Laser DPSS da 400 mW rigorosamente autocostruito
 

03-08-2013

 
Come costruire un laser DPSS a 532nm (luce verde) con componenti di diversa provenienza


Premessa
In questo articolo viene illustrato uno strumento da laboratorio che a causa della potenza emessa puo' risultare PERICOLOSO se usato impropriamente. 
I pericoli consistono nel rischio di accecamento e nella possibilita' di sviluppare incendi accidentali.

L'autore ne sconsiglia la realizzazione ai minorenni, agli incoscienti, agli hooligan scatenati, ai terroristi fai da te ed in genere a chi non si rende bene conto di cosa si tratti.
Data l'evidenza di questo avviso l'autore non si considera responsabile di eventuali danni arrecati a se e agli altri.




Fatta questa doverosa premessa vediamo di cosa stiamo parlando:

Era da anni che desideravo costruirmi un laser di una certa potenza a luce visibile.

Ho iniziato l'avventura una quindicina di anni fa con un laser ad alogenuri di rame (CuCl), ma a causa della sua complessita', l'ingombro e le difficolta' operative ho abbandonato l'impresa, non senza pero' aver ottenuto dei lusinghieri risultati.

Ho successivamente valutato la possibilita' di realizzare un laser ad argon, ma anche questo genere di laser, per problemi di scarsa efficienza, di consumi enormi di energia elettrica, raffreddamento ed ingombri, non si e' rivelato soddisfacente.

Fortunatamente negli ultimi anni si e' resa disponibile a costi abbordabili la tecnologia DPSS (Diode Pumped Solid State laser), che permette di realizzare laser di buona potenza, di dimensioni e peso contenuti ed alimentabili anche a batteria.

Cosi' sono nati i puntatori laser di basso costo (in genere di produzione cinese) tanto amati dai ragazzini imbecilli per accecare i propri compagni e fortunatamente regolamentati da una recente legge di pubblica sicurezza.

Per prima cosa vediamo come funziona questo genere di laser:
Schema di funzionamento di un laser DPSS




L'emissione laser vera e propria e' generata da un modulo laser ad infrarosso.
 
E' un minuscolo componente ormai reperibile a basso costo, anche su internet, con potenze notevoli (anche 30 o piu' watt).

Non chiedetemi dove trovarlo, perche' se siete in grado di portare a termine la costruzione, sicuramente non vi mancano le risorse per cercare un fornitore.

In questo progetto la mia sorgente primaria emette 2 Watt continui, mentre la potenza effettiva in uscita dopo la conversione si aggira sui 400 mW (percio' estrema attenzione !!!)

Purtroppo della radiazione infrarossa ce ne facciamo poco, se non per applicazioni industriali.

Se vogliamo vedere la luce laser e generare effetti scenografici e' indispensabile usare luce visibile.

Quello che dobbiamo fare e' convertire in qualche modo la radiazione IR in una banda visibile, ed e' proprio quello che fanno i componenti posti in seguito al laser.


Questo e' quello che succede: 


Un laser a stato solido emette una radiazione a 808 nm (nanometri), percio' nella banda dell'infrarosso.

Questa viene usata per illuminare (pompare) un cristallo di Neodymium Doped Yttrium OrthoVanadate, che viene eccitato in modo da emettere una radiazione secondaria a 1064 nm (per maggiori dettagli leggersi la teoria del principo laser).

Entrambe le bande non sono visibili, percio' e' necessario convertire quella in uscita in una frequenza visibile.

A cio' provvede un cristallo di Potassium Titanyl Phosphate (KTP), in grado di raddoppiare la frequenza e portarla a 532 nm (luce verde brillante).

La fisica di tale fenomeno e' basato sulle proprieta' ottiche "non lineari" del cristallo KTP ma personalmente non ho la competenza necessaria per descrivere il fenomeno in profondita', comunque l'importante e' che il sistema funziona.


Questa la teoria, vediamo ora la pratica. 


Il problema era trovare i componenti necessari e di riuscire ad assemblarli in modo decente.

 Dopo mesi di esplorazione della rete, ho trovato una ditta estera in grado di fornire dei componenti surplus a prezzi interessanti, cosi' ho acquistato un'ottica composta da un cristallo di Neodymium Doped Yttrium OrthoVanadate (Nd:YVO4) accoppiato insieme ad un cristallo di Potassium Titanyl Phosphate (KTP).

L'insieme si presenta come un blocchetto di materiale traslucido con lati di 2x2 mm e lungo 4.5 mm.



(Il cristallo composito Nd:YVO4 + KTP)


Il cristallo era gia' inserito in un cilindretto di ottone fatto su misura, completato da un "tappo" posteriore previsto per ospitare il diodo laser.

Era anche presente una speciale lente asferica per rendere cilindrico il fascio laser, che nativamente ha la forma di una microscopica striscia di pochi micron.

Ora dobbiamo solo focalizzare adeguatamente il raggio emesso, che e' divergente, per ottenere un fascio laser parallelo. Lo possiamo fare con una lente convergente di adeguata diottria.

Ho usato delle lenti recuperate da un microscopio, dunque di forte potere diottrico.

L'ho montata su un adeguato supporto lavorato al tornio e fissata sul case in modo da poter regolare la distanza focale.





L'ottica surplus acquistata su internet


 

L'ottica smontata contente il cristallo Nd:YVO4 e il cristallo KTP



  
Il vari componenti pronti per l'assemblaggio
A lato si vedono il minuscolo diodo laser IR da 2W e la lente di focalizzazione


Mancavano ovviamente gli altri componenti necessari ad assemblare il laser, ovvero un supporto per l'ottica e la lente di focalizzazione, un sistema di refrigerazione e un alimentatore adatto allo scopo.

Ho percio' messo nuovamente mano al tornio e costruito un supporto in alluminio, ricavandolo da un blocchetto di 40x40x40 mm:







L'alimentatore a corrente costante


Dopo un'accurata analisi dei requisiti richiesti dal diodo laser ho disegnato un alimentatore in grado di erogare 2,2V con una corrente di almeno 3 Ampere, dotato delle necessarie protezioni contro le sovratensioni e limitato in corrente.

Avevo in laboratorio dei regolatori LM338K e anche se un po' obsoleti con uno di questi ho realizzato il seguente schema:





(schema regolatore di corrente)


Si tratta di un regolatore a corrente costante, ovvero con qualsiasi carico in uscita la corrente rimane sempre quella prefissata.

Il valore della resistenza RX (sono quei resistori illustrati nello schema) imposta la corrente desiderata e si calcola con la seguente formula:
RX= 1,2338 / I

Nel mio caso la corrente massima per alimentare il diodo laser era di 2800 mA, percio' la resistenza doveva avere un valore di 0.44 Ohm.

Essendo un valore non standard ho dovuto usare una serie di due resistori da 0,22 Ohm da 2 Watt (selezionati con un ohmmetro di precisione).

E' importante usare resistori di potenza per evitare surriscaldamenti, e cioe' minimo 2 W, ancora meglio da 3 o 4 W.

Inoltre, per ottenere emissioni di potenza ridotta ho aggiunto delle reti resistive di valore superiore commutabili con dei ponticelli:

La seconda opzione ha una resistenza di 0,66 Ohm (I=1,87 A) e la terza ha una resistenza di 0,88 Ohm (I=1.40 A).

I condensatori elettrolitici devono avere una tensione di lavoro di minimo 25V e il regolatore deve essere montato su dissipatore.

Sconsiglio di usare commutatori rotativi per questione di disturbi e affidabilita', data la corrente in circolo.


IMPORTANTISSIMO: il modulo laser e' ultrasensibile alle scariche statiche e percio' DEVE essere protetto con un diodo veloce (uno Schottky 1N5818).

Come prima operazione, questo diodo deve essere saldato ai terminali del modulo usando le note precauzioni (saldatore e piano a massa, tappeto conduttivo ecc.) e mai rimosso per nessun motivo. Non influisce comunque sul funzionamento dell'apparato.

Considerata la semplicita' dello schema inizialmente ho fatto un montaggio "volante", usando il dissipatore del LM338 come supporto, in seguito ho costruito un semplice circuito stampato del quale non ritengo fondamentale il master.




Il sistema di raffreddamento


Alla massima potenza il laser DEVE essere mantenuto ad una temperatura di massimo 25 gradi, percio' per impieghi continui e' necessario raffreddare il case.

Per questo scopo ho realizzato un "condizionatore" con celle di Peltier connesso con il case del laser e dei dissipatori ad aletta sul lato esterno.

Per forza di cose il sistema deve essere termostatato.

E' consigliabile usare un po' di grasso al silicone per alette di raffreddamento.

I dettagli di questo sistema Peltier potranno essere oggetto di un'altro articolo, percio' non indugio sui particolari.




Questa e' la foto del setup completo


Si possono notare: il laser da 400 mW con il relativo alimentatore (ancora in versione sperimentale), un amperometro e un voltmetro di controllo, sopra ci sono le celle di Peltier necessarie alla refrigerazione.

Sotto c'e' un laser DPSS verde commerciale da 30 mW, messo li' per paragone dimensionale.




Il laser completato e in funzione, il raggio si nota bene anche con la normale illuminazione ambiente.
Le foto sono state scattate con il laser a potenza ridotta (1,4 A invece dei 2,8 A nominali).




Qui si possono vedere i ponticelli per variare la potenza, le alette di raffreddamento e le celle di Peltier

L'alimentatore in foto e' la seconda versione, dotata di CS.

Il diodo di protezione e' saldato direttamente ai reofori del diodo laser.



Infine le caratteristiche del diodo laser usato nel progetto:

CARATTERISTICHE TECNICHE MODULO LASER IR:

 
Classe 4
Lunghezza d'onda : 808 nm (+/- 3nm)
Larghezza di banda: 5 nm
Potenza max: 2Watt
Corrente di soglia: 700 mA
Corrente max: 2800 mA
Tensione nominale: 2,2V
Divergenza fascio: 12/40
Superfice di emittenza: 200x1 micron
Resistenza in serie: 0,25 Ohm
Vita operativa: 15000 ore
Package: C mount
Dimensioni : 6x6x1,5 mm