Reflejando un haz laser en un espejo giratorio podemos apuntar este a lo largo de los puntos de una recta. Si utilizamos convenientemente dos espejos móviles podemos deflectar el haz de derecha a izquierda y de arriba a abajo, es decir a lo largo de unos ejes XY con lo que podremos posicionarlo sobre cualquier punto del plano. Apagando y encendiendo el laser adecuadamente pueden dibujarse formas o texto que pueden proyectarse en cualquier pared o superficie y hasta incluso en las nubes si disponemos de láseres de suficiente potencia.

Por otro lado, combinando láseres de colores rojo verde y azul en distintas intensidades se puede obtener un rayo de cualquier color, incluso blanco. Esto es algo que no se puede dejar pasar sin mas si eres entusiasta de los láseres…

Algunos de los módulos laser que utilizo se han adquirido ya ensamblados y listos para su uso y otros los he ensamblado yo a partir del correspondiente diodo, optica, carcasa y electrónica de alimentación y control.

Para el color rojo he combinado dos haces provenientes de un módulo de 150mW y otro propio que utiliza un diodo LPC-840 que se supone de 350 mW. Para combinarlos se ha usado un cubo de cristal con interesantes propiedades conocido como “beam splitter” que podría traducirse como “separador de haces” ya que se suele usar para dividir un rayo no polarizado o con polarización circular en dos rayos con polarización plana con planos perpendiculares. Afortunadamente también puede usarse a la inversa y combinar dos haces polarizados (los de los diodos laser suelen serlo) en uno final que por perdidas en el cristal no llega a tener la potencia de los dos sumada pero conseguimos un haz sensiblemente mas potente que cada uno por separado. Para poder combinar adecuadamente los haces debemos rotar físicamente los diodos y su óptica para que el plano de polarización sea el correcto ya que el rayo atravesará el cubo o será reflejado en función de esto.

La combinación de dos haces de 650nm ha sido necesaria para obtener un rojo potente ya que es difícil encontrar diodos laser de esta longitud de onda con potencias de mas de 350mW. Anteriormente probé a montar un modulo con diodo de 638nm con color rojo algo mas claro, tirando a naranja con 700mW de potencia óptica pero con la gran desventaja de tener divergencias muy distintas en los dos ejes, lo que genera un punto de luz rectangular. Esto puede ser corregido con lentes cilíndricas para colimar el haz en cada dirección por separado, lo que se conoce como óptica anisotrópica y no se trata de una solución barata.

Si decidimos montar nosotros mismos un módulo laser de diodo deberemos comprar por un lado el diodo con precios desde 10 euros a cientos de euros dependiendo el tipo de diodo, longitud de onda y potencia deseados. En mi caso un modulo rojo de 650nm y 350mW y uno azul de 445nm y 1W han sido montados por mi. Además del diodo es muy importante una carcasa que permita una correcta disipación del calor producido por el funcionamiento. Es mas, esto es un factor crítico para un buen funcionamiento y una vida útil aceptable. Hay que tener en cuenta que determinados tipos de diodos no soportan temperaturas de funcionamiento por encima de los 40ºC. Existen varios tipos de carcasas (que también incorporan la óptica correspondiente) en el mercado. He optado por modelos de tamaño medio, con ventilador incorporado, que es la opción adecuada para un laser con funcionamiento continuo durante largo tiempo.

Lo primero será averiguar cual es el ánodo y cual el cátodo en nuestro diodo concreto. No hay una regla general y conviene tener documentación proporcionada por el vendedor o buscar en la red sabiendo la denominación de nuestro diodo. Soldaremos dos cables asegurando bien el aislamiento eléctrico con tubo termorretráctil, diferenciando el positivo (ánodo) del negativo (cátodo) con colores, habitualmente rojo y negro, pero acabamos usando los que tenemos a mano (así que cuando en las películas le dicen al artificiero de turno que está intentando desactivar un artefacto explosivo que tiene que cortar el cable de tal o cual color yo no lo tendría tan claro…).

El diodo se posiciona en un casquillo interior de aluminio que lo sujeta firmemente con una tapa roscada. Aquí podemos añadir algo de pasta térmica para favorecer la transmisión de calor pero sin pasarnos o ensuciaremos el diodo, lo cual no es nada deseable. Además, algunos modelos como el LPC 840 de Mitsubishi vienen en encapsulado abierto, estando el semiconductor totalmente expuesto, con la ventaja de que no hay cristal que atenúe el haz pero haciéndolo enormemente vulnerable a la suciedad que causaría un deterioro irreversible.

El casquillo con el diodo va montado dentro de un disipador en un orificio cilíndrico. Aquí es conveniente añadir también grasa térmica. Por último se monta el ventilador en la parte trasera y un frontal que protege la óptica.

Una vez montado el diodo laser en su carcasa hay que alimentarlo y para ello necesitamos circuitos dedicados a tal efecto ya que debe proporcionarse una intensidad lo mas controlada posible puesto que si se sobrepasan los valores nominales puede reducirse drásticamente la vida del semiconductor o provocar su destrucción inmediata muy fácilmente. Por ejemplo en el caso del LPC 840 no deberíamos superar los 350mA. La verdad es que es pero que muy fácil deteriorar irreversiblemente un diodo laser y creo que todo aquel que ha manejado éstos sabe bien de que estoy hablando…

En el post anterior Mini CNC Laser se exponen un par de diagramas para posibles circuitos de alimentación o drivers para diodos laser que podemos construir nosotros mismos pero en este caso he optado por drivers comerciales que se pueden encontrar en ebay por 10 – 15 euros. Cada tipo de diodo necesita una tensión especifica, los rojos entorno a 2V y los azules 4-5V por lo que debemos usar drivers específicos, aunque hay algunos modelos que se adaptan a una gran variedad de diodos.

El laser verde merece especial atención. Aunque existen hoy en día diodos que producen directamente el color verde, concretamente los de la marca Nichia de 520nm (lo que es un verde muy claro tipo pistacho frente al verde mas natural de 532nm), son bastante caros, sobre 50 euros el diodo de 1W.

Tradicionalmente el color verde (532nm) se ha obtenido a partir de un haz infrarrojo de 1064nm como el producido por el laser de Neodimio-YAG, del que espero poder publicar pronto una interesante entrada, ya que también hice mis incursiones en el terreno del laser de estado sólido, que es el primer tipo de laser que se construyó, utilizando un rubí. Este haz infrarrojo se hace pasar por un cristal de un compuesto llamado fosfato de titanilo de potasio o KTP que consigue duplicar la frecuencia de la radiación incidente, dividiendo entre dos su longitud de onda y produciendo un haz verde de 532nm a partir de otro infrarrojo (y, por tanto invisible al ojo humano) de 1064nm. Es lo que se conoce como generación del segundo armónico.

Sin embargo los diodos laser infrarrojos mas habituales son de 808nm en lugar de 1064nm, pero usando otro tipo de cristal (y esto ya va pareciendo magia!) se puede convertir un haz laser de 808nm en otro de 1064nm. Este cristal es de vanadato de Itrio dopado con neodimio (Nd:YVO4) y es un laser en si mismo, ya que absorbe la radiación que le llega, excita sus electrones y caen sincronizados generando un haz coherente de 1064nm típico de la transición electrónica del neodimio. Ya hablare de este interesante tema en otro post.

Esquema de un laser verde de 532nm típico

El laser verde lo he adquirido ya montado junto con su driver (532nm 200mW) y está formado por el diodo de 808nm, cristal de vanadato y cristal de KTP, aunque externamente el módulo es como los demás salvo que lleva mas cableado ya que, aunque no recuerdo bien si el KTP o el vanadato, pero uno de los dos necesita calentarse para un funcionamiento óptimo. Hay que recalcar que hay perdidas de energía en cada elemento y para producir un haz verde de 200mW tal vez haga falta usar un diodo infrarrojo de 1W o más y disipar también todo el calor generado.

Con los módulos laser ya terminados y en condición de funcionamiento he utilizado espejos dicroicos para unir todos los láseres en un único haz. Estos reflejan ciertas longitudes de onda y dejan pasar otras. Como se aprecia en la imagen ambos espejos son transparentes al color rojo pero reflejan el verde o el azul y combinándolos en el orden correcto es posible unir los distintos haces en uno único de color blanco si las intensidades de cada color son adecuadas, en teoría podemos generar cualquier color variando la intensidad de cada laser.

Para variar la intensidad de los láseres podemos utilizar una señal PWM ya que todos los drivers usados poseen una entrada de control que puede ser de dos tipos: TTL ó Analógica. TTL es lo más usual y barato, donde 5 Voltios significa laser ON y 0 Voltios laser OFF, aceptando frecuencias de conmutación de hasta 25kHz habitualmente, por lo que mediante PWM podemos variar la intensidad aparente del haz, que en realidad se apaga y enciende muy rápido para el ojo humano. Esta técnica tiene el inconveniente que si movemos muy rápido el haz podemos ver trazada una línea discontinua si la frecuencia de la señal PWM no es lo suficientemente alta.

Algunos drivers tienen entrada de control analógica, donde 5 Voltios también significa laser ON y 0 Voltios laser OFF, pero también se aceptan todos los valores intermedios que mantendrán el laser encendido con intensidad proporcional a la tensión de entrada. Esta señal analógica podríamos pensar en generarla con una señal PWM y un filtro RC paso bajo, lo que, en principio, no parece mala idea pero si necesitamos variar esta señal rápido no va a ser capaz de responder. Lo ideal es utilizar DACs, es decir, convertidores digital-analógicos, que generan la señal con gran precisión y tienen la capacidad de variar esta muy rápidamente.

En mi caso tan sólo el driver del laser azul tiene la capacidad de regulación analógica por lo que, en principio, simplemente usaré señal TTL para el control ON/OFF de los láseres.

En las siguientes imágenes se muestran varios modelos de drivers para diodos laser que pueden encontrarse en ebay o similares. Éstos se alimentan generalmente a 12V y tienen una salida para ventilador, además de entrada de control TTL o analógica y los terminales para conectar el diodo láser.

Una vez combinados todos los elementos que forman el láser RGB es hora de tratar el tema de posicionar este con precisión y rapidez en unas coordenadas XY concretas. Esto se hará mediante dos espejos, tal como he comentado anteriormente y se podría pensar en varias alternativas para controlar el movimiento de estos espejos que tan solo deben girar ángulos relativamente pequeños, de unos pocos grados, pero a la mayor velocidad que sea posible y con precisión. Una opción barata y simple, pero inaceptablemente lenta, sería utilizar un servo o un motor paso a paso, muy fáciles de controlar desde un arduino por ejemplo. Esto puede servir para lograr efectos laser hasta cierto punto espectaculares pero la idea es hacer algo mas elaborado.

Para posicionar un laser en lugar de un servomotor o un stepper se utilizan unos dispositivos conocidos como galvo-scanner, galvomotores o simplemente galvos. El nombre tiene que ver con galvanómetro y es que el principio de funcionamiento es el mismo que el de los instrumentos de medida analógicos (voltimetros, etc..), donde una bobina móvil inmersa en un campo magnético hace girar una aguja un determinado ángulo proporcional a la magnitud que se está midiendo. En este caso lo que gira es un espejo que refleja el haz láser y lo hace en función de una señal analógica que debemos proporcionar. Como se desea tener un control preciso de la posición, el galvo debe tener un sistema de medición de ésta, pero un potenciómetro como suelen usar los servomotores aportaría demasiada fricción dificultando una buena respuesta. Suelen usarse medidores de posición capacitivos, con un condensador variable solidario al eje. Por otro lado el rotor debe tener el mínimo momento de inercia posible, por lo que muchas veces está formado por un bobinado con núcleo de aire encerrado en un imán permanente.

La parte electromecánica que acabo de describir, por si sola, no sería capaz de fijar la posición deseada. Si el rótor estuviera unido a un resorte de torsión (como en un galvanómetro tradicional) se podría trabajar en bucle abierto (open loop), donde no hay una medida del error de posición sino que simplemente a más intensidad de entrada más ángulo girado ya que el muelle aporta más par resistente y se llega a una posición de equilibrio estático, pero la respuesta sería inaceptablemente oscilatoria. Para un correcto funcionamiento se necesita lo que se conoce como bucle de control realimentado, un sistema ampliamente utilizado en la regulación automática de multitud de maquinaria de todo tipo. Por ejemplo los drones utilizan un bucle de control PID (proporcional+integral+derivativo) para fijar su posición en el aire y gozar de estabilidad y las impresoras 3D también utilizan control PID para regular correctamente la temperatura del extrusor. Los galvos suelen ser controlados por un circuito con control proporcional y derivativo, no siendo necesario el control integral puesto que no se utilizan para estar mucho tiempo en la misma posición y éste (el control integral) sirve para corregir el error estacionario, errores que aunque pequeños permanezcan mucho tiempo. Además, el control integral puede generar inestabilidad.

El control proporcional es el mas básico, le da al motor la corriente para girar proporcionalmente al error actual en la posición (poco error->poco par de giro, mucho error->mucho par). Lo malo del control P es que si queremos respuesta rápida suele dar lugar a inestabilidad provocando vibraciones que pueden llegar a ser catastróficas. Habitualmente el control P se usa junto con el D o derivativo que actúa en función de la derivada, es decir de la velocidad del error, y aporta agilidad a la respuesta sin generar inestabilidad. El control I o integral actúa en función de la integral en el tiempo del error, lo que podríamos llamar error acumulado y es muy útil para corregir pequeños errores estáticos.

Este bucle de control se implementa de forma totalmente analógica usando amplificadores operacionales, que pueden configurarse fácilmente también como derivadores, integradores y sumadores/restadores que son los elementos necesarios, además de una etapa final de potencia capaz de proporcionar intensidades de 2 o 3 amperios, ya que el galvo requiere estas magnitudes para operar a la velocidad deseada.

Se pueden encontrar en el mercado galvos de distintos precios en función de sus prestaciones, donde la más importante es la velocidad que pueden alcanzar, y se mide en kpps , o sea kilopuntos por segundo. Un sistema de 20kpps puede posicionar 20000 puntos (x,y) cada segundo, pero hay que fijarse bien en las especificaciones ya que la velocidad va asociada a un ángulo máximo de deflexión y, si este es reducido es fácil que un sistema mediocre alcance grandes velocidades y presuma de ello con gran sensacionalismo en sus especificaciones.

En mi caso adquirí por menos de 100 USD un sistema galvo-scanner con las siguientes especificaciones (que habría que ver si se cumplen):

Technical data(Scanner):
AC power: Autoswitching 100V – 240V 50/60Hz 
Power Supply: ±15VDC @1A each,
Input: Analog ±5V,
Mirror Aperture: 7mm*12mm*0.8mm,
Mirror coating: High quality dielectric film,
Reflectivity: >99.3% @45°incidence(400nm-700nm),
Speed: 25Kpps@±20°(ILDA30K Test Frame)
Deflection angle: max 70° optical (factory calibration @±25°)

Con el láser y el galvo-scanner listos hay que diseñar y construir una placa controladora basada en microcontrolador y que usando convertidores digital-analógicos aporte las dos señales analógicas (±5V) necesarias para controlar los espejos de los ejes X e Y. Además debe generar también 3 señales TTL para controlar el estado (ON/OFF) de cada laser y, en su caso poder variar su intensidad mediante PWM.

En principio me decanté por una placa basada en el arduino nano, con procesador atmega328p de 8 bits y un clock de tan sólo 16MHz, aunque recientemente lo he actualizado a un ESP32 mucho más potente, con capacidad wifi y bluetooth integrada, sistema de archivos y corriendo a 160MHz. En ambos casos utilizo un DAC externo, el MAX525, que es un DAC cuádruple de 12 bits con comunicación SPI, del cual utilizo dos de los cuatro canales . A cada canal le mandamos un valor entre 0 y 4095 y nos genera una tensión analógica entre 0V y 5V. Sin embargo, el galvo-scanner requiere como entrada una señal analógica bipolar que varíe de -5V a +5V, por lo que la salida de cada DAC, que es unipolar (0-5V) se acondiciona con un amplificador operacional que la convierte a ±5V. El inconveniente es que este amplificador debe alimentarse también a ±5V y normalmente en nuestros diseños no disponemos de tensiones de alimentación bipolares. Existen varias formas de resolver esto, yo he usado un oscilador basado en inversor realimentado que genera señal cuadrada y después desacoplada con un condensador y rectificada adecuadamente con dos diodos Schotky, y pasada por un filtro paso bajo es convertida a -5V.

La actualización del hardware, es decir, el cambio del procesador 328p por el módulo ESP32 lo he llevado a cabo simplemente diseñando una placa que se conecta en el zócalo donde iba el Arduino Nano, lo que se conoce como “mochila”, técnica que se usaba habitualmente en su día para mejorar las máquinas de videojuegos sin tener que cambiar toda la placa base.

La versión antigua, con Arduino Nano utiliza un módulo Bluetooth HC-05 para poder tener un control inalámbrico del sistema y, con un poco de ingenio, poder programar al Arduino, es decir, subir el scketch a través de Bluetooth, como una alternativa al ArduinoOTA que tenemos en ESP.