Содержание. Техническое задание Введение Структура лазера Активная среда полупроводникового лазера Система накачки полупроводникового лазера Резонатор полупроводникового лазера Потери в резонаторе
 Скачать 0.87 Mb.
|
|
10. Применение полупроводникового лазера в лазерной арфе Лазерная арфа получила свое имя из-за сходства с обычной арфой, впервые была использована JMJ во время концертов в Китае в 1981 году. Китайская публика была поражена и восхищена этим инструментом. Струнами в этой арфе являются лазерные лучи. Прототип лазерной арфы был разработан французом Бернардом Шайнером (Bernard Szajner) в 1979 году. В 1981 году, когда инструмент был впервые показан публике, он еще был в стадии разработки. С тех пор лазерная арфа претерпела много изменений. Существует две основные разновидности этого инструмента: фреймовая арфа (или закрытая арфа, арфа в рамке) и открытая арфа (безрамочная арфа). Фреймовая лазерная арфа представляет из себя замкнутую конструкцию, у которой снизу вверх идут лучи лазера, и они "упираются" в верхний край этой рамки, на котором смонтированы фотоприемники (как в системах лазерной сигнализации или в турникетах метро). При прерывании луча рукой фото-приемник выдает сигнал о потере света и система издает определенный звук. Иногда фреймовые арфы выполняются в виде реальных арф (рис.10.1).  Рис.10.1. Лазерная арфа. Открытая лазерная арфа (иногда ее называют еще системой с бесконечными лучами) — это обычно ничем не огороженный лазерный "веер", исходящий из лазерного проектора той или иной конструкции. Она потому и называется "открытой", что ни с боков, ни тем более сверху, она ничем не закрыта. При использовании в помещении лучи просто достигают потолка, на открытых же площадках лучи вообще могут свободно уходить в небо. И, соответственно, ни о каких примитивных фотоприемниках тут речь не идет. Принцип работы таких лазерных арф гораздо сложнее и основную роль тут играют специальные сенсоры, расположенные снизу, у ног исполнителя. Эти сенсоры регистрируют световые вспышки от рук исполнителя: когда музыкант накрывает своей ладонью тот или иной луч, его ладонь вспыхивает ярким светом. По принципу работы этих сенсоров открытая лазерная арфа подразделяется на чисто аппаратную и на программно-аппаратную. В первых сигналы от фоточувствительных элементов обрабатываются приборами на основе микроконтроллеров, во вторых сенсорами обычно выступают скоростные видеокамеры (от 60 кадров в секунду и выше), изображение от которых обрабатывается специальными программами на компьютерах в реальном времени. В дальнейшем и те и другие открытые лазерные арфы могут выдавать сигнал на программный или "железный" синтезатор, который в конечном счете и воспроизводит звучание того или иного инструмента.Первые лазерные арфы были одноцветными— обычно с зелеными лучами. Связано это с особенностью человеческого зрения: при одной и той же мощности лазерного проектора зеленый свет лазера гораздо лучше виден нам, чем, скажем, красный. Но потом стали появляться двухцветные и многоцветные лазерные арфы. Опасность лазерной арфы Оптическая мода у лазера ТЕМ01 или ТЕМ02. Луч отчетливо размазан по вертикали, но выходная мощность весьма велика. Внесенная в луч спичка моментально загорается, картонная коробка прожигается насквозь, а дерево моментально начинает дымить и обугливаться даже на расстоянии нескольких метров. Если сделать перетяжку луча линзой, то предмет мгновенно испариться под мелкие клубы дыма. Поэтому техника безопасности очень важна при использовании такого музыкального инструмента, необходимо использовать специальные жаропрочные перчатки (рис.10.2, рис.10.3), а также темные очки для защиты глаз.  Рис. 10.2. Жаропрочные перчатки.  Рис. 10.3. Комплект защиты музыканта. Фреймовая лазерная арфа представляет из себя замкнутую конструкцию, у которой снизу вверх идут лучи лазера, и они "упираются" в верхний край этой рамки, на котором смонтированы фотоприемники (как в системах лазерной сигнализации или в турникетах метро). Иногда фреймовые арфы выполняются в виде реальных арф. При прерывании луча рукой фото-приемник выдает сигнал о потере света генератору, замыкаются контакты и система издает определенный звук. Помимо лазеров, в основании конструкции находится генератор дыма, который создает необходимую среду для видимости лучей. Устройство состоит из четырех независимых одинаковых схем фотореле на фоторезисторе. Электрическая принципиальная схема такого фотореле представлена на рис.10.4. В качестве транзисторов VT1 и VT2 был использован транзистор BC 547. В качестве диода VD2 был использован диод КД522А. В качестве нагрузки, которое коммутирует реле, используется контакты микроконтроллера клавиатуры персонального компьютера (рис. 3). При срабатывании реле происходит коммутация сигналов, и микроконтроллер клавиатуры отправляет в компьютер через порт PS/2 или USB через активный переходник скан-код клавиши.  Рис.10.4 Электрическая принципиальная схема фотореле Используемый лазер представлен на рис. 5.  Рис.10. 4. Лазерный модуль, используемый в лазерной арфе. Схема лазерной арфы представлена на рис.10.5. Цифровая часть схемы, можно сказать, стандартная и не имеет никаких тонкостей. Несколько кнопок, ЖК дисплей и микроконтроллер. С порта B микроконтроллера цифровые значения преобразуются в аналоговые микросхемой ЦАП КР572ПА1, преобразованный сигнал усиливается микросхемой LM358N и подается на управление гальвой. Гальва в свою очередь позиционирует луч.  Рис. 10.5. Схема лазерной арфы. Подстроечными резисторами R7 и R11 регулируют развал и центровку лучей веера. Эти подстроечные резисторы должны быть высокого качества, желательно многооборотные. Датчик засветки - TSL12S подключен на вход АЦП микроконтроллера через переменный резистор-аттенюатор, которым регулируют порог срабатывания датчика. Двухполярное питание устройства осуществляется от блока питания гальвы. Датчик улавливает отраженный от руки свет лазера и активирует нужную ноту. Т.е. арфа работает на отражение луча, а не как в аналогичных девайсах, имеющих вверху лучей рампу с датчиками. Здесь никаких рамп нет, лучи могут уходить далеко вверх насколько угодно. В схеме предусмотрен дополнительный вход для подключения внешнего пульта. Этот вход зарезервирован для будущих модификаций программного обеспечения и пока никак не используется. Заключение Таким образом мы видим что лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых различных областях - обработке металлов, медицине, измерении, контроле, физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях использование лазерного луча позволяет получить уникальные результаты. Можно не сомневаться, что в будущем луч лазера подарит нам новые возможности. Следует заметить что, высокая энергия лазерного излучения позволяет использовать его при термоядерном синтезе. Как известно, такой синтез протекает только при очень высоких температурах порядка 10000 и более градусов. Получить такую температуру при помощи традиционных средств затруднительно. Лазер, а ещё лучше комбинация нескольких лазеров, позволяет достигнуть подобных температур в течение долей секунды. Сами же полупроводниковые лазеры занимают заметную нишу в науке и приборостроении в целом. Они постоянно модернизируются и на мой взгляд в скором будущем мы увидим что-то новое ранее не известное. Приложение 1 (обязательное) База данных полупроводниковых лазеров
Примечания: * - в полном угле ** - в конусе с углом при вершине (40±3)° |