Laserpointer

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Hintergrund

Der Laserpointer ist ein kostengünstiger tragbarer Laser, der in der Hand getragen werden kann. Es wurde für den Einsatz während Präsentationen entwickelt, um Bereiche der präsentierten Folie oder des Bildes hervorzuheben, und ersetzt einen tragbaren Holzstab oder einen ausziehbaren Metallzeiger. Er ist älteren Pointern überlegen, weil er in einem abgedunkelten Bereich aus mehreren hundert Metern Entfernung verwendet werden kann und einen hellen Lichtpunkt genau dort erzeugt, wo der Benutzer es wünscht. Es hat sich auch als universelles Zeigewerkzeug durchgesetzt und ist so alltäglich geworden, dass Gesetze verabschiedet wurden, um seine Verwendung einzuschränken.

Verlauf

Technisch gesehen ist das Wort Laser ist ein Akronym, das für "Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung" steht, aber der Begriff wurde so häufig verwendet, dass er nicht mehr groß geschrieben wird. Die Strahlung ist das Licht, das vom Laser emittiert wird; dieses Licht kann für das menschliche Auge sichtbar oder unsichtbar sein. Technisch verwenden nur einige Laser eine Lichtverstärkung, aber der Name Laser wird immer noch für ein Gerät verwendet, das monochromatische (alle eine Farbe oder Wellenlänge), kohärente (die Lichtwellen sind ähnlich genug, um sich in eine Richtung zu bewegen) Strahlung erzeugt.

Alle Laser haben ein Lasermedium, eine Energiequelle und einen Resonator. Das Lasermedium ist ein Material, das durch eine Energiequelle (wie Licht oder Elektrizität) in einen höheren Energiezustand gepumpt (mit Energie versorgt) werden kann. Nach dem Pumpen kann das Lasermedium diese Energie als monochromatische Strahlung abgeben. Der Resonator ist ein Bereich, in dem sich die freigesetzte Energie aufbauen kann, bevor sie freigesetzt wird. Ein Basisresonator ist ein Spiegelpaar an beiden Enden des Lasermediums. Ein Spiegel ist vollständig reflektierend, sodass alles auf ihn einfallende Licht in das Lasermedium zurückreflektiert wird; der andere ist teilweise reflektierend, so dass ein Teil des auf ihn auftreffenden Lichts in das Lasermedium zurückreflektiert wird und ein Teil des Lichts durch es hindurchtritt, um den Laser zu verlassen. Das Spiegelpaar bewirkt, dass das Licht durch das Lasermedium hin und her reflektiert wird und sich in eine Richtung ausrichtet, wodurch die Kohärenz des Lichts erzeugt wird.

Die zur Herstellung von Lasern verwendete Theorie wurde 1958 von Forschern der Bell Labs veröffentlicht. Der erste Laser, der 1960 bei Hughes Aircraft gebaut wurde, verwendete ein Stück Rubin als Lasermedium, Licht als Energiequelle und Spiegel, um einen Resonator herzustellen. Der Halbleiterlaser wurde 1962 erfunden. Er verwendete ein Halbleitermaterial, ähnlich den Materialien, die in Transistoren und integrierten Schaltkreisen für ein Lasermedium verwendet werden. Es verwendet auch Gleichstrom (DC), den Strom, der von Batterien produziert wird, als Energiequelle. Es wurden noch Resonatorspiegel verwendet. Die ersten Halbleiterlaser erzeugten unsichtbare Infrarotstrahlung. Aktuelle Halbleiterlaser können auch sichtbares Licht erzeugen, wobei Rot der kostengünstigste Typ von Halbleiterlasern ist und Grün, Blau und Violett immer teurer werden. Halbleiterlaser, die in Laserpointern verwendet werden, werden auch als Diodenlaser bezeichnet, da sie eine Art Halbleiterdiode sind. Eine Diode leitet Elektrizität leicht in eine Richtung; Leuchtdioden und Laserdioden erzeugen Licht, wenn Strom durch sie fließt. Die Herstellung von Halbleiterelektronik ist seit Ende der 1950er Jahre billiger geworden. Außerdem sind sie kleiner geworden und benötigen weniger Energie. Sie wurden in den 1980er Jahren kostengünstig genug, um in Unterhaltungselektronikgeräten wie Laserpointern verwendet zu werden. Aktuelle Laserdioden haben die Größe einer Blutzelle. Sie erzeugen Licht, das weniger kollimiert ist (alles in eine Richtung bewegt) als die meisten Laser aufgrund der Kürze des Resonatorraums. Aus diesem Grund benötigen sie eine Art externe Optik (Linsen), um das Licht in einen engeren Strahl zu fokussieren. Laserdioden sind, wie viele Halbleiterbauelemente, empfindlich und müssen vor Umwelteinflüssen und Überspannungen geschützt werden. Eine Leistungssteuerungsschaltung, die normalerweise eine Fotodiode (eine Diode, die Strom erzeugt, wenn Licht darauf einfällt) enthält, um die Ausgabe der Laserdiode zu überwachen, verhindert, dass die Diode zu viel oder zu wenig Leistung erhält. Die Diode ist durch ein Kunststoffgehäuse vor der Umgebung geschützt, so dass sie den meisten anderen Halbleiterbauelementen ähnelt, die auf Leiterplatten verwendet werden.

Die ersten Laserpointer kosteten Hunderte von Dollar, aber die Nachfrage und verbesserte Herstellungsmethoden haben zu einem Preis von unter fünf Dollar für die billigsten Typen geführt. Es gibt auch mehrere Artikel, die Laserpointer oder zumindest die Komponenten enthalten, wie Laservisiere für Waffen und Projektoren mit eingebauten Laserpointern.

Rohstoffe

Eine Laserdiode ist weniger kompliziert als viele Arten von Unterhaltungselektronikgeräten. Es besteht aus einer Laserdiode, einer Platine, einem Gehäuse, einer Optik und einem Gehäuse. Einige der elektrischen Komponenten auf der Leiterplatte und der Laserdiode bestehen aus Halbleitermaterialien, Metallen und Keramiken. Zu den Halbleitermaterialien zählen Verbindungen (Materialien aus mehr als einem reinen Element) aus Aluminium, Gallium, Arsen, Phosphor, Indium und ähnlichen Elementen. Diese Verbindungen werden in einer Vielzahl von Halbleiterprodukten verwendet. Halbleiter enthalten auch Metalle wie Aluminium, Gold und Tantal.

Die Leiterplatte besteht typischerweise aus einem Harz (Kunststoff) wie beispielsweise Epoxidharz mit darin enthaltenen Glasfasern, um sie zu verstärken. Der Strom wird mit Leitungen aus Metall wie Aluminium und Kupfer zu den verschiedenen Komponenten auf der Platine geleitet. Zu den einzelnen auf der Leiterplatte platzierten Komponenten gehören Dioden, die Laserdiode, Kondensatoren und Widerstände. Halbleiterteile, wie die Dioden, werden mit Metallleitungen in Kunststoff gekapselt, die mit Lötzinn mit Metallpads auf der Leiterplatte verbunden werden (eine Metalllegierung, die traditionell aus Zinn und Blei besteht, aber jetzt weniger Blei und andere Metalle als Ersatz enthält). Nicht-Halbleiterteile wie Widerstände und Kondensatoren werden aus einer Vielzahl von Metallen, Kunststoffen und Keramiken (einschließlich Glas) hergestellt.

Die Kollimationsoptik kann aus Glas bestehen, aber in den meisten Laserpointern werden weniger teure Acrylkunststoffe verwendet. Das Gehäuse kann aus jedem Material wie Metall, Kunststoff oder sogar Holz bestehen. Es enthält Metallkontakte (meist Messing) für die Batterien.

Design

Das Design des Laserpointers hängt von den elektrischen Anforderungen der Laserdiode, der gewünschten Lebensdauer der Stromversorgung und dem Antrieb ab, kleinere Konsumgüter herzustellen. Die kleinsten Laserpointer sind weniger als fünf Zentimeter lang, aber einige Laserpointer sehen aus wie Stifte. Die längeren Laserpointer können AAA- oder AA-Batterien aufnehmen, die eine länger anhaltende Stromversorgung bieten als die Uhrenbatterien, die in den kürzeren Laserpointern verwendet werden. Die meisten Laserpointer verwenden zwei oder drei Batterien.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Der rote Laserpointer ist der gebräuchlichste Laserpointer. Andere Laserpointer verwenden andere Laserdiodenbaugruppen, werden jedoch auf ähnliche Weise hergestellt, daher werden in diesem Artikel der Herstellungsprozess und das Diagramm für rote Laserpointer verwendet.

Die Laserdiode

• 1 Die Laserdiode wird in einer Halbleiterfabrik hergestellt (einer Fabrik, in der Halbleitermaterialien unter sehr sauberen und sorgfältig kontrollierten Bedingungen hergestellt werden). Das Substrat ist das Basismaterial, auf dem andere Materialien abgeschieden werden. Ein Wafer des Substrats wird hergestellt, gereinigt und vorbereitet. Dann durchläuft es mehrere Schritte, in denen Materialschichten darauf aufgebracht werden. Einige dieser Schichten sind nur einige Atome dick. Diese Schichten können leitfähig (Metalle wie Aluminium und Gold) oder Halbleiter (wie oben beschrieben) sein. Diese Schichten können auch durch Einwirkung anderer Chemikalien verändert werden. Nachdem alle Materialien zum Wafer hinzugefügt wurden, 1. Kap. 2. Elektrisch isolierender Kissenring. 3. Batterien. 4. Metallfass. 5. Metallfeder. 6. Schaltfläche. 7. Schalter. 8. Federplatte. 9. Laserloch. 10. Metallfass. 11. Objektivtubus. 12. Lasermodul. 14. Ortungsrahmen. 15. Elektrisch isolierende Platte. wird in einzelne Dioden gewürfelt (auseinandergeschnitten, normalerweise in rechteckige Abschnitte). Die Dioden werden entweder auf dem Wafer oder nach dem Trennen getestet und nicht funktionierende werden verschrottet (weggeworfen). Arbeitslaserdioden werden dann in einen Kunststoffbehälter mit Metallleitungen für den elektrischen Anschluss verpackt.

Die Platine

• 2 Die Platine enthält die Schaltung, die den Laserpointer zum Funktionieren bringt. Es enthält den Schalter, die Laserdiode und die Komponenten der Steuerschaltung, typischerweise eine Fotodiode, Dioden, Widerstände und Kondensatoren. Diese Teile werden, teilweise mit Klebstoff, auf die Platine aufgesetzt und anschließend verlötet. Löten ist ein Prozess, bei dem zwei Metallgegenstände in Kontakt gebracht und Lot um sie herum geschmolzen wird, sodass es beim Abkühlen beide umgibt und zusammenhält. Anstelle von Klebstoff wird Lötzinn verwendet, da es auf Metall haftet und Wärme und Strom leitet.

Die Kollimationsoptik

• 3 Die Kollimationsoptik in einem Laserpointer besteht aus einer einzelnen Linse, die den aus der Laserdiode austretenden Lichtkegel in einen schmaleren Strahl fokussiert, der über eine längere Distanz einen schmaleren Fleck erzeugt. Kunststofflinsen werden spritzgegossen, ein Verfahren, bei dem geschmolzener Kunststoff in eine Form gepresst wird. Der Kunststoff kühlt ab und erstarrt, dann wird die Form auseinandergezogen und die Linse entnommen. Es wird zu einer glatten Oberfläche geschliffen und poliert, damit das Licht der Laserdiode nicht von Unvollkommenheiten auf der Oberfläche reflektiert wird.

Die Laserdiodenbaugruppe

• 4 Die Laserdiode und die Kollimationsoptik werden mit einem Kunststoffhalter zusammengefügt, um die Laserdiodenbaugruppe zu bilden. Die meisten Laserdioden-Baugruppen haben an der Rückseite eine Metallfeder. Diese Feder kontaktiert die Batterien in der Laserdiode und ist Teil des Stromkreises, der Strom aus den Batterien bezieht.

Gehäusebau und Endmontage
Montage

• 5 Das Gehäuse ist eine Röhre mit Platz für die Laserdiodenbaugruppe und die Batterien. Die Laserdiodenbaugruppe wird in ein Ende des Gehäuses geschoben oder geschraubt. Das Innere des Gehäuses ist aus Messing oder hat einen Messingstreifen (aufgeklebt oder vernietet) der im Batterieraum entlang läuft. Das Batterieraum-Endstück hat ebenfalls einen freiliegenden Messingbereich oder ist aus Messing. Wenn dieses Endstück in das Gehäuse geschoben oder eingeschraubt wird, kontaktiert es die andere Seite der Batterien, um den Stromkreis zu schließen, der den Stromfluss von den Batterien zur Laserdiodenbaugruppe ermöglicht.
• 6 Das Gehäuse hat auch einen Schalterknopf (ein Stück Plastik, das durch ein Loch in der Seite des Gehäuses ragt), das gedrückt und gehalten werden muss, damit der Laserpointer funktioniert. Wenn dieser Knopf gedrückt wird, schließt sich der Schalter auf der Platine, Strom fließt von den Batterien zum Laserpointer und der Laserpointer erzeugt einen Lichtstrahl.
• 7 Nachdem der Laserpointer zusammengebaut und getestet wurde, wird ein Sicherheitsetikett hinzugefügt. Dieses Etikett beschreibt die Nennleistung des Lasers in Bezug auf die Ausgangsleistung, gibt an, welche Vorschriften seine Verwendung regeln, und warnt den Benutzer, eine direkte Augenexposition zu vermeiden.

Qualitätskontrolle

Ein Halbleiterhersteller verwendet streng kontrollierte Prozesse, die in Labors entwickelt und dann in die Fabrik übertragen wurden. Laserdioden werden getestet, um sicherzustellen, dass sie auch nach der Herstellung funktionieren. Jede andere Komponente wird ebenfalls getestet, um sicherzustellen, dass sie funktioniert. Die meisten Produktionsstätten testen ihre Produkte stichprobenartig und verwenden statistische Kontrollmethoden, um Qualitätsprodukte bereitzustellen.

Wenn die Laserdiodenanordnung oder der Laserpointer endgültig zusammengebaut sind, wird er mit Strom versorgt und mit einem Lichtdetektor, wie beispielsweise einer Fotodiode, getestet, um seine Ausgangsleistung zu messen. Laserpointer sind Lasergeräte des Typs IIIA und müssen für den US-amerikanischen Markt eine Leistung von 5 mW (Milliwatt, ein Tausendstel Watt) oder weniger erzeugen. Laserpointer für den europäischen Markt sind typischerweise Lasergeräte der Klasse II und müssen weniger als 1 mW produzieren. Diese Einschränkungen dienen der Sicherheit.

Nebenprodukte/Abfälle

Laserpointer enthalten Metalle, Kunststoffe und elektronische Teile. Jede dieser Industrien hat spezifische Abfallnebenprodukte (Lösungsmittel, Halogenkohlenstoffgase, Blei, Chemikalien), aber die Laserpointer-Montage verursacht keine spezifischen Abfälle, bis der Laserpointer entsorgt wird. Ein Laserpointer enthält geringe Mengen gefährlicher Stoffe wie Blei und einige giftige Halbleiter. Wie bei anderen elektronischen Baugruppen kann es für die Umwelt auf lange Sicht sicherer sein, die Komponenten zu recyceln, obwohl dies teuer ist und es nur wenige Programme gibt, um Elektronik zu recyceln oder wiederzuverwenden. Dies kann sich in Zukunft ändern.

Die Zukunft

Rote Laserpointer sind heute die billigsten und am weitesten verbreiteten. Grüne Laserpointer haben kompliziertere Laserdiodenanordnungen und kosten Hunderte von Dollar. Blaue und violette Laserpointer werden in Kürze zu einem höheren Preis erhältlich sein. Neuere Laserdiodentypen sinken im Preis, wenn das Produktionsvolumen steigt, um mit der Nachfrage Schritt zu halten, und wenn sich die Produktionsprozesse verbessern. Gesetze, die die Verwendung von Laserpointern einschränken, können diesem Trend entgegenwirken, indem sie zu einem Rückgang der Nachfrage führen, da Laserpointer an öffentlichen Orten verboten sind.

Weitere Informationen

Bücher

Gibilisco, Stan. Laser verstehen. Blue Ridge Summit, PA:Tab Books, Inc., 1989.

Andere

CORD-Webseite. Dezember 2001. .

Laser Focus World-Webseite. Dezember 2001. .

Andrew Dawson