Лабораторные приборы: портативный ИК лазер

Автор: Dzmitry Kalesnikau
Специально для chem.by, 26.10.10.

     В данной публикации будет описан способ изготовления простейшего портативного лазерного устройства, работающего в инфракрасном диапазоне для нужд химической (физико-химической, физической) лаборатории.

     Описанный способ может быть повторен сотрудниками лабораторий, имеющими базовые познания в электротехнике и некоторый опыт в сборке/ремонте электротехнических устройств.

     Для конструирования прибора потребуются следующие материалы и оборудование: переключатель миниатюрный двухпозиционный, отрезок металлопластиковой трубы с внутр. Ø15мм и длиной 260мм, пистолет клеящий, термоклей для клеящего пистолета (1шт.), пластичный двухкомпонентный эпоксидный состав типа "ЭПОКСИЛИН" (50г.), торец округлый пластиковый с внешн. Ø18-20мм и длиной 20мм, паяльное оборудование и проводники изолированные Ø0.5мм, металлические пятачки из меди 8×8мм с толщ. 1мм (2шт.), прокладка резиновая пружинящая округлая длиной 10мм, пластинка из гетинакса 40×10мм, пластинка медная 25×10мм с толщ. 1мм, собирающая плосковыпуклая линза из пластика (2шт.), лазерный излучатель мощностью до 100мВт и максимумом излучения с длиной волны 780нм (документация и фото), резистор проволочный или иной  0.5Вт с сопротивлением 2Ом, конденсатор 22мкФ на напряжение до 10В, стабилизатор напряжения типа "IL5225" (документация и фото) на стабилизируемое напряжение 2.5В и ток до 1А, аккумулятор Ni-MH емкостью 2500мА/ч с напряжением 1.25В (4шт.), краска аэрозольная серебристая, вспомогательный инструмент и материал (бокорезы, пинцет, нож для бумаги, листы-экраны, пластилин и проч.).

     Принципиальная электрическая схема устройства:

     Электрический принцип работы: питание от аккумуляторов поступает на стабилизатор напряжения D1 IL5225, на выходе которого напряжение составляет 2,5В. При таком напряжении лазерный диод потребляет все еще слишком большой ток, поэтому резистор R1 сопротивлением 2Ом ограничивает ток до приемлемого значения 0,18-0,20А. Конденсатор C1 на емкость от 10мкФ позволяет более "мягко" запускать диод, кроме того осуществляет его защиту. Схема сохраняет работоспособность (яркость свечения лазерного диода не изменяется) вплоть до полного разряда аккумуляторов (до падения напряжения на входе стабилизатора до 3,5В). При максимальном потребляемом токе и аккумуляторах емкостью 2500мА/ч время непрерывной работы устройства может достигать 12ч.
     Особенности и условия эксплуатации устройства: 1) не применять устройство при температуре ниже 0˚С и влажности выше 90%; 2) устройство склонно к перегреву, нагревается верхняя часть корпуса, в которой расположены радиаторные пластинки для лазерного диода, стабилизатор и резистор; 3) при температуре воздуха выше 20˚С время непрерывной работы устройства должно не превышать 1ч, при температуре выше 30˚С — не более 15 минут, при температуре выше 40˚С включать устройство на сколь угодно длительный период не рекомендуется; 4) усредненный η (к.п.д.) устройства по затраченной энергии на выход излучения составляет 15%; 5) оптическая система устройства чувствительна к перегрузкам — не допускать падений корпуса.

     Сборка портативного лазерного устройства начинается с заготовки необходимых материалов и оборудования из описанного перечня. По сути разыскать большую часть их не составит труда, но наиболее дефицитные компоненты, являющиеся основой схемы могут вызвать затруднения. Это малогабаритный стабилизатор напряжения и сам лазерный диод. Подходящий стабилизатор напряжения был обнаружен в продаже. Это IL5225 производства НПО "Интеграл". Стоимость составляет 0,2$. Лазерный диод с необходимыми параметрами имеет высокую стоимость (более 100$), поэтому применяется лазерный диод, входящий в состав дисководов для оптических дисков с возможностью записи CD. Особенность такого лазера: чем выше скорость записи дисков в дисководе, тем выше мощность лазерного диода, находящегося в записывающей головке дисковода. Как извлечь лазерный диод из дисковода вам покажет видео. После извлечения диода следует проверить его работоспособность. Следует иметь ввиду, что некоторые дисководы содержат т.н. бескорпусные диоды — излучающие кристаллы на подложке без защитной оболочки. Такие диоды подвержены механическим и коррозионным повреждениям, их сложнее монтировать.

     В начале возьмем готовый проверенный диод и закрепим его на пластинке из гетинакса. Удобно, когда у диода остается радиатор, в который вставлен сам корпус диода. Тогда этот радиатор плоской стороной накладывается на пластинку так, чтобы зрачок диода смотрел в сторону торца, а от радиатора до края пластинки было 10-15мм: . Радиатор крепится (не прочно) посредством термоклея, но сторона радиатора, контактирующая с пластинкой, как и сама пластинка в этом месте должна быть зачищена (рекомендуется также смазать поверхности термопастой). Следом устанавливается собирающая плосковыпуклая линза из пластика. Как и для лазерного диода, рекомендуется использование линзы в ее "родной" оправе, упрощающей закрепление. Закрепляют линзу напротив зрачка лазерного диода, на краю пластинки: . Важно максимально точно установить положение диода и линзы. Для этого диод подключают к питанию на мощности 10% и устанавливают за пластинкой черный экран. Необходимо достичь фокусировки луча в яркую минимально возможную точку на расстоянии 50см от линзы. Оптическая система аккуратно и прочно закрепляется эпоксидным составом типа "ЭПОКСИЛИН". Во время затвердевания (не менее 6ч) нужно периодически проверять фокусировку, в случае необходимости корректировать (все должно происходить при постоянной температуре выше 15˚C и влажности не более 70%).

     После успешной постройки оптического модуля приступаем к реализации системы питания лазерного диода. Начнем с установки стабилизатора напряжения типа "IL5225" на свой радиатор — медную пластинку. Как можно понять по изображению, пластинка с одного торца имеет срезанные углы, а второй торец сужается. Большой верхний и средний нижний выводы IL5225 подпаиваются к суженному торцу радиатора: . Это выводы выхода стабилизированного напряжения (Out; 02, 04). Первый (01) вывод стабилизатора общий ("−"). Он подпаивается гибким тонким проводником к корпусу лазерного диода, и должен быть соединен с гетинаксовой пластинкой-основой. На гетинаксовую пластинку, сразу за лазерным диодом укрепляются плоскокорпусный конденсатор на 22мкФ и резистор 2Ом, выводы которых подпаивают согласно схеме выше: . Медная пластинка со стабилизатором накладывается сверху на гетинаксовую основу, при этом одновременно изолируясь от ее поверхности и прикрепляясь эпоксидным составом: . Свободный вывод резистора (который не соединен с конденсатором и лазерным диодом) подпаивается к медной пластинке. К гетинаксовой пластинке-основе у заднего торца подпаивается пружинистый проводник, который будет выводом питания лазерного модуля ("−"). Нижний правый вывод (03) IL5225 это второй вывод питания лазерного модуля ("+"), к которому подпаивается тонкий гибкий проводник для обеспечения последующего монтажа: . Лазерный модуль готов, теперь на его выводы можно подавать напряжение 4-6В, и он будет нормально работать, выдавая тонкий луч с некоторым расхождением.

     Однако для удобства применения, а также защиты частей модуля рекомендуется использовать корпус, который кроме модуля вместит элементы питания и переключатель. Корпус изготавливается из отрезка металлопластиковой трубы с внутр. Ø15мм и длиной 260мм. В начале установим внутри корпуса лазерный модуль, на специально оставленный пружинистый проводник которого одеваем резиновую пружинящую прокладку. После подпаиваем к кончику проводника металлический пятачок из меди 8×8мм — контактную колодку для отрицательного вывода батареи аккумуляторов. Вставляем весь модуль внутрь трубы, не забывая вывести наружу второй вывод питания. Модуль крепится термоклеем в таком положении в верхней части трубы, чтобы зрачок диода был направлен примерно по центру. После окончательно фиксируется эпоксидным составом. Второй вывод питания лазерного модуля ("+") аккуратно подпаивается к корпусу трубы, ко внутреннему металлическому слою ее стенки. Затем труба переворачивается и обустраивается хвостовая часть. Для удержания аккумуляторов внутри трубы, контакта с ними, и управления включением собирается заглушка. Основой для заглушки служит торец округлый пластиковый с внешн. Ø18-20мм и длиной 20мм. Внутри размещается на эпоксидном составе переключатель. Один вывод переключателя выходит посередине торца-заглушки, с напаиванием на него медного пятачка. А другой вывод подпаивается тонким проводником (желательно витым и прочным) к металлическому корпусу трубы (который "+"). Рычажок переключения просовывается сквозь прорезь в стенке. Последним на этой стадии будет формовка из эпоксидного состава хвоста заглушки, вставляемого в трубу до максимальной плотности закрепления. Во всей конструкции осталось лишь сформовать из того же состава переднюю часть трубы. Для аккуратной формовки работа ведется в перчатках. Эпоксидный состав наносится на кружок из картона Ø12мм. В центре прокручивается отверстие Ø4мм. Кружок накладывается на конец трубы со стороны лазерного модуля и скрепляется со стенкой трубы эпоксидным составом. Все полируется вручную. Сразу проводим проверку — включаем устройство. Луч должен проходить точно сквозь отверстие. В отверстие можно будет вставлять дополнительную линзу (без оправы) для более ближней фокусировки луча. Когда эпоксидный состав затвердел, переключатель и отверстие плотно закрываются кусочками пластилина. Все устройство окрашивается аэрозольной серебристой краской. После высыхания поверхности и выемки пластилина устройство "портативный инфракрасный лазер" готово к работе.