Как создать универсальную лазерную установку, излучающую луч ВСЕХ длин волн?

Картинка Freepik

Любой, кто сталкивался с лазерами или слышал о них, знает, что слово «лазер» практически неразрывно связано в сознании знающего человека с понятием «длина волны» — то есть практически любая из широко известных лазерных систем излучает луч только одной длины волны.

Однако что, если я скажу вам, что абсолютно реальна универсальная лазерная установка, которая может излучать вообще все* возможные диапазоны длин волн?! О_о

Причём, что интересно, управление тем, какую длину волны излучать, производится всего лишь электрическим током и больше ничем, что очень привлекательно...

Ниже рассматривается работа с излучениями высоких энергий и высокими напряжениями, что может быть опасным. Автор статьи ни к чему не призывает и ничего не гарантирует, вся информация статьи даётся исключительно в познавательных целях.

*Здесь и далее под «все» длины волн подразумевается, что те, на базе которых реалистично будет генерировать лазерное излучение, создав универсальную установку, конструкция которой сможет охватить этот диапазон.

Конечно, она излучает все виды длин волн не сразу, а в нужный момент — нужную: сегодня обрабатываем дерево, завтра — металлы и т. д. Для каждого такого случая потребовалась бы в ином случае, разная установка, с источником луча разной длины волны.

Другими словами, в жизни, мы практически не видим лазерных установок, которые могли бы «всё и сразу» — это можно сравнить с универсальной машиной, которая «может и в роли экскаватора выступить — выкопав яму и в гонках формулы-1 поучаствовать, обогнав соперников» — и всё это один и тот же аппарат!

Почему это интересно: такие широчайшие возможности по манипулированию генерацией лазерного луча дают возможность как работать по органическим материалам, так и обрабатывать металлы (в том числе осуществлять 3D печать металлом), исследовать структуру вещества; генерировать излучение от рентгеновского диапазона — до видимого и микроволнового!

При этом, так как такую генерацию осуществляет всего лишь одна и та же установка, достигается огромная экономия средств — не нужно покупать 100500 установок на каждый случай жизни.

Насколько известно, в наиболее распространённых случаях, лазерное излучение генерируется с помощью возбуждения определённых сред — например, газовых (CO2 и т. д.), твердотельных (кристаллы, волокна).

Однако зададимся парадоксальным вопросом: а можно ли генерировать лазерное излучение без возбуждения какой-либо среды и даже почти без среды?

Чудес всё-таки, наверное, не бывает, но, есть один способ, который будет достаточно близок к этому: возбуждение лазерного излучения с помощью прямого манипулирования электронами!

Каким образом это можно осуществить? Допустим, если бы мы смогли разогнать каким-то образом электрон до очень больших скоростей, близких к скорости света, а потом заставить его колебаться из стороны в сторону, то, согласно уравнениям Максвелла, это привело бы к тому, что ускоренный заряд будет излучать электромагнитные волны, то бишь фотоны (чем-то похоже на излучение электромагнитных волн — антенной радиопередатчика).

А теперь представим, что электронов больше одного, и все они будут на лету раскачиваться в такт, одинаково — это приведёт к излучению синхронных фотонов, то бишь к появлению когерентного (синхронного) излучения, — то бишь, к появлению лазерного света.

Как нетрудно догадаться, «раскачивая» электроны на разное расстояние и в течение разного времени, — можно добиться появления генерации фотонов разной длины волны.

Также легко можно понять, что добиться такого раскачивания достаточно легко, — нужно всего лишь манипулировать параметрами электромагнитного поля.

Так как все движения происходят на околосветовых скоростях, физика их взаимодействий приводит к тому, что излучение фотонов происходит в направлении движения электронов, и это излучение сжимается в узкий пучок, вдоль направления движения электронов, причём, из-за конструкции самой лазерной установки (об этом будет ниже), колебания электронов происходят в плоскости, и фотонный луч также собирается в плоский луч, в той же плоскости, в которой колеблются и электроны.

И вот как раз на основе этой идеи выше и построены так называемые «лазеры на свободных электронах» — ЛСЭ (англ. Free-electron laser): где всего-навсего, меняя параметры питания установки — можно получить от неё лазерный луч любой длины волны!

Менять параметры установки под разные длины волны луча можно по-разному: экстенсивно — меняя физические размеры и количество магнитов ондулятора и, в теории, интенсивно: сразу построив установку с большим числом магнитов, чтобы можно было генерировать как короткие волны, так и длинные (для длинных — одновременно включаем ряд магнитов.

Это похоже на то, как загораются несколько пикселей на мониторе, чтобы нарисовать линию). Этот второй подход позволит «играться» с длиной волны — всего лишь меняя параметры питания ондулятора (ток, напряжение питания электромагнитов ондулятора, а также количество одновременно включённых электромагнитов (т. е. длина массива)).

От разрешения ондулятора (т. е. количества магнитов в нём) зависит, какую минимальную длину волны можно на нём сгенерировать.

Ближе к концу статьи я привёл примерные расчёты для разных длин волн, где хорошо видно, как количество магнитов уменьшается, по мере продвижения от длины волны в 0,01 нм (рентген, 50 магнитов) — до 1 мм (микроволны, 1 магнит).

Таким образом, построив сразу установку под рентген — мы можем генерировать на ней все длины волн (в теории).

Ниже приведена картинка (кликабельно), рассмотрим её компоненты. Сразу скажу, что картинка ниже отображает моё понимание и оно может отклоняться в частностях, от реальных проектов (причина — довольно разрозненная информация, и это то, что мне удалось понять по описаниям).

На картинке ниже: в общем случае, можно сказать, что функционал установки поделён на 2 части:

• параметры катода и его подсистемы питания отвечают за мощность луча лазера,
• электромагниты ондулятора отвечают за длину излучаемой волны луча.

Катод — чтобы манипулировать электронами, необходимо их ещё изначально откуда-то взять, — именно этим целям и служит катод, так как является излучателем электронов.

На данный момент известно как минимум 2 способа запуска эмиссии электронов:

• Фотоэмиссия: специальная пластина из цезия-теллура облучается коротким импульсом лазерного излучения, который выбивает электроны из этой пластины.
  
  Спектр излучения лазера, используемого для этих целей, обычно лежит в области ультрафиолета или зелёного спектра.
  
  Основным преимуществом такого способа является хороший контроль эмиссии, а также времени (лазер может дать очень короткий импульс, даже в фемтосекунды), что позволяет точно контролировать эмиссию электронов, которые вылетают в одно и то же время, с минимальным разбросом по энергии, что позволяет добиться высокого контроля над выходной мощностью ЛСЭ-лазера.
  
  Проблемой такого подхода является только потребность в достаточно мощном запускающим лазере.
  
  К тому же, подобный фотокатод отличается высокой чувствительностью к загрязнениям. Тем не менее, есть способ проще (о нём ниже).
• Термоэлектронная эмиссия: способ абсолютно аналогичный тому, которые используются в электронных лампах или кинескопах — металлический катод из вольфрама или оксида бария нагревается до высоких температур порядка 1000-2500°С, что позволяет электронам в металле получить достаточную энергию и покинуть его, вылетев в окружающее пространство.
  
  Преимуществом такого способа является его простота, и отсутствие потребности в каких-либо сложных запускающих фотокатодах или лазерах — а, соответственно, и его дешевизна.
  
  Тем не менее, есть и «ложка дёгтя»: яркость пучка фотонов получается меньше, чем при методе фотоэмиссии, так как электроны характеризуются большим разбросом по энергиям и времени вылета.
  
  В итоге, всё это сказывается на том, что мощность метода термоэмиссии существенно уступает методу с запускающим лазером и фотокатодом.
  
  Кроме того, так как катод в этом методе постоянно нагрет до высоких температур, его необходимо эффективно охлаждать, чтобы не перегревался.

Отражающее зеркало перед катодом и выходное зеркало: дело в том, что на самом деле, рождающиеся фотоны некогерентны полностью (какая-то часть да, а какая-то нет), то есть не синхронизированы по фазе.

Для синхронизации их используется конструкция, называемая «оптической полостью» — представляющая собой два зеркала на концах ондулятора — и служат они для того, чтобы родившиеся фотоны отразились от зеркал и вернулись обратно в ондулятор, где они вступают во взаимодействие с другими электронами, вызывая вынужденное излучение других фотонов, в той же фазе.

Кроме того, наличие таких двух зеркал приводит к возникновению между ними стоячих волн, что также усиливает когерентность.

После такого многократного переотражения и усиления, лазерный луч становится достаточно мощным, и выходит наружу установки через полупрозрачное зеркало, расположенное справа, которое прозрачно примерно на 1-10%.

То есть, мы большую часть лазерного излучения используем для внутренних нужд работы установки, и только небольшую его часть выпускаем наружу в качестве готового «продукта» — лазерного луча.

При этом есть любопытный нюанс: эти зеркала являются непрозрачными/полупрозрачными для фотонов и в то же время — полностью прозрачными для электронов (потому что, как минимум, катод — расположен за левым зеркалом и ему надо «светить сквозь него»).

Рабочая камера: электроны затруднительно разогнать в воздушном пространстве до высоких скоростей, так как они будут неизбежно тормозиться молекулами воздуха.

Поэтому вся конструкция расположена внутри специальной вакуумной камеры, где должен быть обеспечен вакуум порядка Торр.

Ловушка электронов: она располагается на выходе из ондулятора и служит для улавливания электронов, так как они отдали только часть своей энергии на излучение фотонов, и теперь их необходимо безопасно «утилизировать» — этим целям обычно служит металлическая пластина или цилиндрической формы ловушка, куда электроны направляются с помощью магнитных полей; при этом они передают свою энергию ловушке и она довольно сильно разогревается, — чтобы бороться с этим, её обычно охлаждают водой.

Для материала ловушки выбирают теплопроводные и устойчивые к нагреву материалы, такие как медь, вольфрам, графит.

Только есть одна проблема, и заключается она в том, что при столкновении электронов с материалом ловушки, возникает тормозное рентгеновское излучение, с которым борются, выбирая в качестве материалов для неё материалы с высокой плотностью, например, вольфрам, а также используя свинцовые экраны и бетонные экраны.

Кроме того, персонал, работающий на такой установке, проходит соответствующие инструктажи по радиационной безопасности, а для отслеживания текущего уровня излучения используется дозиметр (т. е. не всё «так сладко», как могло бы показаться).

Электрогмагниты или «ондулятор» (от англ. undulator): как можно видеть, по бокам от вакуумной камеры расположены электромагниты, с чередующимися полюсами.

Насколько я понимаю, самый простой способ создать подобные электромагниты — использовать Ш-образный магнитопровод*** с обмотками, с чётным количеством «ножек», без перемычки сверху (примерно та же самая конструкция, которая используется и в дросселях блоков питания, только здесь «ножек» больше).

При такой конструкции получится, что одна ножка будет северным полюсом электромагнита, другая южным и т. д.

Электрон, пролетая мимо таких ножек, будет отклоняться попеременно то в одну сторону, то в другую, так как блоки магнитов будут расположены с одной и другой стороны вакуумной камеры, на плоскости.

***Причём тут есть нюанс: если нам требуется построить универсальный ондулятор, для всех типов длин волн, — то нужны будут отдельно управляемые магниты и общий для каждой стороны Ш-образный магнитопровод уже не подойдёт. Описанный выше случай — для ондулятора, предназначенного только для конкретной, одной длины волны.

Ниже я постарался показать, как могло бы выглядеть управление длиной волны излучаемого луча лазера, с помощью включения массивов электромагнитов ондулятора:

Таким образом, подытоживая описание элементов системы, можно сказать, что за мощность установки отвечает катод и его система питания, а за длину волны отвечает ондулятор (поэтому можно не смущаться, увидев ниже в списке довольно скромные параметры питания для электромагнитов ондулятора — они отвечают только за длину волны).

Ниже я попробовал прикинуть параметры для катода и ондулятора, с помощью которых можно было бы достичь (в теории) излучения нужных длин волн. За длину ондулятора взят размер в 0,5 метра — так как нам не нужны многометровые лабораторные «монстры», а хотелось что-то покомпактнее. Из каждого диапазона длин волн — взята 1 длина (для примера). В списке ниже могут быть очевидные и не очень ошибки — просьба отнестись с пониманием. По крайней мере, я сделал попытку осмыслить, как оно могло бы выглядеть ;-)

Длиииииииинный список

Рентгеновский диапазон (0.01–10 нм)
Длина волны: 0.01 нм (0.1 Å)
Применение: Исследование атомной структуры материалов, рентгеновская микроскопия.
Материалы: Металлы, кристаллы, наноструктуры.

• Энергия электронов: ~10 ГэВ.
• Магнитное поле: ~1 Тл.
• Длина 1 электромагнита: ~1 см.
• Количество электромагнитов с каждой стороны: ~50.
• Общая длина ондулятора: ~0,5 м.
• Ток в электромагнитах: ~100 А.
• Напряжение питания электромагнитов: ~1 кВ.
• Размеры катода: Диаметр 1–2 мм, острийная форма.
• Напряжение питания катода: ~10 В.
• Ток катода: ~10 А.
• Ток пучка: ~1 мА.
• Материал зеркала перед катодом: Многослойные структуры (например, Mo/Si).
• Материал выходного зеркала: Многослойные структуры (например, W/B4C).
• Материал выходной линзы/линз: Бериллий (Be) или алмазные линзы.
• Мощность лазера: ~10 кВт (при токе пучка 1 мА и эффективности 10%).

Ультрафиолетовый диапазон (10–400 нм)
Длина волны: 10 нм.
Применение: Литография, микрообработка.
Материалы: Полупроводники, фоторезисты.

• Энергия электронов: ~300 МэВ.
• Магнитное поле: ~0.2 Тл.
• Длина 1 электромагнита: ~5 см.
• Количество электромагнитов с каждой стороны: ~10.
• Общая длина ондулятора: ~0,5 м.
• Ток в электромагнитах: ~20 А.
• Напряжение питания электромагнитов: ~200 В.
• Размеры катода: Диаметр 3–5 мм, плоская форма.
• Напряжение питания катода: ~10 В.
• Ток катода: ~10 А.
• Ток пучка: ~1 мА.
• Материал зеркала перед катодом: Многослойные диэлектрические зеркала (например, Al/MgF₂).
• Материал выходного зеркала: Многослойные диэлектрические зеркала (например, Al/MgF₂).
• Материал выходной линзы/линз: Фторид кальция (CaF₂) или кварц (SiO₂).
• Мощность лазера: ~300 Вт (при токе пучка 1 мА и эффективности 10%).

Видимый диапазон (400–700 нм).
Длина волны: 400 нм.
Применение: Гравировка, резка тонких материалов.
Материалы: Бумага, пластики, тонкие металлы.

• Энергия электронов: ~50 МэВ.
• Магнитное поле: ~0.05 Тл.
• Длина 1 электромагнита: ~20 см.
• Количество электромагнитов с каждой стороны: ~2.
• Общая длина ондулятора: ~0,5 м.
• Ток в электромагнитах: ~5 А.
• Напряжение питания электромагнитов: ~50 В.
• Размеры катода: Диаметр 5–10 мм, плоская форма.
• Напряжение питания катода: ~10 В.
• Ток катода: ~10 А.
• Ток пучка: ~1 мА.
• Материал зеркала перед катодом: Диэлектрические зеркала (например, SiO₂/TiO₂).
• Материал выходного зеркала: Диэлектрические зеркала (например, SiO₂/TiO₂).
• Материал выходной линзы/линз: Оптическое стекло (например, BK7) или кварц (SiO₂).
• Мощность лазера: ~50 Вт (при токе пучка 1 мА и эффективности 10%).

Инфракрасный диапазон (700 нм–1 мм)
Длина волны: 800 нм.
Применение: Резка металлов, сварка.
Материалы: Металлы, стекло, керамика.

• Энергия электронов: ~20 МэВ.
• Магнитное поле: ~0.02 Тл.
• Длина 1 электромагнита: ~50 см
• Количество электромагнитов с каждой стороны: ~1.
• Общая длина ондулятора: ~0,5 м.
• Ток в электромагнитах: ~2 А.
• Напряжение питания электромагнитов: ~20 В.
• Размеры катода: Диаметр 5–10 мм, плоская форма.
• Напряжение питания катода: ~10 В.
• Ток катода: ~10 А.
• Ток пучка: ~10 мА.
• Материал зеркала перед катодом: Золото (Au) или медь (Cu) с защитным покрытием.
• Материал выходного зеркала: Золото (Au) или медь (Cu) с защитным покрытием.
• Материал выходной линзы/линз: Германий (Ge) или селенид цинка (ZnSe).
• Мощность лазера: ~200 Вт (при токе пучка 10 мА и эффективности 10%).

Микроволновый диапазон (1 мм – 1 м)
Длина волны: 1 мм.
Применение: Нагрев материалов, научные эксперименты.
Материалы: Пластики, керамика, композиты.

• Энергия электронов: ~1 МэВ.
• Магнитное поле: ~0.001 Тл.
• Длина 1 электромагнита: ~1 м.
• Количество электромагнитов с каждой стороны: ~1.
• Общая длина ондулятора: ~0,5 м.
• Ток в электромагнитах: ~0.1 А.
• Напряжение питания электромагнитов: ~1 В.
• Размеры катода: Диаметр 5–10 мм, плоская форма.
• Напряжение питания катода: ~10 В.
• Ток катода: ~10 А.
• Ток пучка: ~1 мА.
• Материал зеркала перед катодом: Золото (Au) или медь (Cu) с защитным покрытием.
• Материал выходного зеркала: Золото (Au) или медь (Cu) с защитным покрытием.
• Материал выходной линзы/линз: Полиэтилен (PE) или тефлон (PTFE).
• Мощность лазера: ~1 Вт (при токе пучка 1 мА и эффективности 10%).

Тем не менее, несмотря на свои очевидные преимущества, желающий построить такой лазер, столкнётся и с трудностями, преодоление которых может быть непростым:

• необходимость высокого вакуума в камере,
• потребность в блоке питания высокой мощности (несколько кВт) и соответствующей электросети,
• необходимость защиты от тормозного излучения,
• любая работа с электронными пучками опасна сама по себе,
• потребность в использовании редких компонентов — зеркала, линзовая система (к тому же, они должны быть разными, в зависимости от длины волны — как можно было видеть в списке-прикидках параметров системы выше).

Тем не менее, он очень обладает и очевидно большими плюсами:

• любой диапазон длин волн излучаемого лазера — что, соответственно, даёт ему возможность работать практически по любым материалам,
• высокая мощность и хороший контроль за ней (если использовать запускающий лазер),
• экономия средств, за счёт того, что одно и то же устройство «позволяет делать практически всё».

В любом случае, если есть потребность «в универсальном комбайне» — может это повод задуматься о нём? На данный момент, подобные аппараты «проживают» в лабораториях, но может быть, настало им время «выйти в народ», кто знает… В любом случае, изложенная концепция видится любопытной для осмысления и, может быть, осуществления.

Как Anycubic в своё время поменяли правила игры и уронили стоимость фотополимерных 3D принтеров — с тысяч до сотен долларов, так и тут — может быть, кому-то настало время выпустить такую мини-установку и для потребительского рынка? ;-)

Заинтересовавшиеся могут найти дополнительную информацию, например, тут.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻