Лазер на шариках от подшипника

http://brainsinjars.com/archives/2012/09/build-log-shaken-granular-laser/
  • Перевод

Фото © fabymartin.com

Недавно в журнале «New Scientist» была опубликована интересная статья, рассказывающая о разработке лазеров с изменяемой длиной волны. Ознакомившись с оригинальной работой на сайте arXiv.org, и взглянув на схему экспериментальной установки, я решил, что это устройство достаточно простое, чтобы его собрать самостоятельно.

Основная идея заключается в том, чтобы ввести в рабочее тело лазера на красителях множество отражающих шариков и встряхивать их так быстро, чтобы они вели себя, как будто находятся во взвешенном состоянии. Затем производится накачка красителя внешним источником излучения, а изменяя частоту колебаний, можно отфильтровывать различные длины волн лазерного излучения, которое испускается красителем.

Вся установка состоит из шести компонентов:
  • Краситель для лазера, в данном случае Родамин Б
  • Много мелких шариков от подшипника
  • Небольшой стеклянный контейнер, в котором будут находиться шарики и краситель
  • Динамик как источник механических колебаний
  • Лазер для накачки красителя
  • Генератор переменной частоты


Лазерный модуль и устройство накачки



Компоненты для лазерного модуля. Слева направо: растворы родамина Б 0,1 моль/л, 0,01 моль/л и 0,001 моль/л, 1750 стальных шариков диаметром 1 мм.
Здесь и далее все картинки кликабельны. — Прим. перев.


Стальные шарики и пузырёк из боросиликатного стекла — части, которые было проще всего достать. Найти родамин оказалось немного сложнее. Товарищ Protospace был любезен приготовить мне три различных раствора родамина Б в метаноле: 0,001 моль/л, 0,01 моль/л и 0,1 моль/л. Когда шарики были отмыты от масла при помощи ацетона, а затем высушены, оставалось всего лишь засыпать их в пузырек с родамином.


Излучение родамина Б

Следующим шагом было найти источник накачки, достаточно мощный, чтобы преодолеть порог генерации родамина. В конечном итоге я остановился на источнике с длиной волны 532 нм мощностью 30 мВт и решил не использовать более мощный из соображений безопасности. Установку планировалось показать на Maker Faire YYC, и я не хотел повредить ничьих глаз. Я все еще пытаюсь выяснить, было ли этой мощности достаточно, чтобы преодолеть порог генерации красителя, или же желтый свет, излучаемый родамином, на самом деле спонтанное излучение, а не вынужденное.


Спонтанное или вынужденное излучение?

Установка динамика

Первоначально я собирался просто приклеить лазерный модуль непосредственно к динамику. Однако после того, как я успешно убил один динамик, приклеив звуковую катушку к магниту, я решил сделать конструкцию, которая позволит легко заменять модули.

Окончательная конструкция содержала небольшой редкоземельный магнит, укрепленный на катушке динамика, и металлическую шайбу в нижней части лазерного модуля. Магнитное крепление показано на картинке ниже. Также я убедился, что магнит находится достаточно далеко от шариков, чтобы они не слипались вместе.


Лазерный модуль и устройство накачки крупным планом

В попытке как можно точнее следовать исходной статье я включил в конструкцию акселерометр для измерения интенсивности колебаний. Был использован старый инерциальный измерительный блок Razor с шестью степенями свободы (3-осевой акселерометр + 3-осевой гироскоп. — Прим. перев.). Он остался от другого проекта, где был заменен новой, более компактной моделью. Пять из шести степеней свободы здесь оказались лишними.

Генератор колебаний



Генератор XR2206 и усилитель LM386

Я собрал генератор на микросхеме XR2206 по схеме, приведенной в datasheet'е. Большая часть работы здесь заключалась в подборе частотозадающих резисторов и конденсаторов, чтобы получить желаемый частотный диапазон с помощью только тех номиналов, что были у меня в наличии. В результате получилась довольно простая схема, которая может генерировать как синус, так и треугольный сигнал с частотой от 35 до 45 Гц.

С выхода функционального генератора сигнал подается на аудио-трансформатор 1:1, чтобы привести нулевой уровень сигнала к потенциалу общего провода, а не виртуальной земли генератора. Затем сигнал идет на усилитель LM386, включенный по схеме усиления на 20 дБ.

Я столкнулся с проблемой, которая заключается в том, что XR2206 чувствителен к изменению температуры. Под прямыми солнечными лучами за 2 часа частота уплыла на 15 Гц.

Maker Faire YYC



Законченные корпуса

Для участия в Maker Faire YYC я хотел, чтобы установка была интерактивным пособием, а не простой демонстрацией. При помощи лазерной резки я сделал симпатичные акриловые корпуса с переключателем формы волны (синус или треугольник), регуляторами амплитуды и частоты. Это было здорово, поскольку можно было продемонстрировать, как частота и амплитуда влияют на движение шариков в жидкости.

Фаби Мартин сделал целую кучу фотографий с мероприятия, среди них есть несколько снимков, на которых я со своим лазером объясняю широкой публике основы лазерной физики.

Дальнейшие эксперименты

Есть еще множество экспериментов, которые я хотел бы провести, и усовершенствований, которые хотелось бы сделать.

Прежде всего, я хочу перейти на более мощный лазер накачки, где-то в районе 200 мВт или даже 1 Вт, чтобы быть абсолютно уверенным в преодолении порога генерации родамина. С этого момента я помещу весь блок в закрытый ящик, так, чтобы не видеть его во время экспериментов и не сжечь себе глаза.

Я также хочу раздобыть хороший спектрометр, чтобы должным образом контролировать выходное излучение и лучше видеть сдвиг длины волны, описанный в оригинальной статье. Подозреваю, что также может потребоваться акселерометр с более широким диапазоном: максимальное ускорение диффузора достигает величины 30 g.

Изготовить нормальную печатную плату для схемы управления тоже было бы неплохо. Я столкнулся с проблемами на макетных платах, где длинные провода вызывают ослабление и зашумленность сигнала. Как только я разберусь со всеми этими вопросами, и завершу основные эксперименты, было бы прекрасно смонтировать лазерный модуль и управляющую схему в едином корпусе.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 64
  • +36
    Прочитал на одном дыхании, но в конце ждал видео.
    • +1
      К сожалению, автор не заснял ничего. Наверное, решил, что ролик получится неинформативным: что-то гудит, что-то светится, а что именно происходит — понять нельзя. Будем надеятся, он допилит установку, как планировал, и выложит видео.
  • +3
    Сделано с любовью. Корпуса симпатичные очень.
    • 0
      эээээээ
      Ла́зер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения), опти́ческий ква́нтовый генера́тор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

      Хотел спросить откуда берется когерентность, поляризация и узконаправленность, но пошел и почитал статью по ссылке. Там фигурирует какой-то рандомный лазер. Я так понял, что применение этой монохроматической лампочки весьма ограниченное. Лазерной резкой уж точно с ним не займешься. Да?
      • +3
        Лазеры применяют не только для резки. Лазер на красителях, например, используется в спектрометрии, где узконаправленность и поляризация не так важны, а вот изменяемая длина волны будет полезна.

        В этом эксперименте отсутствует одна привычная деталь лазера — оптический резонатор. Те два параллельных зеркала, между которыми усиливается луч. Связано это, очевидно, с тем, что шарики рассеивают свет во всех направлениях. Но это не повод говорить, что «тут не лазер, а что-то другое». Существуют лазеры и без резонаторов (N2 лазер, например). Основной критерий тут — накачка рабочего тела и вынужденное излучение.
        • +1
          только не луч :-) генерируется пучок.
          и да, видео хотелось бы.
          а проверить, что пробит порог генерации, я думаю, просто — накачка ведется зеленым лазером на 532нм, а на выходе желтое излучение с дл.вол. ~600.
          Потом, если я правильно помню, уникумы способны различать на глаз цвета с разницей в длине волны до 10нм. Если установка позволяет в широком диапазоне регулировать длину волны, то при игре частотой звуковых колебаний должен наблюдаться некий уход цвета и отчетливо наблюдаться пик мощности на определенной длине волны.
          • +2
            а, блин, это ПЕРЕВОД! ё-маё, жалко, я думал твоя поделка и ты можешь поэкспериментировать…
            • +3
              > накачка ведется зеленым лазером на 532нм, а на выходе желтое излучение с дл.вол. ~600.

              И как отличить лазерную генерацию от простой флуоресценции, где тоже длина волны вторичного излучения больше, чем накачки? Определение «на глаз», думаю, затрудняет тот факт, что зеленый лазер «забивает» своим светом весь полезный сигнал. Надо бы фильтр узкополосный поставить…
              • 0
                я там не понял в каком диапазоне может регулироваться выход… Если хотя бы 0,05 микрона получится, то уже можно, регулируя частоту звука, увидеть изменение цвета.
                • 0
                  Судя по графикам в исходной статье, на 10 нм пик сдвигается.
        • 0
          Потрясающе.
          А какого практическое применение?
          • +1
            Just for fun :)
            • 0
              Я так понял, это относительно новое направление в оптике. В перспективе — материалы с принципиально новыми оптическими свойствами, механико-оптические преобразователи, новые методы изучения коллоидных сред.
              • 0
                Секундочку… давайте проще, для тех кто не совсем знаком с лазерной физикой.
                Мы накачиваем рабочее тело изначально лазером (я правильно понимаю, что именно лазером?).
                Далее в рабочем теле лазерный луч многократно отражается от шариков и в конечном счете порождает за счет вынужденного (индуцированного) излучения новое «лазерное» излучение, с другими свойствами, и рассеянное!
                Так какое применение может быть у рассеянного лазерного излучения?? Я вот никак не могу себе представить не одной мех. системы, чтобы как-то собрать это «свечение», да еще при том, что оно рассевается тоже всегда по-разному, т.к. шарики «дрожат».
                • 0
                  >Мы накачиваем рабочее тело изначально лазером
                  Накачивать можно чем угодно: некогерентным светом, электроразрядом, энергией хим. реакций — не принципиально. Лазеры на красителях удобнее всего накачивать излучением другого лазера.

                  >Какое применение может быть у рассеянного лазерного излучения?
                  Очевидно, такое, где важна только монохроматичность. Сходу в голову приходит только спектрометрия.
                  Посмотрите с другой строны: это не готовый прибор, а установка для исследования физического явления. Возможно это явление будет использовано не для создания нового типа лазера, а для чего-то еще.
                  • 0
                    Я прочитал оригинал статьи, то что смог перевести на вскидку… не все понял.
                    В двух словах, если можно:
                    Зачем нужно встряхивать шарики, чтобы они были как бы в невесомости?
                    В статье речь идет об энергиях (покоя?) и сохранении температуры… Можно чуть-чуть прояснить, что имелось в виду?
                    • +1
                      В двух словах. Существуют т.н. random lasers — лазеры, в которых используется рассеяние на дисперсных частицах в рабочем теле. Для наноразмерных частиц (коллоидные системы) данный эффект известен относительно давно, а вот для макрочастиц (порядка мм) -наблюдается впервые.

                      Для рассеяния излучения частицы должны быть равномерно распределены в среде. Коллоидные частицы могут долго находиться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения и других подобных эффектов. Для крупных гранул этот фокус не пройдет, они сразу осядут (или всплывут, если легче среды). Есть два пути:

                      1) Увеличивать вязкость среды. В пределе получится твердотельный лазер с гранулами, распределенными по объему рабочего тела.

                      2) Поддерживать гранулы в динамическом равновесии, постоянно сообщая им энергию. Говоря по-простому, все время трясти. Именно этот подход используется здесь.
                      • 0
                        Если критерием является — равномерное распределение в среде, то какая разница, всплывут частицы или осядут в замкнутом объеме, в пузырьке?
                        На картинке пузырек почти полностью заполнен шариками, которые аккуратно лежат друг на друге.
                        Можно сказать, что нижние 4/5 пузырька равномерно заполнены шариками, и именно в этой части идет накачка.
                        Я мог бы предположить, что шарики не должны касаться друг друга, чтобы было больше места для прохождении света между ними, но они зеркальные и свет и так отражается между ними…
                        Вот это как раз не совсем понятно… вероятно шарики не должны все-таки касаться друг друга, но вот почему?..

                        Увеличить вязкость уж совсем просто, добавив прозрачный пластификатор в раствор. Но там скорее будет больше проблем, чем пользы.
                        1. Будет сложно добиться застывания раствора с взвешенными шариками.
                        2. Если раствор будет застывать при наличии колебаний (для поддержания шариков), то в растворе почти наверняка появятся микротрещины из-за тех же колеблющихся шариков, что снизит оптическую проницаемость.

                        В общем, не понимаю я пока, зачем нужно трясти аккуратно и равномерно уложенные друг на друга шарики…
                        Если надо менять точку вхождения лазера, можно трясти сам лазер, или с тем же успехом просто вращать пузырек вокруг своей оси.
                        • 0
                          Видимо, как раз для того, чтобы оставались промежутки между шарами. Плотно упакованные шары не пропустят свет дальше второго слоя, все отразится обратно. Если шар окружен со всех сторон средой, то равные количества света будут отражаться «вперед» (отклоняясь на угол <90°) и «назад» (>90°). Таким образом, взвешенные гранулы рассеивают изотропно, а плотно упакованные — нет. Если не совсем понятно, почему так, могу нарисовать картинки.
                          • 0
                            Пожалуй соглашусь. Перечитал еще раз вывод в первичной статье, там как раз идет речь о влиянии плотности распределения частиц на результаты. Выходит — вибрация по оси Z, это просто один из способов поддержания нужной концентрации крупных частиц в нужном месте рабочего тела.
                            • 0
                              Может, лучше подумать как для такого лазера получить не-рассеивающийся луч?
                              • 0
                                Элементарно.
                                Поместить установку внутрь другого рабочего тела (в качестве лампочки), ограниченного оптическим резонатором.
                                А далее, через полупрозрачное зеркало… и…
                                • 0
                                  Не взлетит. Оптический резонатор работает за счет того, что фотоны, чье направление совпадает с осью резонатора, проходят через рабочее тело многократно. А в предложенной вами схеме при прохождении через рабочее тело фотон отклоняется в случайном направлении. Не будет многократного прохода — не будет и усиления.

                                  Разве что сделать сферический резонатор… Это вообще реально?
                                  • 0
                                    Тем или иным образом создать сферу из прозрачного материала, после чего нанести светоотражающий слой тем или иным образом. Конечно, зеркало получится паршивенькое, но… вдруг?
                                    • 0
                                      А не, даже так не взлетит. Длина пути всех фотонов будет различной (рассеяние-то случайное, кто-то 10 раз отразился, кто-то 100), а значит — прощай, когерентность!
                                      • 0
                                        А зачем вообще тогда нужны шарики?
                                        Почему нельзя накачивать краситель через полупрозрачное зеркало?
                                        • 0
                                          Я к тому, что можно было бы постоянно держать частицы во взвешенном состоянии другими путями.
                                          • 0
                                            Можно. Получится обычный лазер на красителе, известный уже давно. Шарики дают дополнительные возможности, например, плавно менять длину волны механическим путем.
                                            • 0
                                              Но зато шарики не позволяют получить нормальный луч.
                                              Да и почему не могут вибрировать стенки сосуда?
                                              Притом, стенки, находящиеся на очень близком расстоянии (пара миллиметров).
                                              • 0
                                                Да тут просто огромное непаханое поле для исследований!
                                                • 0
                                                  Если это был не сарказм, то можно заметить, что можно и воду (при использовании растворимых в воде красителей) использовать для накачки ввиду эффекта сонолюминесценции. Правда, лазер будет слабоват.
                                                  • 0
                                                    Это не сарказм ни в коем случае. Тут действительно есть куда копать.
                                                    Что если, например, вместо гранул использовать для рассеяния оптические неоднородности среды? Кавитационные пузырьки или волны плотности от прохождения ультразвука. И еще куча «а что если?» ответом на большинство которых будет: «А хрен его знает, надо попробовать.»
                                                    • 0
                                                      Если никто не задался этими вопросами раньше. Да и даже если нет — кто возьмется?
                                                      Все это так и останется в комментариях на хабре.
                                    • +1
                                      Я продолжу за вас:
                                      image
                              • 0
                                Может, благодаря тряске расстояние между шариками увеличивается?
                                • 0
                                  Увеличивается, увеличивается. Там в первичной статье так схематически и показано на рисунках. Но трясут они не хаотично, а только и строго по оси Z. Т.е. подбрасывают шарики.
                                  • +1
                                    Кстати, в таком случае, автор статьи не совсем корректно собрал установку. Либо пробирку нужно было брать выше, либо шариков класть меньше. Иначе им некуда взлетать и разлетаться. А в первичной статье наибольший эффект наблюдался как раз у самой верхней границы с шариками, где их плотность (концентрация) была небольшой.
                    • +9
                      Welcome to Black Mesa

                      image
                      • 0
                        Ну нахрена?..
                        Мы же об изучении коллоидных сред!..
                        • 0
                          Кстати, было бы интересно в этой конструкции попробовать ртуть — шарики были бы куда меньше. Правда, не реагирует ли ртуть с красителем/метанолом?
                          • 0
                            Ртуть быстро сольётся в один большой шарик. Как поддерживать её в дисперсном состоянии?
                            • 0
                              Возможно, при должной амплитуде механических колебаний, большой шарик будет постоянно разбиваться на мелкие.
                              • 0
                                А можно использовать смесь ртути и мелких металлических шариков. Тогда металлические шарики будут разбивать ртуть — «взбалтывать».
                                • +6
                                  Урановый лом не забудьте туда добавить.
                                  • +7
                                    Сам накачивай лазером урановые ломы во ртути.
                                    • +2
                                      Зря смеетесь) У нас в институте была ультразвуковая установка для обработки твердых материалов в водном растворе абразивного порошка. Ультразвук порождал в водной среде микроскописеские «подушечки» вакуума, которые схлопываясь передавали свою энергию частичкам абразива, которой уже и обрабатывал поверхность по трафарету, закрепленному на волноводе.
                                      Если вспомнить еще Метод гидротермального синтеза с одновременным
                                      ультразвуковым воздействием
                                      ,
                                      то, вероятно, можно добиться устойчивого пребывания ртути в, так сказать, мелкодисперсном состоянии в растворе родамина.
                                      Далее на ультразвуковую частоту накладываете свои 35-45Гц (а может накладываете их на всю установку в целом, вместе в волноводом и лазером; раз они будут в одном корпусе, можно систему с динамиком и оставить), и…
                                      и как говорил один знакомый преподаватель, глядя на многометровую стенку монтежю в одном из проектов: «Если @банет, так @ебанет...»
                                      • +3
                                        микроскописеские «подушечки» вакуума

                                        Кавитация, это называется кавитация.
                                        • 0
                                          Спасибо, напомнил.)
                                          • +2
                                            Подушечки вакуума звучат кавайнее!
                                            • 0
                                              А как по мне, слово «кавитация» имеет больше общего со словом «кавай» нежели «подушечки вакуума».
                                              Скрытый текст
                                              Хорошо хоть не жидкого вакуума.
                                    • 0
                                      Урановые шарики*
                          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                            • 0
                              Которые в деталях корпуса? Это прорези крестообразной формы, их резали лазером заодно с деталью. В прорезь вложили гайку и все вместе стянули болтом. Конструкция не моя, я всего лишь переводчик.
                            • +2
                              Важный момент в статье — автор сам пишет, что не знает, преодолел ли он порог лазерной генерации или нет.

                              При мощности накачки 30мВт и относительно неподвижного красителя — это маловероятно (в нормальных лазерах на красителях рабочее тело прокачивают с высокой скоростью, чтобы триплетное поглощение не гасило генерацию).
                              • +1
                                Когда-то в журнале Юный Техник была схема и инструкция импульсного лазера на орг красителях. Помоему тоже на родамине и аналогичных флюоресцентных красителях. Самостоятельное изготовление уперлось в сами красители и в школе эту попытку я забросил. Зато потом на физфаке видел как раз тот самый лазер из журнала. Технически там схема проще кстати. Ссылки приводить не буду, чтобы не обрушить сайты. Гуглится схема на раз.
                                • +1
                                  Помню ту статью, сам в свое время хотел собрать этот родаминовый лазер.
                                  Схема проще? Да там хардкор был! Рабочая камера, система подачи красителя, зеркала (вроде бы их предлагалось даже серебрить самостоятельно), рефлектор (согнуть из полированной жести «на глаз»), лампа газоразрядная (тоже самодельная), высоковольтный источник к ней, вакуум-насос («запуск лазера осуществляется путем затыкания патрубка пальцем»). Это сейчас все компоненты можно готовые купить, а по тем временам получался неслабый квест.
                                  • 0
                                    Лампу я делал, светила отлично, аж жар чувствовался. Воздух откачивал переделанным насосом для мячей. Резкий рывок — вспышка =) Источник собрал за один поход на рынок электродеталей, заработала схема с полпинка. Эллиптическое зеркало сделал из подходящей алюминиевой трубки, вроде от пылесоса, вручную ее отполировал. Технически сложным было изготовление зеркал, да. Но самая проблема были реактивы. Требовались квалификации Х.Ч., а доступными были только Ч и в лучше случае ЧДА. Схема конечно чистый хардкор, но она проста, надежна и работает.
                                    • +1
                                      Передёргиванием затвора высвобождался луч?
                                      Дык этож фаллаут!
                                      • 0
                                        Еще в журнале «В мире науки» (русский Scientific American) была схема лазера на парах меди. N6 за 1990 год, сейчас специально нашел. Там не нужны ХЧ реактивы, правда нужен гелий. Не нужна лампа с рефлектором, разряд пропускается непосредственно через рабочее тело. Основные сложности: нужен нагрев рабочего тела до 400°C (решение — печка из кирпичей + ТЭН) и генератор, выдающий пару импульсов подряд со строго определенной задержкой (решение — вращающийся диск с контактами + 2 конденсатора).
                                    • 0
                                      Да, помню тоже хотел делать этот лазер… Это сейчас родамина 100г лежит, на 1000 лазеров хватит, а тогда все было не так радужно
                                    • 0
                                      Я вот о чём подумал — врубить на этом динамике лазера не звук от генератора а дабстеп :DDD
                                      Например

                                      • 0
                                        Скажите пожалуйста, а вы как такие корпуса делаете? :)
                                        • 0
                                          При помощи лазерной резки

                                          Сударь, отныне и впредь извольте читать статьи внимательнее.

                                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                        Самое читаемое