Laser DPSS

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

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 complessità, l'ingombro e le difficolta' operative ho abbandonato l'impresa, non senza però aver ottenuto dei lusinghieri risultati.

Ho successivamente valutato la possibilità 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.

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, perchè 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 (perciò' 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.

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'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: 

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.

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. 

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).

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