Лазер на шариках от подшипника

Фото © fabymartin.com

Недавно в журнале «New Scientist» была опубликована интересная статья, рассказывающая о разработке лазеров с изменяемой длиной волны ^[1]. Ознакомившись с оригинальной работой ^[2] на сайте arXiv.org, и взглянув на схему экспериментальной установки, я решил, что это устройство достаточно простое, чтобы его собрать самостоятельно.

Основная идея заключается в том, чтобы ввести в рабочее тело лазера на красителях ^[3] множество отражающих шариков и встряхивать их так быстро, чтобы они вели себя, как будто находятся во взвешенном состоянии. Затем производится накачка красителя внешним источником излучения, а изменяя частоту колебаний, можно отфильтровывать различные длины волн лазерного излучения, которое испускается красителем.

Вся установка состоит из шести компонентов:

• Краситель для лазера, в данном случае Родамин Б ^[4]
• Много мелких шариков от подшипника
• Небольшой стеклянный контейнер, в котором будут находиться шарики и краситель
• Динамик как источник механических колебаний
• Лазер для накачки красителя
• Генератор переменной частоты

Лазерный модуль и устройство накачки

^[5]
Компоненты для лазерного модуля. Слева направо: растворы родамина Б 0,1 моль/л, 0,01 моль/л и 0,001 моль/л, 1750 стальных шариков диаметром 1 мм.
Здесь и далее все картинки кликабельны. — Прим. перев.

Стальные шарики и пузырёк из боросиликатного стекла — части, которые было проще всего достать. Найти родамин оказалось немного сложнее. Товарищ Protospace был любезен приготовить мне три различных раствора родамина Б в метаноле: 0,001 моль/л, 0,01 моль/л и 0,1 моль/л. Когда шарики были отмыты от масла при помощи ацетона, а затем высушены, оставалось всего лишь засыпать их в пузырек с родамином.

^[6]
Излучение родамина Б

Следующим шагом было найти источник накачки, достаточно мощный, чтобы преодолеть порог генерации родамина. В конечном итоге я остановился на источнике с длиной волны 532 нм мощностью 30 мВт и решил не использовать более мощный из соображений безопасности. Установку планировалось показать на Maker Faire YYC ^[7], и я не хотел повредить ничьих глаз. Я все еще пытаюсь выяснить, было ли этой мощности достаточно, чтобы преодолеть порог генерации красителя, или же желтый свет, излучаемый родамином, на самом деле спонтанное излучение, а не вынужденное.

^[8]
Спонтанное или вынужденное излучение?

Установка динамика

Первоначально я собирался просто приклеить лазерный модуль непосредственно к динамику. Однако после того, как я успешно убил один динамик, приклеив звуковую катушку к магниту, я решил сделать конструкцию, которая позволит легко заменять модули.

Окончательная конструкция содержала небольшой редкоземельный магнит, укрепленный на катушке динамика, и металлическую шайбу в нижней части лазерного модуля. Магнитное крепление показано на картинке ниже. Также я убедился, что магнит находится достаточно далеко от шариков, чтобы они не слипались вместе.

^[9]
Лазерный модуль и устройство накачки крупным планом

В попытке как можно точнее следовать исходной статье я включил в конструкцию акселерометр для измерения интенсивности колебаний. Был использован старый инерциальный измерительный блок Razor ^[10] с шестью степенями свободы (3-осевой акселерометр + 3-осевой гироскоп. — Прим. перев.). Он остался от другого проекта, где был заменен новой, более компактной моделью ^[11]. Пять из шести степеней свободы здесь оказались лишними.

Генератор колебаний

^[12]
Генератор XR2206 и усилитель LM386

Я собрал генератор на микросхеме XR2206 ^[13] по схеме, приведенной в datasheet'е. Большая часть работы здесь заключалась в подборе частотозадающих резисторов и конденсаторов, чтобы получить желаемый частотный диапазон с помощью только тех номиналов, что были у меня в наличии. В результате получилась довольно простая схема, которая может генерировать как синус, так и треугольный сигнал с частотой от 35 до 45 Гц.

С выхода функционального генератора сигнал подается на аудио-трансформатор 1:1, чтобы привести нулевой уровень сигнала к потенциалу общего провода, а не виртуальной земли генератора. Затем сигнал идет на усилитель LM386, включенный по схеме усиления на 20 дБ.

Я столкнулся с проблемой, которая заключается в том, что XR2206 чувствителен к изменению температуры. Под прямыми солнечными лучами за 2 часа частота уплыла на 15 Гц.

Maker Faire YYC

^[14]
Законченные корпуса

Для участия в Maker Faire YYC ^[15] я хотел, чтобы установка была интерактивным пособием, а не простой демонстрацией. При помощи лазерной резки я сделал симпатичные акриловые корпуса с переключателем формы волны (синус или треугольник), регуляторами амплитуды и частоты. Это было здорово, поскольку можно было продемонстрировать, как частота и амплитуда влияют на движение шариков в жидкости.

Фаби Мартин сделал целую кучу фотографий с мероприятия ^[16], среди них есть несколько снимков, на которых я со своим лазером объясняю широкой публике основы лазерной физики.

Дальнейшие эксперименты

Есть еще множество экспериментов, которые я хотел бы провести, и усовершенствований, которые хотелось бы сделать.

Прежде всего, я хочу перейти на более мощный лазер накачки, где-то в районе 200 мВт или даже 1 Вт, чтобы быть абсолютно уверенным в преодолении порога генерации родамина. С этого момента я помещу весь блок в закрытый ящик, так, чтобы не видеть его во время экспериментов и не сжечь себе глаза.

Я также хочу раздобыть хороший спектрометр, чтобы должным образом контролировать выходное излучение и лучше видеть сдвиг длины волны, описанный в оригинальной статье. Подозреваю, что также может потребоваться акселерометр с более широким диапазоном: максимальное ускорение диффузора достигает величины 30 g.

Изготовить нормальную печатную плату для схемы управления тоже было бы неплохо. Я столкнулся с проблемами на макетных платах, где длинные провода вызывают ослабление и зашумленность сигнала. Как только я разберусь со всеми этими вопросами, и завершу основные эксперименты, было бы прекрасно смонтировать лазерный модуль и управляющую схему в едином корпусе.

Автор: Ocelot