激光指示器

背景

激光笔是一种低成本的便携式激光器，可以手提。它设计用于在演示期间指出正在演示的幻灯片或图片的区域，取代手持木棒或可伸缩金属指针。它优于旧式指针，因为它可以在数百英尺外的黑暗区域使用，并且因为它可以精确地在用户需要的地方产生亮点。它也作为一种多用途的指向工具流行起来，并且变得如此普遍，以至于已经通过了法律来限制其使用。

历史

从技术上讲， 激光 这个词 是一个首字母缩写词，代表“受激辐射的光放大”，但该术语已变得如此普遍以至于不再大写。辐射是从激光器发出的光；这种光可以是人眼可见的，也可以是不可见的。从技术上讲，只有一些激光器使用光放大，但激光这个名称仍然用于产生单色（所有一种颜色或波长）、相干（光波相似到足以沿一个方向移动）辐射的设备。

所有激光器都有激光介质、能量源和谐振器。激光介质是一种可以被能源（如光或电）泵浦（激励）到更高能量状态的材料。在被泵浦后，激光介质可以将能量以单色辐射的形式释放出来。谐振器是一个允许释放的能量在释放之前积累的区域。基本谐振器是位于激光介质两端的一对反射镜。一面镜子是完全反射的，所以所有照射到它的光线都会反射回激光介质；另一个是部分反射的，因此一些撞击它的光反射回激光介质，而一些光穿过它离开激光器。这对镜子使光通过激光介质来回反射，并在一个方向上对齐，从而产生光的相干性。

用于产生激光器的理论于 1958 年由贝尔实验室的研究人员发表。第一台激光器于 1960 年在 Hughes Aircraft 制造，使用一块红宝石作为激光介质，使用光作为能源，并使用镜子来产生谐振器。半导体激光器发明于1962年。它使用半导体材料，类似于晶体管和集成电路中使用的材料作为激光介质。它还使用直流电（由电池产生的电流）作为能源。它仍然使用谐振器反射镜。第一个半导体激光器产生不可见的红外辐射。当前的半导体激光器也可以产生可见光，红色是最便宜的半导体激光器，而绿色、蓝色和紫色则越来越贵。用于激光指示器的半导体激光器也称为二极管激光器，因为它们是半导体二极管的一种。二极管很容易在一个方向上传递电流；发光二极管和激光二极管在电流通过时会发光。自 50 年代后期以来，半导体电子产品的生产成本已经降低。它们也变得更小并且需要更少的能量。它们变得足够便宜，可以用于消费电子设备，例如 1980 年代的激光笔。当前的激光二极管是血细胞的大小。由于谐振腔空间短，它们产生的光比大多数激光器准直度低（全部朝一个方向移动）。因此，他们需要某种外部光学器件（透镜）将光聚焦成更紧密的光束。与许多半导体器件一样，激光二极管很脆弱，需要保护其免受环境和电涌的影响。功率控制电路通常包括一个光电二极管（一种在光线照射时产生电流的二极管）来监控激光二极管的输出，防止二极管接收过多或过少的功率。二极管由塑料外壳保护免受环境影响，因此类似于电路板上使用的大多数其他半导体设备。

第一批激光笔要花费数百美元，但需求和改进的制造方法导致最便宜类型的价格低于 5 美元。还有一些物品包含激光指示器，或者至少是其组件，例如用于枪械的激光瞄准器和带有内置激光指示器的投影仪。

原材料

激光二极管没有许多类型的消费电子设备复杂。它由激光二极管、电路板、外壳、光学器件和外壳组成。电路板上的一些电气元件和激光二极管由半导体材料、金属和陶瓷制成。半导体材料包括由铝、镓、砷、磷、铟和类似元素制成的化合物（由一种以上的纯元素制成的材料）。这些化合物用于各种半导体产品。半导体还含有铝、金和钽等金属。

电路板通常由树脂（塑料）制成，例如环氧树脂，其中含有玻璃纤维以加强它。电通过铝和铜等金属线传导到电路板上的各个组件。放置在电路板上的各个组件包括二极管、激光二极管、电容器和电阻器。半导体部件，例如二极管，用金属引线封装在塑料中，金属引线通过焊料（一种金属合金，传统上由锡和铅制成，但现在含有较少的铅和其他金属作为替代品）连接到电路板上的金属焊盘。非半导体部件，例如电阻器和电容器，由多种金属、塑料和陶瓷（包括玻璃）制成。

准直光学元件可以是玻璃，但大多数激光指示器使用较便宜的丙烯酸塑料。外壳可以由任何材料制成，例如金属、塑料甚至木材。它包含用于电池的金属（通常是黄铜）触点。

设计

激光指示器的设计取决于激光二极管的电气要求、电源的预期寿命以及生产更小的消费产品的动力。最小的激光笔长度不到两英寸，但有些激光笔的设计看起来像钢笔。较长的激光笔可以容纳 AAA 或 AA 电池，与较短的激光笔中使用的手表电池相比，它们提供的电源更持久。大多数激光笔使用两节或三节电池。

制造
过程

红色激光笔是最常见的激光笔。其他激光笔使用不同的激光二极管组件，但以类似的方式生产，因此本文使用红色激光笔的制造工艺和图表。

激光二极管

• 1 激光二极管是在半导体工厂（在非常干净和严格控制的条件下生产半导体材料的工厂）中生产的。基板是其他材料将沉积在其上的基础材料。制造、清洁和制备基板的晶片。然后它经过几个步骤，在上面沉积材料层。其中一些层只有几个原子厚。这些层可以是导电的（金属，例如铝和金）或半导体（如上所述）。这些层也可以通过接触其他化学品而改变。将所有材料添加到晶片后， 1. Cap. 2. 电绝缘垫环。 3. 电池。 4.金属桶。 5. 金属弹簧。 6. 按钮。 7. 开关。 8. 弹簧板。 9. 激光孔。 10.金属桶。 11. 镜筒。 12. 激光模块。 14. 定位框。 15. 电绝缘板。被切成小块（切开，通常成矩形部分）成单独的二极管。二极管在晶片上或分离后进行测试，失效的将被报废（扔掉）。然后将工作的激光二极管封装在带有金属引线的塑料容器中，用于电气连接。

电路板

• 2 电路板包含使激光指示器起作用的电路。它包含开关、激光二极管和控制电路的组件，通常是光电二极管、二极管、电阻器和电容器。这些部件放置在电路板上，有时使用粘合剂，然后焊接到位。焊接是一个过程，其中两个金属物体接触放置，焊料在它们周围熔化，当它冷却时，它会包围它们并将它们固定在一起。使用焊料代替胶水是因为它会粘在金属上并且可以导热和导电。

准直光学元件

• 3 激光指示器中的准直光学器件由单个透镜组成，该透镜将离开激光二极管的光锥聚焦成更窄的光束，从而在更长的距离内产生更窄的光斑。塑料镜片是注射成型的，这是一种将熔融塑料压入模具的过程。塑料冷却并凝固，然后将模具拉开，取出镜片。它被研磨和抛光成光滑的表面，这样来自激光二极管的光就不会从表面上的缺陷反射回来。

激光二极管组件

• 4 激光二极管和准直光学元件用塑料支架放在一起，形成激光二极管组件。大多数激光二极管组件的背面都有一个金属弹簧。该弹簧与激光二极管中的电池接触，并且是从电池汲取电力的电路的一部分。

外壳构建和最终
组装

• 5 外壳是一个管子，里面有用于放置激光二极管组件和电池的空间。激光二极管组件被推入或拧入外壳的一端。外壳的内部由黄铜制成，或者有一条黄铜条（胶合或铆接到位）沿着电池空间向下延伸。电池空间末端件也有一个暴露的黄铜区域或由黄铜制成。当这个末端件被推入或拧入外壳时，它会接触电池的另一侧以完成电路，使电流从电池流向激光二极管组件。
• 6 外壳还有一个开关按钮（一块塑料，穿过外壳侧面的孔），必须按住该按钮才能使激光笔工作。当按下此按钮时，电路板上的开关关闭，电流从电池流向激光指示器组件，激光指示器产生光束。
• 7 激光笔组装测试后，加贴安全标签。该标签描述了激光器在功率输出方面的额定值，注明了哪些法规管理其使用，并警告用户避免直接接触眼睛。

质量控制

半导体制造商使用高度受控的工艺，这些工艺已在实验室开发，然后转移到制造设施。激光二极管经过测试以确保它们在制造后也能正常工作。每个其他组件也经过测试以确保其正常工作。大多数制造工厂会随机测试他们的产品并使用统计控制方法来提供优质产品。

当激光二极管组件或激光指示器最终组装好时，它将被供电并使用光检测装置（例如光电二极管）进行测试，以测量其功率输出。激光指示器是 IIIA 型激光设备，必须为美国市场产生 5 毫瓦（毫瓦，千分之一瓦）或更低的功率。欧洲市场的激光指示器通常是 II 类激光设备，必须产生小于 1 mW 的功率。这些限制是出于安全目的。

副产品/废物

激光笔包含金属、塑料和电子零件。这些行业中的每一个都有特定的废物副产品（溶剂、卤化碳气体、铅、化学品），但激光指示器组件在激光指示器被处理之前没有特定的废物。激光笔含有少量有害物质，例如铅和一些有毒半导体。与其他电子组件一样，从长远来看，回收组件对环境可能更安全，尽管这很昂贵，而且很少有回收或再利用电子产品的程序。这在未来可能会改变。

未来

红色激光笔是当今最便宜和最常见的。绿色激光指示器具有更复杂的激光二极管组件，成本数百美元。蓝色和紫色激光笔很快就会以更高的价格上市。随着生产量的增加以满足需求，以及生产工艺的改进，更新的激光二极管类型的价格会下降。由于公共场所禁止使用激光笔，限制激光笔使用的法律可能会导致需求下降，从而抵消这一趋势。

哪里可以了解更多

书籍

吉比利斯科，斯坦。 了解激光。 宾夕法尼亚州蓝岭峰会：Tab Books, Inc.，1989 年。

其他

CORD 网页。 2001 年 12 月。。

激光聚焦世界网页。 2001 年 12 月。。

安德鲁 道森