Спектроскопия в стиле гетто: Исследуем спектр и (без)опасность лазеров
Думаю, каждый, кто читает эту статью играл с лазерными указками. В последнее время китайцы поднимают мощности излучения все выше — а о безопасности заботиться нам придется самим.
На хабре уже писали про спектроскопию (на кикстартере, и на коленке), а также про зеленые DPSS лазеры (1, 2).
Недавно выдалась возможность проверить, можно ли резать медную фольгу на печатной плате 1W зеленым лазером (пока ответ «нет») — но рисковать проверяя это, не имея конкретной информации о паразитном ИК излучении и насколько хорошо работают защитные очки — не хотелось.
Помимо этого — также получилось на коленке посмотреть спектр излучения лазера — генерирует ли он на одной частоте, или сразу на нескольких. Это может быть нужно, если вы хотите попробовать записать голограмму в домашних условиях.
Вспомним конструкцию зеленых DPSS лазеров
808нм инфракрасный лазерный диод светит на кристалл неодимового лазера на кристалле Nd:YVO4 или Nd:YAG, который излучает свет уже на длине волны 1064нм. Затем в нелинейном кристалле KTP происходит удвоение частоты — и мы получаем зеленый свет 532нм.
Очевидная проблема тут в том, что 808нм и 1064нм излучение может выходить из лазера (если выходного фильтра нет, или он плохого качества) под неизвестным углом, и незаметно для нас заняться художественным вырезанием по сетчатке. Глаз человека вообще не видит 1064нм, а 808нм излучение — очень слабо, но в темноте можно увидеть (не слишком опасно это только с рассеянным излучением на маленькой мощности!).
Несфокусированное паразитное излучение
Для начала взглянем на излучение зеленого лазера камерой без ИК фильтра: 
Кольцо вокруг точки — это рассеянное излучение 808нм лазерного диода накачки. Если из-за несовершенства конструкции лазера оно слишком мощное — там может появится и 1064нм и 532нм. При большой мощности — это излучение может быть опасно, особенно если не догадываться о его существовании.
Однако какое излучение в сфокусированной части излучения лазера? Попробуем это выяснить.
Первый подход: лист бумаги и CD-диск
Идея проста — светим лазером через дырочку в листе бумаги A4 на поверхность штампованного CD-диска. Бороздки на поверхности диска — в первом приближении работают как дифракционная решетка, и раскладывают свет в спектр. 
Каждая длина волны формирует сразу несколько изображений — несколько положительных и несколько отрицательных порядков.
В результате глазом и обычной фотокамерой увидим следующее: 
Однако, если посмотреть на лист бумаги камерой без ИК фильтра, замечаем странную сиреневую точечку между первой и второй точкой от центра: 
Это как раз паразитное, не отфильтрованное 808нм излучение. К сожалению, таким способом нельзя увидеть точку 1064нм излучения — оно идеально точно совпадает со вторым порядком 532нм излучения. Что-же делать?
Второй подход: дисперсионные призмы
Призма также раскладывает свет в спектр, однако разница углов преломления для разных длин волн — намного меньше. Именно поэтому этот вариант у меня далеко не сразу удалось осуществить — я продолжал видеть одну точку. Ситуацию усугубляло то, что призмы у меня были из обычного стекла, которые в спектр разлагают свет вдвое хуже специализированных.
В результате пришлось взять 2 призмы, и увеличить расстояние до экрана до 2-х метров. Лист картона с дырочкой между лазером и призмами — для того, чтобы отфильтровать паразитное несфокусированное излучение из лазера. 
Результат достигнут: четко видны точки 808нм, 1064нм и зеленая 532нм. Глаз человека на месте ИК точек не видит вообще ничего. 
На 1W зеленом лазере с помощью «пальцевого высокоточного измерителя мощности» (сокращенно ПВИМ) удалось выяснить, что в моем случае подавляющая часть излучения — 532нм, а 808нм и 1064нм хоть и обнаруживаемы камерой, но мощность их в 20 и более раз меньше, ниже предела обнаружения ПВИМ.
Настал черед проверить очки
Китайцы обещают, что ослабление в 10тыс раз (OD4) для диапазонов 190-540нм и 800-2000нм. Что-ж, проверим, глаза-то не казенные.
Надеваем очки на камеру (если надеть на лазер — дырку проплавит, они пластиковые), и получаем: 532нм и 808нм ослабляются очень сильно, от 1064нм немного остается, но думаю не критично: 
Из любопытства решил проверить цветные анаглифные очки (с красным и синим стеклом). Красной половиной зеленый задерживается хорошо, а вот для инфракрасного света они прозрачные: 
Синяя половина — вообще практически никакого эффекта не оказывает: 
Генерирует ли лазер на одной частоте или нескольких?
Как мы помним, основной элемент конструкции DPSS лазера — резонатор Фабри — Перо, представляющий собой 2 зеркала, одно полупрозрачное, второе обычное. Если длина волны генерируемого излучения не будет укладываться в длину резонатора целое число раз — из-за интерференции волны будут гасить сами себя. Без применения специальных средств лазер будет одновременно генерировать свет сразу на всех допустимых частотах.
Чем больше размеры резонатора — тем больше возможных длин волн, на которых может генерировать лазер. В самых маломощных зеленых лазерах — кристалл неодимового лазера представляет собой тоненькую пластинку, и зачастую там возможны только 1 или 2 длины волны для генерации.
При изменении температуры (=размеров резонатора) или мощности — частота генерации может изменится плавно, или скачком.
Почему это важно? Лазеры генерирующие свет на одной длине волны можно использовать для голографии в домашних условиях, интерферометрии (сверхочное измерения расстояний) и прочих веселых штук.
Что-ж, проверим. Берем тот же CD-диск, но на этот раз наблюдать за пятном будем не с 10 см, а с 5 метров (т.к. нам нужно увидеть разницу длин волн порядка 0.1нм, а не 300нм).
1W зеленый лазер: Из-за больших размеров резонатора — частоты идут с маленьким интервалом: 
10mW зеленый лазер: Размеры резонатора маленькие — в том же диапазоне спектра помещаются только 2 частоты: 
При снижении мощности — остается только одна частота. Можно писать голограмму! 
Посмотрим и на другие лазеры. Красный 650нм 0.2Вт: 
Ультрафиолетовый 405нм 0.2Вт: 
Cd диск как спектральный прибор
Чувствительная матрица цифровой камеры регистрирует попадающий на нее свет. Каждый регистрирующий элемент матрицы обладает (должен, по крайней мере) чувствительностью ко всему видимому спектру. Для того, чтобы «создать» цветную цифровую картинку, нужно перед матрицей установить цветные фильтры и затем, зная координаты каждого из них, восстановить изображение. При этом, количество чувствительных элементов «делится» между всеми каналами, соответствующими используемым фильтрам. Обычно используются RGGB фильтры или CMY. Последние позволяют получить более чувствительную камеру (из светового потока вычитается только одна составляющая при CMY и две при RGB). Качество конечной цветной картинки определяется тем, насколько широк диапазон длин волн, регистрируемых матрицей, и насколько ее чувствительность постоянна к разным областям этого диапазона, качеством фильтров перед матрицей и работой электроники, восстанавливающей изображение. Если матрица обладает разной чувствительностью в разных областях видимого спектра, то сигнал нужно по-разному усилить и там, где требуется большее усиление, большим будет и шум.
Оценить качество цветопередачи камеры можно, сняв цветной эталон и сравнив результат съемки с оригиналом. Таким оригиналом может быть цветовая таблица или спектр, полученный разложением «белого света» призмой или дифракционной решеткой.
Для того, чтобы получить яркое и четкое изображение спектра, необходим источник «белого света» с непрерывным спектром, качественная решетка с шагом, соизмеримым с длиной волны (чем больше шаг решетки, тем сильнее сливаются цветные спектры с нулевым белым максимумом — предел простое отражение), «белый» отражающий экран. В качестве источника света можно использовать диапроектор с мощной галогенной лампой. А хорошей дифракционной решеткой может служить обычный лазерный диск. Шаг между соседними треками CD диска 1,6 мкм, а длины волн видимого спектра 0,4-0,7 мкм. Лучше использовать Аудио диск с хорошей металлизацией поверхности, хотя картинку можно снять и с записываемым «полупрозрачным». 
Собираем установку. Экран на стену, CD на штатив (любую подставку), проектор на стол. В проектор в фильмовый канал нужно ввести тонкую щель, чтобы изображение на экране было как можно более тонким и в то же время ярким. В качестве щели можно использовать два лезвия, поместив их в рамку для слайдов в одной плоскости. Неточность расположения в одной плоскости и дефекты краев сильно влияют на качество получаемого спектра. Ширина изображения щели на экране должна быть как можно уже (по крайней мере, уже отдельной «цветной» полосы), иначе «провалов» и прочих особенностей спектра не заметишь. Если используется узкопленочный проектор с короткофокусным объективом, то фокус надо наводить не по изображению «нулевого» максимума (белого), а по самому спектру (можно от решетки зеркалом спроецировать нулевой-белый максимум на то место, где находится цветной спектр и подстроить фокус).
Собрав установку приблизительно и наведя изображение щели на CD, гасим свет. В темной комнате легко найти радужные разводы на стенах и установить все элементы установки так, чтобы спектр оказался на экране и его можно было снять. После этого нужно подстроить фокусировку и снимать. Все цветные полосы спектра должны быть хорошо видны. Так как в качестве источника света используется лампа накаливания, то до съемки нужно вручную настроить баланс белого цифровой камеры по экрану, освещенному проектором.
Так как спектр источника света непрерывен, то и его разложенное изображение, полученное с помощью цифрового фотоаппарата не должно иметь провалов и прочих особенностей. Если камера воспроизведет весь спектр — отлично. Но, скорее всего, изображение, построенное по восстановлению сигнала с регистрирующей матрицы, за цветными фильтрами будет содержать не весь непрерывный спектр. И этот сфотографированный спектр будет демонстрировать реальные возможности камеры — то, что она видит и чего увидеть не может в принципе.
Если камера не видит цветную «линию» из спектра, то это не значит, что такой цвет не может быть передан на конечной картинке. Цвета изображения синтезируются из RGB или CMY как на экране монитора. Иначе говоря, Ваш фотоаппарат может правдоподобно передать цвета картинки из жизни, но картинка «окрашенная» (освещенная) линией, к которой он слеп, воспроизведена не будет.
Для примера приведены спектры, полученные камерой Nikon Coolpix 880.
В зависимости от того, на какую долю CD спроецировано изображение щели, можно получить разные картинки.
Слева спектр с ручной установкой баланса белого, справа — с автоматической установкой. Белые прямоугольники — области, из которых были взяты фрагменты для тестирования цветопередачи матрици.
Фрагменты спектров. Верхний соответствует ручной настройке баланса белого, нижний — автоматической. Приведены «полоски», соответствующие каналу L (яркость) из Lab Photoshop, RGB и каналов R G B в отдельности. Хорошо заметно, что при автоматической настройке баланса белого и использовании лампы накаливания в качестве источника света в синем канале информация почти не регистрируется. Видимые цвета RGB — такие же фильтры установлены перед чувствительной матрицей. В канале L хорошо заметно падение чувствительности на переходе красный-зеленый.
А вот по такому спектру легче навести фокус, но яркость его меньше и потому полученная картинка будет более «шумной».
Слева спектр с ручной установкой баланса белого, справа — с автоматической установкой. Белые прямоугольники — области, из которых были взяты фрагменты для тестирования цветопередачи матрици.
Фрагменты спектров. Верхний соответствует ручной настройке баланса белого, нижний — автоматической. Шумов добавилось, так как яркость картинки уменьшилась. Заметны дополнительные зоны чувствительности красного канала в синей области. Этому может быть два не исключающих друг друга объяснения: технологическая сложность создания чистого «красного» фильтра и способ «закольцевать» спектр и сделать камеру аппаратно чувствительной к пурпуру-фиолету.
Cd диск как спектральный прибор
Телескопы запись закреплена
Astro Channel видеоновости астрономии
Как сделать спектроскоп из CD или DVD диска?
Спектроскопия сыграла заметную роль в развитии науки и сегодня очень широко используется в физике, химии, астрономии. Именно при наблюдениях спектра Солнца был впервые открыт гелий (намного раньше, чем его обнаружили на Земле). По спектрам можно определить химический состав звезд и изучить их движение, многое узнать о физических процессах в их недрах. Это один из важнейших инструментов астрофизики. Но для многих опытов достаточно простейшего спектроскопа, который можно легко изготовить самостоятельно за полчаса из подручных материалов.
Основой простейшего спектроскопа может стать дифракционная решетка, изготовленная из CD или DVD диска.
Итак, нам понадобится обрезок кабель-канала из ПВХ длиной около 20 см (но можно использовать и другие подходящие профили), компакт-диск и одноразовый бритвенный станок. Наш спектроскоп предельно упрощен и не содержит никаких линз.
Сначала изготовим основу инструмента — дифракционную решетку. Её роль выполняет прямоугольник, вырезанный из компакт-диска. Компакт-диск можно использовать любого типа — CD, DVD, CD-R/RW или DVD-R/RW, но лучше взять незаписываемый CD или DVD с зеркальной рабочей поверхностью — такой диск лучше отражает свет и не будет вносить цветовых искажений.
Важнейшая характеристика дифракционной решетки — её период. Чем он меньше (чем больше штрихов приходится на один миллиметр) тем лучшее разрешение позволит получить решетка. В нашем случае роль штрихов решетки выполняют дорожки компакт-диска (расстояние между дорожками составляет для CD — 1.6 мкм, для DVD — 0.74 мкм) для улучшения характеристик мы расположим диск под малым углом к падающему лучу света. Такое расположение не только увеличивает разрешающую способность решетки, но и уменьшает влияние кривизны дорожек диска. В идеале на решетку должен падать параллельный пучок лучей, в настоящих спектрографах для этого служит специальная оптическая система — коллиматор. Но можно обойтись и без него, если щель будет располагаться относительно далеко (не менее 10..15 см) от решетки. Щель легко изготовить из двух лезвий, наклеенных на диафрагму-основание так, чтобы между ними оставался тонкий ровный просвет шириной около 0,2..0,3 мм. Наблюдать спектр, полученный после отражения от дифракционной решетки можно непосредственно глазом или фотографировать с помощью Web-камеры.
Конструкция прибора понятна из фото. В качестве передней стенки-диафрагмы и основы для щели я использовал черный пластик от папок-скоросшивателей (очень удобный материал для оптических самоделок!), в нем вырезано прямоугольное отверстие, на котором нужно закрепить лезвия щели. Их можно приклеить клеем типа "Момент" — это позволит до высыхания клея легко отрегулировать ширину щели. Из рабочей чсти поверхности компакт-диска ножницами или раскаленным ножом (будьте осторожны!) нужно вырезать прямоугольник со сторонами, параллельными радиусу и шириной 1,5..2 см. Лучше попробовать вырезать несколько таких деталей, посмотреть на отражения в них под осттрым углом и выбрать ту, которая имеет наименьшие искажения. Края детали, которые чаще всего деформируются при вырезании, можно заклеить полосками черной изоленты, вполне достаточно оставить рабочий участок шириной 5..10 мм. Это и есть дифракционная решетка. Наклейте её двухсторонним скотчем (клей может повредить покрытие) на клин из пробки или пенопласта (угол к направлению падения лучей должен составлять 20-25°) и закрепите в корпусе напротив отверстия в верхней крышке.
Желательно зачернить внутренние поверхности прибора и устранить возможные щели.
Спектроскоп готов!
Для проверки изготовленного устройства напрвьте его на любую энергосберегающую лампу — они имеют спектр, состоящий из нескольких ярких линий разных цветов. Спектр лампы накаливания, напротив, выглядит непрерывной радугой. Но наиболее интересный и доступный объект — Солнце. В его спектре легко можно увидеть основные линии поглощения (фраунгоферовы линии).
Для фотографирования спектров, конечно, можно использовать и компактный фотоаппарат или даже камеру мобильного телефона. В любом случае объектив камеры должен быть сфокусирован на щель спектроскопа, поэтому некоторые Web-камеры и телефоны, объективы которых не имеют возможности фокусировки, не подойдут для этой цели.
Обратите внимание, что на фото видны спектры трех порядков, причем второй и третий частично перекрываются, однако это обычно не мешает наблюдать спектральные линии. В солнечном спектре лучше рассматривать или фотографировать линии второго порядка, для более слабых источников света может оказаться удобнее спектр первого порядка.
Желаю успеха!
Простое определение цветового спектра ламп
Если вы хотите просмотреть цветовую гамму источника света в вашей студии, то есть дешевый и простой способ сделать это. Обычный CD или DVD-диск может помочь проделать этот трюк. Просто посмотрите на отражение света на поверхности диска. В данном случае диск выступает в качестве дифракционной решетки, что позволяет увидеть различные цветовые полосы.
Вот 8-минутный ролик, в котором Matthias Wandel демонстрирует данную технику с использованием различных ламп в его мастерской:
Используя этот трюк, вы можете увидеть, как различные типы ламп излучают различные длины волн. Вот еще кадр, сравнивающий лампу люминесцентную (слева) с светодиодную(справа) лампы:
Как вы можете видеть, люминесцентная лампа излучает не весь спектр цвета, в то время как светодиодные лампы охватывают все цвета.
Невооружённым глазом различия могут быть незаметны, но на снимках разница может быть существенной. Например, объекты будут выглядеть по-разному в черно-белых фотографиях в зависимости от того, какие источники света вы используете (Вандел демонстрирует это в видео выше).
Если у вас есть компакт-диск поблизости, попробуйте использовать его, чтобы проверить спектр, излучаемый лампами в вашей комнате.
Как вам такой эксперимент? Выкладывайте в комментариях ниже фото того, что у вас получилось и подписывайте, какой тип источника света использовался;)
Простое определение цветового спектра ламп
Если вы хотите просмотреть цветовую гамму источника света в вашей студии, то есть дешевый и простой способ сделать это. Обычный CD или DVD-диск может помочь проделать этот трюк. Просто посмотрите на отражение света на поверхности диска. В данном случае диск выступает в качестве дифракционной решетки, что позволяет увидеть различные цветовые полосы.
Вот 8-минутный ролик, в котором Matthias Wandel демонстрирует данную технику с использованием различных ламп в его мастерской:
Используя этот трюк, вы можете увидеть, как различные типы ламп излучают различные длины волн. Вот еще кадр, сравнивающий лампу люминесцентную (слева) с светодиодную(справа) лампы:
Как вы можете видеть, люминесцентная лампа излучает не весь спектр цвета, в то время как светодиодные лампы охватывают все цвета.
Невооружённым глазом различия могут быть незаметны, но на снимках разница может быть существенной. Например, объекты будут выглядеть по-разному в черно-белых фотографиях в зависимости от того, какие источники света вы используете (Вандел демонстрирует это в видео выше).
Если у вас есть компакт-диск поблизости, попробуйте использовать его, чтобы проверить спектр, излучаемый лампами в вашей комнате.
Как вам такой эксперимент? Выкладывайте в комментариях ниже фото того, что у вас получилось и подписывайте, какой тип источника света использовался;)
Обычный CD-диск можно использовать как анализатор спектра источников света
Если вы хотите составить представление о спектре источников света в вашей студии, существует суперпростой и дешевый способ. Берёте самый обычный диск (сгодится CD или DVD) и смотрите на отражение источника света на поверхности диска. Дорожки диска работают как дифракционная решетка, давая возможность увидеть различные области спектра излучения.
Маттиас Вандель (Matthias Wandel) в 8-минутом видеоролике демонстрирует методику на примере различных источников света в своей мастерской.
С помощью этого несложного трюка вы можете наглядно увидеть разницу в интенсивности излучения различных источников света на определенных длинах волн. Например, на следующей иллюстрации (это кадр из вышеприведенного видео) показана разница между компактной люминесцентной лампой (слева) и светодиодной лампой (справа):
Видно, что люминесцентная лампа интенсивно излучает на нескольких определенных длинах волн (спектр выглядит «полосатым»), в то время как светодиодная лампа излучает значительно более равномерно (спектр мягкий, сглаженный). Хотя невооруженным глазом мы не почувствуем разницу, разница в спектре может сказаться на снимках. Например, объекты будут получаться совершенно разными на черно-белых снимках – в зависимости от того, какие источники света вы используете (Вандель это также демонстрирует в своем видео).
Если у вас есть диск под рукой, можете посмотреть и проанализировать разницу между источниками света, которые вы используете для съемок.