Лазерная указка

<час />

Фон

Лазерная указка - это недорогой портативный лазер, который можно носить в руке. Он разработан для использования во время презентаций, чтобы указывать на области слайда или изображения, которые они представляют, заменяя ручную деревянную палку или выдвижную металлическую указку. Он превосходит старые указатели, потому что его можно использовать на расстоянии нескольких сотен футов в затемненной области и потому, что он дает яркое пятно света именно там, где желает пользователь. Он также стал универсальным инструментом для наведения и стал настолько обычным явлением, что были приняты законы, ограничивающие его использование.

История

Технически слово лазер - это аббревиатура, означающая «усиление света за счет стимулированного излучения», но этот термин стал настолько широко использоваться, что больше не пишется с заглавной буквы. Излучение - это свет, испускаемый лазером; этот свет может быть видимым или невидимым для человеческого глаза. Технически только некоторые лазеры используют усиление света, но название лазер все еще используется для устройства, которое производит монохроматическое (все одного цвета или длины волны), когерентное (световые волны достаточно похожи, чтобы двигаться в одном направлении) излучение.

Все лазеры имеют лазерную среду, источник энергии и резонатор. Лазерная среда - это материал, который может быть накачан (возбужден) источником энергии (например, светом или электричеством) в более высокое энергетическое состояние. После накачки лазерная среда может выделять эту энергию в виде монохроматического излучения. Резонатор - это область, которая позволяет выделяемой энергии накапливаться перед высвобождением. Основной резонатор - это пара зеркал на обоих концах лазерной среды. Одно зеркало полностью отражающее, так что весь свет, падающий на него, отражается обратно в лазерную среду; другой является частично отражающим, так что часть света, падающего на него, отражается обратно в лазерную среду, а часть света проходит через нее и выходит из лазера. Пара зеркал заставляет свет отражаться назад и вперед через среду, излучающую лазер, и выравниваться в одном направлении, что обеспечивает когерентность света.

Теория, используемая для создания лазеров, была опубликована в 1958 году исследователями Bell Labs. Первый лазер, построенный в 1960 году на Hughes Aircraft, использовал кусок рубина в качестве лазерной среды, свет в качестве источника энергии и зеркала для создания резонатора. Полупроводниковый лазер был изобретен в 1962 году. В нем использовался полупроводниковый материал, аналогичный материалам, используемым в транзисторах и интегральных схемах для лазерной среды. Он также использовал электричество постоянного тока (DC), ток, вырабатываемый батареями, в качестве источника энергии. В нем по-прежнему использовались резонаторные зеркала. Первые полупроводниковые лазеры производили невидимое инфракрасное излучение. Современные полупроводниковые лазеры также могут излучать видимый свет, причем красный цвет является наименее дорогим типом полупроводникового лазера, а зеленый, синий и фиолетовый становятся все более дорогими. Полупроводниковые лазеры, используемые в лазерных указках, также известны как диодные лазеры, потому что они представляют собой тип полупроводниковых диодов. Диод легко пропускает электричество в одном направлении; светоизлучающие диоды и лазерные диоды излучают свет, когда через них проходит электричество. Производство полупроводниковой электроники стало дешевле с конца 1950-х годов. Они также стали меньше и требуют меньше энергии. Они стали достаточно дешевыми, чтобы их можно было использовать в бытовых электронных устройствах, таких как лазерные указки в 1980-х годах. Современные лазерные диоды размером с клетку крови. Они производят свет, который менее коллимирован (движется в одном направлении), чем большинство лазеров, из-за короткого пространства резонатора. Из-за этого им нужна какая-то внешняя оптика (линзы), чтобы фокусировать свет в более плотный луч. Лазерные диоды, как и многие полупроводниковые устройства, являются хрупкими и нуждаются в защите от окружающей среды и скачков напряжения. Схема управления мощностью, которая обычно включает в себя фотодиод (диод, вырабатывающий электричество при попадании на него света) для контроля выходной мощности лазерного диода, предотвращает получение диода слишком большой или слишком низкой мощности. Диод защищен от окружающей среды пластиковым корпусом, так что он напоминает большинство других полупроводниковых устройств, которые используются на печатных платах.

Первые лазерные указки стоили сотни долларов, но спрос и усовершенствованные методы изготовления привели к цене ниже пяти долларов на самые недорогие типы. Есть также несколько предметов, которые включают в себя лазерные указатели или, по крайней мере, компоненты, такие как лазерные прицелы для оружия и проекторы со встроенными лазерными указателями.

Сырье

Лазерный диод менее сложен, чем многие типы бытовой электроники. Он состоит из лазерного диода, печатной платы, корпуса, оптики и корпуса. Некоторые электрические компоненты на печатной плате и лазерном диоде изготовлены из полупроводниковых материалов, металлов и керамики. Полупроводниковые материалы включают соединения (материалы, состоящие из более чем одного чистого элемента) из алюминия, галлия, мышьяка, фосфора, индия и подобных элементов. Эти соединения используются в различных полупроводниковых изделиях. Полупроводники также содержат такие металлы, как алюминий, золото и тантал.

Печатная плата обычно изготавливается из смолы (пластика), такой как эпоксидная смола, с добавлением стекловолокна для ее усиления. Электричество подводится к различным компонентам на печатной плате по металлическим проводам, таким как алюминий и медь. Отдельные компоненты, размещенные на печатной плате, включают диоды, лазерный диод, конденсаторы и резисторы. Полупроводниковые части, такие как диоды, заключены в пластик с металлическими выводами, которые соединяются с металлическими площадками на печатной плате с припоем (металлический сплав, который традиционно изготавливается из олова и свинца, но теперь содержит меньше свинца и других металлов в качестве заменителей). Неполупроводниковые детали, такие как резисторы и конденсаторы, изготавливаются из различных металлов, пластмасс и керамики (включая стекло).

Коллимирующая оптика может быть стеклянной, но в большинстве лазерных указок используется менее дорогой акриловый пластик. Корпус может быть изготовлен из любого материала:металла, пластика и даже дерева. Он содержит металлические (обычно латунные) контакты для аккумуляторов.

Дизайн

Конструкция лазерной указки зависит от электрических требований к лазерному диоду, желаемого срока службы источника питания и привода для производства небольших потребительских товаров. Самые маленькие лазерные указки имеют длину менее двух дюймов, но некоторые лазерные указки сконструированы так, чтобы выглядеть как ручки. Более длинные лазерные указки могут содержать батарейки AAA или AA, которые обеспечивают более продолжительный источник питания, чем батарейки для часов, используемые в более коротких лазерных указках. В большинстве лазерных указок используются две или три батарейки.

Производственный
процесс

Красная лазерная указка - самая распространенная лазерная указка. В других лазерных указателях используются другие сборки лазерных диодов, но они производятся аналогичным образом, поэтому в этой статье используются процесс и схема изготовления красной лазерной указки.

Лазерный диод

• 1 Лазерный диод производится на заводе по производству полупроводников (завод, где полупроводниковые материалы производятся в очень чистых и тщательно контролируемых условиях). Подложка - это основной материал, на который будут нанесены другие материалы. Пластина подложки изготавливается, очищается и подготавливается. Затем он проходит несколько этапов, на которых на него наносятся слои материала. Некоторые из этих слоев имеют толщину всего в несколько атомов. Эти слои могут быть проводящими (металлы, такие как алюминий и золото) или полупроводниками (как описано выше). Эти слои также могут быть изменены воздействием других химикатов. После того, как в пластину добавлены все материалы, она 1. Заглушка. 2. Электроизолирующее амортизирующее кольцо. 3. Аккумуляторы. 4. Металлическая бочка. 5. Металлическая пружина. 6. Кнопка. 7. Переключатель. 8. Пружинная пластина. 9. Лазерное отверстие. 10. Металлическая бочка. 11. Тубус объектива. 12. Лазерный модуль. 14. Установочная рамка. 15. Электроизоляционная пластина. нарезан кубиками (разрезан, обычно на прямоугольные участки) на отдельные диоды. Диоды испытываются либо на пластине, либо после разделения, а нефункционирующие - утилизируются (выбрасываются). Рабочие лазерные диоды затем упаковываются в пластиковый контейнер с металлическими выводами для электрического подключения.

Печатная плата

• 2 На печатной плате находится схема, обеспечивающая работу лазерной указки. Он содержит переключатель, лазерный диод и компоненты схемы управления, обычно фотодиод, диоды, резисторы и конденсаторы. Эти детали помещаются на печатную плату, иногда с помощью клея, а затем припаиваются. Пайка - это процесс, при котором два металлических объекта соприкасаются, и припой плавится вокруг них, так что, когда он остывает, он окружает их обоих и удерживает их вместе. Припой используется вместо клея, потому что он прилипает к металлу и проводит тепло и электричество.

Коллимирующая оптика

• 3 Коллимирующая оптика лазерной указки состоит из одной линзы, которая фокусирует световой конус, выходящий из лазерного диода, в более узкий луч, который создает более узкое пятно на большом расстоянии. Пластиковые линзы подвергаются литью под давлением, при этом расплавленный пластик помещается в форму. Пластик охлаждается и затвердевает, затем форму разбирают и снимают линзу. Он отшлифован и отполирован до получения гладкой поверхности, чтобы свет лазерного диода не отражался от дефектов на поверхности.

Сборка лазерного диода

• 4 Лазерный диод и коллимирующая оптика собраны вместе с пластиковым держателем, образуя узел лазерного диода. Большинство лазерных диодных сборок имеют металлическую пружину, прикрепленную к задней части. Эта пружина контактирует с батареями в лазерном диоде и является частью цепи, потребляющей электричество от батарей.

Конструкция корпуса и окончательная
сборка

• 5 Корпус представляет собой трубку с местом для сборки лазерного диода и батареек. Узел лазерного диода вставляется или ввинчивается в один конец корпуса. Внутренняя часть корпуса сделана из латуни или имеет латунную полосу (приклеенную или приклепанную), идущую вниз по батарейному отсеку. Торцевая часть отсека для батареи также имеет открытую латунную поверхность или изготовлена ​​из латуни. Когда этот наконечник вставляется или ввинчивается в корпус, он контактирует с другой стороной батарей, замыкая электрическую цепь, которая позволяет электричеству течь от батарей к блоку лазерного диода.
• 6 На корпусе также есть кнопка переключения (кусок пластика, торчащий через отверстие в боковой части корпуса), который необходимо нажать и удерживать, чтобы лазерная указка работала. Когда эта кнопка нажата, переключатель на печатной плате замыкается, электричество течет от батарей к узлу лазерной указки, и лазерная указка излучает луч света.
• 7 После сборки и тестирования лазерной указки добавляется этикетка безопасности. На этой этикетке указаны номинальные характеристики лазера с точки зрения выходной мощности, указаны правила, регулирующие его использование, и содержится предупреждение пользователю избегать прямого попадания в глаза.

Контроль качества

Производитель полупроводников использует строго контролируемые процессы, которые были разработаны в лабораториях и затем переданы на производство. Лазерные диоды проходят испытания, чтобы убедиться, что они работают и после изготовления. Каждый другой компонент также тестируется, чтобы убедиться, что он работает. Большинство производственных предприятий будут проводить случайные испытания своей продукции и использовать методы статистического контроля для обеспечения качества продукции.

Когда сборка лазерного диода или лазерного указателя будет окончательно собрана, она будет запитана и протестирована с помощью светового детектирующего устройства, такого как фотодиод, для измерения выходной мощности. Лазерные указатели - это лазерные устройства типа IIIA, которые для рынка США должны производить мощность 5 мВт (милливатт, одна тысячная ватта) или меньше. Лазерные указатели для европейского рынка обычно относятся к лазерным устройствам класса II и должны производить менее 1 мВт. Эти ограничения действуют в целях безопасности.

Побочные продукты / отходы

Лазерные указки содержат металл, пластик и электронные детали. Каждая из этих отраслей имеет определенные отходы побочных продуктов (растворители, галогенуглеродные газы, свинец, химические вещества), но сборка лазерной указки не имеет особых отходов, пока лазерная указка не будет утилизирована. Лазерная указка содержит небольшое количество опасных материалов, таких как свинец и некоторые токсичные полупроводники. Как и в случае с другими электронными сборками, переработка компонентов может быть безопаснее для окружающей среды в долгосрочной перспективе, хотя это дорого и существует несколько программ для переработки или повторного использования электроники. Это может измениться в будущем.

Будущее

Красные лазерные указки сегодня самые дешевые и самые распространенные. Зеленые лазерные указки имеют более сложные сборки лазерных диодов и стоят сотни долларов. Синие и фиолетовые лазерные указки скоро появятся в продаже по более высокой цене. Новые типы лазерных диодов снижаются в цене по мере увеличения объемов производства, чтобы не отставать от спроса, и по мере улучшения производственных процессов. Законы, ограничивающие использование лазерных указок, могут противодействовать этой тенденции, вызывая падение спроса, поскольку лазерные указки запрещены в общественных местах.

Где узнать больше

Книги

Гибилиско, Стэн. Что такое лазеры. Саммит Блю Ридж, Пенсильвания:Tab Books, Inc., 1989.

Другое

Веб-страница CORD. Декабрь 2001 г. .

Всемирная веб-страница Laser Focus. Декабрь 2001 г. .

Эндрю Доусон