Laser. Quanto nesta palavra ... E assim por diante. Lembro-me com que interesse abri um dos livros escolares de física e olhei as fotos do dispositivo a laser rubi. Fazer isso seria o mesmo que ganhar o poder do hiperbolóide do engenheiro Garin. Como era simples na foto do livro! Mas repetir isso para um colegial dos anos 90 seria algo do reino da fantasia. Muitos anos se passaram, o Departamento de Eletrônica Quântica do LETI se formou, mas o sonho permaneceu. É hora de implementá-lo! Então vamos.
Como muitas pessoas sabem, os lasers são gasosos, de estado sólido, semicondutores, líquidos, elétrons livres, dinâmicos a gás e, provavelmente, alguns outros. Pessoalmente, sempre me interessei por um laser de estado sólido - uma enorme potência pulsada e relativa simplicidade de design.
Quais são os componentes de um laser de estado sólido? Primeiro, precisamos de um elemento ativo.
Na maioria das vezes, os elementos ativos são feitos de cristais de rubi sintético, granada de ítrio-alumínio (YAG) e perovskita de ítrio-alumínio (YAP), ativados com neodímio, bem como vidro de neodímio (você pode encontrar outra coisa, mas isso é improvável) .
Esses elementos ativos (doravante - AE) podem ser adquiridos (isto é o que não estava disponível para um aluno nos anos 90!) No avito, ebay, meshok ou em fóruns especializados em laser, como lasers.org.ru ou laserforum.ru. Deve-se ter em mente que os preços nos fóruns de laser são muito mais baixos do que nos mercados de pulgas e, muitas vezes, os vendedores sabem exatamente o que estão vendendo. Nos mercados de pulgas, um em cada dois vende "rubi" a preços surpreendentemente altos, enquanto eles não se incomodam com a cor ligeiramente roxa do "rubi" vendido. Portanto, o primeiro item ao comprar um AE será sua identificação.
Como distinguir cristais de vidro? Normalmente, os AEs cristalinos têm uma superfície de haste lisa (há exceções: por exemplo, para YAG e YAP, às vezes a superfície é feita com sulcos para evitar geração espúria) e não possuem espessamento nas bordas. Os AEs de vidro, por outro lado, têm uma superfície áspera e bordas espessas. Pode haver exceções a essas regras, mas eu não as conheço.
Os rubis costumam ter áreas sem cor nas extremidades da haste - isso é feito porque o rubi absorve sua própria radiação e, uma vez que as extremidades do AE estarão no suporte de cristal e a lâmpada da bomba não chegará lá, o que por um AE de cor sólida levará à impossibilidade ou a uma forte diminuição da eficiência do laser ... Granadas, perovskita e vidro com neodímio não têm esses problemas - eles absorvem sua própria radiação de forma muito fraca.
Alguns AEs podem ter pequenos chanfros que interferem na geração espúria (ou, com grandes chanfros no ângulo de Brewster, fornecem radiação polarizada linearmente). A iluminação nas pontas também é possível. Não aconselho tomar AE com chanfros - será mais difícil alinhá-los e, em geral, pelo que eu sei, essas hastes são geralmente de amplificadores, e não de geradores. Também há rubis com espelhos já aplicados nas pontas. Esses rubis eram usados em telêmetros a laser e a compra de um AE evita que você procure espelhos para um rubi e alinhe o ressonador, embora a durabilidade de tal laser não seja particularmente grande.
Você deve ser avisado contra a compra de um AE grande, especialmente um rubi. É muito difícil bombear tais AEs. Romã e perovskita são as mais fáceis de balançar, são mais pesadas que o vidro e o rubi geralmente se alimenta da bomba como se não se alimentasse de si mesmo.
YAG
Ruby
Glass com neodímio
Ao escolher um AE, deve-se levar em consideração que os vidros com neodímio são de silicato e fosfato (também existem vários tipos de vidros, mas duvido muito que os encontre à venda). Os fosfatos são mais eficazes, mas possuem menor resistência mecânica e térmica. Em geral, em termos de parâmetros térmicos e mecânicos, qualquer vidro é muito inferior ao rubi, granada e perovskita. As marcas de vidro disponíveis para construtoras são LFS (laser (ou luminescente?) Vidro fosfato), LGS (laser (ou luminescente?) Vidro gerador), KGSS (acho que isso representa algum tipo de gerador quântico (silicato? Fosfato?)) Vidro) ou GLS (gerando vidro luminescente). LGS e KGSS são os nomes antigos dos óculos. O vidro mais comum é o GLS-1 (também corresponde a algum número do antigo KGSS e, possivelmente, LGS). Está tudo bem com elemas, ao contrário de outros tipos de vidro, tem medo da radiação ultravioleta. No entanto, granadas com perovskita e até rubi também têm medo da radiação ultravioleta. Com isso, perdem sua eficiência, já que as impurezas sempre presentes neles são restauradas da radiação ultravioleta.
Além disso, a granada é ligeiramente menos eficaz do que a perovskita. Você pode distinguir granada de perovskita usando o fato de que perovskita é polarizada, o que significa que, olhando para a imagem no monitor LCD até o final do AE e girando o cristal, você verá uma mudança na transmissão de luz do máximo para o mínimo e voltar. A romã não possui essa propriedade.
A perovskita e o rubi emitem luz laser polarizada (geralmente cortada para produzir luz polarizada). Garnet emite radiação não polarizada.
A propósito, se você pegar um laser verde e transformá-lo em um rubi, ele brilhará em um vermelho brilhante. Romã e vidro com neodímio emitem em infravermelho e você não verá seu brilho, embora eles absorvam o feixe de laser verde conforme o esperado.
Se você está se perguntando por que os vidros gostam tanto de todos os seus problemas térmicos e mecânicos, a questão toda está no tamanho possível do AE e na alta concentração de neodímio, o que é impossível em cristais - os íons ativadores têm tamanhos diferentes dos os íons dos principais elementos do cristal. O vidro é um material amorfo e permite que você bombeie neodímio o quanto quiser. Além disso, um limite de laser mais alto é alcançado em vidro do que em granada e perovskita, o que significa que o laser acumulará mais energia antes de emitir.
Então, terminamos com a identificação. Agora precisamos descobrir o que podemos esperar ao escolher um AE. Para rubi, você pode obter a geração de uma linha vermelha brilhante em 694 nm em modo pulsado (você definitivamente não conseguirá em saída contínua), óculos com neodímio funcionam estritamente em modo pulsado (caso contrário, eles são destruídos) em IR em 1062 nm para vidro de silicato e 1054 nm para vidro de fosfato, granada e perovskita podem ser lançados nos modos pulsado e contínuo (dependendo da quantidade de neodímio embutido neles) no mesmo IR a 1064 nm. O neodímio também possui outras linhas de geração, mas as principais são as indicadas acima. Além disso, o ganho de granada e perovskita é uma ordem de magnitude maior do que o do vidro. O limite de geração também é significativamente menor. No rubi, devido ao esquema de bombeamento de três níveis, o limite do laser é muito alto. Em absoluto,o limiar de laser está fortemente relacionado à concentração do dopante no AE (neodímio para vidros e granadas / perovskita e cromo para rubi), as dimensões do AE e os parâmetros dos espelhos ressonadores. No final do artigo, fornecerei um link para meu programa para calcular o limite de energia da bomba. A energia acima do limite irá para o feixe de laser com uma eficiência de cerca de 1%.
AE requer um ressonador. A maneira mais fácil é montar um ressonador Fabry-Perot. Ele simplesmente consiste em dois espelhos paralelos. Os espelhos, entretanto, não são necessários simples, mas dielétricos. Um com quase 100% de reflexão e o segundo com a transmissão necessária (geralmente 50% para vidro e 90% para granada e perovskita em modo pulsado e 15% em modo contínuo). Para AEs de neodímio, esses espelhos em 1064 nm estão repletos de todos os aliexpress e são bastante baratos, mas não confunda transmissão com reflexão. Na verdade, para o modo pulsado, os espelhos devem ter alta resistência à radiação, mas é improvável que os chineses informem os parâmetros de seus espelhos.
Uma surpresa espera por você para um rubi. Apesar do fato de que o laser de rubi foi historicamente o primeiro, ele acabou sendo inconveniente devido ao esquema de bombeamento de três níveis e, portanto, poucos desses lasers foram feitos. Você não pode comprar espelhos de 694 nm no AliExpress, mas nos mercados de pulgas o preço não irá agradá-lo (dez mil rublos ou mais por um espelho). No entanto, esses espelhos do GOR-100 (gerador óptico baseado em rubi, 100 J), embora ligeiramente riscados, foram apresentados a mim em um dos fóruns de laser, pelo que sou imensamente grato a esta pessoa generosa (seu apelido é Silverray) . Há, é claro, uma opção de usar espelhos dos carrinhos de uma unidade de DVD (verde na luz como saída e azul na luz como surdo), mas não consegui lançar um laser de rubi com eles, embora há informações sobre o sucesso de tal solução.Historicamente, em um laser de rubi, os espelhos eram simplesmente revestidos de prata nas pontas, mas apenas os químicos podem fazer isso em casa. Além disso, a prata absorve radiação e queima, e sua refletância não pode ser comparada com a refletância de um espelho dielétrico.
Espelho surdo do GOR-100.
Ressonador a laser.
Os espelhos do ressonador precisam ser ajustados. Isso requer progresso. Fiz alguns movimentos caseiros, mas recomendo comprar os já prontos no aliexpress (lá estão eles para um laser de CO2) ou em mercados de pulgas. O problema é que os pares de parafusos ali são retificados, não cortados. O par polido não balança e não brinca. Definitivamente, você não encontrará isso em produtos de construção. Escorrega de
espelho industrial Escorrega de espelho
caseiro
Lâmpada, refletor e AE são coletados em uma unidade, chamada quantron. Você pode comprar um Kvantron pronto (por exemplo, K-107, K-301) ou pode fazer você mesmo. O refletor do cabeçote do laser (e o próprio cabeçote do laser) pode ser feito, por exemplo, de caixas de fusíveis de cerâmica (o autor desta ideia, pelo que entendi, é Nerv de lasers.org.ru). Os refletores industriais também vêm em cerâmica ou espelhos. Os espelhos queimam com o tempo. A cerâmica não queima. É necessário colar as caixas de cerâmica do cabeçote de laser feito pelo próprio com muito cuidado, pois a cola que se fixou dentro do par irá carbonizar instantaneamente quando a lâmpada de bombeamento piscar. Você pode ficar tentado a pegar a lâmpada e o AE e apenas embrulhá-los em papel alumínio. Sim, é chamado de embalagem compacta e funciona muito bem! Mas a folha precisa de uma grossa - a comida rapidamente se tornará inutilizável e se espalhará em flocos, na melhor das hipóteses,e, na pior das hipóteses, ele começará a derreter e se espalhar pelo bulbo com manchas escuras.
.
-107 ,
Um laser de estado sólido geralmente é bombeado por uma lâmpada ou outro laser. Nossa opção é uma lâmpada. Lâmpadas estão disponíveis para lasers contínuos e pulsados. As lâmpadas domésticas para bombeamento contínuo são marcadas com DNP (arco, para bombeamento, com corpo de brilho reto) e são lâmpadas de criptônio. Eu não trabalhei com eles. O bombeamento de pulso é realizado por lâmpadas de xenônio da série ICP (não funcionou com elas), IFP (pulsado, fotoiluminado, com corpo de brilho reto) e INP (pulsado, para bombeamento, com corpo de brilho reto). Para lâmpadas INP, o diâmetro e o comprimento da folga de descarga são indicados. Por exemplo, INP3-7 / 80 tem um comprimento de 80 mm e um diâmetro de canal de descarga de 7 mm. A série IFP é marcada de acordo com a energia máxima, por exemplo, o IFP-800 é uma lâmpada para uma descarga de 800 J.
Não recomendo muito olhar para essas lâmpadas na hora do flash!
Para efeito de comparação, a energia de descarga da lanterna soviética "Chaika" é de apenas 25 J. E depois 800 J. E então há IFP-5000 ... e IFP-20.000. :) O tempo de flash necessário da lâmpada é geralmente em torno de 1-10 milissegundos. Pode-se supor que as lâmpadas ficam muito quentes durante o funcionamento e, como o AE, precisam ser resfriadas com água destilada. No entanto, se você raramente dá impulsos, a própria lâmpada terá tempo para esfriar. A propósito, há muita radiação ultravioleta no espectro dessas lâmpadas (nota para desinfetantes - em um milissegundo qualquer vírus e bactéria simplesmente evaporam, no entanto, muitas vezes junto com a superfície - papel escuro, por exemplo, carbonizado), o que é prejudicial para cristais e vidro GLS-1, como eu disse acima. Este ultravioleta é cortado por aditivos na solução de resfriamento da lâmpada ou por um revestimento aplicado ao balão da lâmpada (como a lâmpada INP3-7 / 80 A), que, infelizmente,ele tende a queimar sem esfriar. Ainda não uso refrigeração a água no meu laser. O ar não vale a pena usar, pois requer uma boa purificação do ar, caso contrário, uma partícula de poeira no AE, espelhos, lâmpada pode causar queimadura no local. E você definitivamente não precisa disso. O comprimento do intervalo de descarga na lâmpada deve ser pelo menos para o rubi o comprimento da parte ativa (colorida). Para o neodímio, um comprimento menor da lacuna de descarga é permitido.Para o neodímio, um comprimento menor da lacuna de descarga é permitido.Para o neodímio, um comprimento menor da lacuna de descarga é permitido.
Lâmpada INP3-7 / 80A.
Para acender a lâmpada, é necessária uma bateria de capacitores de combate para uma dada tensão (dependendo da lâmpada e geralmente é de cerca de um quilovolts ou mais) e um pulso de ignição de dez ou dois quilovolts, o que garante a quebra do canal na lâmpada . Existem dois esquemas de ignição: ignição externa e ignição sequencial. Para ignição externa, um pulso de alta voltagem é aplicado a um eletrodo de níquel enrolado no bulbo da lâmpada. Para serial, um transformador de ignição é conectado ao circuito de alimentação da lâmpada. Minha escolha é a ignição sequencial - não há eletrodos expostos fora da lâmpada. Nesta fase, vale a pena pensar em fios que suportam tais tensões e correntes. Eu escolhi PVMP-4 com uma seção de 0,75. A seção não é suficiente, é claro, mas até agora é suficiente e, além disso, eles podem ser conectados em paralelo.
Ignição externa
Ignição sequencial
O transformador de ignição às vezes pode ser comprado (por exemplo, a marca TIS-3), mas eu primeiro o fiz do núcleo do conjunto de combustível e, em seguida, montei outro novo transformador de quatro anéis de ferrite colados com um diâmetro externo de 4,5 cm , com diâmetro interno de 3 cm e altura de 1,5 cm cada, após colagem envolto em fita fluoroplástica. Neste quadro, enrolei um fio PV-1 com uma seção transversal de 1 mm ^ 2 no valor de 17 voltas. Tudo isso é generosamente inundado com epóxi, porque ainda escorrega uma dúzia de quilovolts. O enrolamento primário é feito de uma volta de fio PV-1 com uma seção transversal de 4 mm ^ 2 (na foto abaixo é um transformador antigo baseado em um núcleo de um conjunto de combustível, no qual o primário é apenas um parafuso - ele funciona pior do que se você dar uma volta completa), em que o capacitor de descarga 2 é comutado μFx1500 V, criando um pulso de ignição no secundário do transformador.Este pulso pode ser usado para descarregar instantaneamente a bateria principal de capacitores na lâmpada, ou eles podem primeiro acender um arco piloto na lâmpada, no qual então direcionar energia para bombear na frequência desejada. Um dispositivo para tal arco é chamado de simmer, se o arco queimar constantemente, ou pendosimmer, se o arco não queima constantemente, mas se inflama algum tempo antes da descarga. O arco de dever aumenta muito a vida útil da lâmpada, mas ainda não o fiz. Portanto, minha opção é descarregar o banco de capacitores imediatamente em um pulso de ignição.e pisca algum tempo antes da alta. O arco de serviço aumenta muito a vida útil da lâmpada, mas ainda não o fiz. Portanto, minha opção é descarregar o banco de capacitores imediatamente em um pulso de ignição.e pisca algum tempo antes da alta. O arco de dever aumenta muito a vida útil da lâmpada, mas ainda não o fiz. Portanto, minha opção é descarregar o banco de capacitores imediatamente em um pulso de ignição.
Em geral, a fonte de alimentação da minha lâmpada tem o seguinte circuito: Circuito de alimentação do laser. ATENÇÃO! Não instale o capacitor C1 !!! Este é um conversor push-pull comum de 25 V para 1600 V. Durante o processo de ajuste, meus tiristores queimavam com frequência e descobri experimentalmente que se você controlar os tiristores com uma série de pulsos, eles quase não queimam Fora. “Quase”, porque uma vez em quatro meses tal incidente aconteceu e eu adicionei uma corrente de proteção adicional após este incidente. O afogador no circuito de alimentação da lâmpada é necessário para garantir uma descarga "suave" da lâmpada. O cálculo dos parâmetros ótimos para a ignição das lâmpadas está no livro "Power Sources of Lasers" de Vakulenko, e parte desse cálculo está no meu programa para calcular o limiar de bombeamento de energia do laser.
: ! , ! - .
Que energia precisará ser armazenada nos capacitores? Bem, pelo menos não abaixo do limite. Meus capacitores armazenam pelo menos 600-800 J. Peak - 2200 J. Capacitores, a propósito, são muito desejáveis de baixa indução, o que significa que os eletrólitos para bombeamento são ruins. No entanto, a vida útil do nível em rubi é de 3 ms, portanto, os capacitores eletrolíticos são bons para um laser de rubi, apenas precisam ser desviados com um capacitor comum para que a onda inversa quando a lâmpada é acesa não passe através dos eletrólitos e causar sua degradação com uma explosão subsequente dentro da lata. :) Sim, eu tinha isso. Portanto, agora eu inicio o laser com meus fones de ouvido - e assim, após o coronavírus, o assobio em meus ouvidos / em minha cabeça não desapareceu completamente, e após o "estrondo" o assobio apenas se intensificou e então requer tratamento novamente.Para capacitores eletrolíticos, você também pode abandonar o choke - eles já estão muito inibidos.
Para um laser de neodímio, condensadores do tipo K75-40b e semelhantes são desejáveis, uma vez que a vida útil do nível em neodímio é inferior a um milissegundo (o valor exato é diferente em meios diferentes).
Foto da minha fonte de alimentação. O transformador ainda é velho na TVS (só que não estou em casa, então não posso refazer as fotos).
Não se esqueça também dos óculos de segurança - os segundos olhos não estão incluídos no conjunto, como você sabe, e não temos mestres Tleilaxu. Comprei ROSOMZ ZN22-SZS22 LAZER 22203. Para 694 nm, sua densidade óptica é 3 (enfraquecida por mil vezes), e para 1064, a densidade óptica é 6 (enfraquecida por um milhão de vezes). Claro, olhar diretamente para o feixe com óculos é absolutamente inaceitável!
Óculos de proteção laser
A base do laser deve ser uma laje maciça. Quanto mais maciço e durável for, melhor, porque a precisão do alinhamento requer cerca de 10 segundos de arco para rubi e um pouco mais grosso para granada, perovskita ou vidro. Garnet e perovskita geralmente perdoam espelhos colocados obliquamente - seu ganho é muito alto e não são necessárias tantas passagens de feixe no ressonador. Mesmo o espelho de saída para granada e perovskita no modo pulsado pode ser substituído por uma placa de vidro simples (cerca de 10% de reflexão das duas faces). Portanto, eu recomendo romã e perovskita para construtoras em primeiro lugar! Não desapontará.
Depois de coletar tudo na base, o laser precisa ser ajustado, ou seja, colocar os espelhos paralelos entre si e nas pontas do AE (isso é importante - a reflexão oblíqua das pontas reduzirá a energia do feixe). Como fazer isso? Pegue um ponteiro laser normal (este será um laser piloto) e uma panqueca de espelho do seu disco rígido. Cole um triângulo de plástico de 1 polegada na panqueca (corte o quadrado em dois na diagonal e a parte que você serrou e cole). Faça um furo de cerca de 0,5-1 mm no centro do canto (e através da panqueca do espelho). Fixe um ponteiro no canto para que o feixe passe pelo orifício. Segure o ponteiro com a panqueca colada em um torno ou coloque-o em um tripé da câmera (aqui você tem que ser esperto com a montagem, mas esta opção é muito mais conveniente - você pode facilmente alterar os ângulos e a altura). Neste esquema, a panqueca desempenhará o papel de um espelho, refletindo de volta para você o feixe refletido nos espelhos,porque no final do corredor é muito difícil olhar o feixe com os olhos, mas aqui ele estará refletido quase ao seu lado). Em seguida, ligue o laser piloto resultante e afaste-o do laser ajustado alguns metros. Alinhe o feixe em altura para que passe pelo ressonador, e ajustando os espelhos e girando o AE (junto com a moldura do laser) no teto, os reflexos da ponta do AE e dos espelhos, direcionando seus reflexos no hard placa de condução para o ponto de saída do feixe de laser piloto. Alinhado? Bem, esse é todo o alinhamento. Relativamente áspero, é claro, mas geralmente funciona na primeira vez. Em seguida, será possível ajustar as impressões, lançando pelo menos um laser ligeiramente funcional. Podem surgir problemas quando o laser trabalha perto do limite - aí você verá uma impressão no alvo - a energia está baixa. Mas não há nada que você possa fazer a respeito, você tem que tentar acertar. Autocolimador, é claro,seria muito mais conveniente e preciso ajustar, mas onde você consegue em casa ...
E agora os resultados
Feixe de laser Ruby em um alvo
Ruby.
Vidro GLS-9P 12x260 com neodímio
Granada de neodímio para metal
Granada de neodímio em plástico
De acordo com o livro "Lasers em granada de ítrio e alumínio com neodímio" (Zverev, Golyaev, Shalaev, Shokin. 1985), fiz um programa para calcular o limiar mínimo de energia da bomba para lasers de neodímio e rubi.
Programa para calcular a energia mínima da bomba de laser e os parâmetros de flash da lâmpada.
Tudo parece funcionar no cálculo, mas a confiabilidade dos resultados do cálculo é desconhecida (é isso que sugiro que você avalie).
Existem também recursos:
- Não sei o rendimento quântico da luminescência para a granada. Considerei 0,59.
- A duração do pulso de flash é contada como 2 * sqrt (L * C) e não é transferida automaticamente para o campo "Tempo de flash, s". Você precisa fazer isso com canetas, se concordar com o tempo obtido no cálculo.
- Não verifico o tipo dos dados inseridos e seus intervalos. Talvez o faça mais tarde, se o programa ainda apresentar resultados confiáveis.
- Para vidro com neodímio, não conheço a população do nível de laser inferior. Eu dimensiono a população em uma granada com uma concentração de neodímio conhecida para aquela em vidro ou granada.
PS Algumas das fotos do artigo são retiradas da Internet e pertencem aos seus autores.
PPS Obrigado a todo o fórum Lasers.org.ru por me ajudar a colocar todos esses lasers juntos.