Первый лазер в истории: каким он был
Как известно, лазер — это устройство способное к усилению света путем вынужденного излучения. И возможность построения этого устройства была сначала предсказана в теории, а лишь много лет спустя удалось построить первый образец. Напомню, что вынужденное излучение было объяснено с точки зрения квантовой теории Эйнштейном, а первое воплощение этого принципа в железе началось в 50х годах ХХ века независимо различными группами ученых, наиболее известными из которых стали Ч. Таунс, А.М. Прохоров и Н.Г. Басов. Тогда им удалось построить первый квантовый генератор — мазер, который генерировал излучение в области сантиметровых волн. Непокоренным на то время оставался оптический диапазон, и о том, как его удалось покорить я и постараюсь рассказать в этой статье.
А покорить его удалось Теодору Мейману в 1960 м году. Он провёл множество расчетов и пришел к выводу, что идеальным рабочим телом для генерации волн оптического диапазона станет кристалл рубина. Он же предложил принцип накачки рабочего тела — короткими вспышками света от соответствующей лампы-вспышки и способ создания положительной обратной связи для того чтобы усилитель стал генератором — эту функцию выполняли зеркальные покрытия на торцах кристалла. Расчеты Меймана показали, что атомы хрома, которые являются примесью в кристаллах сапфира и делающие его рубином имеют подходящую систему энергетических уровней, которая делает возможной генерацию лазерного излучения. В рубине реализуется простейшая трехуровневая схема. Атом хрома, поглощая свет в сине-зелёной области спектра, переходит на верхний возбужденный уровень, с которого происходит безизлучательный переход на метастабильный уровень, на котором он может задержаться на время порядка 1 мс. Из этого состояния атом возвращается на основной уровень, излучая фотон с длиной волны или 694 или 692 нм, так как метастабильный уровень на самом деле не один, их два очень близко расположенных. Возможность накопления атомов на метастабильном уровне и позволяет создать инверсную заселенность, а вместе с ней и генерацию лазерного излучения, когда один или несколько спонтанно испущенных фотонов заставляют лавинообразно «осыпаться» все остальные атомы из метастабильного состояния в основное, испуская новые фотоны с одинаковой длиной волны, фазой, поляризацией и направлением движения. Они и создают яркий красный луч, которому свойственна когерентность.
С историей изобретения первого оптического квантового генератора связано много достаточно интересных и порой очень несправедливых событий. Для начала надо отметить, что разработку первого лазера Мейман осуществлял по своей инициативе и самостоятельно, только со своим помощником, при этом, лазер на рубине создавался вопреки мнениям многих специалистов, которые были уверены в том, что рубин не годится в качестве рабочей среды. Есть городская легенда, согласно которой, его помощник, будучи дальтоником, впервые в жизни увидел красный свет, в тот момент когда лазер был собран и он заработал. Согласно этой же легенде, Мейман не наблюдал лазерный пучок визуально, так как был очень занят настройками регистрирующей аппаратуры — нужно было срочно собирать экспериментальные данные и готовить статью к публикации, в которой будут представлены убедительные доказательства, что было впервые получено когерентное излучение оптического диапазона. Тут-то и начались сложности. Во-первых, статью Меймана о том, что возможна генерация оптического когерентного излучения в кристалле рубина отклонили от публикации в журнале Physical Review Letters, уточнив, что в «его статье нет ничего принципиально нового». Вместо этого статья была опубликована в Nature. Что характерно — в 1958 году в журнале Physical Review Letters была уже опубликована статья о принципах работы лазера, направленная из конкурирующей организации — Bell Labs, и это не смотря на то, что рабочего экземпляра лазера у них не было, статья описывала просто теоретическое обоснование. Они же быстро состряпали патент на лазер, которого у них ещё не было. А Мейман получил отклонение из этого журнала, хотя построил первый работоспособный лазер. Более того, он подробно потом объяснил ученым из Bell Labs в разговоре по телефону, что нужно для создания лазера и как его построить, уже после того, как он создал свой. Тем не менее, приоритет Меймана в изобретении лазера так и не был признан. Да и Нобелевскую премию за изобретение лазера присудили Ч. Таунсу, а не ему, которая должна была принадлежать ему по праву. Отчасти это объясняют тем фактом, что Мейман работал в частной фирме, которая выполняла заказы для военных, а не в университетской лаборатории.
Теперь, оставим драму в покое и посмотрим, как был устроен рубиновый лазер Меймана в железе. Конструкция была чрезвычайно проста — в компактном корпусе находилась миниатюрная спиральная лампа-вспышка, внутри которой фиксировался ещё более миниатюрный кристалл рубина. Противоположные его торцы были посеребрены — один торец был «глухим» зеркалом, второй был посеребрен более тонким слоем, который пропускал некоторое количество света. Первый в мире лазер был длиной в 12 сантиметров, весил 300 грамм и выглядел игрушечным.
Детали лазера крупным планом:
Собственно, кристалл рубина.
И весь лазер в сборе, без источника питания.
В прессу же попала фотография лазера уже более крупных размеров, но уже далеко не первого в истории. И журналисты сразу же начали поднимать панику, дескать, изобретены «лучи смерти».
Буквально через год-два, когда новость об изобретении лазера уже разлетелась по миру, стали появляться первые лабораторные образцы лазеров в СССР. В отличии от стран запада, спиральные лампы накачки в лазерах не прижились сразу. Во-первых спиральная лампа не смотря на свою «очевидность» имеет далеко не оптимальную форму тела свечения — лишь малая доля света идет по адресу, так как соседние витки спирали в основном подсвечивают друг друга, а не вставленный внутрь неё кристалл рубина. Во-вторых — советская промышленность не выпускала широкую номенклатуру спиральных импульсных ламп. А те которые выпускались, имели неподходящую форму — спираль была слишком большого диаметра, но мало витков, как например, достаточно известные лампы ИФК-20000 и ИФК-80000. Была спиральная модификация у достаточно известной и распространенной лампы ИФК-2000, но она встречается очень редко и смогла бы «прокачать» лишь самый миниатюрный кристаллик рубина, как у Меймана. Поскольку спиральные лампы в СССР были редки, то пошли по пути использования тех ламп, которые есть в достаточном количестве. Первый лазер в СССР имел возможность устанавливать в него кристаллы различных размеров, а для накачки использовались «классические» U-образные лампы ИФК-2000. Так он выглядел «живьем».
А так его показывали в книжках Б.Ф. Федорова различных изданий.
Поскольку такой способ накачки все равно остается неэффективным, то от него быстро ушли в пользу накачки прямыми трубчатыми лампами серии ИФП. Кристаллы же рубина также стали выпускаться всего нескольких стандартных размеров, в точности по размеру светящейся части лампы. Кристалл рубина и лампу стали размещать в фокусах эллиптического отражателя, чтобы кристалл собирал максимум доступного света. Так это выглядит схематически.
А так выглядит эллиптический отражатель вживую.
Была ещё конструкция с так называемой «полостной» лампой. Полостная лампа получается, если постепенно увеличивать число витков в спиральной лампе до бесконечности, пока они не сольются в сплошную полость. Такая лампа представляет собой две трубки из кварцевого стекла вложенные одна в другую и спаянные на торцах. Электроды впаяны в противоположные концы лампы. Единственная известная полостная лампа советского производства — ИФПП-7000, применялась в накачке лазерной установки УИГ-1.
Такая схема накачки обладает всеми недостатками схемы со спиральной лампой, поэтому больше нигде не применялась. На фотографии лампа ИФПП-7000 и кристалл рубина использовавшийся с ней. Кроме теперь уже экзотических схем со спиральными и полостными лампами накачки, возможна работа рубинового лазера в ещё более экзотической схеме — с непрерывной накачкой. Это возможно если кристалл рубина очень маленький, охлаждается жидким азотом и освещается сфокусированным пучком от ртутной лампы сверхвысокого давления или лучом мощного аргонового лазера. Но такие устройства так и не покинули стены лабораторий, оставшись экзотикой, описанной в научных статьях, не смотря на то, что со временем его удалось «отучить» от жидкого азота. Впоследствии и от напыленных на торцы зеркал отказались, так как они недолговечны и в случае их повреждения придется менять весь кристалл. Такая конструкция сохранилась только в тех устройствах где нужна максимальная компактность, как, например, в излучателях лазерных эпилляторов. Во всех остальных зеркала смонтированы отдельно на юстировочных приспособлениях.
Было бы странно, если бы мне не захотелось построить свой собственный рубиновый лазер, используя подручный и подножный выброшенный из лазерной лаборатории хлам. Хотелось отдать своего рода дань истории. Ну и получить первый опыт работы с импульсными твердотельными лазерами. Дальше следует описание постройки моего собственного лазера на рубине.
Информация представлена в ознакомительных целях. Автор не несет ответственности за попытки повторения описанного.
Основой стал упомянутый выше кристалл от установки УИГ-1. Это кристалл бледно-розового цвета с размером рабочей окрашенной части 8×120 мм, с дополнительными бесцветными наконечниками, что дает общую длину кристалла в 180 мм. Наконечники нужны для крепления кристалла в корпусе излучателя. Ещё одна причина, по которой окрашенную часть делают точно по размеру лампы накачки в том, что у рубина есть крайне нехорошее свойство поглощать собственное излучение на длине волны генерации. Если какая-то часть кристалла остается незасвеченной, то она начинает поглощать излучение, которое усиливается в засвеченной части и эффективность лазера сильно снижается. Обусловлено это трехуровневой схемой атомов хрома в рубине. По этой же причине у рубина очень высокая пороговая энергия накачки.
В первую очередь был построен макет источника питания для лампы накачки. Основная его деталь — это батарея конденсаторов емкостью 1000 мкФ, которая заряжалась до напряжения 3 кВ.
Напомню, что схемы с высоковольтными конденсаторами большой ёмкости смертельно опасны!
Схема заряда и поджига лампы. Для первой попытки взята ИФП-5000.
Сначала схема с лампой испытывалась без какого либо корпуса. Вспышка лампы крайне мощная, происходит с достаточно громким хлопком и её легко видно в соседних комнатах — свет распространяется через коридор, переотражаясь от стен. Вспышка лампы способна обугливать дерево и бумагу, расположенные к ней в упор. Каждая вспышка сопровождается запахом подгоревшей пыли и озона, выработанного могучим импульсом жёсткого ультрафиолета, и сопровождается волной жара, если находиться рядом с ней. Прямое наблюдение вспышки без средств защиты глаз крайне опасно! Для защиты достаточно обычной сварочной маски или очков.
Наигравшись с самой мощной на тот момент фотовспышкой, я собрал излучатель с этой лампой и показанным выше кристаллом. Корпусом для лампы и кристалла стал стеклянный моноблочный отражатель от технологического лазера «Квант-16», а снованием стал кусок металлического швеллера. Из кусков этого же швеллера были сделаны юстировочные приспособления для зеркал резонатора.
В качестве глухого зеркала я решил использовать призму полного отражения.
А в качестве выходного было выбрано зеркало якобы от рубинового лазера.
Забегая вперед, скажу, что этот конструктив оказался нерабочим. Лазерную генерацию получить на нем не удалось. Причины вполне очевидны — лампа накачки в два раза длиннее кристалла и её свет используется крайне неэффективно. Да и возможность выходного зеркала обеспечить эту генерацию тоже вызывала вопросы. Квантрон (так называется блок лампа+кристалл+отражатель) пришлось переделать. Во втором варианте я сделал новый держатель для кристалла и ламп, вместо одной лампы ИФП5000 решил использовать две лампы ИФП2000, размещенные в упор к кристаллу и соединенные последовательно электрически. Длина ИФП2000 идеально соответствует длине окрашенной части кристалла. Такой способ компоновки называется «плотная упаковка».
В качестве отражателя было решено испытать белые кафельные плитки. Современной тенденцией в коммерческом лазеростроении является использование керамических диффузных отражателей сделанных из спеченной окиси алюминия, которая отражает до 97% падающего света. Фирменные отражатели мне, конечно же, недоступны, но вот кафельные плитки выглядят не хуже, тоже идеально белые.
Было заменено и выходное зеркало на новое с измеренным коэффициентом пропускания 45% на длине волны 694 нм.
И в такой конфигурации удалось получить генерацию с первого импульса! Порог генерации оказался довольно высоким — около 1500 Дж энергии накачки. Лазер выдавал луч насыщенно-красного цвета, ослепительной яркости. К сожалению из-за его «скоротечности» сфотографировать его не удалось. Зато удалось зафиксировать его разрушительное действие на металл при фокусировке. Из железа он хорошо высекает искры.
Поскольку кристалл не имеет водяного охлаждения, то с повышением его температуры энергия луча довольно быстро падает, вплоть до полного срыва генерации. Да и кафельные плитки хорошо нагревались и затрудняли отвод тепла. При разборке я заметил, что поверхность плиток все же начала темнеть. Было решено испытать металлический отражатель, согнутый из хромированной пластины фотоглянцевателя.
Этот отражатель работал также как и кафельные плитки, но гораздо быстрее охлаждался и стрелять можно было чуть чаще. Было проведено несколько стрельб по металлу и резине. От сорта металла зависит вид высекаемых искр. Стрельба в трансформаторное железо. Для сквозного пробоя понадобилось 4 выстрела.
Стрельба в нержавейку. Искры более яркие.
Стрельба в лезвие канцелярского ножа из углеродистой стали дает обилие пушистых звездочек.
Стрельба в резину дает выброс факела пламени длиной до 3–4 см с последующими колечками дыма.
Также удалось выяснить, что из-за применения призмы полного отражения в качестве глухого зеркала лазер работает в одномодовом режиме и выдает энергию меньшую, чем мог бы, при том же уровне накачки. Дело в том, что центральное ребро у призмы — это мертвая зона и, исходя из схемы хода лучей света в призме полного отражения, световой пучок расщепляется на два параллельных, что соответствует моде ТЕМ10. Опозналось это по пятну ожога на черном карболите — было четко видно расщепленное пополам пятно как на картинке.
Если создать условия, при которых все остальные моды не будут подавляться, то за счет появления высших мод можно добиться повышения выходной энергии минимум вдвое. Для этого потребовалось заменить призму, которые легкодоступны, на специальное глухое зеркало, рассчитанное для работы на длине волны 694 нм. И это того стоило! Порог генерации упал до 900 Дж, а энергии действительно стало больше! И при стрельбе в черный карболит получалось равномерное пятно ожога. Теперь пластинка трансформаторного железа пробивалась за 2–3 выстрела, а диаметр отверстия получался несколько большим. Ну и количество искр стало существенно больше! Особенно красиво получается при стрельбе в углеродистую сталь.
Обычная сталь тоже искрит весьма неслабо!
3 выстрела делают в лезвии ножа сквозную дырку.
На этот момент возможности лазера уже были в принципе понятны, и оставалось убрать весь тот бардак из конденсаторов и оголенной высоковольтной проводки в более-менее аккуратный корпус, удачно оставшийся от разобранного блока питания лазера ЛГ-70. Принято решение сократить конденсаторную батарею, оставив только 6 однотипных конденсаторов, которые идеально влазили в корпус. Впихивание остального барахла затруднений не вызвало, даже осталось место для очень важного узла обеспечения безопасности — вакуумного выключателя имеющего нормально замкнутое положение, который разряжает конденсаторы на мощный резистор, когда прекращаются занятия с лазером и блок питания обесточивается. Заряд надежно сливается примерно за 40 секунд. Платой за это стало некоторое снижение энергии излучения, но зато лампы накачки работают в более щадящем режиме.
Вверху — конденсаторы, правее — разрядный резистор, в левом нижнем углу — система поджига лампы, круглая катушка правее — балластный дроссель который включается для ограничения импульсного тока через лампы (без него лампы торжественно взрываются после пары десятков вспышек), ещё правее (в центре) трансформатор от китайской микроволновки для заряда конденсаторов, ещё правее — его пускатель, и в правом нижнем углу — вакуумный выключатель ВВ-5, который замыкает конденсаторы на резистор при выключении аппарата из сети.
Вид БП сзади. Вентилятор там стоит просто потому, что он там был, и там было место под него. Реально греющиеся узлы в этом блоке отсутствуют. Высокое напряжение выводится через два контакта на самодельных проходных изоляторах, которым ещё нужно обеспечить дополнительную защиту от случайных прикосновений.
После сборки блока питания было решено взять штурмом пятак, выполненный из нержавеющй стали толщиной примерно 1.3 мм. Понадобилось около 7 выстрелов, но сквозной пробой был получен!
Здесь уже видны искры с тыльной стороны пятака.
А вот и желаемый результат — сквозной пробой пятака.
Подводя итог, было бы странно, если бы с моим увлечением я бы не построил этот действительно выдающийся вид лазера, у которого в моей реализации выходная энергия оценивается в 5 Дж при использовании полновесной батареи конденсаторов. Именно с него началась история всей лазерной техники и совершенно новой на тот момент науки — нелинейной оптики, которая открыла совершенно необычные казусы, происходящие со светом в области больших мощностей и энергий. Отдельно я бы хотел поблагодарить Джаррода Кинси, американского лазерного самодельщика, с ним я смог обсудить конструкцию своего самодельного лазера, и получить от него ряд ценных замечаний. В статье были использованы материалы из следующих источников, помимо бездонных глубин интернетов:
1. Б.Ф. Федоров Оптические квантовые генераторы, «Энергия», 1966,
2. Б.Ф. Федоров Лазеры и их применения, «Энергия», 1973
3. А.С. Борейшо Лазеры: устройство и действие, Санкт-Петербург, 1992
Благодарю за чтение, надеюсь было интересно.
А для будущих проектов у меня припасен действительно огромный рубиновый стержень — диаметром 16 мм и с длиной окрашенной части 240 мм. Полная длина — 300 мм. Из такого кристалла можно получить до 100 Дж выходной энергии. Почти то, что нужно для лазерного бластера.
