Спектроскопия в стиле гетто: Исследуем спектр и (без)опасность лазеров

Думаю, каждый, кто читает эту статью играл с лазерными указками. В последнее время китайцы поднимают мощности излучения все выше - а о безопасности заботиться нам придется самим.

Недавно выдалась возможность проверить, можно ли резать медную фольгу на печатной плате 1W зеленым лазером (пока ответ "нет") - но проверять это, не имея конкретной информации о паразитном ИК излучении и насколько хорошо работают защитные очки - не хотелось.

Помимо этого - также получилось на коленке посмотреть спектр излучения лазера - генерирует ли он на одной частоте, или сразу на нескольких. Это может быть нужно, если вы хотите попробовать записать голограмму в домашних условиях.

Вспомним конструкцию зеленых DPSS лазеров

808нм инфракрасный лазерный диод светит на кристалл лазера на Nd:YVO4 или Nd:YAG, который излучает на длине волны 1064нм. Затем в нелинейном кристалле KTP происходит удвоение частоты - и мы получаем зеленый свет 532нм.


Очевидная проблема тут в том, что 808нм и 1064нм излучение может выходить из лазера (если выходного фильтра нет, или он плохого качества) под неизвестным углом, и незаметно для нас заняться художественным вырезанием по сетчатке. Глаз человека вообще не видит 1064нм, а 808нм излучение - очень слабо, но в темноте можно увидеть (не слишком опасно это только с рассеянным излучением на маленькой мощности!).

Несфокусированное паразитное излучение

Для начала взглянем на излучение зеленого лазера камерой без ИК фильтра:

Кольцо вокруг точки - это рассеянное излучение 808нм лазерного диода накачки. Если из-за несовершенства конструкции лазера оно слишком мощное - там может появится и 1064нм и 532нм. При большой мощности - это излучение может быть опасно, особенно если не догадываться о его существовании.

Однако какое излучение в сфокусированной части излучения лазера? Попробуем это выяснить.

Первый подход: лист бумаги и CD-диск

Идея проста - светим лазером через дырочку в листе бумаги A4 на поверхность штампованного CD-диска. Бороздки на поверхности диска - в первом приближении работают как дифракционная решетка, и раскладывают свет в спектр.


Каждая длина волны формирует сразу несколько изображений - несколько положительных и несколько отрицательных порядков.

В результате глазом и обычной фотокамерой увидим следующее:


Однако, если посмотреть на лист бумаги камерой без ИК фильтра, замечаем странную сиреневую точечку между первой и второй точкой от центра:


Это как раз паразитное, не отфильтрованное 808нм излучение. К сожалению, таким способом нельзя увидеть точку 1064нм излучения - оно идеально точно совпадает со вторым порядком 532нм излучения. Что-же делать?

Второй подход: дисперсионные призмы

Призма также раскладывает свет в спектр, однако разница углов преломления для разных длин волн - намного меньше. Именно поэтому этот вариант у меня далеко не сразу удалось осуществить - я продолжал видеть одну точку. Ситуацию усугубляло то, что призмы у меня были из обычного стекла, которые в спектр разлагают свет вдвое хуже специализированных.

В результате пришлось взять 2 призмы, и увеличить расстояние до экрана до 2-х метров. Лист картона с дырочкой между лазером и призмами - для того, чтобы отфильтровать паразитное несфокусированное излучение из лазера.


Результат достигнут: четко видны точки 808нм, 1064нм и зеленая 532нм. Глаз человека на месте ИК точек не видит вообще ничего.


На 1W зеленом лазере с помощью "пальцевого высокоточного измерителя мощности" (сокращенно ПВИМ) удалось выяснить, что в моем случае подавляющая часть излучения - 532нм, а 808нм и 1064нм хоть и обнаруживаемы камерой, но мощность их в 20 и более раз меньше, ниже предела обнаружения ПВИМ.

Настал черед проверить очки

Китайцы обещают, что ослабление в 10тыс раз (OD4) для диапазонов 190-540нм и 800-2000нм. Что-ж, проверим, глаза-то не казенные.

Надеваем очки на камеру (если надеть на лазер - дырку проплавит, они пластиковые), и получаем: 532нм и 808нм ослабляются очень сильно, от 1064нм немного остается, но думаю не критично:


Из любопытства решил проверить цветные анаглифные очки (с красным и синим стеклом). Красной половиной зеленый задерживается хорошо, а вот для инфракрасного света они прозрачные:


Синяя половина - вообще практически никакого эффекта не оказывает:

Генерирует ли лазер на одной частоте или нескольких?

Как мы помним, основной элемент конструкции DPSS лазера - резонатор Фабри — Перо, представляющий собой 2 зеркала, одно полупрозрачное, второе обычное. Если длина волны генерируемого излучения не будет укладываться в длину резонатора целое число раз - из-за интерференции волны будут гасить сами себя. Без применения специальных средств лазер будет одновременно генерировать свет сразу на всех допустимых частотах.

Чем больше размеры резонатора - тем больше возможных длин волн, на которых может генерировать лазер. В самых маломощных зеленых лазерах - кристалл неодимового лазера представляет собой тоненькую пластинку, и зачастую там возможны только 1 или 2 длины волны для генерации.

При изменении температуры (=размеров резонатора) или мощности - частота генерации может изменится плавно, или скачком.

Почему это важно? Лазеры генерирующие свет на одной длине волны можно использовать для голографии в домашних условиях, интерферометрии (сверхочное измерения расстояний) и прочих веселых штук .

Что-ж, проверим. Берем тот же CD-диск, но на этот раз наблюдать за пятном будем не с 10 см, а с 5 метров (т.к. нам нужно увидеть разницу длин волн порядка 0.1нм, а не 300нм).

1W зеленый лазер: Из-за больших размеров резонатора - частоты идут с маленьким интервалом:


10mW зеленый лазер: Размеры резонатора маленькие - в том же диапазоне спектра помещаются только 2 частоты:


При снижении мощности - остается только одна частота. Можно писать голограмму!


Посмотрим и на другие лазеры. Красный 650нм 0.2Вт:


Ультрафиолетовый 405нм 0.2Вт:

Резюме

• 532нм зеленые лазеры - обильно освещают все инфракрасным светом: широким несфокусированным пучком 808нм (а при большОй мощности паразитного излучения - там будет и 1064 и 532нм), а в сфокусированном пятне - есть и 808 и 1064.
• Надеяться на случайные цветные очки для защиты - преступно. Они пропускают это инфракрасное излучение, и можно незаметно прожарить себе сетчатку.
• В полевых условиях, имея только CD-диск - вполне реально посмотреть спектр излучения лазера в масштабе 0.1нм и увидеть, работает ли лазер в одночастотном режиме.

Так что будьте осторожны играя с лазерными указками, не покупайте излишнюю мощность без крайней необходимости.
Да будет когерентный свет!