Важные изобретения xx века

Телефон, 1876 год

Изобретателем телефона значится американец Александр Белл. Надо сказать, что у телефона было немало прародителей, в том числе и телеграф. Но именно Белл вошел в историю, подав в феврале 1876 года заявку на патент об изобретении телефона.

Александр Белл

Интересно, что точно в тот же день другой американец, Илайша Грей, тоже подал заявку о регистрации своего изобретения — устройства для передачи и приема вокальных звуков телеграфным способом. Когда стали разбираться, кто же первым захотел получить патент, то победителем оказался Белл. Он обогнал конкурента всего на несколько часов. Белл и вошел в историю, а его патент № 174 465 назовут в итоге самым дорогим в истории.

Конструкция же первого телефона напоминала виселицу, что и породило соответствующее прозвище аппарата. Сперва звук передавался с плохим качеством, но вскоре после регистрации патента Белл сумел улучшить свое изобретение. Легенды гласят, что 10 марта 1876 года Белл работал в разных комнатах лаборатории со своим помощником Томасом Ватсоном. И вот изобретатель случайно пролил кислоту себе на штаны и позвал на помощь друга. Ватсон услышал крики из приемника, изумленный, он вбежал в комнату со словами: «Я слышал каждое слово!».

Принцип работы

Чтобы понять, откуда появляются фотоны, рассмотрим процесс рекомбинации (исчезновения пары свободных носителей – электрона и дырки). При подаче прямого напряжения к p-n переходу диода возникает инжекция, т.е. резкое увеличение концентрации неравновесных носителей. В процессе инжекции, движущиеся навстречу друг другу, электроны и дырки рекомбинируют, выделяя энергию в виде частицы – фотона и квазичастицы – фонона. Так происходит спонтанное излучение, наблюдаемое в светодиодах.

В случае с лазерным диодом вместо спонтанного необходимо запустить механизм вынужденного излучения фотонов с одинаковыми параметрами. Для этого из кристалла формируют оптический резонатор, проходя через который, фотон с заданной частотой вынуждает рекомбинировать электронные носители, что способствует появлению новых фотонов той же поляризации и фазы. Их называют когерентными.

При этом лазерная генерация возможна только в случае наличия чрезмерно большого количества электронных носителей на верхнем энергетическом уровне, высвобожденных в результате инжекции. Для этого используют ток накачки такой силы, чтобы вызвать инверсию электронных населённостей. Под этим явлением подразумевают состояние, в котором верхний уровень намного больше заселён электронами, чем нижний. В результате стимулируется излучение когерентных фотонов.

Далее такие фотоны многократно отражаются от граней оптического резонатора, провоцируя запуск положительной обратной связи. Это явление носит лавинообразный характер, в результате которого рождается лазерный луч. Таким образом, создание любого оптического генератора, в том числе лазерного диода, требует выполнения двух условий:

• наличие когерентных фотонов;
• организация положительной оптической обратной связи (ПООС).

Чтобы сформированный луч не рассеивался вследствие дифракции, прибор компонуют собирающей линзой. Тип устанавливаемой линзы зависит от вида лазера.

Режущий лазер

Инструменты и принадлежности, которые потребуются для того, чтобы изготовить лазер своими руками:

Рисунок 1. Схема лазерного светодиода.

• неисправный DVD-RW привод с рабочим лазерным диодом;
• лазерная указка или портативный коллиматор;
• паяльник и мелкие провода;
• резистор на 1 Ом (2 шт.);
• конденсаторы на 0,1 мкФ и 100 мкФ;
• аккумуляторы типа ААА (3 шт.);
• маленькие инструменты типа отвертки, ножика и напильника.

Этих материалов будет вполне достаточно для предстоящих работ.

Итак, для лазерного устройства в первую очередь необходимо подобрать DVD-RW привод с поломкой механического характера, поскольку оптические диоды должны быть в исправности. Если у вас отсутствует износившийся привод, придется приобрести его у людей, которые продают его на запчасти.

При покупке следует учитывать, что большинство приводов от производителя Samsung являются непригодными для изготовления режущего лазера. Дело в том, что эта компания выпускает DVD-приводы с диодами, которые не защищены от наружного воздействия. Отсутствие специального корпуса означает, что лазерный диод подвержен тепловым нагрузкам и загрязнению. Его можно повредить легким прикосновением руки.

Рисунок 2. Лазер из DVD-RW привода.

Оптимальным вариантом для лазера будет привод от производителя LG. Каждая модель оснащается кристаллом с различной степенью мощности. Этот показатель определяется скоростью записывания двухслойных DVD-дисков

Крайне важно, чтобы привод был именно записывающим, поскольку в нем содержится инфракрасный излучатель, который нужен для изготовления лазера. Обычный не подойдет, так как он предназначен только для считывания информации

DVD-RW со скоростью записи 16Х оснащен красным кристаллом мощностью 180-200 мВт. Привод со скоростью 20Х содержит диод мощностью 250-270 мВт. Высокоскоростные записывающие устройства типа 22Х оборудуются лазерной оптикой, мощность которой достигает 300 мВт.

Это интересно: Как работает диод и какие виды существуют — разбираем все нюансы

Виды лазерных диодов

За годы развития устройство лазерного диода претерпело множество изменений. Его конструкция совершенствовалась, во многом благодаря появлению высокотехнологичного оборудования. Высочайшая точность легирования и полировки полупроводникового кристалла, а также создание гетероструктурной модели – факторы, которые обеспечили высокий коэффициент отражения на границе «кристалл-воздух» и формирование когерентного излучения.

Первый лазерный диод (диод с гомоструктурой) имел один p-n переход и мог работать исключительно в импульсном режиме из-за быстрого перегрева кристалла. Он имеет лишь историческое значение и не применяется на практике.

Более эффективным оказался лазерный диод с двойной гетероструктурой (диод ДГС). Его кристалл создан на основе двух гетероструктур. Каждая гетероструктура – это материал (арсенид галлия и арсенид алюминия-галлия) с малой шириной запрещённой зоны, который расположен между слоями с большей шириной запрещенной зоны. Преимущество лазерного диода ДГС состоит в существенном увеличении концентрации разнополярных носителей в тонком слое, что значительно ускоряет проявление положительной обратной связи. К тому же отражение фотонов от гетеропереходов ведёт к снижению их концентрации в области низкого усиления, а значит, повышает эффективность всего устройства.

Лазерный диод с квантовыми ямами устроен по принципу диода ДГС, но с более тонкой активной областью. Это означает, что элементарные частицы, попадая в такую потенциальную яму, начинают двигаться в одной плоскости. Эффект квантования в данном случае заменяет потенциальный барьер и служит генератором излучения.

Недостаточная эффективность удержания светового потока в диодах ДГС привела к созданию гетероструктурного лазера с раздельным удержанием. В этой модели кристалл дополнительно покрывается слоем материала с каждой из сторон. Несмотря на меньший коэффициент преломления этих слоёв, они уверенно удерживают частицы, выступая в роли световода. Технология SCH занимает лидирующую позицию в производстве диодных лазеров.

Лазерный диод с распределённой обратной связью (РОС) является частью оптического оборудования в сфере построения телекоммуникационных систем. Длина волны РОС лазера является константой, что достигается путем нанесения поперечной насечки на полупроводник в области p-n-перехода. Насечка выполняет функцию дифракционной решётки, тем самым возвращая в резонатор фотоны только с одной (заданной) длиной волны. Эти когерентные фотоны и участвуют в усилении.

Поверхностно-излучающий лазерный диод с вертикальным резонатором или вертикально-излучающий лазер ВИЛ (англ. – VCSEL) в отличие от ранее рассмотренных приборов испускает луч света перпендикулярно поверхности кристалла. В основе конструкции VCSEL лежит метод использования вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами, а также достижения метода ДГС и квантовой ямы. Преимущество технологии VCSEL состоит в температурной и радиационной стабильности, в возможности группового производства кристаллов и их тестирования непосредственно на стадии изготовления.

Модификацией VCSEL является ВИЛ с внешним резонатором (англ. – VECSEL). Оба лазерных диода позиционируются как приборы высокого быстродействия с возможностью обеспечения передачи данных в будущем на скорости до 25 Гбит/с через волоконно-оптическую связь.

Что такое дальномер

Вне зависимости от великого многообразия видов и моделей, портативный дальномер — это всегда компактное устройство с автономным источником питания, измеряющее расстояние от себя до ближайшей точки, на которую направлено. По принципу работы, все бесконтактные измерительные приборы делятся на 2 группы: Активные – определяют расстояние до точки с помощью звукового, светового или лазерного луча, испускаемых прибором. Дойдя до ближайшего препятствия, фотоны света или звуковая волна, отражаются и направляются обратно к дальномеру. Чувствительный датчик мгновенно улавливает полученный сигнал, получая максимально точное время в микросекундах (мкс). Поскольку скорость звука и света общеизвестна ещё по школьным урокам физики, определение расстояния, сводиться к банальному делению.

Например, свет проходит 1 см за 29.2 мкс, а выпущенный нами луч, вернулся через 292 мкс. Следовательно, для получения расстояния, делим 292 на 29.2 и получаем 10 см, которые делятся ещё пополам, поскольку луч проходит один путь дважды (от излучателя и к нему). В результате такой элементарной формулы, определяется расстояние, выводимое на дисплей устройства.

Пассивные – производят вычисления на основе равнобедренного треугольника, где искомое расстояние является его высотой (h), а длина основания заведомо известна. Данный принцип с формулой расчета, представлен ниже и лежит в основе оптических, монокулярных, нитяных и стереоскопических дальномеров. Подобные устройства применяются в геодезии, охоте, спорте и туризме, где измерения начинаются от 500 метров и переваливают за 2 километра. В данной статье, дальномеры пассивного действия, представлены для ознакомления, как крупная группа измерительных устройств. В точных строительных работах, такие устройства, не используются.

Поскольку тема статьи посвящена разбору простых и компактных измерительных приборов для строительства, заострим внимание именно на них. Лазерный дальномер предназначен для исключительно точных измерений с погрешностью 1-3 мм, на 5-10 метров (в зависимости от модели)

Инструмент успешно используется в строительстве, монтаже и ремонте.

Принцип действия лазерной рулетки может быть основан на импульсном или фазовом методе. Первый, вычисляет расстояние на основе времени прохождения импульса от дальномера к поверхности и обратно. Фазовый метод измерения устроен сложнее и основан на различии испускаемых и принимаемых лучей. Такие дальномеры определяют расстояние немного дольше импульсных, но получают более точные показания и стоят дешевле.

Семейства, модели и их особенности

В этом разделе мы хотим представить Вам три семейства наиболее популярных в США лазерных систем — LOO, OmniBeam 2000 и OmniBeam 4000 (таблица 1). Семейство LOO является базовым и позволяет осуществлять передачу данных и голосовых сообщений на расстояние до 1000 м. Семейство OmniBeam 2000 имеет аналогичные возможности, но действует на большее расстояние (до 1200 м) и может передавать видеоизображения и комбинацию данных и речи. Семейство OmniBeam 4000 может осуществлять высокоскоростную передачу данных: от 34 до 52 Мбит/с на расстояние до 1200 м и от 100 до 155 Мбит/с — до 1000 м. На рынке представлены и другие семейства лазерных систем, но они либо покрывают меньшее расстояние, либо поддерживают меньшее количество протоколов.

Таблица 1.

Семейство	LOO	OmniBeam 2000	OmniBeam 4000
Ethernet (10 Мбит/с)	+	+	—
Token Ring (416 Мбит/с)	+	+	—
E1 (2 Мбит/с)	+	+	—
Видеоизображение	—	+	—
Комбинация данных и речи	—	+	—
Высокоскоростная передача данных (34-155 Мбит/с)	—	—	+
Возможность модернизации	—	+	+

Каждое из семейств включает в себя набор моделей, поддерживающих различные коммуникационные протоколы (таблица 2). В семейство LOO входят экономичные модели, которые обеспечивают передачу на расстояние до 200 м (буква «S» в конце наименования).

Таблица 2.

Модель	LOO-28 LOO-28S	LOO-38 LOO-38S	OB2046	OB2846	OB2000E1	OB2000E	OB4000
Поддерживаемый протокол	Ethernet IEEE802.3 FOIRL	Ethernet IEEE802.3 AUI	E1CCITT G.703 DA-15	Ethernet IEEE802.3 FOIRL и E1 CCITT G.703 DA-15	E1 CCITT G.703 DA-15	Ethernet IEEE802.3 FOIRL	Е3; SONET1/OC1; ATM52; Fast Ethernet 802.3U; FDDI; SONET3/OC3; ATM155

Несомненным достоинством лазерных устройств связи является их совместимость с большинством телекоммуникационного оборудования различного назначения (концентраторов, маршрутизаторов, повторителей, мостов, мультиплексоров и АТС).

Изобретения 20 века, перевернувших нашу жизнь

Люди с древних времен пытались воплотить в реальность сны и фантазии, чтобы упростить и разнообразить свой быт. Мы перечислим несколько изобретений 20 века, которые изменили привычный взгляд на жизнь.1. Рентгеновские лучи

КВНовская шутка гласит, что рентген изобрел дьяк Иванов, говоривший жене: «Я тебя, стерва, насквозь вижу». На самом деле, электромагнитное излучение было открыто в конце XIX века немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Включив ток в катодной трубке, ученый заметил, что лежащий рядом бумажный экран, покрытый кристаллами платиноцианистого бария, издает зелёное свечение

По другой версии, жена принесла Рентгену ужин, и когда она ставила тарелку на стол, ученый обратил внимание, что её кости просвечивают сквозь кожу. Достоверно известно, что Вильгельм долгое время отказывался получать патент на изобретение, не считая свои исследования полноценным источником доходов

Рентгеновские лучи можно смело причислить к открытиям 20 века.

2. Самолет

С древних времен люди пытались создать летательный аппарат и подняться над землей. Но только в 1903-м году американским изобретателям братьям Райт удалось успешно испытать свой «Флайер – 1», оснащенный двигателем. Он находился в воздухе целых 59 секунд и пролетел над долиной Китти-Хоук 260 метров. Это событие считается моментом зарождения авиации. Сегодня без самолетов невозможно представить ни развитие бизнеса, ни отдых. «Стальные птицы» по-прежнему остаются самым быстрым видом транспорта.

3. Телевидение

Не так давно телевизор считался престижной вещью, подчеркивающей статус владельца. В разное время над его разработкой трудились многие умы. Еще в XIX веке португальский профессор Адриано Де Пайва и русский изобретатель Порфирий Бахметьев независимо друг от друга выдвинули идею первого устройства, способного передавать изображение по проводам. В 1907 году Макс Дикманн продемонстрировал первый телевизионный приемник с экраном размером 3х3. В том же году профессор Петербургского технологического института Борис Розинг доказал возможность применения катодно-лучевой трубки для преобразования электрического сигнала в видимое изображение. В 1908 году армянский физик Ованес Адамян получил патент на двуцветный аппарат для передачи сигналов. В конце 20-х годов 20-го века в Америке был разработан первый телевизор, собранный русским эмигрантом Владимиром Зворыкиным. Ему удалось разбить световой луч на синий, красный и зеленый цвета и получить цветное изображение. Свой образец он назвал «иконоскопом». Однако на Западе «отцом телевидения» считают шотландца Джона Лоджи Берда, который запатентовал устройство, создающее изображение из восьми линий.

Использование в медицине

Применение лазерного излучения в медицине — это самый настоящий прорыв в терапии больных, которые нуждаются в хирургической операции. Лазерный луч также используют в качестве инструмента хирурга.

С помощью скальпеля лазерного типа врач создает бескровные разрезы, что обеспечивается моментальным спаиванием капилляров и кровеносных сосудов. Кроме того, пользуясь подобным инструментарием у специалиста есть возможность видеть всю рабочую зону. Лазерный пучок рассекает кожный покров удаленно, не имея прямого контакта с сосудами и органами.

Читать также Состав солнечной радиации и влияние на здоровье человека

При этом достигается стерильность. Высокая концентрация лазера дает возможность производить хирургические вмешательства с минимальными показателями травматизации. Больные после таких операций намного быстрее восстанавливаются, то есть трудоспособность возвращается намного быстрее. Кроме того, манипуляции лазерным скальпелем не приносят никакого дискомфорта после операции.

Реакция и степень поглощения лучей кожным покровом зависят от его типа. Лазерные приборы позволяют регулировать длину волы для каждой отдельной ситуации. Применение:

• терапия угревых высыпаний;
• эпиляция — удаление излишней растительности и разрушение фолликула волоса;
• устранение родимых пятен и пигментации;
• обеззараживание при бактериальном воздействии;
• препятствует дальнейшему распространению инфекции.

Одной из самых первых отраслей, где начал активно применяться лазер, является офтальмология. Глазная микрохирургия выделяет следующие направления, при которых используется этот вид облучения:

• фотодеструкция — иссечение тканей;
• метод лазерной коагуляции — применение термосвойств для терапии болезней глазных сосудов;
• фотоабляция — равномерное удаление тканевых волокон, применяется для снятия помутнения роговицы и в качестве послеоперационной терапии глаукомы;
• фотоиспарение — продолжительное термическое воздействие, используется при конъюнктивите и воспалениях глазного нерва;
• лазерная стимуляция — польза в том, что эта технология обладает рассасывающим и противовоспалительным эффектом, используется для лечения гемофтальмов и склеритов.

Помимо всего прочего, лазер применяется и при онкологических патологиях кожного покрова. Очень хорошие результаты он демонстрирует при устранении меланобластомы. В некоторых случаях лазерная технология применяется для терапии рака ЖКТ начальных стадий. Однако лазер не эффективен при наличии метастаз и глубокой локализации злокачественного образования.

Лазерные диоды:

Лазерные диоды — полупроводниковые лазеры, построенные на базе диода. В отличие от светоизлучающих диодов, работа которых основана на спонтанном излучении фотонов, лазерные диоды имеют более сложный принцип действия и структуру кристалла.

Рис. 1. Лазерные диоды

Лазерные диоды в своем строении имеют кристалл полупроводника, который выполнен в виде тонкой пластинки. Чтобы из пластинки сделать полупроводниковый электронный компонент, его легируют с двух сторон таким образом, чтобы с одной стороны получилась n-область, а с другой – p-область.

Для того чтобы запустить механизм вынужденного излучения фотонов с одинаковыми параметрами из кристалла формируют оптический резонатор: две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей. Случайный фотон спонтанного излучения, проходя вдоль резонатора, будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые фотоны с теми же параметрами, запуская механизм вынужденного излучения.

Рис. 2. Устройство лазерного диода

Вследствие дифракции, выходящий из кристалла полупроводника когерентный свет рассеивается, поэтому для формирования узконаправленного пучка применяются собирающие линзы.

Основными материалами, используемыми при производстве лазерных диодов, являются арсенид галлия GaAs, арсенид галлия алюминия AlGaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, нитрид галлия индия InGaN и другие.

А, если вам нужны запчасти для мобильных телефонов, ноутбуков или планшетов, то на сайте optnb.ru, вы можете купить соответствующие детали.

Первый вариант сборки

В данной ситуации необходимо использовать следующую схему сборки устройства на основе лазерного диода, извлеченного из DVD-RW привода.

Схема сборки

Минусом такой схемы является наличие ситуации проседания напряжения аккумулятора в момент разрядки, что вызывает линейное падение степени яркости лазера.
Чтобы собрать лазерную установку по приведенной схеме, нужен не только диод, но и конденсаторы с любым напряжением (от 3В). На схеме они отмечен значком C1 и С2. Емкость первого конденсатора должна быть 0,1 мкФ, а второго – 100 мкФ. Они защитят диод от статического электричества, а также обеспечат плавный переход процессов.
Когда конденсаторы были подсоединены к лазерному источнику света, с выводом можно будет снять проволоку. При соединении к диоду один из выводов на корпус будет подавать минус. В тоже время второй вывод будет плюсом, а третий – не применяется. Расположение плюсов достаточно хорошо показано на второй схеме, которая будет описана ниже.
Стоит знать, что на корпус некоторых диодов подается плюс (например, у 808нм лд). Для сдвоенных моделей характерно наличие среднего вывода для общего минуса (G), а крайний – C для питания DVD, CD, D.
Запитать такую схему можно от мобильного аккумулятора или 3 аккумулятора АА.

При этом ток также может иметь отличные значения. К примеру, при соответствующих скоростях записи DVD-RW привода, лазерный диод может иметь следующие значения таких параметров, как мощность и ток:

• при скорости 16 мощность составит 200мВт, а ток — 250-260мА;
• при скорости 18 мощность составит 200мВт, а ток — 300-350мА;
• при скорости 20 мощность составит 270мВт, а ток — 400-450мА;
• при скорости 22 мощность составит 300мВт, а ток — 450-500мА;
• при скорости 24 мощность составит 300мВт, а ток — 450-500мА.

Инфракрасный диод

Инфракрасный диод CD-RW привода будет иметь мощность в 100-200мВт. Для сравнения, фиолетовый в BLU-RAY RW — от 60 до 150мВт, а в не пишущих моделях -15 мВт.Перед сборкой данной схемы, при использовании лазерного диода DVD привода, необходимо узнать, какое сопротивление требуется для резистора R1.
Для этого можно использовать формулу R1=(Uвх.-Uпад.)/I , в которой:

• Uвх. – напряжение, идущее от аккумулятора;
• Uпад. — падение напряжения, которое принимает диод. Красный диод должен примерно иметь Uпад. равное 3 В. Такое напряжение пойдет для маломощного не пишущего DVD привода. Для инфракрасного диода Uпад. составит примерно 1,9 В, а для фиолетового или синего – 5,5 В и 4-4,4 В соответственно;
• I — сила тока. Ее можно узнать из специальной таблицы.

При сборке лазера многие специалисты рекомендуют использовать резисторы большего сопротивления, чем получилось при расчетах. Это позволит защитить полупроводник от тока чрезмерного значения. Используя мультиметр, далее можно будет уменьшить сопротивление.

Классификация лазерных установок:

В лазерном пучке концентрируется высокая энергия и потому существует опасность повредить зрение при неосторожном обращении с лазерами. Существует классификация опасности лазерных установок в соответствии с EN60825-1 рисунок №1

Рисунок №1 – Классификация опасности лазерных установок

При работе с лазерными диодами нужно СТРОГО СОБЛЮДАТЬ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ. Нельзя направлять луч лазера прямо в глаза, это может привести к полной или частичной потере зрения. Не давайте вашу лазерную установку детям, не оставляйте её в легкодоступных местах! Исключайте возможность не санкционированного (случайного) включения лазера, используйте ваше творение только в мирных целях. Одевайте защитные очки при настройке и работе с ним.

Классификация драйверов

На данный момент существует два основных типа драйверов, которые можно подключить к нашему полупроводнику:

импульсный драйвер. Представляет собой частный случай преобразователя напряжения импульсного характера. Он может быть как понижающим, так и повышающим. У них входная мощность приблизительно равна выходной. При этом имеется незначительное преобразование энергии в тепло. Упрощенная схема импульсного драйвера имеет следующий вид;

Упрощенная схема импульсного драйвера

линейный драйвер. На такой драйвер схема обычно подает больше напряжения, чем требует полупроводник. Для его гашения необходим транзистор, который лишнюю энергию будет выделять с теплом. Такой драйвер имеет небольшой КПД, в связи с чем его используют крайне редко.

Обратите внимание! При использовании линейных микросхем-стабилизаторов интегрального плана при падении входного напряжения на диоде ток будет уменьшаться

Схема линейного драйвера

В связи с тем, что питание любого лазерного диода может осуществляться через два разных типа драйверов, то схема подключения будет различаться.

Особенности полупроводника и его подсоединения

От led диода лазерная модель отличается очень маленькой площадью кристалла. В связи с чем наблюдается значительная концентрация мощности, что приводит к кратковременному превышению значения тока в переходе. Из-за этого такой диод может легко перегореть. Поэтому, чтобы лазерный диод прослужил как можно дольше, необходима специальная схема – драйвер.

Красный лазерный диод

Но, даже если используют драйвер, диод нельзя подключать к нему. Здесь необходим еще «датчик тока». В его роли часто выступает общий провод низкоомного резистора, который включается в разрыв между этими деталями. В результате схема имеет один существенный недостаток — минус питания оказывается «оторван» от минуса, имеющегося в питании схемы. Кроме этого данная схема имеет еще один минус — на токоизмерительном резисторе происходит потеря мощности.
Собираясь подключить лазерный диод, необходимо понимать, к какому драйверу его следует подключать.

Паровой двигатель, XVII век

Первая машина, которую в действие приводил пар, датируется XVII столетием. Французский физик и математик Дени Папен построил свой тепловой двигатель внешнего сгорания в 1690 году.

Созданная Папеном машина являлась цилиндром с поршнем, который поднимал горячий пар. А за спуск отвечало давление атмосферы после сгущения выполнившую свою задачу пара. Нагревание и конденсат газа позволяли осуществить полезную работу.

Надо сказать, что эта конструкция инженеру была подсказана немецким математиком Лейбницем. Но именно Папен скомпоновал воедино все нужные элементы и первым применил предохранительный клапан для работы двигателя.

Сегодня такая конструкция может показаться незатейливой, но именно она и породила промышленную революцию. Открывшиеся заводы, фабрики и мельницы перестали быть зависимыми от энергии воды и ветра. На море появились пароходы, а на суше – паровозы, корабли стали расти в размерах. Со временем эти машины сменились двигателями внутреннего сгорания, но сила пара человечеством активно используется. Например, горячий газ работает на электростанциях.

Как подключить лазерный диод

Питать лазерный диод можно при помощи:

1. Батарей;
2. Аккумуляторных источников питания;
3. Стационарных сетей на 220 В (при соответствующей защите от перепадов тока и напряжения).

Подключение лазерного диода к сети на 220 вольт опасно выбросами напряжения и высокочастотными всплесками. Чтобы обеспечить в защиту при данном варианте, потребуется конструкция, включающая в себя:

• Стабилизатор напряжения;
• Конденсатор;
• Токоограничивающие резисторы;
• Лазерный диод.

При использовании всех приведённых компонентов можно гарантировать безопасность эксплуатации диода.

Рис 4 Одно из подключений лазерного диода

Виды лазерных диодов

Конструкция лазерного диода, описанная выше, имеет название «Диод с n-p гомоструктурой», смысл которого станет понятен чуть позже. Такие диоды крайне неэффективны. Они требуют такой большой входной мощности, что могут работать только в импульсном режиме; в противном случае они быстро перегреваются. Несмотря на простоту конструкции и историческую значимость, на практике они не применяются.

Лазеры на двойной гетероструктуре

В этих устройствах, слой материала с более узкой запрещённой зоной располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещённой зоной. Чаще всего для реализации лазера на основе двойной гетероструктуры используют арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Каждое соединение двух таких различных полупроводников называется гетероструктурой, а устройство — «диод с двойной гетероструктурой» (ДГС). В англоязычной литературе используются названия «double heterostructure laser» или «DH laser». Описанная в начале статьи конструкция называется «диод на гомопереходе» как раз для иллюстрации отличий от данного типа, который сегодня используется достаточно широко.

Преимущество лазеров с двойной гетероструктурой состоит в том, что область сосуществования электронов и дырок («активная область») заключена в тонком среднем слое. Это означает, что много больше электронно-дырочных пар будут давать вклад в усиление — не так много их останется на периферии в области с низким усилением. Дополнительно, свет будет отражаться от самих гетеропереходов, то есть излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления.

Диод с квантовыми ямами

Если средний слой диода ДГС сделать ещё тоньше, такой слой начнёт работать как квантовая яма. Это означает, что в вертикальном направлении энергия электронов начнёт квантоваться. Разница между энергетическими уровнями квантовых ям может использоваться для генерации излучения вместо потенциального барьера. Такой подход очень эффективен с точки зрения управления длиной волны излучения, которая будет зависеть от толщины среднего слоя. Эффективность такого лазера будет выше по сравнению с однослойным лазером благодаря тому, что зависимость плотности электронов и дырок, участвующих в процессе излучения, имеет более равномерное распределение.

Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием

Основная проблема гетероструктурных лазеров с тонким слоем — невозможность эффективного удержания света. Чтобы преодолеть её, с двух сторон кристалла добавляют ещё два слоя. Эти слои имеют меньший коэффициент преломления по сравнению с центральными слоями. Такая структура, напоминающая световод, более эффективно удерживает свет. Эти устройства называются гетероструктурами с раздельным удержанием («separate confinement heterostructure», SCH)

Большинство полупроводниковых лазеров, произведённых с 1990-го года, изготовлены по этой технологии.

Лазеры с распределённой обратной связью

Лазеры с распределённой обратной связью (РОС) чаще всего используются в системах многочастотной волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать длину волны, в районе p-n перехода создаётся поперечная насечка, образующая дифракционную решётку. Благодаря этой насечке, излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор и участвует в дальнейшем усилении. РОС-лазеры имеют стабильную длину волны излучения, которая определяется на этапе производства шагом насечки, но может незначительно меняться под влиянием температуры. Такие лазеры — основа современных оптических телекоммуникационных систем.

VCSEL

VCSEL — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — полупроводниковый лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности.

VECSEL

VECSEL — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором». Аналогичен по своему устройству VCSEL, но имеющий внешний резонатор. Может исполняться как с токовой, так и с оптической накачкой.

Как выбрать лучший дисковод?

Перед тем как перейти непосредственно к инструкции, которая объясняет, как сделать лазер, мы поговорим о свойствах дисковода, от которых будут зависеть характеристики нашего устройства.

1. Устройство должно иметь функцию записи дисков, иначе у вас ничего не получится.
2. Желательно чтобы дисковод был не рабочим, в идеале — механическая неполадка. Можете взять у друга не нужный девайс.
3. Берите очень быстрый дисковод, чем быстрее тем больше будет мощность лазера.

Кроме этого вам понадобятся некоторые детали: резисторы, батарейки, конденсаторы. В процессе изготовления лазера вы столкнетесь с необходимостью паяния схемы, так что запаситесь паяльником, канифолью и припоем.

Итак, вы подобрали ненужный дисковод и готовы к изготовлению лазера. Ниже мы представим инструкцию по изготовлению:

1) Начинайте разбирать дисковод. Открутите крышку, чтобы вы могли увидеть модуль, который отвечает за работу записывающего устройства.

2) Вытащите его и аккуратно отсоедините лазерный модуль, а с него извлеките записывающую головку. Для этого лучше всего использовать пинцет — с его помощью вы легко сможете «выкрутить» головку (она просто очень хорошо сидит и ее легко повредить).

3) Перед тем как вы будете вытаскивать модуль, вам потребуется закоротить все его выводы. Для этого можно использовать медный провод, который потом останется. Если вы все правильно сделаете, то у вас должно получится что-то на подобии такого, как показано на рисунке.

4) После этого вам придется спаять небольшую схему, в которой будет один резистор, два конденсатора, выключатель и батарейка. Зачем эта схема? Она нужно для того, чтобы модуль не перегорел. Батарейку можно взять на 3,6 вольта. Номинал сопротивления может колебаться в пределах от двух до пяти ом. С этими элементами у вас не должно возникнуть проблем. Труднее будет с конденсаторами, так как один из них — полярный (тот что на 2200 нФ). Когда вы будете его запаивать, главное не перепутать полярность, иначе он может взорваться. Второй конденсатор — обыкновенный и с ним проблем мне возникнет. Внизу, на рисунке, вы видите схему.

5) Паять схему не сложно, и вы можете даже не заморачиваться и делать все в виде навесного монтажа. Так вы точно сэкономите силы и время.

6) В качестве источника в 3,7 вольт можно воспользоваться двумя батарейками с мобильных телефонов, которые надо подключить параллельно — это увеличить их общий заряд. В принципе, лазер готов, но перед пробным запуском вам нужно обезопасить свое зрение. Поэтому, если у вас нет специальных защитных очков, то лучше не наводить лазерный пучок в глаза другим людям. 7) Закончив с вопросами безопасности, вы можете включить лазер. Стоит отметить, что первый запуск вас ничем не удивит. Максимум что вы получите — это просто свет. Поздравляем вас — вы сделали фонарик. Но как превратить его в лазер?

Проблема в том, что у нас получился не фокусированный луч. Для того чтобы превратить его в настоящий лазер, вам потребуется линза. Такую линзу можно достать с компьютерного привода.

9) Прикрепив ее к нашему лазеру все пойдет намного лучше. Правда, проблема остается — это отсутствие нормального корпуса.

10) В качестве корпуса под наше устройство вы можете использовать уже готовые вещицы. Например, прекрасно подойдет корпус от лазерной указки, маленького фонарика и подобные вещи. Впрочем, если вам нравится сам процесс изготовления, то вы можете сделать его самостоятельно. Для таких целей прекрасно подойдет алюминиевый профиль. Подстроив линзу, вы сможете получить хорошо сфокусированный луч, который может плавить тонкую пластмассу и даже поджигать спички.

Мы надеемся, что наша инструкция о том, как сделать лазер из дисковода, вам пригодится и заинтересует. Удачи вам и успехов!