Лазерные лучи: Лазер, принцип действия и его устройство

Содержание

Что такое лазер? Принцип работы и применение.

Сложно в наше время найти человека, который никогда не слышал бы слова «лазер», однако чётко представляют, что это такое, весьма немногие.
Что такое лазер? Принцип работы и применение.
За полвека с момента изобретения лазеры разных видов нашли применение в широком спектре направлений, от медицины до цифровой техники. Так что же такое лазер, каков принцип его действия, и для чего он нужен?

Что такое лазер?

Возможность существования лазеров была предсказана Альбертом Эйнштейном, который ещё в 1917 году опубликовал работу, говорящую о возможности излучения электронами квантов света определённой длины. Это явление было названо вынужденным излучением, но долгое время оно считалось нереализуемым с технической точки зрения.

Однако с развитием технических и технологических возможностей создание лазера стало делом времени. В 1954 году советские учёные Н. Басов и А. Прохоров получили Нобелевскую премию за создание мазера – первого микроволнового генератора, работающего на аммиаке. А в 1960 году американец Т. Мейман изготовил первый квантовый генератор оптических лучей, названный им лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Устройство преобразовывает энергию в оптическое излучение узкой направленности, т.е. световой луч, поток квантов света (фотонов) высокой концентрации.

Принцип функционирования лазера

Явление, на котором основана работа лазера, называется вынужденным, или индуцированным, излучением среды. Атомы определённого вещества могут испускать фотоны под действием других фотонов, при этом энергия воздействующего фотона должна быть равной разности между энергетическими уровнями атома до излучения и после него.

Излучённый фотон является когерентным тому, который вызвал излучение, т.е. в точности подобен первому фотону. В результате слабый поток света в среде усиливается, причём не хаотично, а в одном заданном направлении. Образуется луч вынужденного излучения, которое и получило название лазера.

Классификация лазеров

По мере исследования природы и свойств лазеров были открыты различные виды этих лучей. По виду состояния исходного вещества лазеры могут быть:

  • газовыми;
  • жидкостными;
  • твердотельными;
  • на свободных электронах.

Что такое лазер? Принцип работы и применение.
В настоящее время разработано несколько способов получения лазерного луча:

  • при помощи электрического тлеющего либо дугового разряда в газовой среде – газоразрядные;
  • при помощи расширения горячего газа и создания инверсий населённости – газодинамические;
  • при помощи пропускания тока через полупроводник с возбуждением среды – диодные или инжекционные;
  • путём оптической накачки среды лампой-вспышкой, светодиодом, другим лазером и т. д.;
  • путём электронно-лучевой накачки среды;
  • ядерной накачкой при поступлении излучения из ядерного реактора;
  • при помощи особых химических реакций – химические лазеры.

Все они обладают своими особенностями и отличиями, благодаря которым находят применение в различных сферах промышленности.

Практическое использование лазеров

На сегодняшний день лазеры разных типов применяются в десятках отраслей промышленности, медицины, IT технологий и других сферах деятельности. С их помощью осуществляются:

  • резка и сварка металлов, пластмасс, других материалов;
  • нанесение изображений, надписей и маркировка поверхности изделий;
  • сверление сверхтонких отверстий, прецизионная обработка полупроводниковых кристаллических деталей;
  • формирование покрытий изделий напылением, наплавкой, поверхностным легированием и т.д.;
  • передача информационных пакетов при помощи стекловолокна;
  • выполнение хирургических операций и других лечебных воздействий;
  • косметологические процедуры омоложения кожи, удаления дефектных образований и др.;
  • наведение на цель различных видов вооружений, от стрелкового до ракетного оружия;
  • создание и использование голографических методов;
  • применение в различных научно-исследовательских работах;
  • измерение расстояний, координат, плотности рабочих сред, скорости потоков и многих других параметров;
  • запуск химических реакций для проведения различных технологических процессов.

Что такое лазер? Принцип работы и применение.
Существует ещё немало направлений, в которых лазеры уже используются или найдут применение в самое ближайшее время.

Лазерное излучение — красный и зеленый лазер, безопасность лазеров

Лазер — акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что дословно переводится «усиление света посредством вынужденного излучения» — это устройство, преобразующее энергию накачки в энергию узконаправленного потока излучения.

Существует большое количество различных типов лазеров. Их можно разделять на группы по источнику накачки, рабочему телу, области применения. Т.к. в данной статье лазеры будут рассмотрены в контексте безопасности работы с лазерными нивелирами и дальномерами, то внимание будет обращено на такие параметры, как рабочая длина волны (нм) и мощность излучения (мВт).

Длина волны, если она находится в видимом диапазоне, обуславливает цвет лазерного луча. Мощность излучения обуславливает яркость луча, те или иные возможности (прицеливание, демонстрация оптических эффектов, считывание штрих-кодов, резка и сварка материалов, лазерная хирургия, накачка других лазеров).

Излучение в лазерных нивелирах и дальномерах работает как обычная лазерная указка — портативный генератор когерентных и монохроматических электромагнитных волн видимого диапазона в виде узконаправленного луча. Изготавливается на основе красного лазерного диода, который излучает в диапазоне 635-670 нм. Мощность их излучения не превышает 1,0 мВт.

Безопасность лазеров



Лазерное излучение представляет существенную опасность для глаз, так как это излучение хорошо фокусируется хрусталиком на сетчатке глаза. В то же время бытовые лазерные приборы имеют малую ширину пучка, что обеспечивает высокую поверхностную плотность энергии в поперечном сечении луча. Именно высокая плотность энергии и может вызвать ожоги и другие повреждения. Лазеры большей мощности способны вызывать поражения глаз даже рассеянным излучением. Прямое, а в некоторых случаях и рассеянное излучение такого лазера способно вызывать ожоги кожи (вплоть до полного разрушения) и представляет пожарную опасность.

Существует несколько классификаций опасности лазеров, которые, однако, весьма похожи. Ниже приведена наиболее распространенная международная классификация.







Класс 1

Лазеры и лазерные системы очень малой мощности, не способные создавать опасный для человеческого глаза уровень облучения. Излучение систем класс 1 не представляет никакой опасности даже при долговременном прямом наблюдении глазом. К классу 1 относятся также лазерные устройства с лазером большей мощности, имеющие надежную защиту от выхода луча за пределы корпуса
Класс 2

Маломощные видимые лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если специально смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы. Лазеры с невидимым излучением не могут быть классифицированы как лазеры 2-го класса. Обычно к классу 2 относят видимые лазеры мощностью до 1 мВт
Класс 2a

Лазеры и лазерные системы класса 2a, расположенные и закрепленные таким образом, что попадание луча в глаз человека при правильной эксплуатации исключено
Класс 3a

Лазеры и лазерные системы с видимым излучением, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении кратковременного периода (как правило, за счет моргательного рефлекса глаза). Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп). Обычно ограничены мощностью 5 мВт. Во многих странах устройства более высоких классов в ряде случаев требуют специального разрешения на эксплуатацию, сертификации или лицензирования
Класс 3b

Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча. Лазер относится к классу 3b, если его мощность более 5 мВт
Класс 4

Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами ( < 0,25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющиеся и горючие материалы

Требования к конструкции и техническим характеристикам, правила безопасной работы и способы защиты от лазерного излучения на территории Республики Беларусь регламентируются СанПиН 2.2.4.13-2-2006 «Лазерное излучение и гигиенические требования при эксплуатации лазерных изделий» и СТБ IEC 60825-1-2011 «Безопасность лазерных изделий. Часть 1. Классификация оборудования и требования» — национальный стандартом Республики Беларусь, который является идентичным международному стандарту IEC.

Значительная часть производимой в мире лазерной техники выпускается и маркируется в соответствие с нормами, опубликованными американской организацией «Center for Devices and Radiological Health» (CDRH).

Лазерные нивелиры и дальномеры являются лазером класса 2 в соответствии с данной классификацией, что позволяет использовать их выполняя следующие меры предосторожности:

— не смотрите на лазерный луч, лазерный луч может повредить глаза, даже если Вы смотрите на него с большого расстояния;

— не направляйте лазерный луч на людей и животных;

— лазер должен быть установлен выше уровня глаз;

— используйте прибор только для замеров;

— не вскрывайте прибор;

— держите прибор в недоступном для детей месте;

— не используйте прибор вблизи взрывоопасных веществ.

Зеленый лазер



Когда в 2007 году у производителей появилась возможность использовать зеленые диоды, то все думали, что зеленый лазер неминуемо в скорости полностью заменит красный. Прошло 7 лет, и что же мы видим? У редких производителей среди всей линейки остались 1-2 модели с зеленым лазером. Зеленому лазеру не удалось сместить лазер красный. Возможно, он не дал того эффекта, которого от него ждали.

Чтобы разобраться, необходимо обратиться к физической стороне вопроса и выяснить, в чем различия и сходства красного и зеленого луча.

Устроены зеленые лучи более сложно: первый лазер, инфракрасный, длиной волны 808 нм, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение с длиной волны 1064 нм. Оно попадает на кристалл «удвоителя частоты» — и получается 532 нм.


Главный плюс зеленых лазеров – 532 нм очень близко к максимальной чувствительности глаза, и как точка или плоскость, так и сам луч очень хорошо видны. Даже 5мВт зеленый лазер светит ярче, чем 200мВт красный (на фото). Однако у зеленых лазеров есть и большая опасность. Излучение 1064 нм сфокусировано почти так же, как и зеленое и представляет основную опасность при попадании в глаз на большой дистанции, тогда как излучение 808 нм сильно расфокусировано и опасно только на расстоянии нескольких метров. Иными словами, поражающая способность зеленого лазера для глаза намного больше, чем кажется.

В некоторых лазерах есть инфракрасный фильтр, но это значительно увеличивает цену прибора, значит может присутствовать только в дорогих моделях. Так же стоит заметить, что зеленые диоды, устройства которые излучают зеленый луч, значительно дороже при производстве (в несколько раз по причине большего числа брака по сравнению с красным). А рабочий ресурс зеленого диода значительно ниже. Суммарно это отражается на конечной стоимости нивелира лазерного. В итоге получается следующая картина. Нивелир лазерный с зеленым лучом строит проекции, которые лучше видны, ресурс такого прибора ниже, стоимость выше (порой у один производитель за одинаковые модели отличающиеся лишь лазером выставляет цену отличающуюся в 1,5-2 раза).

Следует отметить, что по заявленным производителями нивелиров характеристикам мощность такого лазера до 2,7 мВт (у красного до 1,0 мВт), а безопасность по классу 3 (у красного 2).

Подведем итог, зеленый цвет лазера действительно лучше виден в условиях дневного света, чем красный, но нельзя забывать о том, что он значительно небезопаснее и неоправданно дорог.

Лазерный луч: как создавали устройство с бесконечными возможностями

Первый источник электромагнитного излучения, работающий на переходах молекулы аммиака, испускал волну света длиной 1,25 сантиметра. Устройство назвали «мазер», сократив фразу «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation). Предшественник лазера создали одновременно и независимо две научные группы — в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР под руководством Николая Басова и Михаила Прохорова и в Колумбийском Университете в США под руководством Чарльза Таунса. 

«Обе группы предложили и создали аммиачный мазер в самом деле одновременно, о чем и свидетельствует Нобелевская премия. Поразительно, что при огромной разнице стартовых условий — мирная жизнь в США и военные и послевоенные годы в СССР — научные группы все же «сравняли счет» и одновременно сделали открытие, вознагражденное согласно его значимости», — делится воспоминаниями доктор физико-математических наук Иосиф Зубарев, профессор кафедры лазерной физики НИЯУ МИФИ, работавший вместе с Николаем Басовым. 

Собственно, лазер (сокращение от фразы light amplification by stimulated emission of radiation, что по-русски означает «усиление света посредством вынужденного излучения») появился на свет лишь спустя шесть лет после создания мазера. Это время было потрачено на поиск материалов и технологий, которые позволили достичь диапазона волн лазерного излучения — от 0,1 до 1000 микрометров. 

«Шестнадцатого мая 1960 года в Лаборатории Хьюза (Калвер-Сити, Калифорния, США) физик Теодор Мейман реализовал условия для возникновения вынужденного излучения. Ученый использовал импульсную газоразрядную лампу, окружающую кристалл рубина длиной 1,5 сантиметра и около одного сантиметра в поперечнике. Спектр излучения рубина немного сузился, что свидетельствовало о вынужденном излучении света. Это было днем рождения лазера», — комментирует Андрей Кузнецов, исполняющий обязанности директора Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ.

Николай Басов, выпускник МИФИ, известного раньше как Московский механический институт, организовал и возглавил там в 1978 году кафедру квантовой электроники. С 2016 года работу, начатую нобелиатом, продолжают в Институте лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ, объединившем несколько кафедр. 

Группа теоретиков ЛаПлаз и университета Бордо в 2015-2017 годах предсказала возможность создания сверхмощными лазерными импульсами магнитных полей с напряженностью до сотен миллионов Гаусс и выше, «вмороженных» в плазму. Такие поля на порядки превышают достижимые в настоящее время другими методами. Способ генерации основан на взаимодействии с мишенями особенной геометрии, устроенной таким образом, что токи ускоренных лазерным излучением частиц образуют мощнейший соленоид.

Что такое лазер?

Лазер — это устройство, создающее узкий пучок интенсивного света. В работе лазера используется свойство электронов атома занимать только определенные орбиты вокруг своего ядра. Когда атом получает квант энергии, он может перейти в возбужденное состояние, которое характеризуется перемещением электронов с самой низкой энергетической орбиты (так называемый основной уровень) на орбиту с более высоким энергетическим уровнем.

Однако электроны не могут долго оставаться на орбите с высокой энергией и самопроизвольно возвращаются на основной уровень, при этом каждый такой электрон испускает фотон (световую волну). Процесс, начавшийся в одном атоме, запускает цепную реакцию перехода электронов других атомов на более низкие энергетические орбиты, в результате чего образуется лавина одинаковых световых волн, согласованно изменяющихся во времени. Эти волны формируют световой луч, который у некоторых лазеров имеет столь высокую мощность, что может резать камни и металлы. Изобретенные в 1960 году, лазеры имеют сейчас очень широкую сферу применения, начиная от медицины (для удаления опухолей) и заканчивая музыкой (для записи и считывания сигналов на компакт-дисках).

Твердотельный лазер

Типичный лазер состоит из трубки с твердым кристаллом, например, рубином (рисунок сверху), закрытой с торцов непрозрачным и частично прозрачным зеркалами. Электрическая обмотка возбуждает атомы кристалла для генерации световых волн, которые перемещаются между зеркалами до тех пор, пока не станут достаточно интенсивными, чтобы пройти через частично прозрачное зеркало.

Создание лазерного луча

1. Электроны каждого атома {на рисунке справа черные точки на внутренних окружностях) в выключенном лазере находятся на основном энергетическом уровне.

2. Сразу же после включения лазера энергия из разрядной трубки переводит электроны на более высокие энергетические орбиты {внешние окружности).

3. Когда электроны начинают возвращаться на основной уровень, они испускают свет, побуждая другие электроны делать то же самое. Результирующий световой пучок имеет одну длину волны и, по мере возвращения новых электронов на низкие орбиты, становится все более мощным.

Более резкий фокус

1. Лазерное излучение (один цвет) 2. Естественный свет (много цветов)

Лазерный пучок содержит свет только одной длины волны и может быть сфокусирован линзой практически в точку (рисунок справа). Естественный свет, состоящий из лучей с различными длинами волн, так резко не фокусируется (дальний рисунок справа). Способность концентрировать огромную энергию в узком луче и передавать этот луч на большие расстояния практически без рассеяния и ослабления, характерных для многоцветного света, делает лазер важнейшим инструментом в руках человека.

Лазерное освещение — луч, указывающий дорогу в будущее / Статьи и обзоры / Элек.ру

Применение лазеров охватывает значительную часть деятельности человека. Лазер является источником света с уникальными свойствами, тем не менее он долго не применялся для освещения. И вот, наконец, удалось создать образец системы освещения на основе лазера, которая пригодна для массового производства. О том, как работает лазерное освещение, его преимуществах и недостатках, пойдет речь в настоящей статье.

На выставке потребительской электроники CES 2019, прошедшей в январе 2019 года в Лас-Вегасе, была представлена автомобильная фара на основе лазера. Такие продукты в виде опытных продуктов демонстрировались и ранее, например, в 2014 году. Но на этот раз интрига была, во-первых, в том, что наконец-таки был представлен продукт, готовый к серийному производству, во-вторых, он имел принципиально новый функционал (дальность действия до 1 км, поддержка технологии передачи данных световым лучом Li-Fi) и, в-третьих, в проекте принял участие нобелевский лауреат Сюдзи Накамура, один из создателей светодиодов белого свечения.

Возможности лазера

Свойства лазерного луча действительно удивительны. Вы можете сфокусировать его, получив на большом расстоянии световое пятно малого размера. Лазером можно резать металлические листы. Наконец, лазеры применяются в медицине, как для проведения операций, так и для безоперационного лечения.

Чтобы понять, чем обусловлены возможности лазера, сравним его с некоторыми видами источников излучения, применяемых для освещения. Для этого вспомним, что свету свойственен так называемый корпускулярно-волновой дуализм: он одновременно представляет собой как электромагнитную волну, так и поток мельчайших частиц (фотонов).

Излучение лампы накаливания состоит из бесконечно большого числа составляющих с разной длиной волны в широком спектре. Излучение светодиода определенного цвета (не белого) состоит из бесконечно большого числа составляющих в относительно узком спектре. Длину волны, на которой приходится максимум спектральной плотности, принято считать длиной волны излучения светодиода. Газоразрядные источники низкого давления дают спектр, состоящий из одной или нескольких узких полос. Например, натриевые лампы низкого давления дают одну спектральную составляющую с длиной волны 620 нм. Такое свойство называется монохромностью. Однако излучение света происходит спонтанно, в результате фотоны, вылетающие из лампы, имеют разные направления распространения, поляризацию и фазу.

Лазерное излучение обладает такими свойствами, как монохромность, определенная поляризация и, самое главное — когерентность. Каждый фотон, вылетающий из лазера, имеет точно такие же свойства, как и предыдущий, а именно, те же направление движения, поляризацию и фазу. В итоге происходит усиление света по сравнению со спонтанным излучением.

Лазерное излучение может быть точно сфокусировано. Оптические свойства материала линзы зависят от длины волны преломляемого света. Поэтому если вы фокусируете солнечный свет или свет лампы накаливания, то получите не одну точку, а пятно очень малых, но все же конечных размеров.

Когда лазерное излучение проходит через линзу, то зависимость коэффициента преломления от длины волны никак не сказывается, потому что весь спектр состоит из одной составляющей с заданной длиной волны. Излучение фокусируется в одной точке бесконечно малых размеров. Благодаря этому лазерным излучением можно резать металл, также удается сфокусировать луч лазера на большом расстоянии.

Лазер обладает высокой энергоэффективностью, так как по своему принципу работы является резонансным устройством (в отличие от светодиодов и других источников света). Для того, чтобы понять, что это может дать для светотехники, проведем аналогии со звучанием старых концертных залов, построенных еще до появления звукоусилительной аппаратуры. В них звук усиливается за счет системы резонаторов, настроенных на частоту человеческого голоса. В итоге звук исполнителя на сцене хорошо слышен по всему залу, хотя дополнительная энергия при этом не расходуется. Точно так же за счет резонансных явлений полупроводниковый лазер более эффективен, чем светодиод и другие источники света.

Но монохроматичность лазера с точки зрения освещения является большим недостатком. Для систем освещения нужен белый свет, то есть широкополосное излучение. Таким образом, решение задачи создания системы лазерного освещения сводится к сочетанию таких, казалось бы, несочетаемых вещей, как монохромность и коге-рентность, с одной стороны, и широкополосность, с другой.

Как создавался лазер.
Предшественником лазера был мазер — прибор, работающий на схожем принципе, но дающий излучение не в световом, а в микроволновом диапазоне. Мазер был изобретен в середине 50-х годов советскими учеными Николаем Басовым и Александром Прохоровым, а также, независимо от них, американцем Чарлзам Таунсом. В 1964 году все трое были удостоены за изобретение мазера Нобелевской премии по физике.
Первый лазер, дающий излучение в видимом диапазоне, создал в 1960 году американский физик Теодор Майман.
В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые лазеры, изобретенные в 1963 году советским физиком Жоресом Алферовым и, независимо от него, американским физиком немецкого происхождения Гербертом Кремером. Но массовое производство таких лазеров стало возможным только в конце 70-х годов. За исследования в области полупроводниковых гетероструктур, приведшие, в частности, к созданию полупроводниковых лазеров, Жорес Алферов и Герберт Кремер были удостоены в 2000 году Нобелевской премии по физике.

Спектр излученияСпектр излучения (слева направо):
люминесцентной лампы, светодиода на основе фиолетового чипа и обычного светодиода

От SORAA — к лазерному освещению

Основой для классического белого светодиода является кристалл, излучающий синий цвет с длиной волны 450 нм. На этот кристалл наносится люминофор, дающий зеленые и красные составляющие спектра в результате возбуждения его синим свечением. В результате суммирования излучения кристалла и люминофора получается белое свечение. Недостатком такого подхода является наличие явно выраженного всплеска в синей области спектра и «провала» в синезеленой части. С развитием технологии эти проблемы постепенно решались, тем не менее радикально улучшить цветопередачу светодиодов удалось, перейдя на принципиально новую технологию, развитие которой проложило дорогу лазерным осветительным системам.

Сюдзи Накамура основал компанию SORAA для развития технологии так называемых фиолетовых светодиодов. Основой таких светодиодов является чип, излучающий свет с длиной волны около 400 нм, находящийся на границе видимого диапазона и ультрафиолетового излучения. Чип покрывается трехполосным люминофором, который, будучи возбужденным излучением с длиной волны 400 нм, дает излучение синего, зеленого и красного цвета. Суммируясь, эти составляющие в итоге дают белое свечение. Принципиальным моментом является то, что люминофор практически полностью поглощает излучение чипа, то есть составляющая с длиной волны 400 нм в правильно сконструированном фиолетовом светодиоде не должна выходить за пределы устройства. Аналогичные светодиоды выпускают сейчас несколько фирм, в качестве примера можно привести линейку SunLike от Seoul Semiconductor.

Трехполосный люминофор можно возбуждать не светодиодом, а полупроводниковым лазером с длиной волны 400 нм. При этом мы также получим белое свечение, не содержащее в своем спектре исходного лазерного излучения. Именно на таком принципе и основаны лазерные системы освещения. Неудивительно, что компания SLD Laser, представившая произведшую на CES 2019 фурор автомобильную фару, стала ответвлением от SORAA, а ее техническим директором является все тот же Сюдзи Накамура.

SLD LaserИспытание предсерийного образца лазерной фары от SLD Laser

Проблема создания светодиодных фар

Светодиодные фары ближнего света используются сейчас в автомобилях повсеместно. А вот фары дальнего света на галогенных лампах по-прежнему превосходят по основным характеристикам светодиодные. Проблема заключается в том, что для таких фар источник света должен иметь как можно меньшие размеры. Но размеры светодиода сдерживаются ограничениями по плотности тока через него. Плотность тока равна отношению силы тока, протекающего через кристалл, к площади его сечения. То есть чем больше требуется световой поток, тем больший ток должен протекать через светодиод. И тем большими размерами должен обладать кристалл.
На современном уровне развития полупроводниковой светотехники обеспечить нужный световой поток от одного кристалла невозможно. Поэтому в фарах применяют светодиодные матрицы, обладающие значительными световыми габаритами. Кроме того, есть проблемы с отведением тепла от светодиодов, сосредоточенных в одном месте. Решить перечисленные проблемы можно с помощью лазерных систем освещения.

BMWОсвещение дороги светодиодными фарами (слева)
и опытным образцом лазерных фар, разработанных BMW

Преимущества лазерных систем для фар

Максимальная плотность тока в полупроводниковом лазере может быть в 1000 раз больше, чем в светодиоде. Благодаря этому можно значительно уменьшить размеры кристалла, что важно для автомобильных фар.

Резонансные явления, о которых упоминалось ранее, обеспечивают более высокий КПД полупроводниковых лазеров относительно светодиодов. То есть увеличивается доля энергии, идущая на полезное излучение, и одновременно уменьшается нагрев кристалла. Но лазеры позволяют принципиально по-новому организовать охлаждение источника света. От одного кристалла можно получить больший световой поток. SLD Laser объявила, что ей удалось получить световой поток 1000 лм от одного SMD лазера для освещения.

Лазер можно разместить отдельно от фары, в том месте автомобиля, где можно обеспечить его наилучшее охлаждение. Излучение лазера подается в фару по световоду и преобразуется в белое свечение непосредственно в фаре при помощи трехполосного люминофора. Внимательный читатель может отметить, что теоретически такую схему построения фары можно реализовать и с применением светодиодов. Но существующие на практике технологические ограничения позволяют реализовать ее только на основе лазера. Именно лучи лазера можно точно сфокусировать, чтобы они полностью вошли в световод. Потери в световоде минимальны только для одной длины волны, при передаче через него даже узкополосного спектра синего светодиода потери значительны, чего не скажешь о лазере, настроенном на «окно прозрачности» световода.

Лазерная осветительная системаВажное преимущество лазерной осветительной системы — возможность размещения
источника света вне осветительного прибора с передачей излучения по оптоволокну.
Это позволяет обеспечить оптимальный температурный режим источника света

Li-Fi в фарах на лазерах

Широко разрекламированным преимуществом фар на основе лазера является возможность реализации технологии Li-Fi. Эта технология позволяет передавать информацию путем модуляции светового потока на частоте, не заметной глазу. В принципе, Li-Fi можно реализовать на любом полупроводниковом источнике света, для этого подходит и светодиод. Новизна заключается в том, что на полупроводниковом источнике света, а именно, на полупроводниковом лазере создана фара дальнего света, причем с дальностью до 1 км. Ранее технология Li-Fi использовалась для связи в пределах офиса, на расстоянии порядка нескольких метров.

Через Li-Fi автомобиль на дороге может передавать другим участникам дорожного движения, например, информацию о своих параметрах, количестве и составе пассажиров (есть ли дети), цели поездки (может заменить или дополнить классическую «мигалку»). Все это станет особенно актуальным при переходе на беспилотные автомобили.

Фара — лазерная, но спектр — обычный.
Следует отметить, что из автомобильной фары выходит излучение с широким спектром, близким к спектру солнечного света. Это — не лазерное излучение! Лазер используется только для возбуждения люминофора. Возможность фокусировки светового пучка на большие расстояния обусловлена не когерентностью излучения, а исключительно малым размером источника света. Но именно такой размер обеспечивается благодаря уникальным свойствам лазера.

Недостатки систем освещения на основе лазера

Как и у любой технической новинки, у систем освещения на основе лазера высокая стоимость и отсутствие широкого опыта применения. Если речь идет об автомобильных фарах, то пока правовое регулирование их отсутствует. Разработчики представленной на CES 2019 фары уверяют, что ее применение в США легально уже в силу того, что законодательство страны не запрещает использование лазерных фар.

Более серьезной проблемой являются вопросы безопасности для здоровья. Лазерное излучение обладает свойствами вызывать резонанс в клетках человеческого организма. Это свойство уже давно используется в медицине. Но одно дело, когда лазерное излучение подается с определенной длиной волны, в строго определенных дозах под наблюдением врачей. И совсем другое — не-контролируемое лазерное излучение с длиной волны, выбранной не по медицинским, а по иным соображениям.

В том случае, если система освещения на основе лазера сконструирована правильно и только что изготовлена, она безопаснее обычных светодиодов. Излучение лазера практически полностью поглощается люминофором, так что в спектре нет даже пресловутого «синего пика». Но при отступлении от технологии в процессе производства, а также при старении правильно изготовленного источника света способность люминофора поглощать лазерное излучение снижается. Наружу «вырывается» лазерное излучение, которое действительно опасно для окружающих.

По мнению автора статьи, решить эту проблему можно, снабдив каждую осветительную систему на основе лазера датчиком, определяющим выход лазерного излучения наружу. При обнаружении такого явления источник света автоматически отключается и включить его обратно пользователь самостоятельно не может. Но такая защита приведет к удорожанию инновационных систем освещения.

Перспективы использования лазера в освещении

Помимо автомобильных фар дальнего света, использование систем освещения на основе лазера имеет смысл для создания мощных прожекторов с углом распределения света менее 1 градуса. Также осветительные приборы на основе лазеров могут найти применение на высокоточных производствах и в медицине, там, где нужно точно сфокусировать пучок света в определенном месте.

Применение лазерных систем для уличного освещения, а также общего интерьерного освещения пока нецелесообразно из-за дороговизны и нерешенных проблем с безопасностью. Тем не менее перспективно использование лазерных систем освещения в охранных целях (в режиме включения на короткий промежуток времени), что позволит просматривать пространство на большем расстоянии, чем при использовании обычного освещения.

Источник: Алексей Васильев, журнал «Электротехнический рынок»

Лазеры против летающих объектов

В публикациях, посвященных разработке лазерного оружия (ЛО), отсутствует информация о параметрах лазерного излучения (ЛИ). Упоминается только мощность ЛИ, а вся остальная информация остается закрытой.

В энциклопедии МО РФ говорится: «При благоприятных атмосферных условиях ЛО может эффективно применяться для поражения воздушных целей на дальности до 6 км… Создание ЛО потребовало разработки быстродействующей автоматизированной системы управления [АСУ], которая бы обеспечивала обнаружение, опознавание, захват, сопровождение высокоскоростных целей и наведение на них лазерного луча с точностью до 1 мкрад…» Точность 1 мкрад при сопровождении цели на расстоянии 6 км означает, что центр лазерного луча может перемещаться внутри окружности радиуса 3 мм.

В Интернете имеется много информации о планах по разработке ЛО в США и в других странах. Приведу некоторые из них. В 2013 году планировалось поднять мощность модели лазера HEL MD до 50 или 60 кВт.

В 2014 году командование Армии США заключило контракт на разработку, производство и испытание лазера мощностью 60 кВт. В перспективе такое оружие будет использоваться для поражения неуправляемых ракет, артиллерийских снарядов, минометных мин и БЛА.

В 2018 году армией США запланированы испытания наземной лазерной установки HEL MD мощностью 50 кВт. К 2020 году мощность наземной установки HEL MD планируется увеличить до 100 кВт.

В интервью академика В.В. Аполлонова говорится о том, что компания «Нортроп» представила работоспособный твердотельный лазер мощностью 105 кВт и начала работы по разработке лазера мощностью 500 кВт.

В Израиле недостатки в работе системы ПРО «Железный купол» привели к разработке комплекса ЛО «Железный луч». В комплексе используется установка ЛО мощностью в десятки или в сотню киловатт. Упоминалось, что для поражения минометной мины комплексу требуется менее 0,5 с.

В КНР разработали систему ЛО, которая похожа на твердотельную лазерную систему, испытанную в США в 2014 году. Попадалась информация, что начата разработка системы мощностью 100 кВт.

В Германии компания «Рейнметалл» заявила об успешном испытании лазерного комплекса. Мощность установки оценивается до 100 кВт. В состав комплекса входит система обнаружения и отслеживания целей.

Во многих странах активно проводятся работы по разработке ЛО мощностью до 60 кВт и ~100 кВт. В США начаты работы по проектированию 500 кВт лазера. В России разработан комплекс ЛО «Пересвет». Достаточно большие средства вкладываются в разработку ЛО. Следовательно, ЛО должно быть выгодной системой вооружения в определенных областях боевого применения.

В интервью академик В.В. Аполлонов говорил: «Для лазерной установки ABL с длиной волны 1,315 мкм… расходимость составляет около 10-6рад. Лазерный луч «расплывется» на километровом расстоянии на 1 мм [Мифом является то, что] от ЛО можно легко защититься, например, зеркальным покрытием… Мощности ЛИ хватает, чтобы разогреть и подплавить тонкий верхний слой обшивки, на который нанесено зеркальное покрытие…»

Для упрощенной оценки нагрева корпуса некого ЛА при воздействии ЛИ создана модель, которая представляет собой круг диаметром 120 мм. Толщина наружной металлической обшивки принята 3 мм. В качестве материалов будут рассмотрены алюминиевый сплав и сталь. На внутренней поверхности обшивки размещена теплоизоляция толщиной 10 мм. На рисунке представлена 1/4 часть модели.

Результаты расчета будут представлены для точек 1-5, которые расположены на радиусе 2, 4, 6, 8 и 10 мм соответственно. В центре модели в круге диаметром 16 мм происходит тепловыделение при воздействии ЛИ. Следует задаться хоть какими-то данными для проведения оценки, которые придется взять из Интернета. При проведении оценки использованы следующие исходные данные:

1. ЛИ имеет тепловую мощность перед обшивкой 60 кВт.

2. Луч ЛИ на выходе из установки имеет диаметр 10 мм, а на расстоянии 6 км диаметр луча равен 16 мм.

3. Длина волны ЛИ составляет около 1 мкм. Излучение в этой области относится к инфракрасному.

4. Наружная поверхность обшивки отполирована для снижения степени поглощения ЛИ. Полированная поверхность алюминиевого сплава имеет коэффициент поглощения инфракрасного излучения 0,05 (степень черноты). Поверхностью поглощается 5% от тепловой мощности ЛИ. Полированная стальная поверхность поглощает 20% ЛИ.

5. При достижении температуры плавления материала обшивки поглощение ЛИ увеличивается до значений, соответствующих расплавленному металлу: алюминиевый сплав будет поглощать 17% ЛИ, а сталь — 38%.

6. ЛА летит на высоте 2 км с числом Маха М=0,8 в условиях стандартной атмосферы (температура у поверхности земли равна 15 оС). В расчетах принимается, что начальная температура обшивки и температура воздуха, обдувающего ее, равны температуре восстановления 33 оC.

7. Расстояние от установки ЛО до обшивки ЛА составляет 6 км.

Для упрощения модели в ней не учитываются потери тепла на расплавление металла обшивки в зоне действия светового пятна ЛИ ввиду небольшой массы расплавляемого материала. Данное упрощение будет подтверждено результатами расчета.

В модели принято, что расплавленный металл обшивки уносится из области воздействия светового пятна воздушным потоком и гравитационными силами.

На первом этапе рассмотрим нагрев ЛА, поверхность которого расположена перпендикулярно к оси лазерного луча. В этом случае корпус ЛА нагревается за минимальное время. На рисунках представлены данные по нагреву внутренней поверхности обшивки. Желтым цветом выделены ячейки, в которых температура точек превышает температуру плавления металла.

Обшивка из алюминиевого сплава:

Из таблицы видно, что к моменту времени 0,56 с в обшивке появляется отверстие диаметром около 5 мм, которое через 0,37 с достигает диаметра 16 мм. Если учесть затраты тепла на расплавление сплава в зоне действия ЛИ, то происходит незначительное увеличение времени до появления сквозного отверстия c 0,93 до 0,97 c.

Обшивка из стали:

Для стальной обшивки время до проплавления отверстия меньше, чем для обшивки из алюминиевого сплава из-за более высокой поглощательной способности и более низкого коэффициента теплопроводности. Отверстие диаметром 9 мм появляется через 0,28 с после начала облучения. При учете затрат тепла на расплавление стали время до появления отверстия увеличивается c 0,57 до 0,6 c.

Рассмотрим влияние перемещения центра лазерного луча по оси Х стальной обшивке в диапазоне ±3 мм от центра. Перемещение луча приводит к весьма незначительному снижению нагрева (около 2%).

На втором этапе рассмотрим влияние углов кривизны обшивки и угла поворота поверхности ЛА к оси ЛИ на ее нагрев. В качестве примера рассмотрим воздействие ЛИ на обшивку, которая повернута относительно установки на угол β=45о. В этом случае толщина проплавляемой обшивки увеличится с 3 до 4,3 мм. Одновременно происходит увеличение части излучения, которое отражается поверхностью.

Допустим, что наружный диаметр обшивки равен 300 мм. В этом случае тепловой поток, поглощаемый обшивкой, дополнительно уменьшится за счет отражения части ЛИ из-за кривизны обшивки.

Максимальная температура обшивки в световом пятне реализуется в центре (точка А), а минимальная температура реализуется на границах пятна. Средняя температура обшивки в пятне будет характеризоваться температурой в точках Б. Нормаль к поверхности в точке Б будет отклонена на угол α от оси лазерного луча.

За счет отражения части ЛИ нагрев алюминиевой обшивки значительно снижается.

Время до начала проплавления обшивки из алюминиевого сплава составляет 2,7 с. По сравнению с вариантом расположения обшивки перпендикулярно ЛИ время возрастает в 4,8 раза.

Для обшивки из стали время до проплавления увеличивается с 0,28 до 0,58 с.

Стойкость обшивки из алюминиевых сплавов к воздействию ЛИ выше, чем у стальной. Однако полированные поверхности из алюминиевого сплава на воздухе быстро окисляются. В этом случае степень поглощения ЛИ возрастает. Защита полированной поверхности специальными покрытиями будет также приводить к увеличению поглощения ЛИ и к уменьшению времени до проплавления. В настоящее время отсутствует информация о наличии авиационного вооружения с полированной алюминиевой поверхностью.

Замена полированной алюминиевой поверхности, например, на химически окисленную поверхность приведет к увеличению температуры внутренней поверхности для рассматриваемого варианта менее чем на 1%. Это связано с тем, что поглощение ЛИ и последующее расплавление материала происходит в тонких приповерхностных слоях материала толщиной 10-6…10-5 см.

В конструкции специальных авиабомб (типа В61) ВВС США имеются корпуса стальных отсеков с полированной поверхностью. Такая поверхность нужна не для противодействия ЛИ, а для снижения нагрева наиболее ценного отсека (оборудование которого еще не сработало) при воздействия светового излучения ядерного взрыва.

В настоящее время неизвестна тактика применения установок ЛО при осуществлении ПВО объектов. Представляется разумным размещение лазерных установок перед защищаемым объектом или позади него с облучением средств поражения в пределах ракурса ±1/4 (±22,5о). Размещение лазерной установки у защищаемого объекта ближе к линии боевого соприкосновения позволяет облучать средства поражения под большим углом, что приведет к их более быстрому нагреву и выводу из строя. В этом случае дорогостоящая установка ЛО будет находиться в зоне поражения боеприпасами, с которыми она предназначена бороться, что может привести к ее уничтожению.

При проведении оценки рассмотрим только один вариант, когда 120-мм миномет (152-мм гаубица, система залпового огня «Град» или ЛА), защищаемый объект и установка ЛО находятся на одной линии.

Взрыватели, расположенные в носовой части боеприпасов, имеют отполированную поверхность. Также рассмотрим влияние ЛИ на поверхность их корпусов, покрашенных краской. Носовая часть корпуса 120-мм мины имеет заостренный корпус и достаточно большой угол кривизны. Минимальная толщина стального корпуса мины в этой зоне составляет около 13 мм. В таблице приведены данные по нагреву ВВ в зоне расположения взрывателя.

За счет уменьшения теплового потока из-за больших углов отражения ЛИ время до проплавления корпуса мины значительно возрастает. Однако корпус контактирует с взрывчатым веществом (ВВ). Температура взрыва (загорания) ВВ, например, тола составляет 290 оС. Указанное значение температуры достигается на поверхности ВВ уже через 0,6 с после начала воздействия ЛИ. При облучении корпуса мины, окрашенного краской, время до взрыва ВВ сокращается в 4 раза. Это происходит из-за высокой степени поглощения ЛИ лакокрасочным покрытием, нанесенным на поверхность боеприпаса.

Получается, что ВВ из состава мины уязвимо к воздействию ЛИ. Конечно, имеются ВВ, которые не взрываются при воздействии высоких температур, а просто тлеют и при срабатывании взрывателя — взрываются. Однако такое ВВ никогда не будут использовать в минометных выстрелах из-за высокой стоимости.

В публикациях отмечается, что интенсивное испарение металла может затенять зону светового пятна и делает ЛИ на некоторый промежуток времени менее эффективным. Поэтому установки ЛО целесообразно использовать в импульсном режиме работы.

Например, тактический комплекс HEL предназначается для борьбы с ракетами типа СКАД, ПЗРК и РПГ. Лазер будет способен облучать до 20 целей в секунду, а время его перезарядки будет составлять 35 мс.

Из представленной информации следует, что при облучении 20 целей за секунду длительность одного цикла «импульс – перезарядка» комплекса составит 0,05 с. Тогда длительность импульса равна 15 мс.

При проведении оценки рассматривается непрерывное воздействие ЛИ на цель. Для упрощенной оценки влияния импульсного воздействия установки ЛО на время до поражения цели расчетные данные следует увеличить в 2,3 раза (35/15=2,3). В этом случае время до поражения ВВ взрывателя составит 1,4 с, а ВВ внутри корпуса – 0,4 с.

Максимальная скорострельность 120-мм миномета составляет 15 выстрелов в минуту. При ведении огня батареей из четырех минометов с максимальным темпом можно обеспечить появление мин на границе зоны облучения установкой ЛО со скоростью 1 мина в секунду. При облучении корпуса мины, окрашенной краской, установка ЛО выполняет задачу по обеспечению ПВО защищаемого объекта даже против четырех минометов.

Получается, что минометные мины, стоящие на вооружении, не являются достойным противником установкам ЛО мощностью 60 кВт. Для более мощных установок (100 и 500 кВт) парировать огонь минометной батареи является легкой задачей.

За счет доработки мин в полевых условиях можно постараться добиться того, чтобы цели достигали до 30% мин при противостоянии установки ЛО мощностью 100 кВт четырем минометам. По нашему мнению, непоражение лазерной установкой 30% боеприпасов является невыполнением ею задачи по обеспечению ПВО объекта.

Однако противостояние минометов и установок ЛО возможно только для боевых действий бандформирований и регулярных войск. В этом случае обеспечение теплостойкости мин от воздействия установок ЛО является проблемой террористов. Решать эту проблему в статье просто нецелесообразно. Иной вопрос, если регулярным войскам будут противостоять наши сторонники…

Окончание следует…

Статья о лазерах для шоу, сцен, дискотеки, клуба, световое шоу, как выбрать, сравнить,

Лазеры по праву считаются самыми мощными источниками света на нашей планете. Разноцветные тонкие световые лучи, напоминающие театральное освещение, яркий фейерверк в ночном небе или даже мечи из киноэпопеи «Звездные войны», завораживают и чаруют своим неповторимым видом. Базирующаяся на использовании лазеров анимированная графика способна создавать более привлекательные и четкие изображения, чем их можно получить с помощью видео или слайдов.

Продюсеры, еще не обратившие внимание на чудеса лазерной техники, будут приятно удивлены не только эффектами, но и заметным прогрессом в области развития этого направления. С каждым годом лазерное оборудование становится все меньше по размерам и все проще в применении. К примеру, “Dark Side of the Moon” — тур легендарного Роджера Уотерса — сопровождался 100-ваттным лазерным шоу. А создавали спецэффекты 5 миниатюрных лазеров, подключенные к сети 110 В и охлаждаемые воздухом. Культовую призму «Пинк Флойд» проектировали с помощью белого лазера, отражая его лучи в зеркалах. А спектр призмы создавался другим лазерами, проецировавшими четкое цветовое изображение прямо на зрителей.

Такая проекция на публику создает впечатление причастности к событию – как будто зритель находится прямо в эпицентре гигантского фейерверка или полного световых лучей бассейне.

Примерно такое же зрелище ожидало гостей и зрителей в 2006 г., когда церемонию MTV Europe Music Awards украсили обратным отсчетом времени в лазерной версии: арену заливал яркий свет, исходивший из 24 проекторов!

Наши советы помогут разобраться, как использовать подобные спецэффекты в ваших собственных шоу и превратить их в настоящие зрелищные мероприятия.

 

Использование лазеров на различных мероприятиях

Лазерную аппаратуру можно применять на любых мероприятиях как в крытых помещениях, так и на открытых площадках. Это могут быть:

  • корпоративные шоу,
  • тематические вечеринки,
  • мероприятия, посвященные открытию залов, турниров, премьерам фильмов,
  • анимация и зрелищные шоу на выставках,
  • многие другие события, требующие помпезности и яркого сопровождения.

 

Возможности лазера

Творческое использование лазера не знает границ. Однако все имеющиеся варианты можно условно классифицировать по двум категориям: лазерная графика на поверхности и лазерные лучи, выпускаемые в воздух.

Посредством применения лучей в воздушном пространстве появляются всевозможные фигуры, световые столбы, объемные конусы и другие объекты. Чтобы повысить видимость, нарисованных лазером, фигур практикуется применение сценического тумана. Лазерные лучи можно сделать быстрыми или замедлить, что позволяет придать зрелищу стремительность и динамичность или заставить насладиться моментом, спокойствием. Популярностью во многих станах пользуется так называемое сканирование зрителей: когда лучи постоянно блуждают по толпе людей, прикасаясь к ним и приобщая их к общему изображению, что выполняется при соблюдении всех правил безопасности для публики.

Лазерная графика позволяет выполнять такие задачи, как изображение логотипа компании, анимирование продукта, рассказ истории, развлечение зрителей, создание необычной праздничной атмосферы. Лазерные изображения отчасти похожи внешне на мультипликационные, поскольку они выполнены из контуров, не закрашены цветом и не детализированы. Именно в этом заключается особый шарм лазерного шоу, которое существенно отличается от привычных видеоизображений.

Графику и лазерные лучи можно совмещать. Существуют специальные шоу, называемые «Экран и лучи», где графика выводится на один расположенный по центру или два боковых экрана, а из-за экрана на зрителей подаются дополнительные лучи.

Поверхность, на которую проецируется лазерная графика, может быть любой, важна лишь ее гладкость и желательна светлая окраска. Для этой цели можно использовать самый простой проекционный экран, а также надувной и водяной варианты, стену, гору, деревья или что-то еще.

Попытки сделать проекцию на облака нельзя назвать удачной идеей. Достаточно трудно найти облако достаточной плотности с гладкой поверхностью, поэтому проекция на любом облаке будет видна лишь частично.

 

Виды лазерных шоу

Лазерные шоу могут быть эксклюзивными или подготовленными на заказ. Заказное шоу – отличный и весьма выгодный вариант. Здесь заказчик получает возможность индивидуализировать уже готовое шоу, добавив к нему личные детали: логотипы, анимацию.

Эксклюзивный вариант предполагает, что все шоу от начала и до конца будет создаваться под предпочтения заказчика. Некоторые изображения и последовательности могут быть взяты из готовых, часто используемых вариантов, однако элементы, раскадровка, музыка – все это создается, исходя из запроса заказчика. Цена такой анимации, длящейся около 4 минут, может достигать 10 тысяч долларов.

 

Создание лазерной графики

Принцип создания графического изображения лазером таков: направление луча на плоскость экрана осуществляется с помощью двух маленьких зеркал. Отражаясь от зеркала, луч перемещается горизонтально ко второму зеркалу, отражаясь от него, он меняет направление на вертикальное. Управление зеркалами производится через компьютер.

Скорость наведения зеркал высока, поэтому зрителями рисунок воспринимается как единое целое. Данный процесс получил название сканирование, зеркала, используемые для него, имеют в своей основе гальванометры и называются сканерами.

Ограниченные технические возможности позволяют сканерам развивать скорость 50 тысяч точек/сек. Чтобы детализировать изображение, можно использовать дополнительный набор сканеров.

Отличия

В отличие от телевизионных возможностей, лазерная графика не способна к созданию растровых изображений. Она напоминает рисунки, которые складываются путем соединения линиями отдельных точек. Это значит, что отображение снятых на фото- либо видеопленку кадров в лазерной проекции невозможно.

Можно лишь прорисовать границы нужного изображения, составить последовательность точек, исходя из его контура, а затем за счет плавного переведения лазерного луча от одной точки к следующей получить границы желаемой фигуры.

 

Лазерная графика из существующего изображения

Созданием изображений занимается художник, имеющий опыт работы с лазерной анимацией. Без специальной подготовки самостоятельно с этим не справиться. Художник может перевести требуемое изображение в лазерный аналог.

Для этого он пользуется программами, облегчающими его рабочий процесс, например, конвертором для Autodesk 3D Studio Max или Adobe Flash. Сначала рисуется сцена, в которой присутствуют легко конвертируемые в графические лазерные изображения объекты. Потом художник переводит их по контуру в линии, которые будут отображаться лазером. Финальное изображение соответствует запросу заказчика.

Есть еще одна программа, конвертирующая фото- и видеоизображения в растровые, аналогичные телевизионным. Однако разрешение такого рисунка ограничено: всего 60 Пикселей в ширину, 60 линий в высоту. Детализация такого изображения более чем в восемьдесят раз меньше, аналогичного в системе PAL/SECAM.

Использование растровых изображений, получаемых посредством лазера, эффективно при отображении знакомых лиц, причем только вблизи. Поэтому в основном этот вариант находит применение в создании различных спецэффектов. И это логично: ведь лазерное шоу, в котором преобладают растровые изображения, превратилось бы в телетрансляцию весьма низкого разрешения.

 

Цвета лазеров

Яркие цвета, отличающиеся особенной чистотой, считаются одним из важных плюсов лазера. Это ключевой фактор, играющий главную роль в создании шоу. Если для мероприятия требуется какой-либо конкретный цвет, то используется соответствующий тип лазерной установки. Если выбор цвета не имеет значения, можно задействовать наиболее удобное устройство.

Как правило, выбирают зеленый лазер (длина волны такого луча равна 532 нм). Он экономичен и лучше виден по сравнению с красными и синими: яркость одного ватта такого луча в два-три раза выше, чем луча другого цвета аналогичной мощности. Однако слишком большая популярность такого лазера негативно влияет на его оригинальность, публику таким лазером уже не удивишь.

Некоторые клиенты выбирают для своих логотипов или продуктов специфические цвета, а кто-то, наоборот, хочет задействовать всю цветовую гамму. В любом случае не обойтись без использования полноцветного лазера «RGB», который называют также «белым». Он может производить красные, синие и зеленые лучи. В процессе регулирования уровня каждого из лучей получается требуемый цвет. А если установить все три луча на максимальную мощность, исходящий луч получится белым.

Стоимость полноцветных лазеров значительно превышает цену одноцветных устройств той же мощности. Так что в целях экономии можно приобрести одноцветный вариант (самый дешевый – зеленый).

При покупке лазерного проектора необходимо обращать внимание на его комплектацию и учитывать следующее:

  • Самый дешевый лазер оснащается лучом одного цвета (зеленого либо красного).
  • Если нужен синий луч, то придется взять систему с меньшей мощностью или заплатить больше, поскольку синий вариант получить гораздо труднее.
  • В продаже можно найти лазеры с возможностью смешивания цветов. Обычно в них задействуются все те же лучи – красные и зеленые. Однако их можно смешивать, в результате чего получаются такие цвета, как желтый, оранжевый.
  • В полноцветном лазере 3 основных луча: зеленого цвета, синего и красного.
  • Самый дешевый полноцветный лазер дает 7 цветов, которые получаются за счет добавления или исключения RGB-лучей. С помощью такой установки делают лучи красные, зеленые, синие, желтые, голубые, фиолетовые, а также белые.
  • Более дорогие модели полноцветных лазерных проекторов дают возможность использования оттенков. Это позволяет получать любой желаемый цвет и любую интенсивность. При работе с таким лазером важно следить за балансировкой основных лучей, иначе зеленый может придать белому лучу свой оттенок.

 

Мощность систем и видимость лучей

Минимальный показатель мощности лазерной установки, достаточной для того, чтобы лучи были видны в небольшом темном помещении, равен 0,5-1 Вт. Как правило, средний показатель для таких условий — 2-10 Вт. Для обслуживания больших помещений, стадионов, арен используют аппаратуру в 10-18 Вт.

Однако мощность не является определяющим фактором для видимости луча. К примеру, 1-ваттный луч зеленого цвета кажется таким же ярким, как луч мощностью 3 Вт красного цвета, поскольку человек лучше всего различает именно зеленый, а не какой-либо другой свет.

Соответственно, при планировании шоу и выборе мощности лазерной системы необходимо учитывать следующее:

Цвет : Самым видимым является зеленый. Если он соответствует поставленной цели, можно воспользоваться менее мощным проектором, который будет проще в эксплуатации и обойдется намного дешевле.

Окружающее освещение: Чтобы пробить окружающий свет, лазеру требуется дополнительный потенциал. Обеспечив максимальную темноту, можно избавиться от необходимости приобретать более мощный проектор.

Дивергенция: Чем ниже дивергенция луча, тем выше получается его яркость, поскольку свет концентрируется на меньшей по размеру площади. Выбрав модель проектора с лучами высокой плотности, можно обойтись более низкой мощностью.

Количество дыма: За счет большого количества сценического дыма луч станет более видимым. Чем меньше используется дыма, тем мощнее потребуется лазерный проектор.

Площадь проекции: От плотности зрителей напрямую зависит мощность используемой техники. Чем больше площадь, тем выше нужна мощность лазера.

Безопасность зрителей: Столь популярное в большинстве стран сканирование зрительного зала должно быть абсолютно безопасным для глаз. Важно подобрать проектор таким образом, чтобы мощность лучей и их дивергенция обеспечили требуемые эффекты, однако одновременно шоу не представляло бы угрозы здоровью людей. Одним из оптимальных вариантов может стать увеличение мощности до максимума в моменты, когда луч проходит над публикой, и снижение до минимума во время сканирования людей.

 

Технические требования

Большие лазерные шоу двадцатого века создавались с помощью громоздких лазеров мощностью 18-40 кВт. Работали они на криптоне или аргоне, а для охлаждения аппаратуры требовалось каждую минуту не менее 10 л воды.

В наше время данная техника была заменена новыми твердотельными лазерными проекторами «YAG», «DPSS». Их размеры так малы, что поднять и переместить такое устройство сможет всего один сотрудник. Некоторым моделям таких лазеров присущи те же свойства и форм-факторы, что и простым осветительным приборам. Подключать их можно к обычной розетке, а охлаждение обеспечивать простыми вентиляторами.

Такие проекторы обеспечили прогрессирующее развитие лазерных шоу. Теперь создание светового зрелища существенно упростилось во всех аспектах, начиная от перемещения техники и заканчивая созданием спецэффектов. Кроме того, владельцы заведений, организаторы зрелищных мероприятий получили возможность отказаться от необходимости пользоваться услугами таких специалистов, как слесарь, электрик, водопроводчик. Сейчас они могут сами купить любую лазерную систему для собственных нужд.

 

Другие требования

Применение лазерных установок в шоу сопряжено с необходимым соблюдением нижеприведенных требований.

Направление луча: Проектор следует устанавливать напротив аудитории, а при этом лучи надо направить на зрителей. Идущие на человека световые потоки выглядят более яркими (проходящий сквозь частицы пыли и сценический дым свет, направленный вперед, воспринимается человеческим глазом как луч). Если поменять направление луча и сделать его выходящим из зрительного зала, то он будет выглядеть менее ярким. А луч, пересекающий поле зрения человека, будет иметь наименьшую яркость.

Графический экран: Использование контрпроекции делает изображение более эффектным, добавляя ему «магический» оттенок. Расположение графического проектора следует выбрать так, чтобы расстояние до экрана не было меньше размера его большей стороны. К примеру, при использовании экрана 20 х 30 м лазер можно поставить на расстоянии 30-100 метров. Данные параметры можно изменить, если используются линзы для улучшения четкости лазерного луча либо увеличения угла проекции. Также важную роль здесь играет и расстояние от экрана до зрительного зала.

Расположение оборудования: Установка состоит из лазеров и сканеров. Весь проектор получается компактным, так что его можно подвесить или установить в любое место. Наиболее удобны в установке проекторы, где для подводки к сканирующей головке, удаленной на определенное расстояние, используется оптоволоконный кабель. Длина такого кабеля обычно составляет 30 метров. Единственное, что нужно учесть при использовании оптоволоконных проекторов, — это хрупкость кабеля: во время подготовки и проведения шоу важно следить, чтобы кабель не подвергали механическим нагрузкам, не наступали на него и не гнули, иначе его можно легко повредить.

Расположение и установка ПУ: Панель управления лазером требует столько же места и времени, что аудиосистемы или светоустановки. Оптимальный вариант расположения ПУ – место, где оператор будет видеть весь зал и публику.

Связь: Оператору лазерной системы во время шоу потребуется средство связи для координации с режиссером. Удобнее всего предоставить ему для этой головную гарнитуру. Техническому персоналу можно предложить такую же гарнитуру или более дешевый вариант – рацию.

Синхронизация работы лазера с аудио: Аудиосопровождение является одним из важнейших условий лазерного шоу. Важно обеспечить поступление сигнала с ПУ лазера на микшерный пульт.

Синхронизация со светооборудованием: Намного ярче и эффектнее лазерные лучи выглядят в темноте. Поэтому во время проведения шоу следует либо вообще отключить свет, либо приглушить его до минимального уровня. В некоторых случаях практикуется использование дополнительного освещения, к примеру, зеленый луч дополняется красным светом. Это можно сделать на обычном оборудовании путем координации работ с осветителем.

Во избежание придания экрану серого оттенка видеопроекторы необходимо выключить либо замаскировать.

 

Лазер в особых условиях

Лазеры являются уникальными световыми источниками и могут использоваться не только в виде лучей и проекций на экранах. К примеру, используемый для сканирования в планетарии лазер 360° х 180° можно перенести в любое помещение, где проводится вечеринка или даже поместить под тент. С его помощью получится отличное световое оформление праздника – он покроет потолок световыми брызгами, придав пространству особую торжественность и яркость.

Установив проектор в осветительный шар, можно получить отображение на внутренней поверхности. При этом следует учитывать то, что лучи должны всегда быть в фокусе, а проектор держать в фокусе по всей внутренней поверхности шара будет довольно сложно. Тем не менее, получаемый таким образом эффект будет уникальным, поскольку добиться такого результата при помощи любого другого средства невозможно. Используя лазерную установку, можно отобразить рыбок внутри пустого стеклянного аквариума, анимированную графику на склоне горы и многое другое.

Среди наиболее известных вариантов применения лазерных устройств в особых условиях можно назвать следующие:

  • Выступление иллюзионистов, театральные представления;
  • Отображение на любой поверхности смс-сообщения;
  • Созданная лазерным проектором графическая «кукла», которая управлялась дистанционно и взаимодействовала с гостями, пришедшими на выставку.

 

3D-эффекты

Несмотря на широчайший потенциал лазеров, они пока еще не способны к созданию голограмм в воздухе. Однако с помощью лазерного проектора уже можно добиться целого ряда специальных эффектов:

  • Настоящее 3D. Используя те же очки, что выдаются в кинотеатрах для просмотра 3D-фильмов, зрители лазерного шоу смогут увидеть 3-х-мерные изображения, созданные по той же технологии.
  • Хроматическое 3D. Использование очков Chromadepth позволяет добиться визуальных эффектов: изображения, созданные красными лучами, кажутся ближе, а рисунки синего, желтого либо зеленого цвета представляются более удаленными. Чтобы усилить иллюзию, достаточно сделать передние красные изображения меньше размером, а фоновые изображения сделать увеличить.
  • Сетка. Проекция графики в темноте на сетке позволяет добиться иллюзии парения рисунка в воздухе. Такая сетка представляет собой темный плоский экран, а общая картинка складывается из проекций на несколько сеток. Это не 3D, однако изображение выглядит как трехмерное и весьма убедительно, поскольку очень похоже не голограмму.
  • Воздушные лучевые эффекты. Лазером можно отображать конусы, веера, плоскости и другие объекты. И, несмотря на невозможность остановить свет в воздухе, объекты получаются действительно трехмерными.

 

Правила безопасности

Безопасность лазерного шоу является одним из важных условий его создания. Многолетняя практика проведения таких массовых мероприятий позволила собрать неоценимый опыт в соблюдении требований безопасности.

Оценка уровня безопасности производится по трем основным факторам:

  1.      Безвредность для глаз и кожи – лучи не должны оказывать негативное влияние на зрителей.
  2.      Соответствие установленным правилам – безопасность лазерного шоу должна быть обеспечена на уровне, соответствующем принятым нормам.
  3.      Действия при возникновении опасности – в случаях, когда шоу или его отдельная часть может представлять для публики угрозу, организатор должен незамедлительно остановить представление, даже если это чревато убытками и потерей прибыли.

 

Пожарная безопасность

Мнение, что лазерная система может стать причиной возникновения пожара, ошибочно. Проведение лазерных шоу в закрытых помещениях (к примеру, в отеле или конференц-зале) не требует обязательного присутствия сотрудника пожарной службы.

Однако при проведении масштабных шоу на открытых площадках, где в целях повышения видимости лучей используют дым, пожарный должен быть рядом. Все дело в том, что датчики задымления на время проведения шоу нередко отключают. Делается это, чтобы приборы ошибочно не реагировали на наличие сценического дыма, принимая его за пожар. Поэтому если на шоу задействуется генератор дыма, желательно, чтобы рядом дежурил пожарный.

 

Сканирование зрителей

Многие шоу включают в себя особый спецэффект – сканирование зрительного зала лазерными лучами, тщательно планируемое заранее. Прямо на аудиторию направляются лучи и проецируются изображения. Выглядит это очень впечатляюще – будто ты находишься в огненной лаве.

Во время сканирования публики важно соблюдать меры безопасности. В частности, надо использовать луч максимально большого диаметра, а его мощность снизить до минимума (не выше 10 Ватт).

 

Безопасность самолетов и других воздушных средств

Лазерный луч категорически запрещено направлять на самолет или другой летательный аппарат. Если расстояние между лазером и воздушным судном невелико, то луч может оказать негативное воздействие на глаза людей, находящихся на борту. Но даже при большой дистанции вспышка может на время ослепить управляющего самолетом или другим летательным аппаратом пилота.

С целью обеспечения безопасности при организации шоу на открытой площадке нужно учитывать мощность лазерных лучей и их направление относительно авиатрасс и аэродромов. Также важно задействовать на время проведения шоу наблюдателей, которые отслеживают наличие воздушных судов вблизи данного места и отключают установку в момент приближения воздушного судна.

 

Выбор организатора

К выбору организатора шоу следует подойти так же серьезно, как при выборе кино- или видеостудии. Стоимость услуг играет важную роль, однако большее значение все же придается надежности, качеству оборудования и проведения самого мероприятия.

Остановив свой выбор на одной из компаний, узнайте следующее:

  • Опыт работы в данной сфере,
  • качество лазерных установок,
  • доступность прочего оборудования: экранов, светотехники, звуковых систем,
  • качество изображений: используется ли готовая графика (clip art) или рисуется самостоятельно;
  • подбор подходящих эффектов,
  • отзывы предыдущих заказчиков (желательно с проверкой их достоверности).

Тонкие лазерные лучи и фееричная лазерная графика займут особое место среди множества современных спецэффектов:

— С помощью лучей можно в воздухе нарисовать любую фигуру или изобразить причудливый рельеф. Сканирование публики этими лучами создает эффект эмоциональной связи, заставляя зрителя чувствовать себя частичкой шоу.

— Лазерная графика дает магический, завораживающий результат, в чем и заключается существенное ее отличие от телевизионных изображений.

Приобретайте лазер с гарантией ЗДЕСЬ

Фокусировка лазерного луча. Все, что вам нужно знать, чтобы лучше сфокусировать лазерный луч! — EnduranceLasers

Все, что вам нужно знать о фокусировке диодного лазера.

О фокусировке лазерного луча: фокусное расстояние, фокусное пятно.

Ожидаете ли вы обновления вашего 3D-принтера / фрезерного станка с ЧПУ или имеющегося у вас гравировального / режущего станка?

Если да, заполните форму, и мы поможем вам с передовыми решениями от Endurance.

Диодный лазерный луч фокусировки

Объектив G2

3-элементная линза (по умолчанию)

линейка в см

Начало работы с пакетом лазерных линз Endurance

Проверьте фокусировку лазерного луча

Использование цифрового микроскопа для фокусировки лазерного луча

О различных типах лазерных линз (разная эффективность линз)

Фокусировка лазерного луча с помощью различных инструментов

Флориана Кельша

Наши последние исследования объективов

О разных линзах: пятно лазерного луча, фокусное расстояние.

Руководство для начинающих «Правильная точка фокусировки лазера» (PDF) , автор: Флориан Кельш

Что внутри линзы лазера

Измерение фокусного расстояния (диапазона) для другого типа линзы лазера

Посмотрите другие видеоматериалы о фокусировке лазерного луча



Улучшение фокусировки лазерного луча

Добавление 3-й проставки и получение фиксированного диапазона фокусировки
Нет необходимости снова фокусировать лазер.Вы знаете фокусное расстояние, указанное на визитной карточке лазеров Endurance.

Фокусировка трехлучевого лазера мощностью 30 Вт

3-элементная лазерная линза с фокусировкой. Полное письменное руководство.

Очень важно установить правильный диапазон фокусировки на диодных лазерах. Если вы в фокусе, вы можете эффективно резать и гравировать, если нет, то вы столкнетесь с некоторыми проблемами с гравировкой и резкой

Вот руководство по настройке диапазона лазерной фокусировки на 3D-принтере или станке с ЧПУ:
Мы экспериментировали с комбинированным 3D-принтером Endurance Anet A8.

1. Чтобы установить «дом», то есть найти 0 для оси Z, мы используем команду «G28 Z0» для 3D-принтера Anet A8.

2. Перемещаем лазер на 50 мм выше оси Z.

3. Измерьте расстояние между линзой и столешницей, это 37 мм, это означает, что лазер находится на 13 мм ниже 0 (50 мм — 37 мм).

4. Расчетный диапазон фокусировки лазера для трехэлементной обычной линзы составляет ~ 60 мм, поэтому нам нужно переместить лазер в ожидаемый диапазон фокусировки, то есть 60 мм + 13 мм = 73 мм, где 3 мм — разница. между 0 и фактическим положением лазера.

5. Запустите g-код (test1.gc)

Этот G-код рисует 20 линий путем изменения высоты оси Z, начиная с 64 мм (- 9 мм от начальной настройки 73 мм) до 83 мм (+10 мм).

Оптимальным диапазоном фокусных расстояний считается тот, когда была проведена самая тонкая линия (на дереве или фанере) или самая четкая (на анодированной алюминиевой пластине). Чтобы ваш лазер оставался в фокусе, всегда используйте эти параметры для оси Z.

Nota bene:
Не забудьте измерить толщину материала, который вы собираетесь вырезать или гравировать, и прибавить ее к исходной высоте нулевого уровня.

Мы используем анодированный лист алюминия толщиной 0,5 мм.

Однако, если вы хотите получить еще лучшие результаты, вы можете запустить другой g-код (test2.gc) с меньшими шагами (0,1 мм).
Оптимальный диапазон фокусных расстояний для обычного (длиннофокусного трехэлементного объектива) в наших экспериментах составлял 71,1 мм от Z 0 (исходного) положения.

Что касается этого 10-ваттного диодного лазера, вам необходимо сделать поправку для диапазона фокусировки, чтобы получить наилучшие результаты гравировки: 71,1 мм — 13 мм (разница между высотой лазера и положением Z 0) — 0.5 мм (толщина материала) = 57,6 мм; это расстояние между линзой и поверхностью рабочего материала.

Для трехэлементного объектива наилучший диапазон фокусных расстояний составляет 57,6 мм.
Для объектива G2 наилучший диапазон фокусных расстояний составляет 6,8 мм.

Подробнее о пакете лазерных линз

Комплект линз для лазеров Endurance + кольцо для фиксации лазера и кольцо фокусировки для лазера

Подробнее о фокусировке лазерного луча

Фокусировка лазерного луча

Laser beam focusing. All you need to know to make the best laser beam focus!

проверка фокусировки (пример g-кода для фокусировки лазерного луча)

Пакет лазерных линз Endurance.4 разных линзы для вашего диодного лазера.

Установка и настройка лазера 10Вт на 3D-принтерах Anet A8 от Inkscape & Repetier-Host

Когда модуль установлен и закреплен на 1-2 см выше сопла экструдера, приступайте к его подключению. Здесь все просто, не нужно ломать голову (мы сделали это за вас). Подключаем панель управления лазером непосредственно к самому модулю, подключаем к нему блок питания 12В, а питание вентилятора подключаем к разъему FAN 1 к плате управления 3D-принтера.

Далее к самому лазерному модулю отдельно подключаем питание 12В (внешний блок питания). Если все подключено правильно, вентиляторы начинают работать; Чтобы запустить лазер, просто включите тумблер на панели управления, и лазерный луч загорится.

Теперь необходимо настроить линзу для фокусировки лазерного луча. Чтобы упростить задачу, я рекомендую вам нарисовать линию длиной примерно 4-5 см с помощью Inkscape. Преобразуйте эти строки в G-код и загрузите его в программу Repetier-Host.

Для регулировки фокуса измерьте высоту лазера над заготовкой на рабочем столе с помощью линейки. В качестве отправной точки я использую нижнюю часть алюминиевой коробки самого модуля. Затем поднимите каретку примерно на 9 см и начинайте вращать линзу, пока лазерный луч не появится в виде маленькой острой точки на заготовке, на которой вы собираетесь гравировать линии. Начать гравировку. Фокус правильный, если выгравированная линия четкая. Если нет, повторяйте эту процедуру, пока не получите четкую тонкую линию, используя элемент управления в программе Repetier-Host, поднимите каретку на любую желаемую высоту (это можно сделать с точностью до 0, 0.1 мм) и снова приступим к гравировке.

Изучите способности с осью Z

2 новых портала Z для нового лазера Endurance Laser мощностью 10 Вт. Добавление дополнительных способностей

Проделайте эту процедуру до тех пор, пока у нас не останется четкой, ровной и тонкой линии.

Независимое испытание пакета лазерных линз Endurance

Тест лазерных линз с фокусным диапазоном. тесты лазерных линз (PDF). Тестируем линзы разных производителей оптики.

«Как вы, возможно, знаете, Endurance Lasers предлагает несколько различных конфигураций линз, которые теперь доступны в« упаковке ».«Теперь у меня есть стандартный 3-Element, который прилагался к моему лазеру, и линзы G-2, G-7 и G-8, которые я получил пару недель назад. Теперь, когда у меня есть все, почему бы не поэкспериментировать? » Джона Уокера

Лазерная резка и лазерная гравировка для дома и для бизнеса.

Преимущества лазеров Endurance

Многоуровневая система тестирования.
Промышленные компоненты.

Гарантированная продолжительность непрерывной работы ~ 48-72 часа.

Категория Описание
Размеры 2.79 дюймов x 5,53 x 0,74 дюйма
Срок службы лазерного диода 10000 часов
Яркость ANSI от 100 до 200 люмен максимум
Разрешение WXGA 1366 x 768
Проекционное отношение 1.39: 1
Динамик Моно-динамик мощностью 1 Вт
Емкость аккумулятора 3,7 В 6200 мАч
Вход HDMI Кабель Micro HDMI (не входит в комплект)
Класс лазера Класс 1
Коэффициент контрастности 2 000: 1
Соотношение сторон 16: 9
Расстояние выброса 2 ‘- 15’
Размер экрана 20 дюймов — 150 дюймов
Срок службы батареи 120 минут (в зависимости от типа использования)
Заряд аккумулятора 4 часа (полная зарядка)
Тип батареи Литий-полимерный аккумулятор
Тип оптического двигателя LCoS (жидкий кристалл на кремнии)
Беспроводной дисплей iOS / Android Mirroring, точка доступа Wi-Fi, домашний Wi-Fi
Процессор четырехъядерный
Ram 1 ГБ
Внутренняя память 8 ГБ (Nand Flash)
Рабочая температура и влажность 50f 104f и 15% — 85%