Laser a diodo e loro azione a distanza

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Claudio

2017-11-15 17:27

Sono sempre stato appassionato dai laser, il mio primo laser l’ho realizzaro negli anni 80 era, un misero per i nostri tempi, laser He-Ne da 1,5 mW output  ma per quei tempi era una cosa costosa e difficile da reperire il solo tubo lo pagai 180.000 L.  l’alimentatore invece l’ avevo autocostruito.

Poi per parecchi anni non ho più realizzato niente di personale,  anche se nel frattempo l’uso dei diodi laser nella tecnologia s’era espanso in modo esponenziale:  prima nelle stampanti laser, poi nei lettori CD e DVD , infine nei masterizzatori  e come trasmettitori nelle fibre ottiche.

Circa dieci anni fa, vista la notevole quantità di diodi disponibile su ebay a prezzi abbordabili,  mi è ritornata la passione,  di seguito descrivo la realizzazioni di una serie di laser a diodo ed uno studio sui loro effetti a distanza riguardanti: laser a 650 nm, IR a 808 nm, a 405 nm, a 455nm.

Apparecchi ed attrezzature usati per la realizzazione e le misure su  questi apparati

Alimentatore a corrente costante , visore IR (per quanto riguarda l’uso del diodo IR), termopila,  tester, cronometro,  oscilloscopio (per controllo sui circuiti) e tornio (per le lavorazione meccaniche)

Laser a luce rossa, emissione a 650nm Potenza 100mW max

Questo è  stato il primo laser realizzato. Questo diodo è stato acquistato su ebay da un venditore sud coreano, ne avevo acquistati un certa quantità, erano diodi  usati recuperati  da masterizzatori, però  funzionano senza problemi.

Avevo preventivato di distruggerne più d’uno cosa che si è poi verificata, il fatto è che maneggiare questi diodi non è come maneggiare un transistor, sono sensibili a cariche elettrostatiche, alle temperature elevate, la loro resistenza ai sovracarichi  è molto bassa e anche brevissimi picchi di sovra tensione li distruggono immediatamente, inoltre vanno alimentati a corrente costante, é questo il parametro che va controllato, certo uno può acquistare gli alimentatori commerciali che sono in vendita e la maggior parte di questi problemi non si pongono, ma nel mio caso volevo assolutamente metterne a punto uno,  i primi tentativi con circuiti a transistor sono stati un fallimento  ed  ho bruciato in questo modo 2 diodi, sono passato poi ai circuiti integrati ed in questo modo ho risolto i precedenti problemi che non si sono più posti anche con gli altri diodi.

Sotto lo schema inedito dell’alimentatore usato per questo diodo  per la realizzazione di un puntatore laser da 80 – 100 mW

diodo laser SLD1239JL.jpg
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L’alimentatore prima di inserire il diodo va tarato sulla corrente nominale del diodo in questo caso per sicurezza l’ ho regolato su I cost. 140mA,  per la taratura viene usato il simulatore di diodo visibile nello schema, formato da 4 diodi 1n4007 o simili e un resistenza da 1 ohm in serie,   tramite P1 (trimmer multigiro a filo) regolo la corrente in uscita misurandola con un tester a 140 mA  a questo punto ho montato il diodo su dissipatore e proceduto alla saldatura dei terminali all’alimentatore.

Ho quindi montato l’ottica di uscita del raggio, qui va bene una lente anche di piccolo diametro,  a focale corta  1 – 1,5 cm ed ho inserito tutto nel contenitore auto costruito, rispetto ai laser commerciali da 100 mW  il mio è molto ingombrante ma grazie alle pile usate ha un autonomia superiore.

Sotto foto del laser con i vari elementi che lo compongono

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Usi di questo laser:  come puntatore di notte,  il raggio osservandolo con binocolo è osservabile a 1 – 1,5 Km anche se  l’ovale del raggio si allarga parecchio , è pericoloso per la vista sino a 40 – 50 m a 100 m il fascio si è allargato ed e paragonabile per l’osservatore al faro abbagliante di un’automobile niente di più.

Questo è invece un utile ed imprevisto uso di questo laser,  in quell’anno, d’estate, ero perseguitato da un feroce prurito agli avambracci, sia destro che sin. Il medico m’aveva prescritto una pomata al cortisone che mi faceva passare il prurito per mezzora poi riprendeva più forte di prima e di notte non mi faceva dormire, ho iniziato a fare delle applicazioni con il raggio messo a fuoco sulla zona pruriginosa dopo 5 min di applicazione il prurito si placava per poi ripresentarsi più tardi in altra zona procedevo con ulteriori trattamento muovendo il raggio nella zona dopo 1 ora circa il disturbo spariva e finalmente potevo riposare  dopo una settimana di  trattamenti questo disturbo è sparito del tutto, l’anno dopo il problema s’è ripresentato, sempre risolto pulitamente e velocemente allo stesso modo. Questo raggio rosso  proiettato sull’epidermide non scotta per niente  e penetra in profondità nei tessuti molli.

Sotto emissione laser del diodo in assenza  di ottica si nota la caratteristica granulosità della luce laser

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Sotto una comparazione visiva tra la luce di questo laser munito di ottica con potenza stimabile intorno ad 80 mW e quella di uno commerciale di potenza dichiarata <5mW ( a destra)

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Non mi è stato possibile eseguire una misura precisa di potenza output  perché la termopila che uso per queste misure da risultati affidabili a partire da un minimo di 300mW.

Considerazioni tecniche  riguardanti la sicurezza sull’uso di laser di vario tipo

Prima di proceder e alla descrizione degli altri laser alcune considerazioni  tecnico pratiche riguardanti la sicurezza propria ed altrui nell’uso di questi dispositivi.

Un raggio laser continuo proiettato e focalizzato sull’epidermide può provocare danni  biologici che dipendono dalla sua lunghezza d’onda,  dalla potenza per unità di superficie irradiata  e naturalmente dai tempi di esposizione.

Per esempio un raggio a luce rossa non viene assorbito subito dalla parte superficiale ma penetra in profondità ecco perché un raggio dio 100 200 mW non scotta.

A differenza,  raggi a lunghezza d’onda di 445 nm  e 405 nm, blu e violetto vengono fortemente assorbiti dai primi strati dell’epidermide e quindi  quando vengono focalizzati sulla pelle scottano terribilmente , anche con potenze di  soli 80 – 100 mW,  questo a breve distanza, alla distanza di 30 40 metri la densita di potenza data la divergenza del raggio è scesa  quindi niente scottature anche con potenze di 500 mW.

Per quanto riguarda il raggio a 808 nm  nel vicino infrarosso, focalizzato a breve distanza scotta decisamente,  questo per potenze superiori a 300 mW  a 15 - 20 e più metri di distanza anche potenze di 2 W   non provocano alcuna scottature  questo perché la divergenza  a parità di altre caratteristiche cresce all’aumentare della lunghezza d’onda, in questo caso il raggio meno divergente è quello a 405 nm  quello più divergente è quello a 808 nm.

Un discorso diverso riguarda l’occhio è qui che si possono avere danni irreparabili, più sono corte le lunghezze d’onda più sono pericolose, per l’occhio qualsiasi laser anche di bassa potenza è sempre pericoloso.

L’occhio usa la sua lente il cristallino per concentrare la luce entrante in minute zone della retina dove forma l’immagine questo significa che un raggio che per sua natura possiede  già una elevata  densità di energia rispetto ad altre sorgenti luminose  viene ulteriormente concentrato ed impatta sulla retina in un’area di pochi micron con una densità d’energia amplificata di 100.000 volte e il risultato in quella zona è devastante.

Per sua fortuna  l’occhio possiede alcuni  sistemi di difesa per le le luci troppo forti che lo colpiscono: restringimento pupillare e chiusura della palpebra purtroppo i tempi  di azione di  questi meccanismi  sono intorno a 0,2 - 0,25 sec  troppo lunghi per proteggere dagli effetti di un raggio che colpisce l’occhio direttamente, quando la palpebra si chiude il danno è già fatto.

A questo riguardo va ricordata l’estrema pericolosità per la vista, dei laser nel vicino IR per es. a 808 nm la luce viene percepita  dall’ occhio come una sorgente di bassissima intensità perché la sua  sensibilità è bassa a quella lunghezza d’onda, quello che si vede è una brace accesa, e quindi non intervengono i meccanismi di autodifesa sopracitati.

Pericolosissimi  anche i laser  ad impulso in grado di rilasciare qualche joule in pochi ms  e Q switch in grado di rilasciare energia in tempi dell’ordine dei ns.

Laser vicino IR emissione a 808 nm, potenza 1000 mW max

Questo diodo l’avevo acquistato negli USA tramite ebay  sotto un’immagine del diodo,  (per le prove su questo diodo è indispensabile l’uso di un visore IR)

808nm 1W.jpg
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La prima operazione fatta su questo diodo  é stata quella di provarlo con un alimentatore a corrente costante, provare questo con un normale alimentatore equivale ad ucciderlo basta un niente per friggerlo, non avevo il data sheet di questo diodo solo i parameri max di funzionamento V, e I  era interessante  misurare la corrente a cui inizia l’emissione laser  (threshold current) con il visore all’infrarosso all’occhio uno schermo nero davanti al diodo sono partito con tensione di alimentazione 0 V facendo crescere lentamente la corrente assorbita, il diodo si comporta prima da LED IR a 162 mA è partita l’emissione laser ho controllato  il diodo sino a un meno 10% della I max 1,2A.

Osservando ad occhio la luce focalizzata su schermo nero opaco si  vede appena una luminosità rosso cupo, osservata  invece con il visore IR ricevo sull’obbiettivo una luce bianca abbagliante che si staglia sul fondo verde del visore , sotto foto del visore IR adoperato.

VisIR.jpg
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Questo visore IR  l’avevo acquistato in un negozietto di  Bologna che vendeva del surplus di provenienza  militare, se ben ricordo all’inizio  anni 90 il visore faceva  parte del  sistema  di guida notturna  del carro armato leopard (sistema a IR attivi) dismesso a fine anni 80 per un sistema più avanzato.

Lo schema elettrico dell’alimentatore che si può vedere sotto  e del tutto uguale a quello usato  nel laser  precedente  cambia solo un transistor e una resistenza  in relazione alla maggior corrente necessaria per alimentarlo,  l’alimentazione è garantita da 4 celle al Ni-Cd ricaricabili da 5000 mAh

schema IR.jpg
schema IR.jpg

Prima  di saldare il diodo l’alimentatore va dapprima regolato sulla corrente di funzionamento  del diodo, inserendo un simulatore di diodo laser IR (visibile nello schema precedente)  con in serie un tester per la misura della I, regolando il potenziometro P (un trimmer a filo multigiro) in questo caso l’alimentatore è stato regolato per erogare 1A.

Il diodo va quindi fissato al suo dissipatore in Al ci deve essere un ottimo contatto termico tra dissipatore e diodo , il diodo sopporta molto male i surriscaldamenti come si può osservare dallo schema il blocco dissipatore diodo deve essere completamente isolato dallo chassis metallico inoltre i fili di collegamento diodo- alimentatore devono essere il più corto possibile, l‘ottica è  formata dalla combinazione di  due lenti piano convesse  inserite su tubo che si avvita sul dissipatore porta diodo per permettere la messa fuoco del raggio,  di seguito foto del dispositivo

LIR00b.jpg
LIR00b.jpg

Misura sulla potenza in uscita

Per questo mi avvalgo della  termopila e di un tester con memoria, questa termopila  è  fatta per misurare l’energia  erogate da laser ad impulso e mi da 0,180 mV di tensione per ogni joule assorbito dal sensore, ma si può con semplice calcolo  ricavare la potenza continua  emessa dal  raggio in uscita, di seguito foto della termopila e del sistema di misura. Il raggio viene fatto entrare nella finestra di misura della termopila con tester impostato per memorizzare il massimo valore generato in mV questo per un tempo di t sec.  preso con cronometro a t sec.  il laser viene spento, sul tester resta memorizzato l’ultimo valore di tensione  in mV.

-  Joule erogati nel tempo t (sec) = V(mV)/0,180

-   W (potenza del  laser)  = Joule erogati nel  tempo t/t (sec)

Di seguito la termopila usata e l’arrangiamento usato per la misura , nella terza foto la fotocamera  cattura la radiazione IR di debole intensità attorno alla finestra d’entrata del misuratore, che non è visibile ad occhio nudo, ad occhio si vede solo lo spot principale quello che è entrato attraverso la finestra, la misura fatta  mi da una potenza in uscita dal diodo di 805 mW con una I assorbita di 1,0 A

misura IR.jpg
misura IR.jpg

Sotto nella prima e seconda foto  laser privo di ottica in azione su cartoncino nero:  nella prima foto eseguita con flash la radiazione è  appena visibile, nella seconda senza flash, in penombra  è perfettamente visibile per la fotocamera,  per l’occhio no. Nella terza foto immagine con ottica inserita. Nella quarta, ottica inserita e raggio focalizzato,  per l’occhio sono visibili solo gli spot della terza e quarta immagine,  nei riquadri piccoli i crateri causati sul cartoncino fronte e retro.

effetti_3.jpg
effetti_3.jpg

A questo punto ho munito il laser di una lente collimatrice opportunamente sistemata  come da foto seguente, dopo aver protetto il tutto con due gusci di lamiera per schermare  da riflessi indesiderati.  sotto la foto dell’apparato privo di un guscio di protezione.

collimatore.jpg
collimatore.jpg

Con questo laser munito di collimatore, in pratica il raggio concentrato viene leggermente allargato e in questo modo si ha una diminuzione dell’angolo di divergenza , è stata eseguita una serie di test  servendomi di due specchi per arrivare ad una distanza di 20 m per valutare lo spot su schermo a 6 m  ed a  20 m questo per valutare la densità dell’energia trasportata dal raggio. Sotto lo schema  dei test eseguiti:   le prime due dimensioni sono sperimentali le altre sono state ricavate graficamente .

Alla fine della trattazione degli altri apparati faro un confronto fra i 2 laser più potenti e l’ energia trasportata a distanza  con particolare riferimento alla sicurezza nell’uso di questi apparati.

SPOT.jpg
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Laser a luce violetta con emissione a 405nm.

Questo diodo laser viene usato nei masterizzatori  Blu ray l’ho acquistato assieme alla sua lente ed al suo contenitore che poi ho inserito in un dissipatore più grosso,  sotto la foto di questo assemblaggio

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Questo diodo con potenza emessa di 100mW ha una corrente max di funzionamento di 110 mA con tensione ai suoi capi di 5V. l’alimentatore per questo diodo è completamente diverso dai precedenti ed usa un C. I. LM317, l ‘alimentazione è garantita da 8 celle mini stilo ricaricabili del tipo NiMH con una tensione di 9,6V, sotto lo schema usato.

schema Viola.jpg
schema Viola.jpg

L’alimentatore viene tarato al solito modo, inserendo il simulatore di diodo laser da 405nm e regolando il potenziometro P da 100 ohm,  (un trimmer a filo multigiri) fino a fargli  assorbire  100 mA, non resta poi che saldare i terminali del diodo laser. La potenza emessa è di  80 – 90 mW stimati in base alle caratteristiche del diodo, ed è possibile regolare la messa a fuoco del raggio. Dati  i bassi valori della potenza  la lettura con termopila non è affidabile .                                                                                                                   

Pur avendo una potenza in uscita uguale a quella del  laser rosso questa luce violetta è molto più aggressiva,   il raggio messo a fuoco sulla pelle brucia e trasmette la sensazione di una puntura di spillo, questa radiazione viene totalmente assorbita dai primi strati dell’epidermide.

Il raggio focalizzato da 40cm di distanza  su un foglio di colore chiaro viene riflesso,  su un foglio di gomma  scuro invece brucia e vaporizza il materiale come si può vedere nelle foto di seguito con ingrandimento dei  crateri da impatto .

spot405_00 5__.jpg
spot405_00 5__.jpg

Effetti termici su materiali assorbenti con raggio messo a fuoco  si osservano sino ad una distanza di 60 cm circa. La luce coerente emessa da questo laser  fra i laser nel  visibile da me testati è  quella che presenta il minor angolo di divergenza  ed è anche quella che presenta la minor visibilità, anche di notte lo spot è visibile entro un raggio di 20 m al massimo a differenza di quello rosso visibile  ad 1Km di distanza.

Laser a luce blu con emissione a 455 nm

Questo diodo l’avevo acquistato su ebay da un venditore inglese,  acquistato assieme alla sua lente,  è un Nichia NDB7352 sotto foglio con le  caratteristiche e foto del diodo con la sua lente.

Nichia.jpg
Nichia.jpg

Quello che mi aveva colpito a prima vista erano le piccole dimensioni del contenitore, per un laser da 1W. Ho allestito per il diodo un massiccio supporto in Al avente soprattutto la funzione di efficiente dispersore del calore generato durante il funzionamento e nello stesso tempo supporto per la lente con la possibilità di regolare  la messa a fuoco

testa 455.jpg
testa 455.jpg

Sotto lo schema usato per alimentare questo diodo che è simile a quello usato nel precedente laser, come pile ho usato 8 celle al Ni-Cd da 3000 mAh

schema Blu.jpg
schema Blu.jpg

Prima di saldare il diodo laser, l’alimentatore è stato regolato nel consueto modo per fargli erogare una corrente di 0,96 A , ho tenuto la corrente bassa rispetto al massimo consentito, questo consente di allungare la vita del diodo, ho proceduto poi alla consueta misura tramite termopila della potenza emessa che mi ha dato 800 mW. Di seguito l’ apparato con le sue parti principali parzialmente assemblato.

Ass445.jpg
Ass445.jpg

Questo diodo è quello che in assoluto mi ha dato le maggiori prestazioni , effetti  termici a distanza sino a 4m,  però siccome mi interessava scoprire i limiti del sistema ho piazzato un collimatore con lente concavo-convessa con distanza  focale 50 cm davanti al blocco alimentatore – testa  laser, sotto due foto dell’intero sistema,

las445.jpg
las445.jpg

ho aggiunto anche un cannocchiale 16X40 per poter osservare la macchia di luce collimata a distanza lo spot è visibile chiaramente anche di giorno e sotto la luce solare.

Continua su: Laser a diodo e loro azione a distanza, parte II

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