Дальность лазерной указки. Как работает лазерная указка? Типовые модели, форм-факторы и мощность

Лазер - акроним от L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation , что дословно переводится "усиление света посредством вынужденного излучения" - это устройство, преобразующее энергию накачки в энергию узконаправленного потока излучения.

Существует большое количество различных типов лазеров. Их можно разделять на группы по источнику накачки, рабочему телу, области применения. Т.к. в данной статье лазеры будут рассмотрены в контексте безопасности работы с лазерными нивелирами и дальномерами, то внимание будет обращено на такие параметры, как рабочая длина волны (нм) и мощность излучения (мВт).

Длина волны , если она находится в видимом диапазоне, обуславливает цвет лазерного луча. Мощность излучения обуславливает яркость луча, те или иные возможности (прицеливание, демонстрация оптических эффектов, считывание штрих-кодов, резка и сварка материалов, лазерная хирургия, накачка других лазеров).

Излучение в лазерных нивелирах и дальномерах работает как обычная лазерная указка - портативный генератор когерентных и монохроматических электромагнитных волн видимого диапазона в виде узконаправленного луча. Изготавливается на основе красного лазерного диода, который излучает в диапазоне 635-670 нм . Мощность их излучения не превышает 1,0 мВт .

Существует несколько классификаций опасности лазеров, которые, однако, весьма похожи. Ниже приведена наиболее распространенная международная классификация.

Класс 1 Лазеры и лазерные системы очень малой мощности, не способные создавать опасный для человеческого глаза уровень облучения. Излучение систем класс 1 не представляет никакой опасности даже при долговременном прямом наблюдении глазом. К классу 1 относятся также лазерные устройства с лазером большей мощности, имеющие надежную защиту от выхода луча за пределы корпуса

Класс 2 Маломощные видимые лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если специально смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы. Лазеры с невидимым излучением не могут быть классифицированы как лазеры 2-го класса. Обычно к классу 2 относят видимые лазеры мощностью до 1 мВт

Класс 2a Лазеры и лазерные системы класса 2a, расположенные и закрепленные таким образом, что попадание луча в глаз человека при правильной эксплуатации исключено

Класс 3a Лазеры и лазерные системы с видимым излучением, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении кратковременного периода (как правило, за счет моргательного рефлекса глаза). Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп). Обычно ограничены мощностью 5 мВт. Во многих странах устройства более высоких классов в ряде случаев требуют специального разрешения на эксплуатацию, сертификации или лицензирования

Класс 3b Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча. Лазер относится к классу 3b, если его мощность более 5 мВт

Класс 4 Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами (< 0,25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющиеся и горючие материалы

Требования к конструкции и техническим характеристикам, правила безопасной работы и способы защиты от лазерного излучения на территории Республики Беларусь регламентируются СанПиН 2.2.4.13-2-2006 "Лазерное излучение и гигиенические требования при эксплуатации лазерных изделий" и СТБ IEC 60825-1-2011 "Безопасность лазерных изделий. Часть 1. Классификация оборудования и требования" - национальный стандартом Республики Беларусь, который является идентичным международному стандарту IEC.

Значительная часть производимой в мире лазерной техники выпускается и маркируется в соответствие с нормами, опубликованными американской организацией «Center for Devices and Radiological Health» (CDRH).

Лазерные нивелиры и дальномеры являются лазером класса 2 в соответствии с данной классификацией, что позволяет использовать их выполняя следующие меры предосторожности:
- не смотрите на лазерный луч, лазерный луч может повредить глаза, даже если Вы смотрите на него с большого расстояния;
- не направляйте лазерный луч на людей и животных;
- лазер должен быть установлен выше уровня глаз;
- используйте прибор только для замеров;
- не вскрывайте прибор;
- держите прибор в недоступном для детей месте;
- не используйте прибор вблизи взрывоопасных веществ.

Устроены зеленые лучи более сложно: первый лазер, инфракрасный, длиной волны 808 нм, светит в кристалл Nd:YVO4 – получается лазерное излучение с длиной волны 1064 нм. Оно попадает на кристалл «удвоителя частоты» - и получается 532 нм .

В некоторых лазерах есть инфракрасный фильтр, но это значительно увеличивает цену прибора, значит может присутствовать только в дорогих моделях. Так же стоит заметить, что зеленые диоды, устройства которые излучают зеленый луч, значительно дороже при производстве (в несколько раз по причине большего числа брака по сравнению с красным). А рабочий ресурс зеленого диода значительно ниже. Суммарно это отражается на конечной стоимости нивелира лазерного. В итоге получается следующая картина. Нивелир лазерный с зеленым лучом строит проекции, которые лучше видны, ресурс такого прибора ниже, стоимость выше (порой у один производитель за одинаковые модели отличающиеся лишь лазером выставляет цену отличающуюся в 1,5-2 раза).

Следует отметить, что по заявленным производителями нивелиров характеристикам мощность такого лазера до 2,7 мВт (у красного до 1,0 мВт), а безопасность по классу 3 (у красного 2).

Подведем итог, зеленый цвет лазера действительно лучше виден в условиях дневного света, чем красный, но нельзя забывать о том, что он значительно небезопаснее и неоправданно дорог .

Это портативный прибор, в котором присутствует излучатель, генерирующий когерентные и монохроматические электромагнитные волны видимого диапазона в виде луча. В качестве излучателя может использоваться лазерный диод (конструкция намного проще) или полноценный твердотельный лазер (конструкция сложнее).

Существует несколько типов лазерных указок, которые отличаются цветом и соответственно типом излучателя:

• Красные
• Зеленые
• Синие
• Бирюзовые
• Голубые
• Фиолетовые
• Желтые
• Оранжевые

Как работает лазерная указка?

Красные лазерные указки

Самые дешевые и поэтому самые распространенные. Работают от обычной таблеточной батарейки. Эта указка работает на основе красного лазерного диода, спектр излучений которого 650-660 нм. Кроме диода в указке установлена драйверная плата, которая управляет питанием. Чтобы излучение распространялось в виде узконаправленного луча используется выпуклая с обеих сторон (или плоско-выпуклая, плоской стороной к диоду) линза. Такая линза называется коллиматором.

Мощность красных лазерных указок как правило небольшая и для большинства экземпляров, встречаемых в продаже составляет 1-100 мВт. Неприятная особенность указок на основе красных лазерных диодов - эти диоды быстро «выгорают», что приводит к снижению интенсивности излучения. Поэтому любая указка такого типа через несколько месяцев использования светит намного хуже новой, независимо от заряда батарейки.

Зеленые лазерные указки

В дневное время человеческий глаз намного чувствительное к зеленому цвету чем к красному (примерно в 6-10 раз). Поэтому зеленые указки светят значительно ярче. Правда ночью это соотношение меняется и здесь уже зеленые указки не имеют такого преимущества в яркости лазера перед красными.

Поскольку зеленые лазерные диоды очень дорогие, для создания зеленых лазерных указок используются твердотельные лазеры с диодной начинкой (DPSS). Они дешевле зеленых лазерных диодов, хотя и дороже красных. Длина волны зеленой лазерной указки - 532 нм, коэффициент полезного действия - примерно 20% (выше чем у красной). Зеленые указки более энергозатратные чем их красные сородичи. Поэтому достаточно сложно купить подобный агрегат, питающийся от таблеточной батарейки.

Синие лазерные указки

Выпускаются не так давно (с 2006 года), принцип работы схож с зелеными. Длины волны - 473 нм для бирюзового цвета, 445 - для синего цвета. Также есть голубые указки с длиной волны 490 нм. Так же как и в зеленых, в качестве излучателя используется твердотельный лазер, хотя есть модели на синих лазерных диодах (445 нм). Синие лазеры очень дорогие, диоды дешевле, но они пока мало распространены. Излучение синих лазерных указок очень опасно для глаза, поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности при работе с ними. КПД низкий и составляет примерно 3%.

Желтые лазерные указки

Длина волны излучения желтых указок - 593.5 нм. Существуют также их оранжевые «братья» с длиной волны излучения 635 нм. По воздействию на человеческий глаз желтый цвет близок к красному, т.е. намного безопаснее синего и зеленого. КПД желтых указок очень низкий и едва превышает 1%.

Фиолетовые лазерные указки

В этих указках используются фиолетовые лазерные диоды с длиной волны 400-410 нм. Эта цифра находятся возле предела диапазона, воспринимаемого человеческим глазом, поэтому свет от фиолетовой указки кажется весьма тусклым. Тем не менее не стоит светить фиолетовой указкой (как и любой другой) в глаза, поскольку это вредно для них в любом случае.

Свет фиолетовой указки способен вызвать флюоресценцию, во время которой яркость светящихся предметов намного выше чем у самого лазера. Серийное производство лазерных указок началось после появления приводов для оптических носителей Blu-ray, поскольку в них использовались лазерные диоды с длиной волны излучения 405 нм.

Устройство лазерной указки, видео

Начали продаваться в 2002 году. Самый распространенный тип твердотельных лазерных указок с диодной накачкой (DPSS). Мощность таких указок от 5 до 800 милливатт (mw). Диоды зелёного цвета не производятся, используется другая схема производства таких указок. Устройство намного сложнее чем у обычных красных или синих лазерных указок. Зелёный свет получают довольно сложным способом из за чего мощные зеленые лазерные указки, стоят очень дорого.

Сначала мощным (обычно >100 мВт инфракрасным лазерным диодом с λ=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия с неодимовым легированием, где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия, частота излучения удваивается (1064 нм → 532нм) и получается видимый зелёный свет. Отметим высокую энергозатратность зелёных лазерных указок - в большинстве используются две AA/AAA/CR123/18650 батареи. Фокусируемая зеленая лазерная указка мощностью от 200мВт, способна зажигать спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.).

Красные лазерные указки

Самые распространенные лазерные указки красного цвета . В таких указках используется красные лазерные диоды с длинной волны 650нм 660нм или более видимый 635нм. Мощность бывает приблизительно от 1 до 1000 милливатт (mw). Мощные красные указки 650нм - одни из самых дешевых по соотношению цена/мощность. Фокусируемая красная лазерная указка мощностью от 200мВт, способна зажигать спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.).

Более редкие красные лазерные указки используют Твердотельный лазер c диодной накачкой (DPSS) и работают на длине волны 671 нм.

Синие лазерные указки

445 нм (синий цвет)

У этих лазерных указок, свет излучается, мощным синим лазерным диодом. Такие лазерные указки относится к 4-му классу опасности и представляет серьёзную опасность для глаз и кожи. Мощность таких лазерных указок бывает 500mw, 1000mw и более дорогие 1500mw и 2000mw. Это самые мощные лазерные указки на сегодняшний день. Другие указки, достигать таких мощностей не могут. По соотношению цена/мощность, мощные синие лазерные указки, являются самыми выгодным приобретением на сегодняшний день. Такие указки прожигает все подряд вплоть до дерева.

473 нм - Аргоновый (бирюзовый цвет)

Такие лазерные указки появились лишь в 2007 году и имеют схожий с зелёными лазерными указками принцип работы (DPSS). Длину волны 473нм обычно получают, путем удвоения частоты 946нм излучения. Для получения 946нм используется кристалл алюмо-иттриевого граната с добавками неодима. Такие указки очень дорогие в производстве, из за их низкого КПД. Мощность таких указок бывает от 1 до 50 милливатт(mw). Но сегодня можно заказать даже такую редкую и эксклюзивную лазерную указку. Невероятно красивый луч бирюзового цвета, выглядит просто потрясающе!

Фиолетовые лазерные указки

Фиолетовые указки имеют лазерный диод 405нм. Длина волны 405нм находится на границе диапазона светового спектра, видимого человеческому зрению и поэтому, луч таких указок кажется тусклым. Однако, свет таких лазерных указок, вызывает флюоресценцию предметов, на которые направлен лазерный луч. Фиолетовые лазерные указки стали продаваться после появления Blu-ray приводов. Мощность таких указок бывает от 5 до 500 мВт. Фокусируемая фиолетовая лазерная указка мощностью от 200мВт, способна зажигать спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.)

Жёлтые лазерные указки

Лазерные указки желтого цвета так же используется DPSS технологию и излучают одновременно два пучка света: 1064нм и 1342нм. Излучение попадает в нелинейный кристалл, который поглощает фотоны двух пучков и излучает фотоны 593,5нм (суммарная энергия 1064 и 1342 нм фотонов равна энергии фотона 593,5 нм). КПД таких указок не вероятно низок около 1 %. Тем самым делая их самыми дорогими и мало распространенными.

Современные лазеры постепенно набирают популярность и каждый день к числу их ценителей прибавляются все новые люди. Как же не растеряться в многообразии выбора и приобрести именно то, что необходимо? Лазерная указка зеленого цвета или красного? Простая или помощнее? С металлическим корпусом или с пластмассовым? Попробуем ответить на все эти вопросы по порядку.

Мощность.

От мощности лазера зависит концентрированность и длина его луча. Чем лазер мощнее – тем дальше вы им сможете посветить и тем меньше вероятность, что луч рассеется на большом расстоянии.

Существует несколько типов указок по мощности – 50, 100, 200, 300, 500 и 1000 милливатт. Другие варианты используются редко. Нужно понимать, что от этого параметра зависит также стоимость устройства – чем оно мощнее, тем дороже.

Более мощные указки подходят для создания лазерных шоу и любительской голографии, кроме того, с помощью таких лазеров определенного спектра излучения можно поджигать удаленные предметы – например, спички – или плавить целлофан, пластмассу.

Цвет луча.

Самыми распространенными являются лазерные указки зеленого цвета, отличающиеся прекрасной видимостью луча – дело в том, что зеленый спектр свечения лучше всего воспринимается человеческими глазами. Но существуют и другие модели, которые имеют другие свойства и специфику применения.

Луч фиолетовых указок практически не виден ни в темноте, ни на свету. Зато такой лазер заставляет освещаемые объекты флуоресцировать – испускать собственное свечение.

Красные указки при больших мощностях работы могут нагревать и воспламенять предметы на расстоянии.

Синие, желтые и голубые лазеры применяются для лазерных шоу в качестве необычных «добавок» к лазерным указкам более распространенных цветов.

Помните – от цвета лазера также зависит его стоимость. Самые дорогие – желтые, синие и фиолетовые лазеры, красные гораздо более доступны, а лазеры зеленого цвета считаются самыми дешевыми – в силу широкой распространенности.

Другие характеристики.

При выборе лазерной указки стоит обратить внимание на некоторые другие свойства товара. Это, в первую очередь:

Наличие насадок. С помощью оптической насадки можно рассеять луч и превратить его в определенную картинку, которая будет изменяться при помощи вращения насадки. Выглядит очень зрелищно! Лучше, если таких насадок будет несколько.

Корпус. Он должен быть ударопрочным – из специального пластика либо металла.

Дополнительные элементы. Веревочка на руку и чехол на пояс уберегут вашу указку от преждевременного выхода из строя и чрезмерного засорения.

Помните – при помощи лазерной указки зеленого цвета, так же, как и фиолетового, красного, можно нанести серьезные увечья сетчатке глаза! Используйте устройства бережно и храните их от детей!

В узконаправленный луч, как правило используется двояковыпуклая линза -коллиматор . Однако при качественной фокусировке луча (которую можно произвести самостоятельно подкручивая прижимную гайку линзы), указку можно использовать для проведения опытов с лазерным лучом (например, для изучения интерференции). Мощность наиболее распространенных лазерных указок 0,1-50 мВт , в продаже имеются и более мощные до 2000 мВт . В большинстве из них лазерный диод не закрыт, поэтому разбирать их надо крайне осторожно. Со временем открытый лазерный диод «выгорает», из-за чего его мощность падает. Со временем подобная указка практически перестанет светить, вне зависимости от уровня заряда батарейки . Зелёные лазерные указки имеют сложное строение и больше напоминают по устройству настоящие лазеры.

Лазерная указка

Типы лазерных указок

Ранние модели лазерных указок использовали гелий-неоновые (HeNe) газовые лазеры и излучали в диапазоне 633 нм. Они имели мощность не более 1 мВт и были очень дорогими. Сейчас лазерные указки, как правило, используют менее дорогие красные диоды с длиной волны 650-670 нм. Указки чуть подороже используют оранжево-красные диоды с λ=635 нм, которые делают их более яркими для глаз, так как человеческий глаз видит свет с λ=635 нм лучше, чем свет с λ=670 нм. Производятся и лазерные указки других цветов; например, зеленая указка с λ=532 нм - хорошая альтернатива красной с λ=635 нм, поскольку человеческий глаз приблизительно в 6 раз чувствительнее к зелёному свету по сравнению с красным. В последнее время набирают популярность жёлто-оранжевые указки с λ=593,5 нм и синие лазерные указки с λ=473 нм.

Красные лазерные указки

Самый распространенный тип лазерных указок. В этих указках используется лазерные диоды с коллиматором. Мощность варьируется приблизительно от одного милливатта до ватта. Маломощные указки в форм-факторе брелока питаются от маленьких батареек-«таблеток» и на сегодняшний день (апрель 2012 г.) стоят порядка 1$. Мощные красные указки - одни из самых дешевых по соотношению цена/мощность. Так, фокусируемая лазерная указка мощностью 200мВт, способная зажигать хорошо поглощающие излучение материалы (спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.), стоит порядка 20-30$. Длина волны - примерно 650 нм.

Более редкие красные лазерные указки используют Твердотельный лазер c диодной накачкой (diode-pumped solid-state , DPSS) и работают на длине волны 671 нм.

Зеленые лазерные указки

Устройство зеленой лазерной указки типа DPSS, длина волны 532nm.

Луч лазерной указки 100мВт, направленный в ночное небо.

Зеленые лазерные указки начали продаваться в 2000 году. Самый распространенный тип твердотельных с диодной накачкой (DPSS) лазеров. Лазерные диоды зелёного цвета не производятся, поэтому используется другая схема. Устройство намного сложнее, чем у обычных красных указок, и зелёный свет получают довольно громоздким способом.

Сначала мощным (обычно >100 мВт) инфракрасным лазерным диодом с λ=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия с неодимовым легированием (Nd:YVO 4), где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия (KTiOPO 4 , сокр. KTP), частота излучения удваивается (1064 нм → 532нм) и получается видимый зелёный свет. КПД схемы около 20 %, большая часть приходится на комбинацию 808 и 1064 нм ИК . На мощных указках >50 мВт нужно устанавливать инфракрасный фильтр (IR-фильтр ), чтобы убрать остатки ИК-излучения и избежать повреждения зрения. Также стоит отметить высокую энергозатратность зелёных лазеров - в большинстве используются две AA/AAA/CR123 батареи.

473 нм (бирюзовый цвет)

Данные лазерные указки появились в 2006 году и имеют схожий с зелёными лазерными указками принцип работы. 473 нм свет обычно получают путем удвоения частоты 946 нм лазерного излучения. Для получения 946 нм используется кристалл алюмо-иттриевого граната с добавками неодима (Nd:YAG).

445 нм (синий цвет)

В этих лазерных указках свет излучается мощным синим лазерным диодом. Большинство подобных указок относится к 4-му классу лазерной опасности и представляет очень серьёзную опасность для глаз и кожи. Своё активное распространение начали в связи с выпуском компанией Casio проекторов , использующих вместо привычных ламп мощные лазерные диоды.

Фиолетовые лазерные указки

Свет в фиолетовых указках генерируется лазерным диодом, излучающим луч с длиной волны 405 нм. Длина волны 405 нм находится на границе диапазона, воспринимаемого человеческим зрением и поэтому лазерное излучение таких указок кажется тусклым. Однако, свет указки вызывает флюоресценцию некоторых предметов, на которые он направлен, яркость которой для глаза выше, чем яркость самого лазера.

Фиолетовые лазерные указки появились сразу после появления Blu-ray -приводов, в связи с началом массового производства лазерных диодов на 405 нм.

Жёлтые лазерные указки

В жёлтых лазерных указках используется DPSS лазер, излучающий одновременно две линии: 1064 нм и 1342 нм. Это излучение попадает в нелинейный кристалл, который поглощает фотоны этих двух линий и излучает фотоны 593,5 нм (суммарная энергия 1064 и 1342 нм фотонов равна энергии фотона 593,5 нм). КПД таких жёлтых лазеров составляет около 1 %.

Использование лазерных указок

Безопасность

Лазерное излучение опасно при попадании в глаза.

Обычные лазерные указки имеют мощность 1-5 мВт и относятся к классу опасности 2 - 3А и могут представлять опасность, если направлять луч в человеческий глаз достаточно продолжительное время или через оптические приборы. Лазерные указки мощностью 50-300 мВт относятся к классу 3B и способны причинить сильные повреждения сетчатке глаза даже при кратковременном попадании прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого.

В лучшем случае лазерные указки оказывают только раздражающее воздействие. Но последствия будут опасными, если луч попадает в чей-то глаз или направлен в водителя или пилота и может отвлечь их или даже ослепить. Если это приведёт к аварии, то повлечёт за собой уголовную ответственность.

Всё более многочисленные «лазерные инциденты» вызывают в России, Канаде, США и Великобритании требования ограничить или запретить лазерные указки. Уже сейчас в Новом Южном Уэльсе предусмотрен штраф за обладание лазерной указкой, а за «лазерное нападение» - срок лишения свободы до 14 лет.

Также важно учесть, что у большинства дешёвых китайских лазеров, работающие по принципу накачки (то есть зелёные, жёлтые и оранжевые) отсутствует ИК-фильтр ради соображения экономии, и такие лазеры фактически представляют большую опасность для органов зрения, чем заявлено производителями.

Примечания

Ссылки

• Laser Pointer Safety website Включает данные о безопасности