Изучаем азотные лазеры — часть 1. Лазеры поперечного разряда

в 12:16, , рубрики: diy или сделай сам, азотный лазер, лазеры, простейший лазер, самодельный лазер

Наверное, каждый увлекающийся околоэлектронными самоделками задавался вопросом, возможно ли сделать лазер самостоятельно, дома. И наверняка, очень часто натыкался на довольно предсказуемый ответ от старших, что это очень сложно или практически невозможно, дескать, лазерное излучение можно получить только из специальных дорогостоящих кристаллов и стекол, или каких-то ещё неведомых материалов, которые можно достать только в Тёмных Топях или на Заокраинном Западе. На самом деле это не так. Число веществ, в которых возможен лазерный процесс, исчисляются тысячами, и некоторые из них находятся буквально под ногами, и в прямом смысле вокруг нас, повсюду. Так, например, можно с удивлением узнать, что возможно получить лазерную генерацию в водяных парах, в красителях, добытых из фломастеров, в конце концов, в углекислом газе, выдыхаемом многими живыми существами, была получена лазерная генерация мощностью в сотни киловатт. Но, есть ещё одна рабочая среда лазера, которая распространена гораздо больше, чем все остальные вместе взятые. Это азот, которого 78% в атмосферном воздухе.

image

Если сделать в гугле запрос «самодельный лазер», то именно азотный всплывает первым, со множеством примеров конструкций:

image

Рассмотрим принцип его работы и конструкцию подробнее.
Азотный лазер – типичный представитель молекулярных газовых лазеров, который работает на электронных переходах в молекуле азота. Его главное свойство – это интенсивная генерация в ультрафиолетовом диапазоне, с основной длиной волны равной 337.1 нм. Свойства азота как рабочей среды делают генерацию возможной только в импульсном режиме, поскольку переходы являются самоограниченными, т.е. длительность существования инверсии населённости на таких переходах ограничена накоплением частиц на нижнем уровне; она не больше времени жизни частиц на верхнем рабочем уровне. Время жизни верхнего уровня у азота порядка 40 наносекунд, поэтому излучаемый лазерный импульс тоже очень короткий, порядка единиц-десятков наносекунд. Это накладывает специфические требования к электрическому импульсу возбуждения – он также должен быть коротким с крутым фронтом, чтобы успеть перевести большое количество молекул в возбужденное состояние за время жизни верхнего уровня.

При этом, у азота, как активной среды, очень высокий коэффициент усиления, настолько высокий, что не нужны зеркала – он вполне может работать в режиме сверхсветимости, когда усиление излучения происходит за один проход. А ещё, он может работать в широком интервале давлений вплоть до атмосферного. И, как выяснилось, кислород воздуха не мешает, хотя и снижает максимально достижимую мощность генерации. Таким образом, для самодельщика вырисовывается довольно привлекательная картина: рабочая среда предельно доступна, возня с вакуумом и газами не нужна, дефицитные материалы не нужны. Даже зеркала оптического резонатора не нужны. Нужно только немного повозиться с высоким напряжением. Рассмотрим подробнее устройство азотного лазера, который предлагается для самостоятельного изготовления.

image

Исходя из требования к импульсу возбуждения, как правило, вырисовывается схема накачки лазера основанная на генераторе Блюмляйна, который состоит из двух плоских конденсаторов, которые можно сформировать из нескольких слоев алюминиевой или медной фольги и диэлектрической пленки. Коммутатором в этом устройстве служит простейший искровой разрядник из двух винтов с закругленными головками. Казалось бы, где же сам лазер? А процесс генерации лазерного излучения происходит практически незаметно – в зазоре между двух металлических линеек, в котором горит импульсный разряд. Линейки укреплены на противоположных краях плоских конденсаторов С1 и С2. Разряд горит поперек оси линеек, а лазерное излучение выходит вдоль, соответственно получается газовый лазер с поперечным разрядом. Чтобы не загорался разряд в момент зарядки конденсаторов – параллельно лазерному зазору включен небольшой дроссель, который закорачивает зазор по постоянному току. Стоит подать высокое (порядка 10-15 кВ) напряжение как показано на схеме – и лазер заработает. В качестве источника ВН подходит любое подходящее средство – электрошокер, блок питания от ионизатора воздуха, электрофорная машина, источник ВН от ЭЛТ-телевизора или монитора. Поскольку он работает без зеркал, то излучение выходит с обоих концов линеек. Так как он излучает в ультрафиолете – это позволяет хорошо познакомиться с люминесценцией различных предметов и материалов. А ещё такой лазер довольно удобен для накачки лазера на красителях – просто добавь воды кювету с красителем и поставь под луч.
По этой же причине, а также, поскольку энергия импульса очень мала (десятки микроджоулей), то его излучение сравнительно безопасно для глаз, так как поглощается роговицей и не достигает сетчатки. Хотя, смотреть прямо в луч все равно не следует – ультрафиолетовые ожоги роговицы вещь довольно неприятная.

Таким образом, эта схема делает «порог вхождения» в мир лазерной техники очень низким, такой лазер был построен бесчисленным количеством людей.

Есть конструкции пострашнее. Зелёное пятно на первой фотографии – люминесценция «мишени» для излучения.

image

image

Есть более обстоятельные и аккуратные, как например эта.

image

Да такой лазер можно собрать вообще меньше чем за 2 минуты! Если конечно все исходные материалы подготовлены, а конструкция отработана, т.е. рука уже набита.

Доступность и простота конструкции такого лазера позволяет экономить немало средств в западных университетских лабораториях, если к нему не предъявляют особых требований по выходным параметрам.

Тем не менее, для гарантии успешной работы такого лазера есть несколько нюансов, которые нужно соблюдать. Самый главный из них в том, что края линеек-электродов должны быть максимально гладкими и иметь скругленные края, чтобы у разряда не было возможности собраться в одну искру, загоревшуюся с какого-то острия. Второй – правильный выбор изоляционной плёнки для плоских конденсаторов, чтобы получалась максимально возможная емкость при максимально возможной электропрочности. Третий – правильный выбор зазора между электродами, который должен быть выдержан точно по всей длине и быть не большим 2-3 мм. Именно тогда через лазерный разряд будет получен максимально короткий фронт тока. Допуски по последним двум нюансам можно облегчить, если снизить давление рабочего газа до 100-200 мм рт. ст., и если подать чистый азот вместо воздуха, но это автоматически означает появление пусть и примитивной, но вакуумной системы, и заключение электродов в мало-мальски герметичный объем. В такой конфигурации расстояние между электродами можно увеличить, а требования к крутизне фронта тока несколько снижаются – плоские конденсаторы можно заменить компактными керамическими. Но такая конструкция тоже имеет право на существование.

К примеру, самодельные лазеры с продувкой азота от Джаррода Кинси.

image

Здесь из-за обилия разных предметов на его столе сам лазер рассмотреть довольно сложно.

image

Азотный лазер поперечного разряда с пониженным давлением, где плоские конденсаторы заменены керамическими. Конструкция Томаса Раппа.

image

Если кого интересует очень тщательное и подробное руководство по постройке такого лазера с описанием всех неочевидных нюансов, то стоит заглянуть опять на сайт Yun’a Sothory.

А еще есть довольно популярная легенда, что лазерный эффект при искровом разряде в протяженных воздушных промежутках мог быть обнаружен задолго до открытия принципов работы лазера как такового, в те времена когда только начинали осваивать электричество. Но это красивый фейк, как например вот этот рисунок. Что не отменяет правдивость его содержания.

image

Статья с описанием «лазера викторианских времен» находится здесь.

Теперь рассмотрим, какие в принципе бывают конструкции серийно выпускаемых азотных лазеров. На Западе абсолютно все встреченные мной азотные лазеры имеют поперечный разряд с накачкой от генератора Блюмляйна. Всё как в описанном самодельном лазере, только там добавлены удобные средства управления лазером, более продвинутые источники питания, вместо простейшего искрового разрядника – импульсный водородный тиратрон или управляемый искровой разрядник высокого давления, вместо больших плоских конденсаторов из пленки и фольги – много мелких керамических, а электроды между которыми происходит разряд расположены в закрытом объеме, в котором можно регулировать давление и вообще заправлять любой другой газ. Но принцип остается неизменным. У такой схемы есть следующие преимущества:

1. Простота. Как сказано выше, во многих случаях вполне применима даже конструкция самодельного простейшего азотного лазера работающего на атмосферном воздухе, даже при вполне серьезной научной работе в лаборатории.
2. Достаточно серьезная выходная энергия импульса – десятки миллиджоулей у крупных установок.
3. Очень малая длительность импульса, в ряде случаев составляющая сотни пикосекунд.
4. Сочетание предыдущих двух факторов позволяет достигнуть огромных импульсных мощностей – десятки-сотни мегаватт.

Вместе с этим есть и некоторые недостатки:

1. Отвратительное качество пучка. Луч не круглый а продолговатой формы, с неравномерной интенсивностью по сечению. В ряде случаев это не критично, когда, к примеру, нужно накачивать лазер на красителях.
2. Ограниченная частота повторения импульсов, обычно не более нескольких десятков Гц.
3. Нестабильность энергии от импульса к импульсу.
4. Некоторые конструкции требуют периодического обслуживания – смены рабочего газа, поддержания его давления, периодической чистки и полировки электродов.

Все упомянутые преимущества и недостатки полностью относятся и к самодельному азотному лазеру.

Посмотрим как выглядят азотные лазеры западных производителей и сравним их конструкцию с простейшей самодельной.

Малогабаритный азотный лазер фирмы Spectra-Physics и его лазерная камера с обвязкой. Эт лазер поперечного разряда с пониженным давлением.

image

image

Вместо плоских конденсаторов тут керамические, сверху – управляемый искровой разрядник. Лазерная камера заполнена азотом и запаяна.

Мощный азотный лазер, работающий на неосновном переходе в синей области спектра. Видно множество мелких керамических конденсаторов и блокирующий дроссель между электродами. Для получения генерации на иных длинах волн кроме 337.1 нм требуется добавка гелия к азоту.

image

Самая первая лазерная камера с поперечным разрядом, которая была сделана в 1973 году.

image

Лазерная установка фирмы Molectron.

image

Внутренности мощного лазера с поперечным разрядом, который при замене газовой смеси и оптики может работать как СО2 лазер или как эксимерный лазер.

image

Внешний вид электродов промышленно выпускаемого лазера с поперечным разрядом.

image

Лазерная камера для пикосекундных длительностей импульса.

image

Теперь, после всего сказанного выше, ко мне возникнет вполне резонный вопрос, не пробовал ли я повторять эту конструкцию. На самом деле, нет, не пробовал. На это были объективные причины. Если кратко – то мне нравится совершенно иной тип азотного лазера – лазер не поперечного, а продольного разряда! Но об этом в следующей части.

Использованные источники:

1. www.jarrodkinsey.org
2. www.rapp-instruments.de
3. www.spakbangbuzz.com
4. www.jonsinger.org
5. www.swissrocketman.fr
6. www.mylaser.ucoz.ru
7. www.laserkids.sourceforge.net
8. www.technology.niagarac.on.ca
Надеюсь, никого не забыл.

Автор: Laserbuilder

Источник

* - обязательные к заполнению поля