– Алексей, у тебя лазер свободный есть? Ну, давай хоть газовый…

А. Стругацкий, Б. Стругацкий.

Понедельник начинается в субботу

Голограмма – это маленькое чудо! Она способна восхищать своим чарующим блеском и тайной спрятанного в двумерную плоскость третьего измерения. Мы уверены, что кое-кто из вас уже загорелся желанием попробовать сотворить это чудо.

Свойства лазерных диодов

Для записи голограмм могут быть использованы лазерные диоды. Главными преимуществами лазерных диодов являются низкое напряжение их электропитания (< 1-3 В), наибольший среди других типов лазеров КПД (до 80%) и долговечность (до 100000 часов). В полупроводниковой активной среде показатель усиления может достигать очень больших значений (до 10000/см.), благодаря чему размеры полупроводниковых лазеров исключительно малы.

Между двумя строго параллельными зеркалами резонатора располагается многослойная активная среда, в которой происходит генерация и усиление когерентного излучения. Роль зеркал играют поверхности сколов на торцах полупроводникового кристалла.

Активная полупроводниковая среда лазерного диода имеет зону проводимости с избыточным количеством свободных электронов и валентную зону, где недостающие электроны заменены дырками.

При рекомбинации электронов с дырками возникает когерентное излучение: ν = (Eэ – Eд)/h, где: Eэ – энергия электрона; Eд – энергия дырки.

Активный элемент полупроводникового лазера представляет собой брусок монокристалла объемом несколько кубических миллиметров, а его излучающая часть – полоску шириной от 100 до 300 микрон и высотой менее 100 нм.

Когда ток проходит через лазерный диод, генерируется излучение за счет инверсии населенности посредством спонтанного и стимулированного излучений. Благодаря отражению от торцов кристалла, свет многократно проходит через активную среду и усиливается преимущественно стимулированным излучением. Внутри лазерного диода устанавливается стоячая волна с целым числом полуволн между торцевыми поверхностями. У очень короткого резонатора есть замечательное качество. Вероятность появления нескольких одновременно генерируемых частот излучения уменьшается благодаря тому, что на малом отрезке укладывается меньшее количество отличных друг от друга полуволн. И что бы появилась еще одна гармоника, потребуется заметно изменить условия усиления активной среды: ток накачки и температуру полупроводникового кристалла. Поэтому в коротких резонаторах генерируется излучение с большой длиной когерентности, которая обратно пропорциональна расстоянию между зеркалами резонатора.

В то же время, случайное изменение температуры миниатюрного полупроводникового кристалла лазерного диода приводит к изменению длины резонатора и, соответственно, условий генерации. По этой причине для обеспечения устойчивого одночастотного режима лазерного диода необходимо стабилизировать два параметра: ток накачки и температуру кристалла.

Исследования зависимости частоты генерации лазерного диода от тока и температуры показали, что длина волны генерируемого излучения изменяется не непрерывно, а скачками.

Зависимость частоты генерации лазера HL-6358 от температуры (заштрихованные области соответствуют многочастотному режиму генерации, а для стабилизации можно выбрать температуру в диапазоне 23,5 – 25,5 градусов Цельсия)

В диапазоне температур лазерного диода около 2-х – 3-х градусов частота излучения может оставаться постоянной, но по мере дальнейшего изменения температуры, наступает режим генерации двух и даже трех частот одновременно (многомодовый режим). Затем снова повторяется режим одночастотной генерации, но уже с иной длиной волны.

Основным фактором, приводящим к перестройке частоты генерации излучения, является изменение вместе с температурой и током, положения максимума линии усиления активной среды. Согласно проведенным измерениям, изменение длины волны в зависимости от температуры находится в интервале 0.18 – 0.22 нм/град. В то же время ширина многих температурных интервалов, в которых реализуется одночастотный режим, составляет 1.5–2° С, а в отдельных случаях даже больше.

Изображение голограммы, записанной в многочастотном режиме излучения полупроводникового лазерного диода

Чаще всего любители в своих опытах стараются получить высокую мощность излучения лазерного диода и, как следствие, многочастотный режим генерации, на чем и заканчиваются голографические эксперименты. Однако, не следует отчаиваться, а приложить некоторые усилия для достижения устойчивого одночастотного режима с приемлемой мощностью излучения.

Для записи простеньких голограмм небольшого размера можно использовать обыкновенную лазерную указку малой мощности.

Стабилизация одночастотного режима работы лазерного диода.

Лазерный диод (1) требуется стабилизировать не только по току накачки, но и температуре кристалла резонатора с помощью элемента Пельтье (3): 1 – лазерный диод; 2 – алюминиевая втулка с термопарой; 3 – элемент Пельтье (температурный насос); 4 – радиатор охлаждения элемента Пельтье; 5 – эбонитовая крышка; 6 – стягивающие болты.

Элемент Пельтье – это термоэлектрический преобразователь, который базируется на эффекте Пельтье – возникновении разности температур при протекании электрического тока.

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости.

Устройства стабилизации режимов лазерных диодов.

В интернете можно найти множество серийно выпускаемых недорогих устройств стабилизации тока и температуры лазерных диодов, но мы рекомендуем схему привода лазерного диода, разработанную Владимиром Кузнецовым из Новосибирска.

Данный вариант блока питания отличается мягким пуском, что обеспечивает долговечность и надежность работы излучателя.

Стабилизатор тока лазерного диода.

Стабилизатор температуры лазерного диода с помощью элемента Пельтье.

Конструкция радиатора в сборе: 1 – лазерный диод; 2 – алюминиевая втулка с термопарой; 3 – элемент Пельтье (температурный насос) 4 – радиатор охлаждения горячей стороны элемента Пельтье; 5 – эбонитовая крышка; 6 – стягивающие болты

Настройка одночастотного режима генерации.

Для того, чтобы получить качественную голограмму, требуется источник когерентного излучения – лазер. Но не всякий лазер пригоден для этих целей. Длина когерентности излучения при записи голограмм небольшого размера должна быть не менее 100 мм. Как говорилось ранее, большинство полупроводниковых лазеров красного излучения имеет длину когерентности порядка 1 – 5 мм. Но для некоторых лазерных диодов можно подобрать значения тока питания и температуры, при которых возникнут условия одночастотной генерации, а длина когерентности может достигать несколько десятков сантиметров.

Для поиска условий одночастотной генерации полупроводникового лазера вам понадобится очень точный оптический прибор – интерферометр Фабри – Перо.

В начале исследования установим минимальный ток накачки лазерного диода при котором появляется устойчивое излучение. Изменяя значения стабилизированной температуры с шагом в половину градуса, необходимо с помощью цифровой фотокамеры регистрировать картину интерференции на экране и записывать относительные показания температуры в таблице результатов. Не следует торопиться, температуре лазера требуется каждый раз стабилизироваться перед фиксацией результата. Профиль яркости полос интерференции будет соответствовать спектру генерируемых частот. Невооруженным глазом легко определить момент, когда кольца будут иметь минимальную ширину – это признак одночастотной генерации. Режим одночастотной генерации будет повторяться несколько раз при различных значениях температуры и тока накачки лазерного диода. Необходимо выбрать такие значения, при которых частота излучения и одночастотный режим генерации сохраняются на протяжении длительного времени. При этом картина колец должна быть неподвижна (это мы можем определить, фиксируя закрепленной на штативе фотокамерой картинку).

Генерация 5–ти гармоник

Одночастотный режим генерации лазерного диода.

При изменении рабочей температуры излучателя картина интерференции Фабри – Перо может изменяться от многомодового режима к одночастотному несколько раз. Однако, самый стабильный во времени одночастотный режим будет существовать при единственных значениях тока и температуры. В течение продолжительного времени следует проконтролировать стабильность одночастотной генерации, прежде чем приступить к записи голограмм.
Если осуществить все меры по стабилизации режимов работы лазерного диода, то длина когерентности его излучения может достигать 1 метра.

Для получения точных результатов советуем воспользоваться лабораторным интерферометром ИТ – 30 с высоким разрешением и большой базой

Кроме лазерных диодов из DVD–приводов можно успешно использовать серийные изделия, которые будут прекрасно работать в вашей голографической установке. Например, недорогой мощный лазерный диод HL6385DG, может быть настроен для работы в одночастотном режиме с мощностью излучения 20 – 35 милливатт на длине волны 642 нм.

Голограмма, полученная с помощью лазерного диода, работающего в одночастотном режиме.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С ЛАЗЕРАМИ

– Отдайте мою голову! Голову отдайте! Квартиру возьмите, картины возьмите, только голову отдайте!

М. Булгаков. Мастер и Маргарита

Лазеры, даже самые маломощные, представляют серьезную опасность для человека и в первую очередь для органов зрения. Хотя на первый взгляд луч лазера и не очень ярок, он таит в себе гораздо большую опасность, чем свет простой лампочки. Всему виной когерентность – луч очень мало расходится, способен проходить, не ослабевая, большие расстояния, при этом многократно отражаясь от случайных предметов, а в глазу собирается в микроскопическую точку, способную сжечь сетчатку.

По опасности лазеры делятся на несколько классов. Российская (советская) классификация слегка отличается от международной. Приведем для вас международную:

· Класс I – совершенно безопасный лазер, или же опасный лазер под надежной крышкой.

· Класс II – видимый лазер, опасный при длительном свечении в глаз. При случайных попаданиях в глаз обычно безопасен. Мощность обычно до 1 мВт.

· Класс IIa – опасный лазер, «тянущий» на 3-й класс, но закрепленный так, что попасть под него глазом трудно.

· Класс IIIa – видимый лазер, опасный при попадании в глаз, но глаз можно успеть закрыть. Обычно до 5 мВт.

· Класс IIIb – лазер, повреждающий глаза до того, как глаза успеешь закрыть (почти любой невидимый лазер, либо видимый большой мощности). Может обжигать кожу.

· Класс IV – лазер, у которого опасен даже рассеянный свет (тот, что идет из точки попадания луча на предмет). Высший класс опасности.

Даже слабый лазер, вроде дешевой указки, может быть опасен для глаз. В глазу он собирается в микроскопическую точку огромной яркости. Повреждения от такого лазера незаметны, но с каждым попаданием лазера несколько клеток сетчатки гибнет.

Никогда нельзя смотреть глазом ни в какой лазер, даже если он совсем тусклый!

Инфракрасные лазеры особенно опасны. Их луч не виден совсем или виден как очень слабый красный. Если он попадет в глаз, человек обычно замечает это только тогда, когда начинает слепнуть! Поэтому, например, никогда не пытайтесь включить лазер от CD-RW, не имея защитных очков.

По последним исследованиям, зеленый лазер при равной мощности опаснее красного. Зеленая указка повреждает глаз чаще. Внутри зеленых и синих лазеров содержатся очень мощные инфракрасные модули. Не разбирайте их, при включении лазера без инфракрасного фильтра вы не увидите света, но его поражающая способность будет очень высокой.

Никогда не направляйте мощный лазер куда-то просто так. Даже если вы просто светите им на стену, он может отразиться, например, от шляпки гвоздя или просто от блестящих обоев и прилететь в глаз.

Луч мощного лазера всегда должен попадать в какую-нибудь безопасную мишень. Лучше всего в поглотитель – «улитку».

Если при попадании лазера в глаз вы увидели черное пятно в середине яркой вспышки, то уже поздно. Это сгоревшая сетчатка. Поврежденный глаз будет видеть на этом месте цветные пятна много лет, если не всю жизнь.

Защититься от лазера достаточно просто. Для этого нужно надеть очки. Защитные очки для работы с лазерами различаются по оптической плотности и длинам волн лазера, от которого они защищают.

Все очки для защиты от лазерного излучения делятся на два вида: - Полной защиты – поглощают луч лазера полностью. Сквозь них луч совершенно не видно. - Настроечные – ослабляют луч до безопасного уровня, но так, чтобы луч был еще виден. Используются для настройки лазерной техники.

Питание газовых лазеров в отличие от полупроводниковых осуществляется током высокого напряжения порядка нескольких киловольт. Поэтому никогда не пользуйтесь незаземленными лазерными приборами. Слабенький гелий-неоновый лазер может стать источником больших неприятностей.

Оборудование и устройства для голографической студии

Для устранения вибраций можно использовать подвесную систему. Упругие тросики являются прекрасными фильтрами высокочастотных колебаний, распространяющиеся по зданию.

В большинстве работ, выполненных в голографической технике, авторы используют уникальные свойства голографического изображения и разнообразные схемы записи, сочетающие порой самые удивительные технические приемы. Возникает закономерный вопрос, - как мастера находят необычные решения для реализации своих художественных идей? Живописцы могут поменять краски и кисти, скульпторы использовать новый материал, графики - способы нанесения изображения на плоскость. Голографистам же приходится долго трудиться и экспериментировать, прежде чем удастся изобрести что-то новое, отвечающее их творческим замыслам. Для новичков лучший способ включиться в работу над голографическими проектами – это повторить чей-то успешный опыт, и только потом начинать изобретать свои уникальные схемы.

В качестве голографической установки для своих экспериментов мы будем использовать «песочницу». Не смотря на простоту конструкции, в ней можно успешно реализовать самые разнообразные схемы для записи голограмм. Конструкции оснастки для использования в подобной установке, мы рассматривали в предыдущих главах. Теперь только перечислим, что необходимо приготовить перед началом работы.

Зеркала с наружным отражающим покрытием

Обычные зеркала для использования в голографии не годятся. Когерентное излучение будет интерферировать при одновременном отражении от внешней поверхности стекла и отражающего покрытия, нанесенного на подложку. В результате мы получим ненужные полосы на изображении. Заказать зеркала с наружным зеркальным покрытием можно на фабрике, где их изготавливают. Нужно только попросить мастера не покрывать посеребренную поверхность стекла защитным слоем краски. Большой зеркальный лист необходимо порезать на небольшие форматы. При резке не допускайте царапин. Для этого в качестве подложки используйте лист фильтровальной бумаги. Порезанные зеркала аккуратно заверните в бумажные полотенца и аккуратно доставьте их в свою голографическую лабораторию.

Крепление оптики

Для крепления стеклянных поверхностей зеркал к держателям из алюминиевой трубы или деревянных брусочков лучше воспользоваться эпоксидным клеем типа «холодная сварка». Этот клей достаточно прочен, содержит пластификаторы и не создает напряжений в местах соединения деталей из разнородных материалов.

Линзы и микрообъективы лучше приклеивать к держателям силиконовым герметиком. Соединение получается надежным, но впоследствии детали можно без ущерба разъединить. Остатки клея после разборки легко удаляются с поверхностей деталей, не оставляя следов.

Лазеры.

Для записи голограмм необходимо приобрести или арендовать одночастотный зеленый DPSS лазер с длиной волны 520 нм. Почему не красный или синий? Дело в том, что эти лазеры самые дешевые на рынке. Одночастотный зеленый лазер с длиной когерентности не менее 1 метра и мощностью излучения 50 мВт. обойдется примерно в $1000. Столько же стоит качественная цифровая фотокамера. Кроме того, используя зеленое излучение, вы сможете записывать голограммы не только на галогенидосеребряных фотоматериалах, но и на бихромированной желатине, чувствительной к синему и зеленому излучению. Бихромированная желатина – это беззернистый фоточувствительный материал, позволяющий записывать исключительно яркие голограммы. Можно в качестве когерентного источника излучения использовать недорогие лазерные диоды, однако, в этом случае стабильность получаемых результатов будет низкой, и вы можете потерять больше драгоценного времени и денег по причине большого количества брака дорогих фотоматериалов.

Микрообъективы и цилиндрические линзы.

Для расширения лазерного луча до нужных размеров вам понадобятся объективы от микроскопа 10х и 40х. Если у вас нет пространственного фильтра с «пинхолом» для удаления интерференционных шумов, то внешние поверхности линз можно аккуратно почистить от пыли химически чистым изопропиловым спиртом. В работе могут понадобиться цилиндрические линзы. Их можно самим изготовить из тонких стеклянных пробирок, заполненных глицерином. Глицерин можно приобрести в любой аптеке.

Фотоматериалы

Приобретайте фотоматериалы, чувствительные к длине волны вашего лазера. Для голограмм Лейта и радужных голограмм лучше использовать фотопластинки с разрешением от 1000 до 3000 линий на миллиметр. Они обладают на порядок более высокой чувствительностью, чем эмульсии с разрешением от 6000 до 10000 линий на миллиметр, необходимые для записи отражательных голограмм Денисюка.

Фотохимикаты

Фотохимикаты для приготовления обрабатывающих растворов желательно заказывать вместе с фотоматериалами. Для составления растворов рекомендуется использовать дистиллированную воду, которую можно приобрести в аптеках или автомагазинах. В крайнем случае, можно вместо дистиллированной, использовать кипяченую профильтрованную воду.

Неактиничное освещение лаборатории

Для удобной работы в темной лаборатории используются фонари с красными или зелеными фильтрами. Красные фонари применяются при работе с фотоматериалами, чувствительными к зеленому свету, а зеленые – к красному. Если вы работе с фотоматериалами, чувствительными ко всему видимому спектру, то можно использовать неяркое зеленое освещение и во время проявления голограмм закрывать ванночки непрозрачными экранами.