Хабрахабр

Самодельный лазер на парах хлорида меди

В одной из статей, посвященных моему лазеру на парах меди, на основе активного элемента УЛ-102 в комментариях был задан вопрос – а что же будет дальше? Дальше оставалось только найти способ сделать самостоятельно активный элемент лазера. И этот способ был найден. Об этом речь пойдет в сегодняшнем посте.

image

О лазерах на парах металлов я читал давно, и мне было давно известно об их свойствах – огромном коэффициенте усиления, самой большой мощности и КПД для видимого излучения, но долгое время они были для меня недосягаемы. Признаться честно, мысли сделать такой лазер у меня возникли задолго до того, как у меня появились активные элементы УЛ102, ГЛ201 и удалось построить источник питания. И тут я натыкаюсь на сайт Sam’s Laser FAQ, центр, в котором систематизирована всевозможная информация как об обращении с серийно выпускающимися лазерами почти любых видов, так и масса руководств по самостоятельной сборке некоторых из них, которые сопровождаются чертежами и описаниями примеров собранных конструкций. Оставалось лишь искать все больше и больше информации о них. Вполне пригодны и её соли, такие как одновалентный хлорид, бромид или же иодид. Оттуда я узнал, что вовсе не обязательно использовать металлическую медь для получения генерации на её атомах. При этом в условиях вакуума уже при температуре плавления соли достаточно интенсивно испаряются, чтобы можно было осуществить возбуждение атома меди в импульсном газовом разряде. А температура плавления солей вдвое ниже, чем температура плавления металлической меди. Чтобы их получить, а потом возбудить – нужно два следующих с малым интервалом электрических импульса малой длительности с крутым фронтом – при первом распадается молекула галогенида меди на атомы меди и галогена, второй импульс, следующий сразу после первого, возбуждает атомы меди. Принцип возбуждения активной среды остается таким же, как и для паров металлической меди, но с одним отличием – изначально в разряде нет атомов металлической меди. Если этот интервал больше – тогда атомы успеют обратно «слепиться» в молекулы и лазерного излучения не будет. «Сразу после первого» означает вполне конкретный интервал времени порядка 50-100 микросекунд. На этом же Sam’s Laser FAQ предлагался следующий чертеж лазера на парах хлорида меди. Частота же повторения этих пакетов из двух импульсов может быть произвольной.

image

А коммутировать конденсаторы на трубку предлагалось вращающимся искровым разрядником, как в катушках Тесла. Тут предлагается разогревать лазерную трубку до рабочей температуры сторонним источником тепла (спиралью), а электрический разряд питать от простейшего высоковольтного источника, состоящего из трансформатора для неоновой рекламы и двух отдельных выпрямителей, заряжающих два отдельных конденсатора – первый для «диссоциирующего» импульса, второй для «генерационного». В качестве буферного газа предлагается гелий, а оптического резонатора – плоская алюминированная стеклянная пластинка в качестве глухого зеркала и плоскопараллельное стекло без каких либо покрытий в качестве выходного. Расположением контактов и скоростью вращения определялась величина временного интервала между импульсами и частота повторения импульсов. Петраша «Лазеры на парах металлов и их галогенидов». В ходе дальнейшего чтения обнаружилась ссылка на первоисточник – книгу Г.Г. Но меня лично она не устраивала. В общем и целом описанная конструкция проста и рассчитана на использование сравнительно легкодоступных компонентов. Тогда я решил изучить первоисточник. В первую очередь наличием шумного искрового разрядника и чисто механической сборкой трубки из отдельных деталей.

Также существует и английский перевод этой книги, который уже находится под тщательным надзором злобных копирастов, вымогающих деньги. Данная книга легко доступна по запросу из гугла на русском языке, на сайте-сборнике трудов ФИАН. Но нам-то он 100 лет не нужен)))).

Побочным следствием этого становится саморазогрев трубки (не нужен сторонний источник тепла). В книге-первоисточнике принцип работы лазера описан аналогично, но более подробно, даны подробные сравнения работы с разными буферными газами, даны примеры выполнения лазерных трубок, а ещё дано очень важное замечание – если частота следования импульсов превышает 8-10 кГц, то не нужны пакеты сдвоенных импульсов, такой режим работы называется режимом «регулярных импульсов», когда генерация излучения идет при каждом импульсе возбуждения, так как временной интервал заведомо меньше времени рекомбинации атомов в молекулы. Для «рядового» самодельщика описанное в первоисточнике требует неприемлимых затрат на быстродействующий водородный тиратрон, малоиндуктивные конденсаторы, мощный высоковольтный трансформатор, неон и тому подобные комплектующие. В качестве буферного газа наилучшим был признан неон, но указывалась работоспособность лазера с гелием, и даже аргоном. Но это не было помехой для меня, так как в отличие от ближнего\дальнего зарубежья такие детали дешевы и доступны, если поискать. Кроме того, там все варианты трубок предлагалось выполнять путем сварки из кварцевого стекла с впаянными электродами, которыми служили отрезки от импульсных ламп серии ИФП. Вот они, отличия плановой и рыночной экономик…

Тогда был уже теперь далёкий 2015 год, и я заказал знакомому стеклодуву изготовление лазерной трубки вот такой схематической конструкции.

image

В середине корпуса сделаны отростки 3, предназначенные для рабочего вещества лазера – хлорида или бромида меди. Лазерная трубка состоит из корпуса 1 с электродами от импульсных ламп 2. К торцам лазерной трубки приварены окна 5 для выхода излучения. Отростки нужны, чтобы рабочее вещество не перекрывало просвет трубки. Чтобы связывать свободный галоген, который образуется при разряде, полости электродов забиты медной стружкой.

Он впоследствии также заинтересовался этим проектом и решил его воплотить по-своему, использовав самый примитивный подход, близкий к описанному на Sam’s Laser FAQ. Параллельно идею постройки этого лазера я обсуждал с автором сайта laserkids.sourceforge.net Yun’ом Sothory. С его работой можно ознакомиться здесь.

Внутренний диаметр трубки составляет 12 мм, длина разряда 40 см, трубка содержит 3 отростка и электроды от ламп типа ИФП800. Тем временем стала готова лазерная трубка для моего лазера на хлориде меди, конструкция которой повторяет показанную на рисунке из книги. Над каждым из отростков и электродов находятся штенгели для засыпки рабочего вещества, а также для откачки и напуска газа.

image

image

И тогда эта трубка была отложена в очень долгий ящик. Буквально через пару недель, как была сделана эта трубка, в мои руки попадает активный элемент на парах меди УЛ-102. В ходе работы с УЛ102 появился уже знакомый Вам источник питания для лазеров на парах меди.

image

После заполнения рабочим веществом и неоном до давления 10 мм рт. После того, как я получил точно работающий источник питания с заведомо подходящими параметрами, было решено вернуться к самодельной лазерной трубке. Трубка стала выглядеть так. ст. На всякий случай на отростки я намотал нихромовую проволоку для подогрева, на случай если он понадобится. Был использован одновалентный хлорид меди, желтоватый цвет ему придают примеси.

image

Полости в электродных узлах я забил медной стружкой.

image

Отросток с хлоридом меди крупным планом.

image

Мало того что подогрев не требовался, так ещё и шла очень сильная емкостная утечка на неё. С самого же начала экспериментов выяснилось, что нихромовая проволока не нужна. Хлор выделялся во внутреннее пространство, а на стенках тем временем оседала медь, как распыленная с электродов, так и та, что образовалась в процессе распада хлорида. Делать эту трубку отпаянной также было опрометчивым решением – в один момент образовалось много хлора, настолько много, что разряд с трудом поджигался и был нестабильным. Её пришлось переделывать, в результате чего лишилась одного из отростков и уменьшилась в длине. Да и потом в какой-то момент трубка треснула от случайного удара.

image

В итоге эта трубка стала испытываться в проточном режиме.

image

Давление устанавливалось порядка 10-15 мм рт. С одного штенгеля она откачивалась насосом 3НВР1Д, со второго шло натекание неона через инсулиновую иглу. В проточном режиме сразу дела пошли лучше – приток свежего газа сразу вытеснял как примеси вылетевшие из хлорида меди, так и его продукты распада. ст. Частоту повторения импульсов я поддерживал на уровне 15 кГц, а среднюю мощность, входящую в разряд на уровне 1-1. Разряд оставался стабильным. Для снижения требуемой мощности и выравнивания температурного поля рабочая область трубки теплоизолировалась керамической ватой. 2 кВт.

image

Трубка во время разогрева.

image

По мере разогрева цвет разряда меняется с неоново-оранжевого на целую гамму цветов, в которой видно и свечение неона, и голубой и зеленоватый цвета.

image

Я забыл упомянуть, что в этих экспериментах я не использовал никакого оптического резонатора. Вскоре после этого началась генерация в режиме сверхсветимости.

image

По началу, луч выходил с обоих концов трубки, но окно со стороны штенгеля откачки газа стало быстро запыляться сконденсировавшимся хлоридом меди и прочей грязью, что привело к полной непрозрачности окна. По мере дальнейшего прогрева мощность увеличивалась, и стал виден собственно, лазерный пучок. Окно же со стороны напуска газа оставалось чистым.

image

image

image

Для удобства фотографирования отражал пучок зеркалом в сторону.

image

image

Это свидетельствует о том, что оптимальная температура составила не менее 700 градусов. После выключения разряда кварцевая трубка вместе с теплоизоляцией были явно раскалены докрасна.

image

С перегревом мощность сначала уменьшалась, а потом и вовсе генерация пропадала. Выходную мощность оценить было трудно, так как она не была постоянной, а зависела от подбора электрического режима. Прибора для измерения мощности, к сожалению, в наличии нет. Но в максимуме я бы оценил мощность не меньше чем в 100-200 мВт по своим субъективным ощущениям, это при том, что отсутствует оптический резонатор. А всё дело в частоте повторения. Для сравнения, достигнутая Yun’oм Sothory мощность излучения на 2 порядка меньше – 2 мВт, не смотря на достаточно приличную энергию импульса. Но уже как-нибудь потом. Впрочем, и мою конструкцию ещё есть куда совершенствовать – нужно переходить к большим объемам активной среды и оптическому резонатору, тогда и несколько Ватт не предел.

Использованные источники:

Г. 1. Петраш Лазеры на парах металлов и их галогенидов. Г. 181, 1987
2. Труды ФИАН, т. www.repairfaq.org/sam/laserccb.htm#ccbtoc

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть