Лазерный диод – это нелинейный электрический элемент, и закон Ома для него не выполняется. Поэтому он нуждается в управлении тока, а не напряжения. В зависимости от мощности лазерный диод потребляет 100 — 400 мА. Лазер это не лампочка! Ни в коем случае не подсоединяйте его напрямую к батарейкам! Без ограничительного резистора его быстро убьют и 2 батарейки от лазерной указки. В драйвере лазерного диода можно использовать микросхему LM317, которая включена стабилизатором тока. (Смотри рисунок.)
Драйвер поддерживает постоянный ток через ЛД независимо от напряжения питания (не меньше 7 В) и температуры. Желательно перед сборкой блока питания скачать в интернете информацию на эту микросхему и разобраться с ее возможностями основательней, а так это лучший драйвер для начинающих заниматься голографией!
Подстроечный маленький резистор не годится, нужно нечто более долговечное и износостойкое, легко крутящееся. На микросхему обязательно нужно повесить радиатор. На нем будет рассеиваться до 3 Вт.
Рекомендации относительно номинала R3.
Ниже приведены значения резистора R3, в зависимости от максимальной скорости записи DVD привода - R3, Ом:
Х8 - 12
Х16 8.2
Х18 - 7.5
Х20 - 6.8
Х22 - 6.2
С таким стабилизированным питанием ваш лазерный диод никогда не сгорит от перегрузки по току и может работать часами.
Достоинства и свойства лазерных диодов.
Полупроводниковый лазер отличается очень малыми размерами. Между двумя строго параллельными зеркалами резонатора располагается многослойная активная среда, в которой происходит генерация и усиление когерентного излучения. Роль зеркал играют поверхности сколов на торцах полупроводникового многослойного кристалла. Длина резонатора полупроводникового лазера колеблется от одного до трех миллиметров. Зеркала имеют прямоугольное сечение, поэтому излучение на выходе волновода имеет форму конуса, а не узкого параллельного пучка, как в других лазерах.
У очень короткого резонатора есть преимущество. Количество одновременно генерируемых частот излучения уменьшается благодаря тому, что на малом отрезке укладывается меньшее количество волн. Поэтому в коротких резонаторах генерируется излучение с меньшим количеством продольных мод и большей длиной когерентности, которая обратно пропорциональна расстоянию между зеркалами.
В то же время изменение температуры миниатюрного полупроводникового кристалла лазерного диода приводит к заметному изменению длины резонатора и, соответственно, частоты генерации. По этой причине для получения стабильного одночастотного режима необходимо стабилизировать два параметра – ток накачки и температуру кристалла.
Исследования зависимости частоты генерации лазерного диода от тока и температуры показали, что длина волны генерируемого излучения изменяется не непрерывно, а скачками.
В диапазоне разброса температуры лазерного диода около 2-х – 3-х градусов частота излучения остается постоянной, затем по мере изменения температуры и, соответственно, длины резонатора, наступает режим генерации двух и даже трех частот одновременно (многомодовый режим). Затем снова наступает режим одночастотной генерации, но уже с иной длиной волны.
Чаще всего любители в своих опытах получают примерно вот такую картину, на чем и заканчиваются голографические эксперименты. Однако, не следует отчаиваться, а приложить усилия для достижения устойчивого одночастотного режима.
Основным фактором, приводящим к перестройке частоты генерации, является изменение вместе с температурой и током накачки положения максимума линии усиления активной среды. Согласно проведенным измерениям, изменение длины волны в зависимости от температуры находится в интервале 0.18 – 0.22 нм/град. В то же время величина многих температурных интервалов, в которых реализуется одночастотный режим, составляет 1.5–2 °С, а в отдельных случаях даже больше.
Можно сделать важный вывод:
Для каждого лазерного диода следует найти оптимальный диапазон питающего тока и температуры полупроводникового кристалла, обеспечивающие стабильный во времени одночастотный режим генерации. Это в свою очередь определяет конструкцию излучателя и контроллеров.
Схема устройства стабилизации лазерного диода
Лазерный диод (1) следует стабилизировать не только по току накачки, но и температуре миниатюрного резонатора с помошью элемента Пельтье (3).
1 – лазерный диод;
2 – алюминиевая втулка с термопарой;
3 – элемент Пельтье (температурный насос)
4 – радиатор охлаждения горячей стороны элемента Пельтье;
5 – эбонитовая крышка
6 – стягивающие болты
Такая конструкция позволит не только снизить рабочую температуру лазерного диода, но и быстро стабилизировать ее после включения. Дело в том, что температурное расширение миниатюрной конструкции лазера заметно влияет на длину его резонатора, и спектр генерируемых частот.
Элемент Пельтье – это термоэлектрический преобразователь, который базируется на эффекте Пельтье – возникновении разности температур при протекании электрического тока. В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт полупроводника, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.
Если вы хотите не просто светить лазерным диодом, добытым из DVD привода, а записывать хорошие голограммы, придется хорошенько потрудиться и собрать более сложный блок питания лазерного диода. Такой прибор даст возможность устанавливать ток накачки и регулировать температуру излучателя с помощью элемента Пельтье.
Схема привода лазерного диода
Приведенный выше блок питания схем стабилизации тока и температуры лазерных диодов отличается мягким пуском, что обеспечивает долговечность и надежность работы излучателя.
Если лазер будет иметь стабильную температуру при оптимальном значении тока накачки, то длина записывающей волны и, соответственно, интерференционная картина будут неизменны даже при длительных экспозициях. Это, как вы уже знаете, является главным условием успешной записи голограммы.
Для настройки одночастотного режима работы лазерного диода нужно использовать интерферометр Фабри-Перо. А если такого прибора у вас нет, можно вместо него использовать обычное стекло толщиной 2-3 мм.
Изменяя ток лазерного диода, можно получить контрастный рисунок интерференционных полос отраженного света. Максимальный контраст будет говорить о том, что свет лазера имеет одну частоту и длину когерентности излучения порядка 100 мм.