За последнее время китайцы освоили производство относительно мощных и недорогих твердотельных лазеров с диодной накачкой (DPSS). Наверняка многим было бы интересно узнать, что находится у них внутри, какие характеристики эти лазеры имеют и на чем китайцы сэкономили.

Под катом – обзор такой необходимой в каждом доме вещи, как одноваттный зеленый лазер.

Прежде, чем написать что-то, хочу подчеркнуть большими буквами:

при работе с такими лазерами нужна защита!

Как минимум нужны очки, защищающие от 808nm и от 532nm. Далее я покажу, почему это так важно.

В этом обзоре не будет видео о том, как лазер поджигает спички, лопает шарики и т.п.: такого навалом и в Youtube. Вместо этого мы проверим соответствие заявленных характеристик реальным, и, конечно, рассмотрим конструкцию этого прибора – обязательная доза geek porn обеспечена.

Основные характеристики

Wavelength (nm)	532
Output Power (mW)	>1000
Divergence, Full angle (mrad)	2.0
Beam Diameter at the Aperture (mm)	~2.5
Transverse Mode	TEM00
Modulation Mode	TTL up to 30kHz
Cooling Mode	TEC & Air
Expected Lifetime (hours)	10 000

Лазер произведен компанией CST (продукция которой считаестся несколько более качественной, чем продукция DHOM) по заказу UltraLasers, Inc. Он относится к наивысшему IV классу лазерной опасности, т.е. помимо защиты (очков) при работе с ним необходимо использовать ловушку-поглотитель излучения, а также обязательно закреплять излучатель неподвижно, чтобы задетый провод не развернул головку в неизвестном направлении.

Пройдемся по характеристикам по порядку.

Длина волны: 532nm

FAIL. Из апертуры светит не только 532nm (зеленый), но и 808nm и 1064nm (невидимый инфракрасный). Причем светит так, что не учитывать этого нельзя. Инфракрасный фильтр в лазер не положили.

Выходная мощность: > 1Вт

TRUE. Полная выходная мощность на всех длинах волн переваливает за 2.5Вт. Выход полезного зеленого – порядка 1.8Вт, что тоже значительно превышает заявленную мощность – это характерная черта всех китайских лазеров такого типа.

Из измерений следует, что на невидимую инфракрасную часть излучения приходится порядка 700 милливатт, получить которые в незащищенный глаз гораздо проще, чем кажется (см. следующий пункт).

Расхождение пучка: 2 мрад

FAIL. Измеренное расхождение для 532nm составило 2.3 мрад. Для 808nm – на порядок больше, примерно 30 мрад. Выглядит это так:

Фиолетовый – это ИК. Обратите внимание на относительную яркость ИК и зеленого. Диаметр зеленого луча соответствует белому пятну на фотографии, зеленая кайма – это уже рассеяние от поверхности.

Таким образом, держа голову возле зеленого луча (при юстировке оптики и т.п.) есть немалый шанс попасть под пучок ИК, который свободно пройдет сквозь очки, защищающие от 532nm, и доставит кучу радости офтальмологам. Поэтому еще раз:
Обязательно установить инфракрасный фильтр!

Диаметр луча у апертуры: ~2.5мм

TRUE. Так и есть.

Поперечная мода: TEM₀₀

FAIL. Мода Гаусса-Лагерра низшего порядка получается только при совершенно незначительной мощности (меньше 50 мВт). Выше этого порога имеем что-то вроде такого:

Уже не TEM₁₀, но еще и не TEM₁₁. Это довольно типично: при таком резонаторе и мощности сложно избежать усиления мод высшего порядка.

Модуляция: до 30 кГц TTL

FAIL. Для тестирования я собрал на коленке простенький TTL ШИМ на 26 кГц (Внимание, смертельный номер! Без микроконтроллеров и ПЛИС!) из имеющихся в наличии компонентов (компаратор LM339 плюс обвязка):

И при различной скважности получил на фотодиоде вот такие осциллограммы:

25%

50%

75%

От входного прямоугольного TTL тут осталось мало. Спектр же сигнала, как и положено, изобилует гармониками:

Охлаждение: элемент Пельте с вентилятором

TRUE. И Пельтье и вентилятор присутствуют. В процессе работы корпус излучателя практически не нагревается.

Полезный инструмент

При работе с DPSS лазерами полезно иметь инфракрасный визир. Самый доступный вариант – купить дешевую цифровую мыльницу и извлечь из нее инфракрасный фильтр. В результате вместо одной бесполезной вещи получим две полезные: ИК-камеру и фильтр. ИК-фотографии я делаю аппаратом Olympus VG-150, который обошелся мне менее чем в 2000 рублей, включая доставку. Кроме того, фильтр в нем не приклеен к матрице, а просто лежит на ней, придавленный резинкой, и снимается без труда и повреждений за две минуты.

Этот же фильтр можно использовать и для лазера: максимум пропускания у него как раз в области зеленого. Только не рекомендую крепить его прямо на выходное отверстие (даже изнутри) – рассеянного на фильтре света достаточно, чтобы неприятно слепить.

Переходим к geek porn

Блок питания

На БП присутствуют:

• Разъем блокировки (interlock) – контакты должны быть замкнуты, чтобы лазер работал
• Провод, торчащий из дырки Trigger – модуляция TTL, активный уровень – низкий
• Выключатель питания на задней части блока
• Кнопка Stop – экстренное выключение (требование для класса опасности IV)
• Выключатель с ключом – запуск лазера (требования для класса опасности)
• Три индикатора: питание, излучение и ошибка соответственно
• Разъем подключения лазера, цоколевка следующая:
  
  

  1. TEC+ 2. LD+ 3. LD- 4. Thermal Sensor 5. Thermal Sensor 6. Fan+ 7. TEC- 8. Fan-

Тут китайцы подложили свинью: лазер включался с незамкнутой блокировкой и неповернутом ключе, просто при перещелкивании кнопки сзади! Это грубейшее нарушение ТБ при первом включении очень, хм, удивило. Заодно и кнопку «Стоп» проверил.

Вскрытие блока показало, что для удобства пользователя разъемы ключа и блокировки замкнуты «соплей» на обратной стороне платы, а выключатель с ключом не подсоединен вообще:

Конструктивно блок состоит из двух модулей: импульсного источника питания на напряжения 5 и 12 вольт и драйвера диода, совмещенного с регулятором для двух термоэлементов.

Импульсный источник

Представляет собой два одинаковых источника в одном корпусе: первый – 12В 6.5А, второй – регулируемый 4.6–6.3В 6.5A. Пусть вас не смущают одинаковые цвета проводов: верхние красные это 5В, а нижние красные – 12В.

Драйвер

Не отличается изощренностью конструкции:

Три линейных стабилизатора тока на ОУ LM358 и выходными каскадами на IRF530N (MOSFETы с обратной стороны платы) – для диода лазера и двух термоэлементов. Термоэлемент используется только один. Верхняя левая микросхема это 74LS00, она включает лазер при условии высокого уровня на разъеме модуляции TTL, соответствия температуры датчиков ожидаемой и сработке пятисекундного таймера задержки, собранного на микросхеме NE555 (левая нижняя). Все остальные микросхемы – LM358.

Самый левый резистор регулирует ток лазера. Большие резисторы используются в качестве токоизмерительных шунтов. MOSFETы прикручены к массивному радиатору размером со всю плату драйвера. Стабилизатор тока лазера питается от +5В, а термоэлементов – от +12В.

Качество пайки среднее, со следами ручной доработки напильником.Сэкономили на фильтрующих элементах, в остальном особого криминала нет.

Ток лазера установлен на 5.4А, что позволяет предположить, что накачка рабочего тела производится пятиваттным ИК лазерным диодом. Отсутствие второго термоэлемента означает, что кристалл KTP не подогревается, и поэтому, возможно, работает не в оптимальном режиме, что сокращает срок его службы.

Заключение

Пожалуй, единственное, что соответствует спецификации в данном лазере, это мощность. Зато ее дали с запасом. Ожидаемый срок работы тоже внушает сомнения, но это станет понятным при разборке излучателя. Этот обзор и так получился довольно объемным, т.ч. описание конструкции собственно лазера я вынесу во вторую часть.

Этот лазер весьма опасен: мало того, что светит инфракрасным на 700 мВт, так еще и включается неожиданно. Впрочем, и то и другое просто устраняется. Напрямую у китайцев на Aliexpress на момент написания статьи такой лазер можно было купить за $650, не считая доставку.

Спасибо всем, кто дочитал до этого места!