Ωmega Labs

Zöld lézer:

lezerzold532

Most már igencsak elterjedtek a zöld lézerek itthon is, így gondoltam nem árt, ha írok egy keveset erről, mivel rengeteg félreértés / szándékos félreinformálás zajlik folyamatosan, leginkább zöld lézerek kapcsán. Ha valaki nem ismeri ki magát kellőképpen a lézerek közt, akkor kellemetlen helyzetben találja magát. Kínálnak netes áruházakban, aukciós portálokon, piacon is mindenféle árú és teljesítményű lézereket, és látszólag teljes a káosz, a nagyobb teljesítményű lézerek néhol látszólag olcsóbbak mint a kisebb teljesítményűek. Alapvetően a pointerek azok, ahol ez a hatalmas káosz uralkodik. Így főleg ezekre vonatkozik ez.
Tehát látunk egy zöld lézert, tegyük fel, 100mW van ráírva. Mit akar ez jelenteni?
Először is tudni kell, hogy amit ráírnak a lézerre az a kimenő fényteljesítményt kell, hogy jelentse. Tehát ha a gyártók és forgalmazók nem csalnak, akkor 100mW kimenő teljesítménnyel rendelkezik az adott lézer. Ez már bőven a IIIb lézerosztálytba tartozik, ami szinte rögtön szemkárosodást okoz, ha valaki belenéz.
Tehát, ha a gyártónak és forgalmazónak elhisszük, hogy 100mW-os a zöld lézer, amit kínál, (és tegyük fel, hogy valóban annyi), akkor rögtön a zöld lézer felépítésére kell gondolni. Aki ezt nem ismeri, itt láthatja:

zoldmuk3

Bővebben: a zöld lézer tehát nem más, mint egy dióda pumpálású szilárdtestlézer. A pumpáló dióda a fényforrás, aminek egészen pontosan 808nm-es hullámhosszúságú fényt kell adni (a spektrális szélesség ± 1nm lehet, különben már itt elkezd még jobban romlani az amúgy sem túl jó hatásfok). Ez a hullámhossz szinte teljesen láthatatlan az emberi szem számára, csak a nagy intenzitású, vagy nagy teljesítménysűrűségű (azaz fókuszált) fényt látni. Ez egyben azt is jelenti, hogy aki szétszed egy ilyen lézert, ne próbálja szemből megvizsgálni, hogy világít-e a dióda, mert a szem-dióda párbajban, a dióda fog nyerni. Valamint ha lecsökken a tápfeszültség, esetleg mélyhűtőben volt a lézer, akkor zöld fény helyett egy vörös derengést lehet látni ha kamerával megvizsgálja az ember a lézer fényét. Ilyenkor szintén az infra dióda fényét lehet nagyrészt látni. A dióda hatásfoka kb. 30%.
Tehát ahogy a képen látni, van egy fókuszáló lencsetag a dióda és a kristályok közt. Erre azért van szükség, mert a kristálynak is szüksége van valamekkora teljesítménysűrűségre, másfelől a dióda alapvetően hatalmas divergenciával (széttart a fénye) rendelkezik. Azt fontos megjegyezni, hogy ezek lehetnek műanyag, vagy üveg lencsék is, de szükség van arra, hogy legyen rajtuk egy úgynevezett antireflexáns bevonat 808nm-re (AR@808nm). Ugyanis AR bevonat nélkül a lencsetagonként a veszteség 10% is lehet (ez elsősorban infra közeli hullámhosszokon ekkora). AR bevonattal ez 3-4%-ra csökkenthető.
Az Nd:YVO4 (neodímiummal szennyezett ittrium ortovanadát) feladata az, hogy a beérkező 808nm-es polarizált fényből 1064nm-es fényt hozzon létre. Fontos tudni, hogy ezek a kristályok szinte molekulapontossággal szennyezettek, tökéletes egykristályokból lettek levágva, optikailag polírozva, és a megfelelő oldalukra AR bevonat került. Miért volt fontos, hogy a dióda toleranciája 1nm legyen? Az Nd:YVO4 kristály saját erősítési toleranciája is csak 1nm-es. Ennek a kristálynak a hatásfoka kb. 40%, és nagyobb teljesítmények esetén hűteni kell a kristályt.
Ez után egy KTP (KTiOPO4 4 ,kálium titanil foszfát) kristály következik, ami egy nemlineáris kristály. Ennek a feladata, hogy az 1064nm-re felpumpált fény hullámhosszát felezze (vagyis duplázza a frekvenciát), így 532nm-es fényt kapunk a kimenetén. Ez a két kristály kisebb lézereknél (így a pointereknél is) egybe van ragasztva speciális kristályragasztóval, így szokták kombinált kristálynak is hívni. A KTP-t általában úgy tervezik a lézerbe, hogy kissé melegebb legyen, mint az Nd:YVO4 mivel így valamivel jobb a hatásfoka. A KTP hatásfoka kb. 50%.
A KTP után a már zöld fényt csak egy (például) TEM00 (transzverzális elektromágneses) kimenetű lézernyalábbá kell alakítani. Bizony, külön neve van az egyes nyalábformáknak. A TEM00 a legáltalánosabb nyalábforma, akit érdekel a többi, talál róla információkat a neten.
Ha a hatásfokot megnézzük (30% 40% 50%) az fog kijönni, hogy a teljes átalakítás, villamos energiából 532nm-es zöld fénnyé kb. 15%. Ebből még valamennyit le lehet vonni a lencséken eső veszteség miatt, így nagyjából 10-12% körülire jön ki az átlagos hatásfok. Minden rosszul beállított eszköz még további hatásfokromlást eredményez. A 808nm-es fény (azaz a dióda teljesítménye) kb. 20% hatásfokkal alakul át zöld fénnyé legjobb esetben (ezzel a kristálykombinációval).
Tehát visszatérve a gyártó által adott 100mW-os érték esetén biztosan legalább 500mW-os infra diódának kell lennie a lézerben, aminek 600mA az áramfelvétele. Ha ennél kisebb áramfelvétel van megadva, akkor már biztosan tudhatjuk, hogy 100mW zöldet nem fog adni a lézer.
Ezzel szemben mégis mondhatja a gyártó, hogy de bizony, a lézer 100mW optikai teljesítményt ad, és akár igaza is lehet, miközben mi csak 50mW zöld teljesítményt látunk. Mi a maradék 50mW? Amint látható a felépítésből, a lézerdióda fénye keresztülmegy mindkét kristályon. Igaz, hogy a nagy része felhasználódik az Nd kristálynál, de a többi, ami nem reflektálódik, egészen eljut a kimenetre, ahol a zöld fénnyel egy térfogatban kisugárzásra kerül. Ezzel még nincs vége, hiszen van egy 1064nm-es komponensünk is, ami szintén a kimenetre kerül.
Tehát a gyártó jelen esetben minden lelkiismeretfurdalás nélkül hozzáadta az infra teljesítményét a zöldhöz. Nekünk ez nagyon nem jó, mivel az infrát nem látjuk, és nyugodt szívvel kijelenthetjük, hogy átvertek minket. Ez még a jobbik eset, ugyanis ez az átlagos teljesítményre vonatkozik. Van, aki a csúcsteljesítményt adja meg ugyanezzel az összeadásos módszerrel. Ez még kellemesebb, hiszen csúcsban egy lézerdiódát majdnem 2x akkora árammal is lehet hajtani, így 2x akkora is lehet a pillanatnyi teljesítmény, mint az átlag. Így az eladó máris kapott még egy 2x-es szorzót. Tehát az 50mW zöld lézerből csináltunk egy megabrutál 200mW-os lézerpointert. Ha ez a helyzet, hogy lehet kiigazodni a lézerek teljesítményét illetően?
Szerencsére van egy jó összehasonlítási alap, méghozzá az ár. Az olcsó, pár ezer forintos (vagy pár tíz dolláros) pointerek teljesítménye maximum 50mW teljesen független attól, hogy mit ír a gyártó/forgalmazó rá. Ennél csak kevesebb lehet.
A normálisabb eladók/gyártók több paraméterét is megadják a lézernek, így legalább az, aki ért hozzá (vagy olvasta ezt az oldalt :) az nagyjából meg tudja mondani, hogy mire is képes a meghirdetett lézer.
Az infrával kapcsolatban pedig annyit kell tudni, hogy amikor azt mutatják sok helyen pl. youtubeon, hogy az X mW zöld lézer ezt meg azt éget, akkor ott az infra az, ami dolgozik igazán a zöld fény nem alkalmas semmilyen anyag égetésére (az erős zöld persze éget, de az nem néhány mW). Ennek kivédésére egy úgynevezett infraszürőt szokás berakni a lencsetagok elé, vagy után, ami szinte teljesen elnyeli a maradék infra fényt.

Egy két érdekesebb dolog még:
A zöld lézerből nem polarizált fény lép ki. Ennek a 2 kristály az oka, pontosabban az, hogy a kristályok megforgatják a polarizációs síkot. Ez az oka annak is, amiért nem lehet 1064nm-es diódával közvetlen KTP meghajtani, ugyanis a KTP-nek nem jó a polarizált fény.Lentebb van erről kép.
Létezik sokféle kristálykombináció zöld fény előállításához, a leggyakoribb azonban az SHG (second harmonic generator, azaz második harmónikus generátor) mód, amely a fentebb leírt Nd:YVO4 és KTP kombináció is adja. A lézerkristályok különböző mértékben szennyezettek a nevükben szereplő első elemmel (Nd: neodímium). Általában 0,1-3%-ig terjed a szennyezettség és befolyásolják a kristály működését (pl. azt, hogy milyen hullámhosszúságú fénnyel kell őket pumpálni, illetve, hogy milyet adnak ki).
Nd:YVO4 helyett használható pl. Nd:KGW (neodímiummal szennyezett kálium gadolínium wolframát Nd:KGd(WO4)2 ). Ez egy újabb kristály, drágább is, de szinte minden szempontból jobb, mint az elődje. A 3%-osan szennyezett változat pumpálási hullámhossza 810nm-re tolódott az emissziója pedig 1064nm-ről 1070-re.
Még egy variáció az Nd:GdVO4 (neodímiummal szennyezet gadolínium vanadát) aminek jobb a hatásfoka, és a hővezetése is, ezáltal nagyobb teljesítményre is használható.
Lehetséges még KTP helyett KDP-t (régi, KH2PO4 nagy teljesítményekre való elsősorban), vagy az újabb KTA-t (KTiOAsO4 ) használni, azonban az utóbbi drága, viszont jobb a hatásfoka, mint a KTP-nek.
Nagyobb zöld lézereknél gyakori még az Nd:YAG (Nd:Y3Al5O12 ) + KTP (vagy KTA) párosítás. Ennek a rendszernek sok előnye van, az egyik az, hogy a YAG rudat nem csak diódával lehet pumpálni (de szokták azzal is), hanem villanólámpával. Lehetőség van folyamatosüzemben is járatni őket lámpával, ehhez azonban kripton ívlámpa szükséges. Ennek az összeállításnak a hatásfoka kb 1-2% (elektromosból zöld fény), viszont a YAG rúd nagy teljesítményt is elbír.
Nd:YAG-hoz hasonló még az Nd:GLASS. Ez lényegében neodímiummal szennyezett foszfátüveg, ami még rosszabb hatásfokot ad (max 1%), azonban hatalmas, MW-os teljesítményekre lehet használni, de csak impulzusüzemben.
Gázlézerek közül a rézgőz lézer (réz klorid vagy réz bromid) alkalmas zöld lézer előállításához.
Egy olcsó és jó megoldás zöld lézer vételére: dealextreme ez nagyjából 35-40mW, és mindenképpen megéri az árát. De bárki, aki ilyen lézerrel játszik, vegye figyelembe a biztonsági előírásokat, és véletlenül se játékszerként, vagy valamiféle státuszszimbólumként használja!

Dealextreme true 50mW poárszűrő nélkül:

laserzoldpolarn

Polárszűrővel (nem csökken a fényerő számottevően, inkább csak szétkeni a pontot):

laserzoldpolarral

Nézzük meg most egy 100mW bluray pointerrel. Itt nincsenek kristályok, csak 1 dióda, ami elvileg polarizált fényt kell, hogy adjon. Polárszűrő nélkül:

laserkekpolarn

Polárszűrővel. Igen, itt nagy a különbség (ugyanolyan fényképező beállítások):

laserkekpolarral

Biztonság:
Felfedeztem egy elég olcsó, és jó megoldás zöld lézer (illetve zöld fény elleni) védekezésre.A fényforrások (most tekintsük monokromatikusnak) komplementer színét kell választani a szemüveg színének. Ha megnézi az ember a színpatkót akkor itt egy adott színnek az jelenti a komplementer színét, ami az adott RGB pont középpontosan tükrös képe a fehér pontra. Zöld fénynél ez vörös illetve lila szín. Tegyünk tehát egy próbát vörös színszűrős szemüveg és egy 532nm monokromatikus fényforrás segítségével:

laserzoldvednelkul1
laserzoldveddel
laserzoldveddel2

A legolcsóbb párszáz forintos anaglyph (vörös-cián) színszűrős 3D szemüvegből 2-re van szükség, az egyik cián szűrőt vörösre kell cserélni, és készen is van a zöld fény elleni tesco gazdaságos védőszemüveg. A 2 cián színszűrő pedig vörös fény ellen nyújt védelmet.
Azonban arra ügyelni kell, hogy a zöld lézerből származó infrát nem szűri a vörös szűrő!

2006-2012   © Omega Labs