Почему «Юному технику» не удастся построить лазер
Приветствую всех снова. В комментариях к моей первой статье про cамодельную лазерную установку снова вспомнили статью из журнала «Юный техник», которая называлась «Строим лазер». В ней предложено поэтапное описание сборки импульсного лазера, работающего на жидком растворе органического красителя. Текст статьи доступен через 2 минуты гугления.
Несмотря на это, ни мне, ни моим коллегам неизвестны прецеденты постройки лазера на красителях, руководствуясь этой статьей. Почему так? Какие есть скрытые подводные камни в лазерах на красителях? Как устроены промышленно выпускаемые лазеры на красителях? Давайте разберемся.
Лазер на красителе очень привлекателен для самостоятельного изготовления. Поскольку в нем не нужны дефицитные и труднодоставаемые кристаллы или стекла, или сложные стеклодувные работы как для изготовления активных элементов газовых лазеров. Он потребляет совсем мало энергии и выдает яркое излучение видимого диапазона. Его излучение обладает очень ценным свойством — его можно разложить в спектр и выделить желаемый цвет луча.
Для начала надо отметить что статья из «ЮТ» №8 1971 года, которая была потом перевыпущена в №11 1992 года — не является оригинальной. Это адаптация статьи, опубликованной в колонке «The amateur scientist» американского журнала «Scientific American» в февральском номере 1970 года. И все было бы хорошо (может быть!) если бы эта адаптация не была выполнена с недопустимыми сокращениями и досадными ошибками. Для начала глянем на объем обеих статей. Оригинальная статья занимала 6 страниц, адаптированная в «ЮТ» — лишь 3 страницы. Картинки скопированы практически 1 в 1. Оригинальную американскую статью можно скачать отсюда, угнав её у злобных копирастов через sci-hub. Либо уже с файлообменника.
Сравним сходство картинок в оригинальной и адаптированной статьях.
Оригинал:
А теперь посмотрим на картинки из ЮТ:
На этом сходства в картинках заканчиваются и начинаются различия. Для примера, сравним электрические схемы, приведенные в оригинальной и адаптированной статьях.
Оригинал:
Адаптация:
Как можно видеть, схема адаптирована с учетом наших реалий в смысле элементной базы и напряжения сети. Однако, в оригинальной схеме предлагают добавить цепь предионизации для лампы, которая в адаптированной была опущена. Также в качестве силового трансформатора в оригинальной схеме предлагается силовой высоковольтный трансформатор от осциллографа. И судя по выходному напряжению, имелась в виду обмотка питания ЭЛТ этого самого осциллографа. Человек, переводивший статью, скорее всего, понял все правильно, но в порыве адаптации к нашим реалиям вспомнил, вероятно, о телевизорах (телевизор разобрать на помойке по-любому проще, чем осциллограф), где ЭЛТ питается от высоковольтной обмотки трансформатора строчной развертки. Поэтому он обозвал силовой трансформатор в адаптированной схеме как «ТВС», аналогично трансформатору строчной развертки. Как известно, типичный ТВС намотан на ферритовом сердечнике и не может работать на частоте 50 Гц. И это очень досадные ошибки, которое сводят вероятность успешной работы лазера к нулю. Дело в том, что для лазера на красителях очень критична длительность вспышки, которая лежит в микросекундном диапазоне. Предложенная цепь предионизации в оригинальной статье позволяет ускорить развитие разряда в лампе и сократить длительность вспышки. А ещё желательно делать по возможности плотный монтаж конструкции, с максимально короткими проводниками. Более того, в оригинальной статье написано, что накопительный конденсатор должен обладать малой паразитной индуктивностью. Точнее «должен быть предназначен для разрядов малой длительности». И прямо уточнили, что обыкновенные конденсаторы не подойдут — с ними лазер не заработает. В адаптированной статье о столь малозначительной вещи решили не упоминать. Давайте сравним текст оригинала и адаптации. Красным выделено требование малоиндуктивного конденсатора.
В адаптированной статье про малоиндуктивный конденсатор промолчали. А раз промолчали, значит можно бежать за первыми попавшимися электролитами, применение которых сделает работу лазера невозможным.
Уже только этого достаточно, чтобы попытка «слепого» повторения описанного в статье из «ЮТ» окончилась полнейшим крахом, поскольку необходимость именно в малоиндуктивном конденсаторе совершенно неочевидна ни неподготовленному «повторяльщику», ни даже обыкновенному преподавателю технического кружка. Если конечно он не подкован в лазерной технике. Про ТВС я уже молчу, правильнее было бы рекомендовать хотя бы «силовой трансформатор от осциллографа».
Также я отмечу, что в оригинальной статье есть дополнение о том как сделать приспособление из дифракционной решетки для перестройки длины волны лазера, о котором в адаптированной статье также умолчали.
Что же делать, если все же захотелось построить лазер на красителях самому? Для начала нужно читать специализированную литературу. А ещё лучше — иностранные первоисточники. К счастью альтернативы статье из «ЮТ» уже есть. Наиболее подробное и тщательное описание есть на сайте достаточно известного самодельщика Yun Sothory.
Материал представляет из себя компляцию выжимок из специализированных статей и его обширного личного опыта, поэтому, можно смело пользоваться.
А теперь я предлагаю заглянуть внутрь уже «настоящих», производимых серийно лазеров на красителях. Для начала заглянем внутрь импульсного лазера ЛОС-4М, в некоторых источниках называемого «Радуга».
Это лазер с ламповой накачкой с заявленной выходной энергией в 1 Дж без селекции длины волны. Добавление селективного элемента (дифракционной решетки) в оптический резонатор снижает выходную энергию, но позволяет настраивать длину волны излучения.
Возможность селекции длины волны излучения — наиболее ценное свойство лазеров на красителях и она может осуществляться разными способами. Можно дифракционную решетку или призму ставить за выходным зеркалом резонатора, можно устанавливать внутрь резонатора. Во втором случае достигается более узкая линия излучения. Помимо решетки или призмы, принцип работы которых очевиден используют ещё поляризационные фильтры, о которых ниже.
Как можно видеть, устройство излучателя практически идентично классическому твердотельному лазеру, только вместо стержня из лазерного кристалла или стекла — трубка, по которой протекает раствор красителя. Снаружи эта трубка окружена ещё одной, по которой протекает раствор фильтра, предназначенный для отсечки коротковолнового УФ от ламп накачки, который быстро разрушает краситель. Накачка осуществляется двумя лампами ИФП-1200. Резонатор образован глухим зеркалом, спрятанным в торце квантрона и полупрозрачным на расстоянии от него.
Между квантроном и выходным зеркалом находится держатель для дифракционной решетки, положение которого может настраиваться микрометрическим винтом. По шлангам подводятся растворы красителя и фильтра. С блоком питания излучатель соединяется коаксиальными кабелями, которые имеют низкие паразитные параметры.
Заглянем теперь в блок питания.
На переднем плане в глаза бросается игнитронный разрядник ИРТ-2. Дело в том, что батарея конденсаторов заряжается до напряжения, которое заведомо превышает напряжение самопробоя ламп ИФП-1200. Чтобы лазер работал в управляемом режиме и стрелял когда нужно нам, а не когда ему вздумается, то тут использован управляющий элемент в виде этого разрядника. Его достоинства в том, что он способен коммутировать большую энергию за один импульс, обладает малыми паразитными параметрами, имеет очень большой срок службы и не требует никакого обслуживания, в отличие от традиционных искровых разрядников, которые требуют периодической подстройки искрового зазора и чистки контактов. Справа в углу размещен высоковольтный трансформатор с выпрямителем и балластными сопротивлениями для зарядки конденсаторов. На большой пластине слева от трансформатора размещена вспомогательная электроника для управления игнитронным разрядником и процессом заряда конденсаторов. Конденсаторы находятся под ней.
На каждую лампу накачки приходится по 6 конденсаторов, емкость каждого по 2 мкФ, напряжение 5 кВ. Конденсаторы малоиндуктивной серии к75–30. В сумме получается по 12 мкФ 5 кВ на каждую лампу. Как можно видеть, емкость, использованная в серийном лазере довольно близка к указанной в статьях для самостоятельного повторения.
Там где в блоке питания свободное место, размещались емкости с красителем и фильтром и насосы для их циркуляции. Блок питания достался мне без них, поэтому придется использовать внешний блок циркуляции. Он состоит из насоса, работающего на низком постоянном напряжении (27В) и кварцевого бачка с впаянной в него спиралью. Через спираль пропускается вода для охлаждения красителя, поскольку при повышении температуры он разрушается.
Поскольку я пока занят другими проектами, то восстановление рабочего состояния этого лазера пока что только в планах, а сам аппарат пока отложен «в долгий ящик». Стоит отметить, что есть лазеры на красителях, которые используют лазерную накачку — от другого импульсного лазера видимого или ультрафиолетового диапазона. В настоящий момент они наиболее распространены. Кроме этого, были опытные экземпляры лазеров у которых вместо раствора красителя использовался пластмассовый активный элемент окрашенный соответствующим органическим соединением. Они используют накачку импульсным лазером, но срок службы АЭ довольно ограничен, поэтому такие лазеры распространения не получили.
Для накачки ЛРК используются азотный лазер с длиной волны 337 нм (УФ) или эксимерный (длина волны и энергия зависит от выбранной газовой смеси), или импульсный неодимовый с удвоением частоты (532 нм) или же с утроением (355 нм), а то и учетверением (266 нм) частоты. В отдельных случаях применяют уже описанный мной лазер на парах меди. В этих случаях сам лазер на красителях является «пассивным» устройством не требующим электропитания, кроме как для насоса циркуляции красителя. Но если нужна большая (до десятков-сотен джоулей) энергия генерации, то альтернативы ламповой накачке пока что нет.
Проведя обзор классического импульсного лазера на красителях можно задаться вопросом, а что делать, если нужно излучение свойственное лазеру на красителях, с присущей ему возможностью перестройки длины волны, но при этом непрерывного режима? И тут тоже был найден выход из положения. Рассмотрим его на примере лазера американской фирмы Coherent.
Внутри этого лазера находится сложная оптическая система, состоящая из оптики «доставки» луча накачки и оптического резонатора с поляризационным селектором длины волны.
Если луч лазера накачки фокусировать внутри тонкой и быстротекущей ламинарной струи раствора красителя, то можно добиться генерации в непрерывном режиме. Плотность энергии накачки нужна очень высокая, а чтобы краситель не перегревался, нужна быстротекущая струя. В качестве источника накачки чаще всего используется мощный аргоновый лазер, луч которого фокусируется селективным вогнутым зеркалом внутрь струи. Аргоновый лазер лучше всего подходит для накачки красителей из группы родаминов, исходный его луч очень тонкий и легко фокусируется в тончайшее пятно. Струя же формируется соплом из сплющенной нержавеющей трубки.
На эту фотографию не влезли поляризационный селектор длины волны и третье, выходное зеркало резонатора.
Для получения ламинарного течения нужен раствор красителя в этиленгликоле заданной температуры и вязкости, а для прокачки используется специальный насос. От луча накачки струя сияет спонтанным излучением, и то излучение, которое оказалось между настроенных зеркал резонатора, усиливается и превращается в лазерный луч. Внутри резонатора установлен поляризационный селектор длины волны, состоящий из стопы кварцевых пластинок. Работает он так. Лазерный луч в резонаторе поляризован, а фильтр установлен под определенным углом, пропускающим определенный угол поляризации. У лазерного излучения разных длин волн угол поляризации разный, следовательно, и неодинаковые потери в фильтре. Таким образом, та длина волны, у которой угол поляризации идеально пролазит через фильтр, получает наибольшее усиление, а остальные подавляются. Меняется угол положения фильтра — меняется длина волны излучения.
Наибольшая эффективность работы достигается при использовании раствора родамина-6Ж. Выходная мощность излучения достигает 4 Вт при 12 Вт накачки. К сожалению, этот лазер у меня будет лежать на полочке, так как у меня нет ни штатной системы прокачки раствора, ни мощного аргонового лазера у меня нет, хотя я давно его ищу.
Тут я визуализировал путь луча накачки с помощью маленького аргонового лазера, раствор в сопло не подавался.
Такой вот получился небольшой обзор наиболее распространенных лазеров на красителях и тех важных моментов, которые нужно помнить при попытке постройки такого лазера самостоятельно. Не повторяйте ошибок описанных в статье из детского журнала.
