Laseraanwijzer

Achtergrond

De laserpointer is een goedkope draagbare laser die in de hand kan worden gedragen. Het is ontworpen voor gebruik tijdens presentaties om delen van de dia of afbeelding die wordt gepresenteerd aan te wijzen, ter vervanging van een draagbare houten stok of uitschuifbare metalen aanwijzer. Het is superieur aan oudere wijzers omdat het op enkele honderden meters afstand kan worden gebruikt in een verduisterd gebied en omdat het een heldere lichtvlek produceert precies waar de gebruiker dat wenst. Het is ook aangeslagen als een universeel aanwijsinstrument en is zo gewoon geworden dat er wetten zijn aangenomen om het gebruik ervan te beperken.

Geschiedenis

Technisch gezien is het woord laser is een acroniem dat staat voor "lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling", maar de term is zo algemeen gebruikt dat er geen hoofdletters meer voor worden gebruikt. De straling is het licht dat door de laser wordt uitgestraald; dit licht kan zichtbaar of onzichtbaar zijn voor het menselijk oog. Technisch gezien gebruiken slechts enkele lasers lichtversterking, maar de naam laser wordt nog steeds gebruikt voor een apparaat dat monochromatische (allemaal één kleur of golflengte), coherente (de lichtgolven zijn vergelijkbaar genoeg om in één richting te bewegen) straling produceert.

Alle lasers hebben een lasermedium, een energiebron en een resonator. Het lasermedium is een materiaal dat door een energiebron (zoals licht of elektriciteit) naar een hogere energietoestand kan worden gepompt (bekrachtigd). Na te zijn gepompt, kan het lasermedium die energie vrijgeven als monochromatische straling. De resonator is een gebied waar de vrijgekomen energie zich kan opbouwen voordat het wordt vrijgegeven. Een basisresonator is een paar spiegels aan beide uiteinden van het lasermedium. Eén spiegel is volledig reflecterend, zodat al het invallende licht terugkaatst in het lasermedium; de andere is gedeeltelijk reflecterend, zodat een deel van het licht dat erop valt, terugkaatst in het lasermedium en een deel van het licht er doorheen gaat om de laser te verlaten. Het paar spiegels zorgt ervoor dat het licht heen en weer reflecteert door het lasermedium en zich in één richting uitlijnt, wat de coherentie van het licht produceert.

De theorie die werd gebruikt om lasers te produceren, werd in 1958 gepubliceerd door onderzoekers van Bell Labs. De eerste laser, gebouwd in 1960 bij Hughes Aircraft, gebruikte een stuk robijn als lasermedium, licht als energiebron en spiegels om een ​​resonator te produceren. De halfgeleiderlaser werd uitgevonden in 1962. Het gebruikte een halfgeleidermateriaal, vergelijkbaar met de materialen die worden gebruikt in transistors en geïntegreerde schakelingen voor een lasermedium. Het gebruikte ook gelijkstroom (DC) elektriciteit, de stroom geproduceerd door batterijen, voor een energiebron. Het gebruikte nog steeds resonatorspiegels. De eerste halfgeleiderlasers produceerden onzichtbare infraroodstraling. De huidige halfgeleiderlasers kunnen ook zichtbaar licht produceren, waarbij rood het goedkoopste type halfgeleiderlaser is en groen, blauw en violet steeds duurder. Halfgeleiderlasers die in laserpointers worden gebruikt, worden ook wel diodelasers genoemd, omdat ze een soort halfgeleiderdiode zijn. Een diode laat elektriciteit gemakkelijk in één richting door; lichtemitterende diodes en laserdiodes produceren licht wanneer er elektriciteit doorheen gaat. Halfgeleiderelektronica is sinds het einde van de jaren vijftig goedkoper geworden om te produceren. Ook zijn ze kleiner geworden en hebben ze minder energie nodig. Ze werden in de jaren tachtig goedkoop genoeg om te worden gebruikt in consumentenelektronica, zoals laserpointers. Huidige laserdiodes zijn zo groot als een bloedcel. Ze produceren licht dat minder gecollimeerd is (alles in één richting beweegt) dan de meeste lasers vanwege de korte resonatorruimte. Daarom hebben ze een soort externe optica (lenzen) nodig om het licht in een strakkere bundel te concentreren. Laserdiodes zijn, net als veel andere halfgeleiderapparaten, kwetsbaar en moeten worden beschermd tegen de omgeving en tegen stroompieken. Stroomregelingsschakelingen, die meestal een fotodiode bevatten (een diode die elektriciteit produceert wanneer er licht op valt) om de output van de laserdiode te bewaken, voorkomt dat de diode te veel of te weinig stroom ontvangt. De diode wordt beschermd tegen de omgeving door een plastic behuizing, zodat deze lijkt op de meeste andere halfgeleiderapparaten die op printplaten worden gebruikt.

De eerste laserpointers kosten honderden dollars, maar de vraag en verbeterde fabricagemethoden hebben geleid tot een prijs van minder dan vijf dollar voor de meest goedkope typen. Er zijn ook verschillende items die laserpointers bevatten, of in ieder geval de componenten, zoals laservizieren voor geweren en projectoren met ingebouwde laserpointers.

Grondstoffen

Een laserdiode is minder ingewikkeld dan veel soorten consumentenelektronica. Het bestaat uit een laserdiode, een printplaat, een behuizing, optica en een behuizing. Sommige elektrische componenten op de printplaat en de laserdiode zijn gemaakt van halfgeleidermaterialen, metalen en keramiek. De halfgeleidermaterialen omvatten verbindingen (materialen gemaakt van meer dan één puur element) gemaakt van aluminium, gallium, arseen, fosfor, indium en soortgelijke elementen. Deze verbindingen worden gebruikt in een verscheidenheid aan halfgeleiderproducten. Halfgeleiders bevatten ook metalen zoals aluminium, goud en tantaal.

De printplaat is meestal gemaakt van een hars (plastic) zoals epoxy met glasvezels erin om het te versterken. Elektriciteit wordt naar de verschillende componenten op de printplaat geleid met lijnen van metaal zoals aluminium en koper. Afzonderlijke componenten die op de printplaat zijn geplaatst, omvatten diodes, de laserdiode, condensatoren en weerstanden. Halfgeleideronderdelen, zoals de diodes, zijn ingekapseld in plastic met metalen draden die met soldeer zijn verbonden met metalen pads op de printplaat (een metaallegering die traditioneel wordt gemaakt van tin en lood, maar die nu minder lood en andere metalen bevat). Niet-halfgeleideronderdelen, zoals weerstanden en condensatoren, zijn gemaakt van een verscheidenheid aan metalen, kunststoffen en keramiek (inclusief glas).

De collimerende optica kan van glas zijn, maar in de meeste laserpointers worden minder dure acrylkunststoffen gebruikt. De behuizing kan van elk materiaal zijn gemaakt, zoals metaal, plastic of zelfs hout. Het bevat metalen (meestal messing) contacten voor de batterijen.

Ontwerp

Het ontwerp van de laserpointer hangt af van de elektrische vereisten van de laserdiode, de gewenste levensduur van de voeding en de drive om kleinere consumentenproducten te produceren. De kleinste laserpointers zijn minder dan vijf centimeter lang, maar sommige laserpointers zijn ontworpen om op pennen te lijken. De langere laserpointers kunnen AAA- of AA-batterijen bevatten, die een langere stroomvoorziening bieden dan de horlogebatterijen die in de kortere laserpointers worden gebruikt. De meeste laserpointers gebruiken twee of drie batterijen.

Het fabricageproces

De rode laserpointer is de meest voorkomende laserpointer. Andere laserpointers gebruiken verschillende laserdiode-assemblages, maar worden op een vergelijkbare manier geproduceerd, dus het productieproces en het diagram van de rode laserpointer worden in dit artikel gebruikt.

De laserdiode

• 1 De laserdiode wordt geproduceerd in een halfgeleiderfabriek (een fabriek waar halfgeleidermaterialen worden geproduceerd in zeer schone en zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden). Het substraat is het basismateriaal waarop andere materialen zullen worden afgezet. Een wafel van het substraat wordt geproduceerd, gereinigd en voorbereid. Vervolgens doorloopt het verschillende stappen waarbij er lagen materiaal op worden afgezet. Sommige van deze lagen zijn slechts enkele atomen dik. Deze lagen kunnen geleidend zijn (metalen zoals aluminium en goud) of halfgeleiders (zoals hierboven beschreven). Deze lagen kunnen ook worden gewijzigd door blootstelling aan andere chemicaliën. Nadat alle materialen aan de wafel zijn toegevoegd, 1. Cap. 2. Elektrisch isolerende kussenring. 3. Batterijen. 4. Metalen vat. 5. Metalen veer. 6. Knop. 7. Schakel. 8. Veerplaat. 9. Lasergat. 10. Metalen vat. 11. Lenscilinder. 12. Lasermodule. 14. Lokaliseerframe. 15. Elektrisch isolerende plaat. wordt in afzonderlijke diodes gesneden (uit elkaar gesneden, meestal in rechthoekige secties). De diodes worden getest op de wafer of na scheiding, en niet-functionerende worden gesloopt (weggegooid). Werkende laserdiodes worden vervolgens verpakt in een plastic container met metalen draden voor elektrische aansluiting.

De printplaat

• 2 De printplaat bevat de schakelingen die de laserpointer laten functioneren. Het bevat de schakelaar, de laserdiode en de componenten van het regelcircuit, meestal een fotodiode, diodes, weerstanden en condensatoren. Deze onderdelen worden, soms met lijm, op de printplaat geplaatst en vervolgens vastgesoldeerd. Solderen is een proces waarbij twee metalen voorwerpen met elkaar in contact worden gebracht en soldeer eromheen wordt gesmolten, zodat het bij afkoeling beide omgeeft en bij elkaar houdt. Soldeer wordt gebruikt in plaats van lijm omdat het aan metaal kleeft en omdat het warmte en elektriciteit geleidt.

De collimerende optica

• 3 De collimerende optica in een laserpointer bestaat uit een enkele lens die de lichtkegel die de laserdiode verlaat focusseert in een smallere straal die een smallere vlek over een grotere afstand produceert. Kunststof lenzen worden spuitgegoten, een proces waarbij gesmolten plastic in een mal wordt geperst. Het plastic koelt af en stolt, daarna wordt de mal uit elkaar getrokken en de lens verwijderd. Het is geslepen en gepolijst tot een glad oppervlak, zodat het licht van de laserdiode niet weerkaatst op onvolkomenheden op het oppervlak.

De laserdiode-assemblage

• 4 De laserdiode en de collimerende optica worden samengevoegd met een plastic houder om de laserdiode-eenheid te vormen. De meeste laserdiode-assemblages hebben een metalen veer aan de achterkant. Deze veer maakt contact met de batterijen in de laserdiode en maakt deel uit van het circuit dat elektriciteit uit de batterijen haalt.

Kofferconstructie en uiteindelijke
montage

• 5 De behuizing is een buis met ruimte voor de laserdiode-eenheid en de batterijen. De laserdiode-eenheid wordt in één uiteinde van de behuizing geduwd of geschroefd. Het interieur van de behuizing is gemaakt van messing of heeft een messing strip (gelijmd of geklonken) die door de batterijruimte loopt. Het eindstuk van de batterijruimte heeft ook een zichtbaar koperen gedeelte of is gemaakt van messing. Wanneer dit eindstuk in de behuizing wordt geduwd of geschroefd, maakt het contact met de andere kant van de batterijen om het elektrische circuit te voltooien dat elektriciteit van de batterijen naar de laserdiode-eenheid laat stromen.
• 6 De behuizing heeft ook een schakelknop (een stuk plastic dat door een gat in de zijkant van de behuizing steekt) die moet worden ingedrukt en vastgehouden om de laserpointer te laten werken. Wanneer deze knop wordt ingedrukt, sluit de schakelaar op de printplaat, stroomt er elektriciteit van de batterijen naar de laseraanwijzer en produceert de laseraanwijzer een lichtstraal.
• 7 Nadat de laserpointer is gemonteerd en getest, wordt een veiligheidslabel toegevoegd. Dit label beschrijft de classificatie van de laser in termen van uitgangsvermogen, geeft aan welke voorschriften het gebruik regelen en waarschuwt de gebruiker om directe blootstelling van de ogen te vermijden.

Kwaliteitscontrole

Een fabrikant van halfgeleiders gebruikt sterk gecontroleerde processen die zijn ontwikkeld in laboratoria en vervolgens zijn overgebracht naar de fabricagefaciliteit. Laserdiodes worden getest om er zeker van te zijn dat ze ook na fabricage werken. Elk ander onderdeel wordt ook getest om er zeker van te zijn dat het werkt. De meeste productiefaciliteiten zullen hun producten willekeurig testen en statistische controlemethoden gebruiken om kwaliteitsproducten te leveren.

Wanneer de laserdiode-eenheid of de laserpointer uiteindelijk is gemonteerd, wordt deze van stroom voorzien en getest met een lichtdetectieapparaat, zoals een fotodiode, om het uitgangsvermogen te meten. Laserpointers zijn type IIIA-laserapparaten en moeten 5 mW (milliwatt, een duizendste van een watt) vermogen of minder produceren voor de Amerikaanse markt. Laserpointers voor de Europese markt zijn doorgaans laserapparaten van klasse II en moeten minder dan 1 mW produceren. Deze beperkingen zijn voor veiligheidsdoeleinden.

Bijproducten/afval

Laserpointers bevatten metalen, kunststoffen en elektronische onderdelen. Elk van deze industrieën heeft specifieke afvalbijproducten (oplosmiddelen, halogeenkoolstofgassen, lood, chemicaliën), maar laserpointermontage heeft geen specifiek afval totdat de laserpointer wordt weggegooid. Een laserpointer bevat kleine hoeveelheden gevaarlijke stoffen, zoals lood en sommige giftige halfgeleiders. Net als andere elektronische assemblages, kan het op de lange termijn veiliger zijn voor het milieu om de componenten te recyclen, hoewel dit duur is en er weinig programma's zijn om elektronica te recyclen of opnieuw te gebruiken. Dit kan in de toekomst veranderen.

De Toekomst

Rode laserpointers zijn tegenwoordig de goedkoopste en meest voorkomende. Groene laserpointers hebben meer gecompliceerde laserdiode-assemblages en kosten honderden dollars. Blauwe en violette laserpointers zijn binnenkort beschikbaar voor een hogere prijs. Nieuwere typen laserdiodes dalen in prijs naarmate de productievolumes toenemen om de vraag bij te houden, en naarmate de productieprocessen verbeteren. Wetten die het gebruik van laserpointers beperken, kunnen deze trend tegengaan door een daling van de vraag te veroorzaken, aangezien laserpointers op openbare plaatsen worden verbannen.

Waar meer te leren

Boeken

Gibilisco, Stan. Lasers begrijpen. Blue Ridge Summit, PA:Tab Books, Inc., 1989.

Overige

CORD-webpagina. december 2001. .

Laser Focus World-webpagina. december 2001. .

Andreas Dawson