Láser. Cuánto en esta palabra ... Y así sucesivamente. Recuerdo con qué interés abrí uno de los libros de texto de física de la escuela y miré las imágenes del dispositivo láser de rubí. Hacer esto sería similar a obtener el poder del hiperboloide del ingeniero Garin. ¡Qué simple era en la imagen del libro de texto! Pero repetir esto a un colegial de los 90 sería algo del reino de la fantasía. Han pasado muchos años, el Departamento de Electrónica Cuántica de LETI se graduó, pero el sueño permaneció. ¡Es hora de implementarlo! Entonces vamos.
Como mucha gente sabe, los láseres son gaseosos, de estado sólido, semiconductores, líquidos, de electrones libres, dinámicos de gases y, probablemente, algunos otros. Personalmente, siempre me ha interesado un láser de estado sólido: una enorme potencia pulsada y una relativa simplicidad de diseño.
¿Cuáles son los componentes de un láser de estado sólido? Primero, necesitamos un elemento activo.
La mayoría de las veces, los elementos activos están hechos de cristales de rubí sintético, granate de itrio aluminio (YAG) y perovskita de itrio-aluminio (YAP), activados con neodimio, así como vidrio de neodimio (puede encontrar algo más, pero esto es poco probable) .
Dichos elementos activos (en adelante, AE) se pueden comprar (¡esto es lo que no estaba disponible para un escolar en los años 90!) En avito, ebay, meshok o en foros especializados en láser como lasers.org.ru o laserforum.ru. Debe tenerse en cuenta que los precios en los foros de láser son mucho más bajos que en los mercados de pulgas y, muy a menudo, los vendedores saben exactamente lo que están vendiendo. En los mercados de pulgas, uno de cada dos vende "rubí" a precios sorprendentemente altos, mientras que no se avergüenzan del color ligeramente púrpura del "rubí" vendido. Por tanto, el primer elemento a la hora de comprar un AE será su identificación.
¿Cómo distinguir los cristales del vidrio? Por lo general, los AE cristalinos tienen una superficie de varilla lisa (hay excepciones: por ejemplo, para YAG y YAP, a veces la superficie está hecha con ranuras para evitar la generación espuria) y no tienen engrosamientos en los bordes. Los AE de vidrio, por otro lado, tienen una superficie rugosa y bordes engrosados. Puede haber excepciones a estas reglas, pero no las conozco.
Los rubíes a menudo tienen áreas sin color en los extremos de la varilla; esto se hace porque el rubí absorbe su propia radiación, y dado que los extremos del AE estarán en el soporte de cristal y la lámpara de la bomba no llegará allí, lo que por un tiempo AE de color sólido conducirá a la imposibilidad o una fuerte disminución en la eficiencia del láser ... Los granates, la perovskita y el vidrio con neodimio no tienen tales problemas: absorben su propia radiación muy débilmente.
Algunos AE pueden tener pequeños biseles que interfieren con la generación espuria (o, con grandes biseles en el ángulo de Brewster, dan radiación linealmente polarizada). La iluminación en los extremos también es posible. No recomiendo tomar AE con biseles; será más difícil alinearlos y, en general, hasta donde yo sé, estas varillas suelen ser de amplificadores y no de generadores. También hay rubíes con espejos ya aplicados en los extremos. Dichos rubíes se usaron en telémetros láser y la compra de tal AE le evitará buscar espejos para un rubí y alinear el resonador, aunque la durabilidad de dicho láser no será particularmente grande.
Se le debe advertir que no debe comprar un AE grande, especialmente uno de rubí. Es muy difícil bombear tales EA. Las granadas y la perovskita son las más fáciles de balancear, son más pesadas que el vidrio y el rubí generalmente se come la bomba como si no fuera por sí mismo.
YAG
Ruby
Glass con neodimio
A la hora de elegir un AE hay que tener en cuenta que las gafas con neodimio son de silicato y fosfato (también hay un montón de tipos de gafas, pero dudo mucho que las encuentres a la venta). Los fosfatos son más efectivos, pero tienen menor resistencia mecánica y térmica. En general, en términos de parámetros térmicos y mecánicos, cualquier vidrio es muy inferior al rubí, el granate y la perovskita. Las marcas de vidrio disponibles para los constructores de viviendas son LFS (láser (¿o luminiscente?) Vidrio fosfato), LGS (láser (¿o luminiscente?) Generador de vidrio), KGSS (creo que esto significa algún tipo de generación cuántica (¿silicato? ¿Fosfato?)) Vidrio) o GLS (generador de vidrio luminiscente). LGS y KGSS son los nombres antiguos de las gafas. El vidrio más común es el GLS-1 (también corresponde a algún número del antiguo KGSS y, posiblemente, LGS). Todo esta bien con elpero a diferencia de otros tipos de vidrio, le teme a la radiación ultravioleta. Sin embargo, las granadas con perovskita e incluso rubí también temen a la radiación ultravioleta. A partir de él, pierden su eficacia, ya que las impurezas siempre presentes en ellos se recuperan de la radiación ultravioleta.
Además, el granate es un poco menos efectivo que la perovskita. Puede distinguir el granate de la perovskita usando el hecho de que la perovskita está polarizada, lo que significa que al mirar la imagen en el monitor LCD hasta el final del AE y al girar el cristal, verá un cambio en la transmisión de luz de máximo a mínimo y espalda. La granada no posee esta propiedad.
La perovskita y el rubí emiten luz láser polarizada (generalmente se corta para producir luz polarizada). El granate emite radiación no polarizada.
Por cierto, si toma un láser verde y lo convierte en un rubí, brillará de color rojo brillante. La granada y el vidrio con neodimio emiten en IR y no verás su brillo, aunque absorberán el rayo láser verde como se esperaba.
Si se pregunta por qué le gustan tanto los vidrios con todos sus problemas térmicos y mecánicos, entonces el punto está en el posible tamaño del AE y la alta concentración de neodimio, que es imposible en los cristales: los iones activadores tienen tamaños diferentes a los de los cristales. los iones de los elementos principales del cristal. El vidrio es un material amorfo y le permite bombear neodimio tanto como desee. Además, se consigue un umbral de láser más alto en el vidrio que en el granate y la perovskita, lo que significa que el láser acumulará más energía antes de emitir.
Entonces, terminamos con la identificación. Ahora tenemos que averiguar qué podemos esperar al elegir un EA. Para rubí, puede obtener la generación de una línea roja brillante a 694 nm en modo pulsado (definitivamente no la obtendrá en salida continua), las gafas con neodimio funcionan estrictamente en modo pulsado (de lo contrario, se destruyen) en IR en 1062 nm para vidrio de silicato y 1054 nm para vidrio de fosfato, granate y perovskita se pueden lanzar tanto en modo pulsado como continuo (dependiendo de la cantidad de neodimio relleno en ellos) en el mismo IR a 1064 nm. El neodimio también tiene otras líneas de generación, pero las principales son las indicadas anteriormente. Además, la ganancia de granate y perovskita es un orden de magnitud mayor que la del vidrio. El umbral de generación también es significativamente más bajo. En rubí, debido al esquema de bombeo de tres niveles, el umbral de láser es muy alto. En absoluto,el umbral láser está fuertemente relacionado con la concentración del dopante en el AE (neodimio para vidrios y granates / perovskita y cromo para rubí), las dimensiones del AE y los parámetros de los espejos resonadores. Al final del artículo, proporcionaré un enlace a mi programa para calcular el umbral de energía de la bomba. La energía por encima del umbral entrará en el rayo láser con una eficiencia de aproximadamente el 1%.
AE requiere un resonador. La forma más sencilla es montar un resonador Fabry-Perot. Simplemente consta de dos espejos paralelos. Los espejos, sin embargo, no son simples, sino dieléctricos. Uno con casi el 100% de reflexión y el segundo con la transmisión necesaria (normalmente 50% para vidrio y 90% para granate y perovskita en modo pulsado y 15% en modo continuo). Para los AE de neodimio, estos espejos a 1064 nm están llenos de todos los aliexpress y son bastante baratos, pero no confunda la transmisión con la reflexión. En realidad, para el modo pulsado, los espejos deben tener una alta resistencia a la radiación, pero es poco probable que los chinos le digan los parámetros de sus espejos.
Te espera una sorpresa por un rubí. A pesar de que el láser de rubí fue históricamente el primero, resultó ser un inconveniente debido al esquema de bombeo de tres niveles y, por lo tanto, se fabricaron pocos láseres de este tipo. No puede comprar espejos de 694 nm en aliexpress, pero en los mercados de pulgas el precio no le agradará (diez mil rublos o más por un espejo). Sin embargo, tales espejos de GOR-100 (generador óptico basado en rubí, 100 J), aunque ligeramente rayados, me fueron presentados en uno de los foros de láser, por lo que estoy inmensamente agradecido con esta persona generosa (su apodo es Silverray) . Existe, por supuesto, una opción para usar espejos de los carros de una unidad de DVD (verde en la luz como salida y azul en la luz como sordo), pero no pude lanzar un láser rubí con ellos, aunque hay información sobre el éxito de tal solución.Históricamente, en un láser de rubí, los espejos simplemente se recubrían con plata en los extremos, pero solo los químicos pueden hacer esto en casa. Además, la plata absorbe la radiación y se quema, y su reflectancia no se puede comparar con la reflectancia de un espejo dieléctrico.
Espejo sordo de GOR-100.
Resonador láser.
Es necesario ajustar los espejos resonadores. Esto requiere progreso. Hice algunos movimientos caseros, pero recomiendo comprar los ya hechos en aliexpress (ahí están para un láser de CO2) o en mercados de pulgas. El caso es que los pares de tornillos están rectificados, no cortados. El par pulido no cuelga y no juega. Definitivamente no encontrará esto en productos de construcción.
Corredera de espejo industrial Corredera de espejo
casera
Lámpara, reflector, AE se recogen en una unidad, llamada quantron. Puede comprar un Kvantron listo para usar (por ejemplo, K-107, K-301) o puede hacerlo usted mismo. El reflector de la cabeza del láser (y la cabeza del láser en sí) se puede hacer, por ejemplo, con carcasas de fusibles de cerámica (el autor de esta idea, según tengo entendido, es Nerv de lasers.org.ru). Los reflectores industriales también vienen en cerámica o espejos. Los espejos se queman con el tiempo. La cerámica no se quema. Es necesario pegar las carcasas de cerámica del cabezal láser de fabricación propia con mucho cuidado, ya que el pegamento que se ha asentado dentro del par se carbonizará instantáneamente cuando la lámpara de bombeo parpadee. Es posible que tenga la tentación de tomar la lámpara y el AE y simplemente envolverlos en papel de aluminio. Sí, se llama empaque ajustado y ¡funciona muy bien! Pero la lámina necesita una gruesa: la comida se volverá rápidamente inutilizable y se esparcirá en copos en el mejor de los casos.y en el peor de los casos, comenzará a derretirse y comerse la bombilla de la lámpara con manchas oscuras.
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-107 ,
Un láser de estado sólido generalmente es bombeado por una lámpara u otro láser. Nuestra opción es una lámpara. Hay lámparas disponibles para láseres continuos y pulsados. Las lámparas domésticas para bombeo continuo están marcadas con DNP (arco, para bombeo, con cuerpo incandescente recto) y son lámparas de criptón. No trabajé con ellos. El bombeo por pulsos se realiza mediante lámparas de xenón de la serie ICP (no funcionó con ellas), IFP (pulsadas, fotoiluminantes, con cuerpo de luz recto) e INP (pulsadas, para bombeo, con cuerpo de luz recto). Para las lámparas INP, se indican el diámetro y la longitud del espacio de descarga. Por ejemplo, INP3-7 / 80 tiene una longitud de 80 mm y un diámetro de canal de descarga de 7 mm. La serie IFP está marcada según la energía máxima, por ejemplo, el IFP-800 es una lámpara para una descarga de 800 J.
¡No recomiendo encarecidamente mirar estas lámparas en el momento del flash!
A modo de comparación, la energía de descarga de la linterna soviética "Chaika" es de solo 25 J. Y luego 800 J. Y luego está IFP-5000 ... e IFP-20,000. :) El tiempo de flash requerido de la lámpara suele ser del orden de 1 a 10 milisegundos. Se puede adivinar que las lámparas se calientan mucho durante el funcionamiento y, al igual que las AE, hay que enfriarlas con agua destilada. Sin embargo, si raras veces da impulsos, la propia lámpara tendrá tiempo de enfriarse. Por cierto, hay mucha radiación ultravioleta en el espectro de estas lámparas (tenga en cuenta los desinfectantes: en un milisegundo, cualquier virus y bacteria simplemente se evaporará, sin embargo, a menudo junto con la superficie, papel oscuro, por ejemplo, carbonizado), que es perjudicial para los cristales y el vidrio GLS-1, como dije anteriormente. Este ultravioleta se corta ya sea por aditivos en la solución de enfriamiento de la lámpara o por un recubrimiento aplicado al globo de la lámpara (como la lámpara INP3-7 / 80 A), que, por desgracia,tiende a quemarse sin enfriarse. Todavía no uso refrigeración por agua en mi láser. No vale la pena usar aire, ya que requiere una buena purificación del aire; de lo contrario, una mota de polvo en el AE, los espejos y la lámpara provocarán que se queme en su ubicación. Y definitivamente no necesitas esto. La longitud del espacio de descarga en la lámpara debe ser al menos para el rubí la longitud de la parte activa (coloreada). Para el neodimio, se permite una longitud menor del espacio de descarga.Para el neodimio, se permite una longitud menor del espacio de descarga.Para el neodimio, se permite una longitud menor del espacio de descarga.
Lámpara INP3-7 / 80A.
Para encender la lámpara, se requiere una batería de condensadores de combate para un voltaje dado (dependiendo de la lámpara y generalmente es de aproximadamente un kilovoltio o más) y un pulso de encendido de diez o dos kilovoltios, lo que asegura la ruptura del canal en la lámpara. . Hay dos esquemas de encendido: encendido externo y encendido secuencial. Para la ignición externa, se aplica un pulso de alto voltaje a un electrodo de níquel enrollado en la bombilla de la lámpara. Para el serial, se conecta un transformador de encendido al circuito de suministro de la lámpara. Mi elección es el encendido secuencial: no hay electrodos expuestos fuera de la bombilla. En esta etapa, vale la pena pensar en cables que puedan soportar tales voltajes y corrientes. Elegí PVMP-4 con una sección de 0,75. El tramo no es suficiente, claro, pero hasta ahora hay suficiente y además, se pueden conectar en paralelo.
Encendido externo
Encendido secuencial
El transformador de encendido a veces se puede comprar (por ejemplo, la marca TIS-3), pero primero lo hice desde el núcleo del conjunto de combustible y luego ensamblé otro transformador nuevo a partir de cuatro anillos de ferrita pegados con un diámetro exterior de 4.5 cm , un diámetro interior de 3 cm y una altura de 1,5 cm cada uno, después de pegar envuelto con cinta fluoroplástica. En este marco, enrolle un cable PV-1 con una sección transversal de 1 mm ^ 2 en la cantidad de 17 vueltas. Todo esto está generosamente inundado de epoxi, porque todavía resbala una docena de kilovoltios. El devanado primario está hecho de una vuelta de cable PV-1 con una sección transversal de 4 mm ^ 2 (en la foto de abajo hay un transformador antiguo basado en un núcleo de un conjunto de combustible, en el que el primario es solo un perno: funciona peor que si da una vuelta completa), en el que el condensador de descarga 2 se conmuta μFx1500 V, creando un pulso de encendido en el secundario del transformador.Este pulso se puede usar para descargar instantáneamente la batería principal de condensadores en la lámpara, o primero pueden encender un arco piloto en la lámpara en el que luego impulsar la energía para bombear a la frecuencia deseada. Un dispositivo para tal arco se llama cocción lenta, si el arco arde constantemente, o pendosimmer, si el arco no arde constantemente, pero se enciende algún tiempo antes de la descarga. El arco de servicio aumenta enormemente la vida útil de la lámpara, pero aún no lo he hecho. Entonces, mi opción es descargar el banco de condensadores inmediatamente en un pulso de encendido.y parpadea algún tiempo antes de la descarga. El arco de servicio aumenta considerablemente la vida útil de la lámpara, pero aún no lo he hecho. Entonces, mi opción es descargar el banco de condensadores inmediatamente en un pulso de encendido.y parpadea algún tiempo antes de la descarga. El arco de servicio aumenta considerablemente la vida útil de la lámpara, pero aún no lo he hecho. Entonces mi opción es descargar el banco de capacitores inmediatamente en un pulso de encendido.
En general, la fuente de alimentación de mi lámpara tiene el siguiente circuito: Circuito de alimentación del láser. ¡ATENCIÓN! ¡No instale el condensador C1! Este es un convertidor push-pull elevador común de 25 V a 1600 V. Durante el proceso de ajuste, mis tiristores a menudo se quemaban, y descubrí experimentalmente que si controlas los tiristores con una serie de pulsos, casi no se queman. fuera. “Casi”, porque una vez en cuatro meses ocurrió un incidente de este tipo y agregué una cadena de protección adicional después de este incidente. El estrangulador en el circuito de suministro de la lámpara es necesario para garantizar una descarga "suave" de la lámpara. El cálculo de los parámetros óptimos para el encendido de lámparas se encuentra en el libro de Vakulenko "Fuentes de energía de láseres", y parte de este cálculo está en mi programa para calcular el umbral de energía de bombeo láser.
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¿Qué energía se necesitará almacenar en los condensadores? Bueno, al menos no por debajo del umbral. Mis condensadores almacenan al menos 600-800 J. Peak - 2200 J. Los condensadores, por cierto, son muy deseables de baja inductividad, lo que significa que los electrolitos para bombear son malos. Sin embargo, la vida útil del nivel en rubí es de 3 ms, por lo que los condensadores electrolíticos son buenos para un láser de rubí, solo deben derivarse con un condensador ordinario para que la onda hacia atrás cuando se enciende la lámpara no pase a través de los electrolitos y provocan su degradación con una posterior explosión dentro de la lata. :) Sí, tenía eso. Por lo tanto, ahora enciendo el láser con los auriculares encendidos, y después del coronavirus, el silbido en mis oídos / en mi cabeza no ha desaparecido por completo, y después del "bang", el silbido solo se intensifica y luego requiere tratamiento nuevamente.Para los condensadores electrolíticos, también puede abandonar el estrangulador; ya están muy inhibidos.
Para un láser de neodimio, los condensadores del tipo K75-40b y similares son deseables, ya que la vida útil del nivel en neodimio es inferior a un milisegundo (el valor exacto es diferente en diferentes medios).
Foto de mi fuente de alimentación. El transformador todavía es viejo en los televisores (es solo que no estoy en casa, por lo que no puedo volver a tomar las imágenes).
No te olvides también de las gafas de seguridad: los segundos ojos no están incluidos en el juego, como sabes, y no tenemos maestros tleilaxu. Compré ROSOMZ ZN22-SZS22 LAZER 22203. Para 694 nm, su densidad óptica es 3 (debilitada por mil veces), y para 1064, la densidad óptica es 6 (debilitada por un millón de veces). Por supuesto, mirar directamente al rayo con gafas es absolutamente inaceptable.
Gafas de protección láser
La base del láser debe ser una losa maciza. Cuanto más masivo y duradero sea, mejor, porque la precisión de la alineación requiere aproximadamente 10 segundos de arco para el rubí y algo más burdo para el granate, perovskita o vidrio. El granate y la perovskita generalmente perdonan los espejos colocados oblicuamente: su ganancia es muy alta y no se necesitan tantos pases de haz en el resonador. Incluso el espejo de salida para granate y perovskita en el modo pulsado se puede reemplazar con una placa de vidrio simple (aproximadamente un 10% de reflexión de dos caras). ¡Así que recomiendo la granada y la perovskita a los constructores de viviendas en primer lugar! No te defraudará.
Después de recolectar todo en la base, el láser debe ajustarse, es decir, colocar los espejos paralelos entre sí y a los extremos del AE (esto es importante: la reflexión oblicua desde los extremos reducirá la energía del haz). ¿Cómo hacerlo? Tome un puntero láser normal (este será un láser piloto) y un panqueque espejo de su disco duro. Pegue un triángulo de plástico de 1 pulgada al panqueque (corte el cuadrado en dos en diagonal y la parte que cortó y pegó). Taladre un agujero de aproximadamente 0,5-1 mm en el centro de la esquina (y a través del panqueque de espejo). Pegue un puntero en la esquina para que la viga pase a través del agujero. Sostenga el puntero con el panqueque pegado en un tornillo de banco o colóquelo en un trípode desde la cámara (aquí debe ser inteligente con el soporte, pero esta opción es mucho más conveniente: puede cambiar fácilmente los ángulos y la altura). En este esquema, el panqueque desempeñará el papel de un espejo, reflejándole el rayo reflejado por los espejos,porque al final del pasillo es muy difícil buscar el rayo con los ojos, pero aquí se reflejará casi a tu lado). Y luego encienda el láser piloto resultante y aléjelo del láser ajustado un par de metros. Alinear el haz en altura para que pase por el resonador, y ajustando los espejos y girando el AE (junto con el marco láser) en el techo, los reflejos del extremo del AE y los espejos, conduciendo sus reflejos en el duro placa de accionamiento al punto de salida del rayo láser piloto. ¿Alineado? Bueno, esa es toda la alineación. Relativamente tosco, por supuesto, pero a menudo funciona la primera vez. Entonces será posible ajustar las impresiones lanzando al menos un láser que funcione ligeramente. Pueden surgir problemas cuando el láser funciona cerca del umbral; allí verá una impresión en el objetivo; la energía es baja. Pero no hay nada que puedas hacer al respecto, tienes que intentar acertar. Autocolimador, por supuesto,Sería mucho más conveniente y preciso ajustarlo, pero ¿dónde puedes conseguirlo en casa?
Y ahora los resultados
Rayo láser de rubí en un objetivo de
rubí.
Vidrio GLS-9P 12x260 con neodimio
Granate de neodimio para metal
Granate de neodimio sobre plástico
De acuerdo con el libro "Láseres sobre granate de itrio y aluminio con neodimio" (Zverev, Golyaev, Shalaev, Shokin. 1985) hice un programa para calcular el umbral mínimo de energía de bombeo para los láseres de neodimio y rubí.
Programa para calcular la energía mínima de la bomba láser y los parámetros de destello de la lámpara.
Todo parece funcionar en el cálculo, pero se desconoce la fiabilidad de los resultados del cálculo (esto es lo que sugiero que evalúe).
También hay características:
- No conozco el rendimiento cuántico de luminiscencia del granate. Lo tomé como 0,59.
- La duración del pulso de flash se cuenta como 2 * sqrt (L * C) y no se transfiere automáticamente al campo "Flash time, s". Debe hacer esto con bolígrafos, si está de acuerdo con el tiempo obtenido en el cálculo.
- No verifico el tipo de datos ingresados y sus rangos. Quizás lo haga más tarde, si el programa aún da resultados confiables.
- Para vidrio con neodimio, no conozco la población del nivel láser más bajo. Escalo la población en un granate con una concentración de neodimio conocida a la de vidrio o granate.
PD: Algunas de las imágenes del artículo están tomadas de Internet y pertenecen a sus autores.
PPS Gracias a todo el foro Lasers.org.ru por ayudarme a poner todos estos láseres juntos.