Изучаем азотные лазеры — часть 1. Лазеры поперечного разряда
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.
Если сделать в гугле запрос «самодельный лазер», то именно азотный всплывает первым, со множеством примеров конструкций:
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.
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.
Есть более обстоятельные и аккуратные, как например эта.
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.
Здесь из-за обилия разных предметов на его столе сам лазер рассмотреть довольно сложно.
Азотный лазер поперечного разряда с пониженным давлением, где плоские конденсаторы заменены керамическими. Конструкция Томаса Раппа.
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.
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.
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.
Самая первая лазерная камера с поперечным разрядом, которая была сделана в 1973 году.
Лазерная установка фирмы Molectron.
Внутренности мощного лазера с поперечным разрядом, который при замене газовой смеси и оптики может работать как СО2 лазер или как эксимерный лазер.
Внешний вид электродов промышленно выпускаемого лазера с поперечным разрядом.
Лазерная камера для пикосекундных длительностей импульса.
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.
