзы,
считаня, что раскрыв диаграммы направленности диода по быстрой по медленной
осям одинаков и равен alfa=10 градусов.
РЕШЕНИЕ:
Два раза пользуемся формулой тонкой линзы:
1 1 1 1 1 1
--- = ---- + ---- и --- = ---- + ----
f Amax Lmin f Amin Lmax
где Amin и Amax - искомые минимальное и максимальное расстояния от линзы до
диода.
Подставив численные значения f = 100 мм, Lmin = 700 мм, Lmax = 5000 мм и
пользуясь калькулятором, недолго думая получим:
Amax = 116 мм ; Amin = 102 мм
На расстоянии 116 мм от диода сечение луча будет представлять собой квадрат
со стороной Amax*2*tg(alfa/2) = 17 мм. Если линза круглая, этот квадрат должен
полностью вписываться в круг искомого радиуса. Если сторона квадрата равна a,
то радиус описанной вокруг квадрата окружности будет a/sqrt(2). Отсюда получаем,
искомый радиус равным 12.4 мм. Соответственно требуемый диаметр линзы ~25 мм.
И ЕЩЕ ПРИМЕР:
В условиях предыдущего примера определить размеры лазерного пятна на
максимальном и минимальном расстояниях фокусировки, взяв за размеры светящего
тела диода размеры подсвеченной части FAC линзы: 100 x 220 мкм.
Определить интенсивности лазерного излучения на при фокусировке на
минимальное и на максимальное расстояния, считая, что выходная мощность диода
W=5 Вт.
РЕШЕНИЕ:
Воспользовавшись первым правилом тонкой линзы и замечая, что треугольники,
образованные окаймляющими лучами и имеющие общую вершину в оптическом центре
линзы, подобны, получим:
Dx = (L/l)*dx Dy = (L/l)*dy
где Dx, Dy - размеры изображения вдоль соответствующих координат, dx = 220 мкм,
dy = 100 мкм - размеры источника вдоль тех же координат.
Заметим также, что для случая фокусировки на минимальное расстояние:
L = Lmin = 700 mm, l = 116 mm,
а для случая фокусировки на максимальное расстояние:
L = Lmax = 5000 mm, l = Amin = 102 mm,
Воспользовавшись калькулятором получаем:
Dx(700mm) = 1.3 mm Dy(700mm) = 0.6 mm
Dx(5000mm) = 10.7 mm Dy(5000mm) = 4.9 mm
Интенсивность лазерного излучения I выразится как мощность деленная на площадь
пятна:
I = W/(Dx*Dy):
I(700mm) = 641 Вт/кв.см.
I(5000mm) = 9.5 Вт/кв.см.
Вернуться к оглавлению
Е. Телескоп
↑
Телескоп - это система из двух линз, установленных друг от друга на
расстоянии, примерно равном сумме фокусных расстояний этих линз.
Из всего многообразия телескопов мы будем рассматривать только линзовые,
которые в свою очередь поделим на два больших класса:
Телескопы Кеплеровского типа - состоящие из двух собирающих линз.
и
Телескопы Галилеевского типа - у которых одна из линз рассеивающая.
Если считать фокусное расстояние рассеивающей (вогнутой) линзы отрицательным,
то приведенное выше определение описывает оба типа телескопов.
Если расстояние между линзами в точности равно сумме их фокусных расстояний,
то говорят, что телескоп "настроен на бесконечность". Используя второе и третье
правила тонкой линзы нетрудно убедиться, что если в настроенный на
бесконечность телескоп вдоль его оптической оси (вдоль линии, проведенной через
оптические центры его линз) входит пучок параллельных лучей, то и выйдет из
него также пучок параллельных лучей.
Не труднее убедиться и в том, что диаметры вошедшего пучка лучей D1 и
вышедшего пучка лучей D2 соотносятся в этом случае как отношение (абсолютных
величин) фокусных расстояний входной и выходной линз: D2/D1 = |f2|/|f1|
Для телескопа, состоящего из собирающих линз для этого надо лишь нарисовать
ход окаймляющих лучей:
И отметить подобие треугольников, имеющих общую вершину в точке совпадающих
фокусов входной и выходной линз. (Основаниями этих треугольников служат линии,
проходящие через оптические центры линз перпендикулярно оси телескопа.)
Для телескопа галилеевского типа рассуждение, в общем-то аналогично, только
надо вспомнить третье правило для рассеивающей линзы и продолжить ход лучей за
линзой до пересечения их в фокусе рассеивающей линзы, откуда они как-бы
исходят:
Из сказанного видно, что первым свойством (и применением) телескопа является
преобразование пучка одного диаметра в пучок другого диаметра.
Надо заметить, что на практике при конструировании телескопа ничто не мешает
взять выходную линзу диаметром меньше, чем следует из отношения D2=D1*|f2|/|f1|
При этом просто часть света будет потеряна. В остальном работа телескопа не
изменится.
Вновь рассмотрим ход лучей в телескопе, настроенном на бесконечность, но на
этот раз снабдим входной пучок ненулевой расходимостью alfa1 (строго говоря для
дальнейших рассуждений несущественно имеет ли пучок на входе в телескоп именно
расходимость или просто расхождение):
Как уже было показано выше, линза с фокусным расстоянием f1 сфокусирует такой
пучок в пятно диаметра delta=alfa1*f1. Причем пятно это будет находится в
фокальной плоскости входной линзы, т.е. автоматически и в фокальной плоскости
выходной линзы. Такую ситуацию мы тоже рассматривали ранее и получали, что
линза с фокусным расстоянием f2 сформирует поток света от источника размером
delta, находящегося в ее фокальной плоскости, в пучок света с расходимостью
alfa2 = delta/f2.
Т.е. отношение угловой расходимости выходного пучка лучей alfa2 к угловой
расходимости входного пучка alfa1 будет равно отношению фокусного расстояния
входной линзы f1 к фокусному расстоянию выходной линзы f2:
alfa2/alfa1=|f1|/|f2|
Отношение alfa2/alfa1 называют "угловым увеличением" телескопа.
Угловое увеличение телескопа в геометрической оптике, вообще говоря, не
связано с отношением диаметров линз. Однако, как и в случае телескопирования
параллельного пучка лучей, если диаметр выходной линзы меньше определенного,
то часть света будет потеряна.
Более того, как можно видеть из рисунка выше, при телескопировании
расходящегося пучка лучей отношение требуемого диаметра выходной линзы к
диаметру входного пучка уже не равно отношению фокусных расстояний линз.
Напротив, справедливо приближенное соотношение:
D2~~D1*|f2/f1|+alfa1*(f1+f2).
Однако, если расходимость входного пучка alfa1 достаточно мала, чтобы
вторым членом этого выражения можно было пренебречь: alfa1*(f1+f2)<<D1*|f2/f1|,
то можно считать, что:
D2/D1 = |f2/f1| = alfa1/alfa2.
Т.е.: "во сколько раз увеличивается диаметр пучка, во столко же раз снижается
его расходимость" или "угловое увеличение есть величина обратная линейному
увеличению."
Для галилеевского телескопа в целом все также, но надо учитывать, что лучи
после рассеивающей линзы идут так, как если бы они исходили из мнимого
изображения, находящегося на расстоянии |f1| слева от линзы:
Применив первое правило тонкой линзы можно убедиться, что линейный размер
мнимого изображения составит delta=|f1|*alfa1, стало быть и расходимость после
преломления на выходной линзе составит:
alfa2=alfa1*|f1|/|f2|
В приближенной формуле, для требуемого диаметра линз следует помнить о знаке
фокусного расстояния и побеспокоиться о том, чтобы диаметр был положительным:
D2~~D1*|f2/f1|+alfa1*(f1+f2).
Если же ее записать в абсолютных величинах, то:
D2~~D1*|f2|/|f1|+alfa1*(|f2|-|f1|).
Так лучше видно, что поправка к требуемому диаметру выходной линзы здесь
меньше, чем в телескопе Кеплера. Связано это с тем, что сама труба короче.
(Расстояние между линзами равно не сумме двух положительных фокусных расстояний
а сумме положительного фокусного расстояния собирающей линзы и отрицательного
фокусного расстояния рассеивающей линзы.)
Походу можно заметить, что в отличие от телескопа Кеплера, который может быть
построен из двух любых собирающих линз с конечным положительным и неравным нулю
фокусным расстоянием, телескоп Галилея может быть настроен на бесконечность,
только если фокусное расстояние рассеивающей линзы меньше по абсолютной
величине фокусного расстояния собирающей линзы.
Время рассмотреть телескоп, выведенный из положения "на бесконечность".
Пусть имеется телескоп, состоящий из двух линз, фокусными расстояниями f1
и f2. И пусть эти линзы установлены так, что между фокусами линз имеется
некоторый зазор X. И пусть, наконец, этот зазор положителен: X > 0 т.е. линзы
установлены друг от друга дальше чем сумма их фокусных расстояний. Как на
следующем рисунке.
Подадим на вход телескопа параллельный пучок лучей. Очевидно, что он
соберется в точку в фокусе входной линзы. Т.е. на расстоянии f1 от нее. Эту
точку можно считать источником света для выходной линзы. Причем этот источник
света расположен от линзы на расстоянии большем чем фокусное расстояние:
f2 + X > f2. А как мы уже знаем, если источник расположен от положительной
линзы на расстоянии большем фокусного расстояния, то эта линза собирает лучи
в действительное изображение. Для точечного источника изображением будет
некоторая точка, расстояние до которой можно найти воспользовавшись формулой
тонкой линзы. На расстоянии от телескопа до формируемого им изображения мы
остановимся чуть позже. Сейчас отметим другой интересный факт: поскольку
изображением в рассматриваемом случае будет точка, то пучок, выходящий из
телескопа оказывается сходящимся. Т.е. если расстояние между линзами телескопа
больше суммы фокусных расстояний составляющих его линз, то телескоп всегда
преобразует входящий в него параллельный пучок лучей в сходящийся.
Если же расстояние между линзами телескопа меньше суммы их фокусных
расстояний, т.е. зазор между фокусами отрицателен: X < 0, то телескоп всегда
преобразует входящий в него параллельный пучок лучей в расходящийся, как
на рисунке ниже:
Доказать это можно точно так же рассмотрев ход лучей и заметив, что в
результате применения формулы тонкой линзы расстояние до изображения,
формируемого выходной линзой оказывается отрицательным. Т.е. изображение
оказывается мнимым и имеет вид виртуальной точки, находящейся слева от линзы,
из которой как бы исходят лучи.
Т.е. изменяя расстояние между линзами телескопа можно заставить его и
сводить пучок и разводить. Другими словами телескоп в некотором смысле аналогичен
линзе с переменным фокусным расстоянием. Такое применение весьма удобно. Если,
например Вам необходимо сфокусировать лазерный луч на объект, находящийся,
скажем, в 47 метрах от лазера, вовсе необязательно мчаться искать линзу с
фокусным расстоянием в 47 метров. Возьмите телескоп (половину бинокля или
подзорную трубу), пропустите сквозь нее лазерный луч и настройкой "на резкость"
сфокусируйте пучок на практически любом желаемом расстоянии.
"Практически" - потому что, как минимум, очевидно, что при любом раскладе
минимальное расстояние, на которое удастся сфокусировать луч телескопом никак
не меньше фокусного расстояния выходной линзы. А в реальном телескопе
минимально достижимое расстояние фокусировки будет определяться не только
фокусными расстояниями составляющих его линз, но и пределами их сдвига друг
относительно друга.
Рассмотрим такое применение телескопа подробнее. Пусть имеется источник света
размером delta1, излучающий пучок лучей с расходимостью alfa1, находящийся на
расстоянии L1 от входной линзы телескопа. Воспользуемся телескопом, чтобы
сфокусировать луч на расстоянии L2 от выходной линзы телескопа. Слово "сфокусировать"
означает "получить минимально возможный размер пятна." Но
как мы видели ранее этот минимально возможный размер может определяться либо
размерами изображения источника либо расходимостью его лучей. Будем считать,
что в данном случае расходимость излучения источника сравнительно велика и
минимально возможный размер пятна определяется именно размерами изображения
источника, которые удается получить с помощью телескопа на расстоянии L2.
- На входной линзе пучок от источника размером delta1 с расходимостью
alfa1 дает пятно размером D1 = delta1 + L1*2*tg(alfa1/2) ~~ delta1 + L1*alfa1
- На расстоянии A1 от входной линзы формируется изображение источника
размером delta2 = delta1*(A1/L1). При этом само расстояние A1 может быть
определено исходя из формулы тонкой линзы и составляет:
f1*L1 f1
A1 = -------- откуда delta2 = delta1*-----
L1 - f1 L1-f1
Расходимость лучей в этом месте может быть найдена при рассмотрении хода
окаймляющих лучей и тангенс половинного угла расходимости (alfa2/2) равен:
alfa2 delta1 L1 alfa1
tg(-----) = ------- + ---- * tg(-----)
2 2*f1 A1 2
Если размер источника мал по сравнению с фокусным расстоянием входной линзы
(delta1<<f1) то tg(alfa2/2) = tg(alfa1/2)*L1/A1. Если же (сравнительно) малы
и сами углы, то alfa2=alfa1*(L1/A1), т.е. расходимость масштабируется в
размере отношения расстояния от линзы до объекта к расстоянию от линзы до
изображения. Заметив, что отношение этих расстояний есть размер изображения по
отношению к размеру источника можно в очередной раз вспомнить, что угловое
увеличение обратно пропорционально линейному.
- Для того, чтобы получить конечное изображение на расстоянии L2 От выходной
линзы, сама выходная линза должна быть установлена на расстоянии A2 от
изображения, даваемого входной линзой. Величина расстояния A2 следует опять
таки из формулы тонкой линзы:
f2*L2
A2 = -------
L2 - f2
Зная расстояние и расходимость можно получить размер пятна на выходной линзе
(т.е. ее требуемый диаметр):
D2 = delta2 + A2*2*tg(alfa2/2)
Рассмотрим отношение D2/D1:
D2 delta2 + A2*2*tg(alfa2/2)
-- = -------------------------
D1 delta1 + L1*2*tg(alfa1/2)
Без дополнительных предположений дальнейшее раскрытие выражения ни к чему
доброму не приведет. Поэтому предположим, что delta1<<D1, а delta2<<D2. Тогда
D2 A2*2*tg(alfa2/2) A2*tg(alfa2/2)
-- ~~ ---------------- = --------------
D1 L1*2*tg(alfa1/2) L1*tg(alfa1/2)
А вот теперь можно подставить вместо tg(alfa2/2) его приближенное выражение:
tg(alfa2/2) ~~ tg(alfa1/2)*(L1/A1), и в итоге:
D2 A2*tg(alfa2/2) A2*tg(alfa1/2)*(L1/A1) A2
-- ~~ -------------- ~~ ---------------------- = --
D1 L1*tg(alfa1/2) L1*tg(alfa1/2) A1
Стало быть здесь роль линейного увеличения (т.е. во сколько раз диаметр
выходного луча вырос по сравнению со входным) сыграло уже не отношение фокусных
расстояний линз, как это было в случае телескопа настроенного на бесконечность,
а отношение расстояний от линз до промежуточного изображения внутри телескопа.
Обратите внимание, что для получения этого утверждения не пришлось предполагать
малость углов (afa1, alfa2 и т.д.) оказалось достаточно лишь чтобы источник
был мал по сравнению со входной линзой а промежуточное изображение было мало
по сравнению с выходной линзой.
- Ну и наконец, зная размер промежуточного изображения delta2, расстояние
от него до выходной линзы A2 и расстояние от выходной линзы до конечного
изображения L2 можно вычислить размер конечного изображения delta3:
L2-f2 f1 L2-f2
delta3 = delta2*(L2/A2) = delta2* ----- = delta1*-----*------ =
f2 L1-f1 f2
f1*L1 L2-f2 L2 A1
= ----- * ----- * delta1 *(L2/L1) = -- * -- * delta1
L1-f1 f2*L2 L1 A2
Т.е. размер конечного пятна соотносится с размером источника прямо
пропорционально отношению расстояния от конечного пятна до телескопа к
расстоянию от телескопа до источника и прямо пропорционален величине, обратной
линейному увеличению, т.е. прямо пропорционален угловому увеличению.
Для пущей ясности перепишем полученное еще и так:
delta3 L2 D1
------ = -- * --
delta1 L1 D2
Откуда уже совершенно ясно, что чем больше выходной диаметр пучка, тем
меньше в итоге размер пятна на объекте.
Еще можно заметить, что в принятом приближении D1/L1~~alfa1. Учтя это:
L2
delta3 = delta1*--*alfa1
D2
Т.е. достигаемый размер пятна на определенном расстоянии зависит
только от размера источника delta1, его угловой расходимости alfa1 и от
отношения выходного размера пучка к расстоянию до точки фокусировки.
Полностью аналогичные выкладки можно провести и для телескопа Галилеевского
типа. С той лишь разницей, что промежуточное изображение будет мнимым и
будет находиться не внутри телескопа, а слева от входной линзы.
Интересно, что точно такое же выражение можно получить и для случая
фокусировки излучения источника на определенное расстояние с помощью
однолинзового коллиматора. На следующем рисунке отображена эта ситуация.
Обозначения размеров и углов по возможности соответствуют обозначениям
аналогичных размеров и углов с предыдущего рисунка.
Из рисунка очевидно, что delta3 = delta1*(L2/L1)
L2 L2 L2
delta3 = delta1*-- = delta1*alfa1*-------- = delta1*--*alfa1
L1 L1*alfa1 D2
Т.е. при том же диаметре занятой пучком области линзы коллиматор дает
на заданном расстоянии пятно фокусировки такого же размера как и телескоп.
(При одних и тех же параметрах источника, естественно.)
Неважно, какая схема у Вас применена, главное это выходной диаметр пучка.
Вывод: Ваши возможности по фокусировке луча определяются только диаметром
оптики, которую Вы можете себе позволить.
Вернуться к оглавлению
Ж. Анаморфотные призмы
↑
Интересно, что закон преломления света (закон Снелля) на границе раздела
двух сред буквально утверждает неравенство углов падения и преломления, откуда
сразу же следует и неравенство поперечных размеров падающего пучка и пучка,
испытавшего преломление:
Неравенство размеров входного и выходного пучков есть не что иное, как линейное
увеличение. А мы уже привыкли, что там, где есть линейное
увеличение, должно быть и угловое. Посмотрим, так ли это.
Если луч падает на границу раздела сред, как показано на рисунке, то
угол падения связан с углом преломления и показателями преломления сред
через соотношение: n2*sin(alfa2) = n1*sin(alfa1) , называемое законом
Снелля.
Пусть рядом с этим лучом идет другой луч с небольшим угловым отклонением
d_alfa1. Тогда угол падения будет alfa1+d_alfa1. И ему будет соответствовать
угол преломления, который будем искать в виде суммы alfa2+d_alfa2, где
d_alfa2 - неизвестное (и предположительно небольшое) отклонение от исходного
угла преломления.
Тот же самый закон Снелля для новых углов падения и преломления будет теперь
выглядеть так:
n2*sin(alfa2+d_alfa2) = n1*sin(alfa1+d_alfa1)
Воспользуемся тригонометрической формулой для синуса суммы углов:
sin(A+B) = sin(A)cos(B) + cos(A)sin(B).
Получим:
n2*[sin(alfa2)*cos(d_alfa2)+cos(alfa2)*sin(d_alfa2)] = n1*[sin(alfa1)*cos(d_alfa1)+cos(alfa1)*sin(d_alfa1)]0
Теперь предположим, что и d_alfa1 и d_alfa2 достаточно малы, чтобы можно было
считать, что cos(d_alfa1) = 1; cos(d_alfa2) = 1;
sin(d_alfa1) = d_alfa1 ; sin(d_alfa2) = d_alfa2.
Казалось бы, положив косинусы малых углов равными единице, следовало бы и
синусы малых углов положить равными нулю, и что на это ответить в рамках
школьного курса математики я не знаю. В курсе высшей математики показвается,
что то приближение, что косинус малого угла приблизительно равен единице,
является более точным (имеет второй порядок малости) чем то, что синус малого
угла приближенно равен нулю (имеет первый порядок).
Сделав указанные подстановки получим:
n2*[sin(alfa2) + cos(alfa2)*d_alfa2] = n1*[sin(alfa1) + cos(alfa1)*d_alfa1]
Вычтем из этого уравнения равенство n2*sin(alfa2) = n1*sin(alfa1).
Останется: n2*cos(alfa2)*d_alfa2 = n1*cos(alfa1)*d_alfa1
Или:
d_alfa2/d_alfa1 = M,
где угловое увеличение M равно:
n1*cos(alfa1) n1 h1
M = ------------- = -- * --
n2*cos(alfa2) n2 h2
Т.е. получили, что малому изменению угла падения на границу раздела
соответствует в M раз большее изменение угла преломления, причем угловое
увеличение M с точностью до множителя (n1/n2) обратно линейному увеличению.
Множитель (n1/n2) напоминает о том, что происходит переход из одной среды в
другую. Раньше мы с этим дела не имели, поскольку считалось, что по обе стороны
от линзы одна и та же среда. Здесь можно обратить внимание, что при нормальном
падении светового пучка на границу раздела сред (cos(alfa1)=cos(alfa2)=1)
угловое увеличение не становится единичным, а остается равным
M(alfa1=0)=n1/n2.
Продолжив выкладки дальше, можно получить, что M = tg(alfa2)/tg(alfa1),
откуда следует, что если луч идет из более плотной среды (стекло, вода) в менее
плотную среду (воздух), то чем ближе угол выхода луча к касательной к
поверхности раздела сред, тем больше угловое увеличение. При стремлении угла
падения к углу полного внутреннего отражения угловое увеличение стремится к
бесконечности.
Если взять плоскопараллельный кусок стекла, то ничего интересного получить
не удастся:
Ровным счетом насколько одна грань даст линейное/угловое увеличение, ровно
настолько же вторая грань отыграет в обратную сторону - даст такое же линейное/угловое уменьшение.
Чтобы наблюдать эффект и пользоваться им, вторую грань стеклянного бруска
придется срезать накосо, т.е. делать "призму":
Давая угловое и линейное увеличение, и при этом всегда преобразуя
параллельный пучок лучей в параллельный пучок лучей, призма по сути, является
идеальным телескопом, всегда настроенным на бесконечность. То, что такой
телескоп редко применяют, объясняется в первую очередь тем, что он
астигматический, т.е. дает увеличение только в направлении плоскости,
построенной на падающем и преломленном лучах. Заодно можно заметить еще и то,
что сказанное относится только к пучку монохроматических лучей. Параллельный
пучок лучей разных цветов призма, как известно, преобразует не в параллельный
пучок, а в радужный веер. Для телескопа это являлось бы "хроматической
аберрацией".
Описанный принцип иллюстрирует следующее образовательное видео, которое, по хорошему должны были показать Вам на уроке физики в средней школе, но почему-то этого не сделали:
С другой стороны оптика, связанная с лазерными диодами, это как раз то место,
где астигматические свойства как раз на руку, а излучение имеет достаточно
узкий спектр, чтобы хроматической аберрацией можно было пренебречь.
Вернуться к оглавлению
Одиночная призма
↑
Поведение луча света в призме можно описать дважды применив к нему закон
преломления. Первый раз - на входной грани, второй раз - на выходной грани
призмы. Получающиеся формулы в общем случае довольно громоздки и не всегда
очевидно, что же из них следует. К сожалению серьезные упрощения возможны
только в некоторых частных случаях (случаи малых углов падения или малых углов
отклонения; случай равнобедренной призмы, внутри которой луч проходит
параллельно основанию и т.п.) Впрочем пару общих утверждений можно сделать
и не углубляясь в подробности хода луча.
Если alfa1 - угол падения пучка на входную грань призмы (напоминаю, что углы
падения, преломления и отражения отсчитываются от перпендикуляра
к грани, а вовсе не от самой грани)
alfa2 - угол преломления пучка на входной грани;
alfa3 - угол падения пучка на выходную грань;
alfa4 - угол преломления пучка на выходной грани;
M1 - угловое увеличение на первой грани;
M2 - угловое увеличение на второй грани;
H1 - линейное увеличение на первой грани;
H2 - линейное увеличение на второй грани;
n1 - показатель преломления материала призмы
n2 - показатель преломления окружающей среды
то повторяя уже сделанные рассуждения можно сказать что:
n2*cos(alfa1) n1*cos(alfa3)
M1 = ------------- ; M2 = -------------
n1*cos(alfa2) n2*cos(alfa4)
Полное угловое увеличение:
n2*cos(alfa1)*n1*cos(alfa3) cos(alfa1)*cos(alfa3) 1
M = M1*M2 = --------------------------- = --------------------- = -----
n1*cos(alfa2)*n2*cos(alfa4) cos(alfa2)*cos(alfa4) H1 H2
Т.е. множитель (n2/n1) благополучно сократился и угловое увеличение вновь
стало величиной обратной линейному увеличению.
Сама же величина углового/линейного увеличения сильно и нелинейно зависит
от углов входа и выхода пучка. Иногда это может быть удобно - увеличение
можно изменять просто углом установки призмы. В других случаях это "внезапно"
осложняет жизнь. Так, например, если попытаться использовать призму для
преобразования пучка лучей с широким углом раскрыва, то на выходе получим
пучок, как бы состоящий из нескольких частей, каждая из которых претерпела
индивидуальное увеличение. То же самое будет иметь место и при попытке
преобразовать слабо расходящийся пучок в пучок с широким раскрывом. Работать
с подобными исхажениями с помощью обычной оптики трудно. Можно считать, что
они находятся на грани "серой" расходимости.
В частности это ограничение не позволяет использовать призму для компенсации
расходимости излучения по быстрой оси. Равно, как и попытка "подогнать"
расходимость по медленной оси под величину расходимости по быстрой оси тоже
вызовет трудности.
С другой стороны призму удобно использовать со слабо расходящимися пучками.
Пусть, например имеется лазерный диод с FAC-линзой. Не будучи знаком с нашими
(пользовательскими) проблемами, производитель обычно ставит FAC - линзу "на
полную компенсацию" - т.е. в положение, когда пучок в плоскости быстрой оси
имеет минимально возможную расходимость, ограничивающуюся аберрациями и
погрешностями изготовления. Нам же хотелось бы, чтобы величины расходимостей
по обеим осям были более менее одинаковы (обоснование см. в подразделе "коллиматор"). И тут самое место для призмы:
При рассмотрении задачи в плоскости бывшей быстрой оси (как на рисунке)
изображение диода оказывается слегка вынесенным вперед по сравнению с самим
диодом, так что для наиболее точной наводки коллиматора на резкость выходную
линзу придется все-же заклонять. Не буду утомлять Вас формулами, позволяющими
вычислять в какую сторону и насколько. Скажу только, что если призма
установлена вплотную к диоду, причем так, что путь лучей в стекле невелик,
разность расстояний, требующая компенсации наклоном линзы, может быть сделана
сравнительно небольшой и углы наклона линзы требуются вполне приемлемые.
В целом процедура такова:
- имеем диод со встроенной FAC-линзой;
- на расстоянии меньше миллимера от его выходного окна, уголком в луч
ставим призму;
- наклоняем призму, пока расходимости по обеим осям не уравняются (пятно
лазерного луча вдали от диода должно стать квадратным);
- на выход этого хозяйства ставим линзу-коллиматор и подбирая расстояние
до нее и ее наклон (процедура такого подбора в оптике носит название: "юстировка") добиваемся наиболее резкого изображения диода в том месте,
куда хотим направить луч;
- измеряем габариты и углы, и по этим данным чертим и изготавливаем корпус,
где все это хозяйство и будет далее находиться.
Вернуться к оглавлению
Двойная призма
↑
В принципе ничего не мешает последовательно расположить не одну, а две и
более призм. В общем случае призмы расположены произвольным образом:
И каждая из призм последовательно применяет к лучу свое собственное угловое
и линейное увеличение. Расчет хода лучей в такой системе сводится к
последовательному применению закона Снелля для каждой встреченной границы
раздела сред. Формулы становятся все более громоздкими, а то, что из них
следует - все менее понятным. Спорить не буду - быть может кому-то из Вас
удастся найти свою собственную, уникальную комбинацию призм и их расположений,
которая обязательно осчастливит человечество, объединив в себе все достоинства
всевозможных оптических систем и будучи лишена их недостатков.
Ну а до тех пор пока этого не произошло, рассмотрим важный частный случай:
парные призмы. пусть имеется пара одинаковых призм, расположенных, как на
следующем рисунке и пусть на них падает пучок лучей, испущенных точечным
источником света S.
Пусть угол раскрыва пучка по оси x равен beta, а по оси y: alfa. И пусть
H - линейное увеличение призмы. На рисунке в рамках вблизи характерных точек
системы приведены размеры и углы раскрыва пучка вдоль соответствующих осей.
Формулы приведены для случая малых углов (когда sin(alfa)=tg(alfa)=alfa и
sin(beta)=tg(beta)=beta, alfa и beta - в радианах) и тонких призм (расхождение
пучка в стекле не учтено).
Из формул видно, что в конечном итоге система из двух призм не изменяет углов
раскрыва пучка. Впрочем, так и должно быть - призмы компенсируют друг друга.
Кроме того видно, что система из двух призм позволяет изменить соотношение
размеров пучка вдоль координатных осей. В отсутствие такой системы отношение
размеров всегда было бы равно
y/x = alfa/beta. Применение же призм позволяет
изменить это соотношение:
y (L+l)*alfa
- = --------------
x (L+l/H^2)*beta
Т.е. можно менять пропорции лазерного пятна. Из овального делать его круглым
или наоборот... Но это не самое интересное свойство анаморфотной пары призм.
Чтобы выявить гораздо более интересное свойство, взгляните на следующий рисунок.
Из этого простого рисунка совершенно очевидно, что если имеется пучок лучей
от точечного источника или его (в том числе и мнимого) изображения, и если в
некотором сечении известен размер пучка a и раскрыв пучка alfa, то расстояние
от этого сечения до источника (или до изображения, создающего пучок) в
приближении малых углов дается выражением L=a/alfa.
Чуть ранее мы определили размеры и угловые раскрывы пучка, прошедшего через
пару призм:
вдоль оси x: L*beta + l*beta/H^2 ; beta
вдоль оси y: (L+l)*alfa ; alfa
Отсюда напрямую следует, что расстояние до изображения
в плоскости xz: L + l/H^2
в плоскости yz: L + l
Т.е. оказалось возможным сместить изображения источника в плоскости xz и yz
друг относительно друга. Причем это смещение легко поддается изменению, а при
некоторых условиях - и вычислению. Так, например, уже при линейном увеличении
H=3 вносимая разность расстояний между изображениями источника с точностью до
10% равна расстоянию между призмами.
Вспоминая задачу о коллимировании излучения лазерного диода, расходимость
для которого была частично скомпенсирована цилиндрической линзой (см. подраздел
"коллиматор"). В тот раз для компенсации
возникающей при этом разности
расстояний до изображений диода по быстрой и по медленной осям применялся наклон
выходной линзы. Как видим, вместо наклона линзы можно было бы добавить пару
призм и смещая друг относительно друга их добиться наиболее резкой фокусировки,
а значит и наибольшей плотности мощности в пятне лазерного излучения.
(Напомню, что плотность мощности называется интенсивностью.)
Полезно и то, что призмы, будучи расположены "встречно" друг к другу, по
большей части компенсируют собственные аберрации. Помните, что было сказано
о работе одиночной призмы с пучками с широкими углами раскрыва? Там это
было фатально. Однако пара призм хорошо справляется даже с пучками, имеющими
сравнительно большую расходимость.
Недостаток показанной на последнем рисунке схемы только один - слишком
большое количество оптических поверхностей, а значит и огромные потери, если
нет высококачественного просветления на нужную длину волны.
ЗАМЕЧАНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНО ПРИОРИТЕТА И АВТОРСКИХ ПРАВ: Не следует думать, что
раз в этом тексте приведено описание схем и решений, то я и являюсь их
автором. Напротив, большинство из приведенных схем используются в
оптических системах, имеющихся в продаже, например на еbаy. Для меня
хватило одного взгляда на них, чтобы понять, как они работают. И это
понимание я стараюсь донести до Вас. С другой стороны у меня нет ни желания
ни намерения перелопачивать тонны специальной литературы (к тому же еще и
платной) дабы только выяснить, кто и когда изобрел ту или иную схему.
Некоторые из них напрямую следуют из текущего уровня знаний, другие могут
быть покрыты патентами. У меня не было и нет намерения присваивать чей либо
приоритет или авторские права. Рассматривайте этот текст как public domain
учебник. Если же кто либо будет столь добр, чтобы прислать мне ссылку
на то, кто и когда изобрел то или иное решение, из здесь описанных, то я с
благодарностью включу такую информацию в этот текст.
Вернуться к оглавлению
УВЕЛИЧЕНИЕ МОЩНОСТИ ПУЧКА ПУТЕМ СЛОЖЕНИЯ ЛУЧЕЙ ОТ НЕСКОЛЬКИХ ЛАЗЕРОВ
↑
Геометрическое сложение
↑
Расходимость луча отдельно взятого лазерного диода зачастую достаточна для
многих применений. Вспомнить те же лазерные указки. А вот мощность... Мощи
всегда хотелось бы побольше. Самый прямой путь - взять несколько лазерных
указок, и связать изолентой в один пакет. Если указки качественные, и все
лучи из получившегося пакета выходят более менее параллельно, то достаточно
лишь накрыть получившийся пучок лучей линзой, и фокуса всех лучей будут вблизи
одной точки. (например как это сделано в этом видео)
К сожалению у такого подхода есть несколько подводных камней. На самом деле
камень-то только один - низкая яркость в среднем по сборищу лучей, однако
пояснить, чем он неприятен, проще на нескольких примерах.
Первое: если Вам понадобится пятно сфокусировать, то рано или поздно Вы
столкнетесь с тем, что интенсивности не хватает. Например: лазер пилит дерево,
а хочется пилить сталь. Надо будет уменьшать размер пятна и уменьшать для этого
фокусное расстояние линзы. Но, как мы знаем, линза с коротким фокусным
расстоянием, попросту не может иметь большой диаметр. И, выбирая все более
кортокофокусные линзы, начиная с некоторого момента Вы начнете терять лучи,
как на рисунке ниже:
Другой пример - сверление. Если луч после линзы быстро сходится под большим
углом и далее за самым узким местом (за перетяжкой) так же быстро расходится,
то просверлить сколько-нибудь толстый материал не удастся. И наоборот, луч,
малого диаметра, сходящийся под малым углом дает длинную перетяжку, позволяющую
сверлить и резать толстые материалы, как на рисунке ниже:
Третий пример. Если Вам хочется кинуть лазерный луч подальше и иметь там
пятно поменьше, надо увеличивать диаметр луча телескопом (вспоминаем как
работает телескоп: "во сколько раз увеличили диаметр луча во столько же раз
уменьшилась угловая расходимость"). Но если пучок и так широкий, куда ж его
дальше то расширять? Взяли, скажем пучок диаметром сантиметров в пять (как
в этом видео) и расширили его в пять раз. Получится
диаметр объектива в 250 мм - а это уже нехилый такой телескоп, почти
профессионального для астрономии размера, который к тому же стОит нехилых
денег.
Думаю, что из сказанного понятно, что иметь большой зазор между отдельными
лучами отдельных лазерных диодов невыгодно. Но и прижав лазерные диоды вплотную
друг к другу мы мало чего добъемся - будет мешать корпус диода, оправы линз,
и т.д. и т.п. Идеальным вариантом было бы вообще свести лучи диодов так, чтобы
они шли "друг в друге", не занимая дополнительного места. К сожалению
получается это не всегда. Частичное решение проблемы - размещение лучей не "друг в друге", а "вплотную друг к другу" дает геометрическое сложение лучей.
Одна из схем геометрического сложения, возможно не лучшая, но довольно
удобная, показана на следующем рисунке:
Зеркала на рисунке специально показаны размером больше диаметра каждого
отдельного луча - чтобы схема работала вовсе необязательно иметь набор зеркал
микроскопических размеров.
Из рисунка видно, что если край каждого из зеркал ровный, и отражающее
покрытие лежит вплоть до края, то зазор между отдельными лучами можно сделать
очень малым - объединенный пучок будет практически без разрывов.
Понятно, что чтобы объединенный пучок имел малую расходимость, надо чтобы
все отдельные лучи после зеркал шли в максимальной степени параллельно друг
другу. А значит и зеркала должны быть установлены очень точно. Хуже того, если
положение лазерных диодов и направление их лучей имеют разброс, угол установки
каждого из зеркал придется подгонять индивидуально. Это либо означает, что
зеркала должны быть юстируемыми, либо юстировка должна быть возможна на стадии
установки (приклеивания) зеркал.
На самом деле это не так сложно, как кажется, если использовать простое
приспособление, фотография и кинематическая схема которого показаны на рисунке
ниже.
Суть схемы станка в том, чтобы оси вращения зеркала находились примерно
в его (зеркала) центре, но при этом юстировочные болты и держатели были
бы разнесены так, чтобы ничему не мешать при наклейке.
В качестве держателя зеркала удобно использовать спичку. После приклейки
зеркала ее легко отрезать лазером. При этом почти не создается усилий,
сбивающих юстировку. Не используйте для этих целей бамбуковые палочки от
циновок. В отличие от спичек они не пропитаны парафином и имеют обыкновение
давать изгиб и кручение при изменении влажности и температуры.
Технология в целом такова:
- Сначала наклеиваете первое зеркало, не особо заботясь о точной юстировке.
Главное, чтобы луч более менее шел куда надо и не цеплялся ни за что по
дороге. При этой операции достаточно включать лишь один (первый) диод.
- Выждите время, пока затвердеет смола, удерживающая первое зеркало, и, если
пользуетесь станком, отрежьте держатель зеркала.
- Возьмите новое зеркало, приклейте к новому держателю (спичке) и установите
держатель в станок.
- Двигая под стрелой станка платформу с диодами (если угодно - радиатор с
диодами) найдите положение, когда луч второго диода попадает в край
второго зеркала, как на рисунках выше (нумерация диодов и зеркал слева
направо), но при этом зеркало не мешает прохождению луча от первого диода.
Первый и второй диоды должны быть при этом включены. Кроме того неплохо
бы выставить платформу с диодами так, чтобы расхождение между лучами
первого и второго диодов (после отражения их от зеркал) было невелико.
Иначе для сведения лучей может попросту не хватить хода юстировки станка.
Когда подходящее положение платформы с диодами найдено, приклейте ее
к основанию станка несколькими каплями термоклея (глюгана). Это соединение
- временное, поэтому не переусердствуйте с наклейкой.
- Приюстируйте луч второго диода к лучу первого. Закрепите положение второго
зеркала клеем и оставьте сохнуть. В зависимости от типа клея это может
занимать от нескольких часов до нескольких дней. Не рекомендую
пользоваться клеями, заставляющими Вас ждать больше суток. За это время
может настолько сильно уйти погода (атмоферное давление, температура,
влажность), что это негативно скажется на положении юстировки даже если
работы выполняются в помещении.
- Когда клей затвердеет, проверьте правильность юстировки (включив первый
и второй диоды). Затем перережьте держатель второго зеркала, освободив
таким образом его от станка. Резать лучше не прикладывая механических
усилий - например лазерной указкой мощностью на один-два ватта.
После отрезания держателя имеет смысл еще раз проверить, осталось ли
положение зеркала в допустимых пределах. Если да, то переходите к
следующему пункту. Если положение юстировки Вас не устаивает - самое
время сколупнуть зеркало (пока клей еще не набрал прочность) и вернуться
к пункту 3. Первое зеркало при этом можно не снимать.
- Отделите платформу с диодами от основания станка. (Понятно, что для
наклейки следующего зеркала положение платформы относительно стрелы
станка в любом случае должно измениться. На таком простом станке можно
наклеивать только по одному зеркалу за раз.)
- Возьмите новое зеркало, приклейте к новому держателю и установите
держатель в станок.
- Вновь, как и в пункте 4, найдите положение, когда луч третьего диода
попадает в край третьего зеркала, но при этом зеркало не мешает
прохождению луча от второго диода. Второй и третий диоды должны быть при
этом включены. Когда подходящее положение платформы с диодами будет
найдено, вновь приклейте ее к основанию станка несколькими каплями
термоклея (глюгана).
- Теперь внимание! В пятом пункте Вы совмещали луч второго диода с лучом
первого. Казалось бы, сейчас Вы должны совмещать луч третьего диода
с лучом второго. Однако изза погрешностей юстировки лучше все лучи
выставлять по лучу первого диода. Стало быть, приюстируйте луч третьего
диода к лучу первого. Понятно, что первый и третий диоды должны быть
включены. Закрепите положение третьего зеркала клеем и оставьте сохнуть.
Для тех, кто в танке (остальных просьба не обижаться): на время
отверждения клея диоды можно выключить. (И даже лучше их выключить, во
избежание перегрева зеркал и бесполезной траты ресурса самих диодов).
- Когда клей затвердеет, проверьте правильность юстировки (включив первый
и третий диоды). Перережьте держатель третьего зеркала. Повторно проверьте
правильность юстировки третьего зеракла. Если юстировка ушла - снимайте
третье зеркало и повторите его наклейку с самого начала (с пункта 7).
Понятно, что первые два зеркала при этом можно не снимать.
- Если юстировка Вас устраивает, повторяйте уже освоенную процедуру наклейки
для всех последующих диодов и зеркал.
Что из этого в итоге получается можно видеть на следующих
фотографиях и видео:
- Фотография обзеркаленной половины сборки NUBM08 на радиаторе:
  
- Фотография пятна в дальней зоне (на расстоянии 5 метров):
- Видеозапись того, как луч от сборки режет металл и деревяшку:
При использовании линзы с фокусным расстоянием 50 мм минимальная дырка,
которую удается просверлить в бритвенном лезвии имеет форму вытянутого овала
длиной 0.7 мм, шириной 0.2 мм. В такую дырку луч сборки проваливается целиком -
лезвие практически перестает греться. Т.е. фокальное пятно имеет размеры не
больше указанных 0.7 х 0.2 мм. При выходной мощности в 15 Вт это дает
интенсивность I = 15 W / (0.07 cm x 0.02 cm) = 10.7 kW/sq.cm.
Несколько замечаний:
- Для наклейки удобно использовать эпоксидные смолы. Существуют смолы
"отвердевающие" за 3-5 минут. На самом деле это не отвердевание а
"схватывание". А скорость настоящего отвердевания у большинства
"быстрых" эпоксидок зачастую ниже, чем у нормальных "медленных". К
сожалению для наклейки зеркал трудно использовать "фотоотверждайку",
поскольку она неконтролируемо твердеет от излучения самого диода еще
в процессе юстировки. Перед использованием конкретно взятого тюбика
со смолой рекомендую сделать пробный замес - посмотреть, как быстро
твердеет смола и какой консистенции достигает. Опыт показвает, что
разброс характеристик смолы от упаковки к упаковке может быть больше,
чем разброс характеристик смол различных марок.
- Конечный результ сложения лучей будет гораздо лучше, если юстировку
делать "с упреждением" - с поправкой на то, куда и насколько она
уйдет за время застывания смолы. В уходе юстировки виновата обычно
вовсе не усадка смолы (о чем думается в первую очередь), а нестабильность
самого наклеечного станка. Некоторое время помучившись, Вы будете хорошо
знать в какую сторону и насколько он уходит и за какое время в зависимости
от условий (в том числе и от предистории - от движений зеркала, сделанных
при его юстировке). Зная это, Вы сможете находить такое положение зеркала,
которое перейдет в нужное как раз к моменту затвердевания клея.
- Юстировку лучше проводить не на полной мощности излучения диодов, а на
малом токе. И диоды будут целее и меньше шансов, что зеркала перегреются,
что может пагубно сказаться пока клей еще не окреп.
- Когда и какие диоды включать и выключать - решайте сами походу дела. Я с ума
сойду если попытаюсь описать всю процедуру с точностью до каждого движения
рукой. но:
КОГДА ДИОДЫ ВКЛЮЧЕНЫ ДАЖЕ НА МАЛОЙ МОЩНОСТИ - РАБОТАТЬ ТОЛЬКО В
ЗАЩИТНЫХ ОЧКАХ!!!
- Если быстрая ось направлена перпендикулярно платформе с диодами имеет место
довольно интересный случай, показанный на рисунке ниже:
(Быстрая ось ортогональна плоскости картинки.)
Луч отдельно взятого лазерного диода быстро расходится по быстрой оси пока
не упрется в линзу. Далее лучь становится более менее параллельным, но
приобретает овальное сечение. Причем овалы лазерных пятен на зеркалах
вытянуты в направлении перпендикулярном плоскости рисунка. Используя этот
факт можно располагать лучи отдельных диодов даже ближе друк к другу, чем
было бы, если бы лучи имели круглое сечение. В частности для упомянутых
четырех диодов из сборки NUBM08 начальное сечение собранного луча сразу
после зеркал имеет размеры 6 х 3 мм. Т.е. безо всякой фокусировки достигается
интенсивность 83 Вт/кв.см.
Вернуться к оглавлению
Поляризационное сложение
↑
Помимо мощности, расходимости, цвета (длины волны), световой пучок можно
охарактеризовать еще и состоянием поляризации. Отдельно взятый фотон, как
утверждается в курсе квантовой механики, может иметь только два состояния
поляризации: закрученное по часовой стрелке и закрученное против часовой
стрелки, если смотреть по направлению полета фотона. (Когда говорится о
закрутке, имеется в виду, что вектор электрического поля световой волны,
при ее распространении, как бы совершает вращательное движение вдоль оси
распространения. Картинку, иллюстрирующую этот процесс можно найти в любом
современном учебнике оптики или в любой энциклопедии.)
Если взять световой пучок, состоящий из фотонов одного сорта, то получим
так называемую круговую поляризацию. Причем круговых поляризаций, как и
состояний фотона, может быть две: по часовой стрелки и против часовой
стрелки.
Пара фотонов с одинаковой длиной волны, но "закрученных" в противоположные
стороны, образует поле, у которого вращательное движение вектора
электрического поля скомпенсировано и колебания совершаются как бы в одной
плоскости. Причем в зависимости от сдвига фаз между фотонами, направление
плоскости поляризации может быть любым. Пучок света, состоящий из таких пар
фотонов называют "плоско поляризованным". Если вращательное движение вектора
электрического поля скомпенсировано не полностью, получается эллиптическая
поляризация.
Если, наконец, взять пучок фотонов со случайным разпределением фаз - получится
так называемый "неполяризованный" свет. Здесь можно заметить, что если все
фотоны имеют строго одну и ту же длину волны, то каков бы ни был сдвиг фаз
между ними, этот сдвиг фаз всегда имеет одну и ту же величину, а значит,
просуммировав все вектора электрического поля от всех фотонов, всегда можно
найти результирующую поляризацию. Это имеет место и на практике - полностью
когерентный свет всегда как-нибудь да поляризован. Другое дело, что мы
практически никогда не встречаемся с полностью когерентным светом.
На практике обычно приходится иметь дело с неполяризованным светом, и со
светом, поляризованным преимущественно в какой-нибудь плоскости. Со светом,
имеющим круговую или эллиптическую поляризацию дело иметь приходится гораздо
реже.
Свет отражается и преломляется в веществе. И так уж вышло, что преломляющие
и отражающие свойства веществ зависят от взаимного расположения направления
поляризации света и направлений, характеризующих свойства вещества и геометрию
задачи. В качестве выделенных направлений могут работать направления
кристаллографических осей, направление наклона плоскости раздела сред по
отношению к лучу, направления механических иди электрических напряжений в
веществе и т.д.
Свойство пучков поляризованного света по разному преломляться и/или отражаться
открывает новые подходы к задаче, неразрешимой в оптике неполяризованного света,
а именно: как сделать так, чтобы два разных пучка занимали одно и то же место и
шли в одном и том же направлении?
Задачу, буквально обратную этой, решает оптический элемент, под названием
"поляризатор". С точки зрения решения нашей задачи существует два основных
класса поляризаторов: поляризаторы поглотительного типа - которые пропускают
свет с некоторой поляризацией, а все остальное поглощают, и поляризаторы
делительного типа - которые делят пучок на два пучка, отличающихся состоянием
поляризации. К поляризаторам поглотительного типа относятся специальные стекла
в очках для стереоскопического кино, поляризационные светофильтры для
автомобильных фар и кинокамер, а также стекла жидкокристаллических индикаторов.
К сожалению для целей сложения пучков они бесполезны.
К поляризаторам делительного типа относятся: стопа пластин, призмы Глана,
Николя и Волластона, а также "интерференционный" поляризатор, представляющий
собой, по сути, ту же стопу пластин, только слои в нем состоят не из
макроскопических стеклышек, а из тонких слоев напыления материалов различного
сорта.
Даже отдельно взятая стеклянная пластина, поставленная под углом к ходу
светового луча уже в какой-то степени представляет собой поляризатор. Формулы,
описывающие коэффициенты отражения различных поляризаций в зависимости от угла
падения луча на границу раздела сред довольно сложны, поэтому, для
качественного понимания воспользуемся графиком (цитируется из Википедии, статья "Формулы Френеля"):
На рисунке представлен ход зависимости коэффициентов отражения лучей двух
различных поляризаций, падающих из воздуха на оптически более плотную среду
(алмаз), от угла падения. Коэффициент, обозначенный на рисунке как Rp относится
к лучу света, поляризованного в плоскости падения (т.е. в плоскости, содержащей
сам луч и нормаль к поверхности раздела). Коэффициент, обозначенный как Rs,
относится к лучу, поляризованному в плоскости, ортогональной плоскости падения.
Численные значения, приведенные на графике, нам мало интересны (с алмазом
нечасто приходится иметь дело). Важнее то, что коэффициент, обозначенный как Rp,
имеет свойство обращаться в нуль, когда угол падения принимает некоторое
значение. Этот "волшебный" угол падения носит название "угла Брюстера", а
величина его для каждого диэлектрика индивидуальна и равна arctg(n2/n1), где
n1 - показатель преломления среды из которой падает луч, n2 - показатель
преломления среды, на которую луч падает. Для стекла в воздухе (n2=1.5, n1=1)
угол Брюстера равен 56 градусов. Для стекла в воде (n2=1.5, n1=1.3) угол
Брюстера будет уже 49 градусов.
Понятно, что если взять стеклянную пластинку и поставить под углом Брюстера
к лучу, то отраженный от пластинки свет будет полностью поляризован. К сожалению,
того же самого нельзя сказать о луче прошедшем сквозь пластинку. В прошедшем
луче "ненужная" поляризация будет лишь незначительно ослаблена, поскольку
коэффициент отражения невелик. Подобная же ситуация будет иметь место, если
мы попытаемся сложить два луча на отдельно взятой пластинке. Луч,
поляризованный в плоскости падения пройдет через пластинку без потерь, но
вот от второго луча в направлении первого отразится лишь небольшая доля:
Для увеличения коэффициента отражения можно попытаться сложить несколько
пластин в стопу и поставить эту стопу под углом Брюстера. Правда качество
прошедшего и отраженного лучей будет оставлять желать лучшего:
С другой стороны качество луча тем выше, чем тоньше пластинки в стопе и
тоньше между ними зазор. В пределе мы и получаем многослойный диэлектрический
("интерференционный") поляризатор.
Из приведенных выше рисунков понятен метод поляризационного сложения. Нужно
взять поляризатор делительного типа и обратить ситуацию, в которой он обычно
работает. В "обычной" ситуации поляризатор делит пучок неполяризованного света
на два пучка, поляризации которых взаимно ортогональны и каждый из которых идет
в своем собственном направлении. Для поляризационного сложения мы, наоборот,
берем два лазера, испускающих свет с такой же поляризацией, которую имели бы
лучи, на которые поляризатор поделил бы неполяризованный свет, и пускаем лучи
этих лазеров в направлениях, противоположных направлениям лучей, на которые
поляризатор делит неполяризованный свет. С противоположной стороны поляризатора
выходит луч, мощность которого с точностью до потерь равна сумме мощностей
входящих лазерных лучей. Понятно, что для того, чтобы лучи оказались совмещены
и по положению и по направлению, требуется юстировка лазеров и по координате и
по углу.
Впрочем, юстировка это не самое проблемное условие. Два оставшихся условия:
наличие лазеров, излучающих поляризованный свет и наличие поляризатора
делительного типа. С первым из оставшихся условий трудностей обычно не
возникает - большинство лазеров имеет тенденцию испускать поляризованный свет,
даже если для достижения этого не приложено никаких усилий. Лазерные диоды - не
исключение. Степень поляризации излучения среднестатистического покупного
лазерного диода достигает 90%. А вот с наличием поляризатора делительного
типа могут возникнуть проблемы.
В отличие от поляризаторов поглотительного типа, имеющих массу бытовых
применений, поляризаторы делительного типа в быту практически не встречаются.
Поляризационную призму (Глана, Николя, Волластона) можно добыть, разбирая
какой-нибудь экзотический оптический инструмент, доставшийся Вам по наследству
или купленный на радиорынке. Будучи новыми, такие призмы стОят преизрядно.
Интерференционные поляризаторы дешевле, но на интересующие нас длины волн
(808 нм, 975 нм, 450 нм, и, реже, 520 нм) их практически невозможно найти.
Почти единственный вариант - это покупка на еbау так называемого "PBS cube".
PBS - сокращенно от polarizing beam splitter - поляризационный делитель пучка.
На следующих трех фото и коротком видео показано, как реагирует PBS cube на
поворот лазерной указки:
Как видим, поворот лазерной указки (а с ней и плоскости поляризации) сильно
влияет на поведение луча. Вначале большая часть мощности прямо проходит сквозь
призму, потери на отражение малы. При повороте на 45о луч практически поровну
делится между прошедшей и отраженной частями. Наконец под 90о практически весь
луч отражается призмой. Проходящая прямо мощность мала.
Поляризационное сложение на первый взгляд кажется привлекательным: удвоение
мощности в луче не увеличивая его размеров и расходимости. К сожалению, в
действительности все не так радужно. Особенности лазерного диода, как
излучателя (тело свечения в виде узкой и длинной полоски, сильно различающиеся
величины расходимостей по осям), в значительной степени сводят на нет
преимущества поляризационного метода сложения.
Действительно, взяв два диода, расположив, как показано на рисунке, и сложив
их лучи на PBS призме, можем увидеть, что сечение пучка в дальней зоне
представляет собой крест, состоящей из двух полосок, даваемых каждым из диодов.
Т.е. если раньше пучок сильно расходился по одной из осей и слабо расходился
по другой, то теперь суммарный пучок одинаково расходится по обеим осям. Да и
интенсивность выросла вдвое лишь в точке (зоне) пересечения полосок. В
остальной части пучка интенсивность излучения так и осталась равной
интенсивности, даваемой каждым из диодов в отдельности (с точностью до потерь,
внесенных используемой для сложения оптикой). Фактически, если бы у нас было
бы зеркало, с небольшим щелевым отверстием в центре (см. рис ниже) то мы
получили бы систему геометрического сложения, дающую практически те же
результаты, что и система поляризационного сложения, с потерей лишь небольшой
(~5%) доли излучения, приходящейся на область пересечения полосок,
соответствующих изображениям светящих тел диодов:
Вернуться к оглавлению
Цветовое (Спектральное) Сложение
↑
Сложить в один луч можно не только пучки лазеров, имеющие разную
поляризацию, но и лучи с разной длиной волны. Вспомним, как работает любой
спектральный прибор (спектрограф, монохроматор): имеется специальный
оптический элемент (дифракционная решетка, призма), который раскладывает
луч белого света (сумму лучей с разными длинами волн) в веер лучей, идущих
под разными углами. Понятно, что если обратить ситуацию, и направить на
этот элемент набор лучей с различными длинами волн, то можно так подобрать
их направление и положение, что на выходе образуется единый луч с мощностью
почти равной сумме мощностей всех складываемых лучей. Не факт, что он будет
белым - это сильно зависит от баланса мощностей в складываемых лучах разных
цветов - но мощность лучей сложится.
На практике для сложения лучей удобнее пользоваться так называемым
"дихроичным" зеркалом, т.е. зеркалом, хорошо отражающим свет с одной длиной
волны и хорошо пропускающим свет с другой длиной волны. Такие зеркала гораздо
доступнее, чем Вы думаете. Большинство лазерных зеркал, зеркала от DVD приводов,
зеркала от световых шоу являются дихроичными. Например, зеркало от
гелий-неонового лазера хорошо отражает лучи красного цвета и неплохо пропускает
синий и зеленый цвета. Похожими свойствами обладает и зеркало DVD привода,
только максимум отражения смещен в еще более красную область спектра. Также
в интернет-продаже можно найти "beam combiner cube", обычно используемый для
синтеза различных цветов.
Принцип сложения на дихроичном зеркале иллюстрируется на следующем рисунке:
Видно, что геометрия задачи еще проще, чем для случая поляризационного
сложения. На самом деле эффективность сложения слегка зависит от ориентации
лазера при его вращении вокруг его оси - коэффициенты отражения и пропускания
сохраняют зависимость от поляризации. Однако эта зависимость тут не
определяющая.
Если Вы хотите сложить красный и синий лучи, с подбором подходящего зеркала
серьезных проблем не возникнет. В крайнем случае можно воспользоваться
зеркальцем из головки пишущего DVD-ROM'а.
Хуже если Вам необходимо сложить лучи других цветов (зеленый с синим, синий
с фиолетовым и т.д.). В продаже подходящие зеркала встречаются исчезающе редко,
и, если Вы не имеете доступа к напылению зеркал, то складывать придется на
призме или на дифракционной решетке, как было описано в начале раздела. Впрочем
отсутствие подходящего зеркала не самый большой недостаток спектрального
сложения. Самое неприятное то, что складывать-то в общем-то нечего. Как уже
отмечалось выше, из доступных лазерных диодов, мощностью превышающей 1 ватт,
обладают только инфракрасные (975 нм и 808 нм) и синие (450 нм). Добавлять
полватта - ватт к пятиваттному лучу вряд ли имеет смысл - выигрыш может не
превысить потерь. Так что, единственный заслуживающий внимания вариант - это
сложение лучей инфракрасного пятиваттного диода и синего пятиваттного диода.
<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА |
