Запись голограмм полупроводниковым лазером HL6501MGАвтор: С.П. Воробьев
В последнее время интерес к записи голограмм полупроводниковыми лазерами постоянно возрастает. Это связано с существенной дешевизной и компактностью полупроводниковых лазеров по сравнению с другими источниками когерентного излучения, например, с широко распространенными газовыми лазерами. Однако не все выпускаемые полупроводниковые лазеры (далее – лазеры) можно использовать для записи голограмм. В первую очередь это связано со спектром излучения лазера, который далеко не всегда отвечает требованиям качественной записи голограмм.
В настоящей статье приведены результаты экспериментальной работы по записи голограмм лазером HL6501MG, выпускаемым фирмой Hitachi для DVD приводов. Основанием для выбора данного лазера послужила последняя строчка в перечне основных технических характеристик прибора (подчеркнута красной чертой на рис. справа). В переводе это означает наличие одночастотной продольной моды в спектре генерации лазера, что и необходимо для записи голограмм. Эксплуатационные характеристики лазера приведены на рис. внизу.
Лазер имеет достаточно высокую мощность излучения – более 30 мВт, что позволяет записывать голограммы больших форматов. Вся работа состояла из трех этапов: изготовление блока питания, измерение характеристик и запись экспериментальных голограмм.
1. Блок питания. К блоку питанию лазера предъявляется ряд серьезных требований. Во-первых, должен быть обеспечен плавный подъем тока при включении блока питания и исключены броски тока в процессе работы лазера. Во-вторых, должна быть обеспечена плавная регулировка тока в рабочем диапазоне, исключающая случайный выход тока за пределы рабочего диапазона. Схема блока питания, удовлетворяющая этим требованиям показана на рис. вверху. За основу был взят стандартный стабилизированный блок питания БПС 5-0,5. Для плавного подъема тока и его дополнительной стабилизации на выходе БПС был поставлен Г-образный RC фильтр, состоящий из балластных сопротивлений R1-R3 и конденсаторов C1-C3. Постоянная времени фильтра для полного сопротивления балласта 100 Ом и емкости конденсаторов 30000 мкФ равна
t = RC = (100*30000)/1000000 = 3 сек.
За это время ток плавно поднимается от нуля до 20 мА. Балластное сопротивление ограничивает ток блока питания и состоит из трех сопротивлений. R1 служит ограничителем тока до значения 85 мА. R2 служит для грубой регулировкой тока в рабочем диапазоне 20-80 мА и выведен под шлиц. Сопротивлением R3 точно устанавливается значение рабочего тока в пределах 10 мА. Для измерения рабочего тока служит миллиамперметр, входящий в цепь питания лазера.
На рис. вверху, отражающем процесс сборки блока питания, хорошо видны все перечисленные элементы. Для предотвращения импульсных наводок на лазер и накапливания статического электричества, дополнительно установлены конденсатор C4 небольшой емкости 4700 пФ и сопротивление R4 1кОм. Эти элементы смонтированы на радиаторе, и припаяны непосредственно к выводам лазера, см. рис.справа. Радиатор необходим для отвода тепла в процессе работы лазера. Сам лазер установлен на радиаторе с использованием теплопроводящей пасты КПТ, применяемой в компьютерах.
Для оперативного определения температуры радиатора в его основании было высверлено отверстие, в который вставили щуп термопарного измерителя температуры. Готовый блок питания вместе с измерителем температуры показан на рис. справа.
2. Измерение параметров. Измерялись следующие характеристики – спектр генерации лазера, зависимость мощности от тока и тепловой режим. В первую очередь был измерен спектр генерации лазера с помощью интерферометра Фабри-Перо. Практически во всем диапазоне токов лазер давал одночастотный спектр, стабильный в течение длительного времени. Мы не будем вдаваться в объяснение принципа работы интерферометра, сошлемся на авторитетное издание [1] и поясним только, как расшифровывается интерференционная картина.
Сразу оговоримся, что фотосъемка интерференционной картины очень сложная и качество получаемых фотографий хуже, чем у картины, наблюдаемой визуально. Узкие кольца – это отдельные спектральные компоненты спектра генерации лазера. Они регулярно повторяются с увеличением радиуса. Поэтому для изучения спектра достаточно взять одно кольцо, желательно ближе к центру. Сам спектр, выражаясь телевизионной терминологией "развертывается" вдоль радиуса интерференционной картины, см. увеличенную вставку на рис. справа (а) на котором показан фрагмент одночастотного спектра. Его расшифровка приведена на белых вставках рисунка. На рис. справа (б) показана фотография спектра, имеющего боковые гармоники. Они представляют собой более слабые спутники основной частоты. При записи голограммы лазером с таким спектром, по изображению идут легкие темные полосы. На рис. справа (в) приведена фотография спектра, содержащего две гармоники примерно одинаковой интенсивности. При таком спектре наблюдаются контрастные темные полосы, бегущие по изображению. Качество изображения заметно ухудшается. Иногда наблюдается нестабильный спектр, когда вид его постоянно меняется. Появляются и исчезают спектральные компоненты, изменяется их положение и интенсивность. Это может происходить при изменении тока, идущего через лазер, изменении его температуры или совершенно самопроизвольно. Это наихудший режим работы лазера. Яркость голограммы и глубина записанной сцены резко уменьшаются. Измерение электрических характеристик и мощности излучения показали некоторое несоответствие с паспортными значениями. Мощности 30 мВт удалось добиться только при 75 мА, но при этом падение напряжения на лазере было меньше предельного – всего 2,32 В (вместо 3 В). Лазер при таком режиме работал стабильно, превышение температуры на радиаторе над комнатной было порядка 2 градусов. Проверка стабильности работы лазера за пределами паспортных значений тока выявила "нехорошую" зону токов 74-80 мА, в которой спектр переходил из одночастотного в многочастотный.
3. Запись тестовых голограмм. Для окончательной проверки качества лазера и длины когерентности излучения были записаны тестовые голограммы. Первая голограмм небольшого размера, 6х6 см, была записана на любительской установке, описанной в статье "Установка для любительской голографии" нашего сайта. Время экспонирования составило 4 сек. На рис. справа показана фотография этой голограммы. Яркость и чистота изображения очень высокие. Это говорит о хорошем спектре генерации лазера. Вторую голограмму было решено записать на производственной установке для копирования голограмм 28х40 см с пропускающей
мастер-голограммы. Чтобы не демонтировать схему копирования, лазер поставили на место пространственного фильтра опорного пучка, рис. справа, а объект – чашку и чайник, разместили между рамками для крепления мастер-голограммы и фотопластинки, см. рис. внизу. Не стали даже вынимать мастер-голограмму из рамки. На фотографии видно слабое отражение чашки и чайника. С обратной стороны мастер-голограммы поставили крышку от чайника. Расстояние от крышки до фотопластинки составило 38 см.
Значит, разность хода опорного и сигнального пучков для этой детали объекта составляет 76 см. Это очень большая разность хода. He-Ne лазер уже не запишет объект на такой глубине – у него длина когерентности не более 20 см. Расчет по данным измерения освещенности фотопластинки дал время экспозиции 24 сек. Стандартные меры безопасности от появления вибраций схемы - вынос блока питания за пределы установки, аккуратная зарядка фотопластинки размером 20х28 см, стабилизация 10 мин - позволили записать голограмму без лишних проблем. На рис. внизу показана фотография полученной голограммы.
Широкие кольца, идущие по левой части голограммы, связаны с наличием пылинок на переднем окне лазерного диода. Но самое главное в этой голограмме – отлично видно крышку от чайника. Это значит, что данный лазер имеет когерентность не меньше метра. Яркость голограммы так же не вызывает нареканий, что говорит о стабильном положении спектра во время экспозиции.
Литература.
1. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики, изд. Наука. М., 1970.