Первый лазер в истории: каким он был

    Как известно, лазер – это устройство способное к усилению света путем вынужденного излучения. И возможность построения этого устройства была сначала предсказана в теории, а лишь много лет спустя удалось построить первый образец. Напомню, что вынужденное излучение было объяснено с точки зрения квантовой теории Эйнштейном, а первое воплощение этого принципа в железе началось в 50х годах ХХ века независимо различными группами ученых, наиболее известными из которых стали Ч. Таунс, А. М. Прохоров и Н. Г. Басов. Тогда им удалось построить первый квантовый генератор – мазер, который генерировал излучение в области сантиметровых волн. Непокоренным на то время оставался оптический диапазон, и о том, как его удалось покорить я и постараюсь рассказать в этой статье.

    image



    А покорить его удалось Теодору Мейману в 1960м году. Он провёл множество расчетов и пришел к выводу, что идеальным рабочим телом для генерации волн оптического диапазона станет кристалл рубина. Он же предложил принцип накачки рабочего тела – короткими вспышками света от соответствующей лампы-вспышки и способ создания положительной обратной связи для того чтобы усилитель стал генератором – эту функцию выполняли зеркальные покрытия на торцах кристалла. Расчеты Меймана показали, что атомы хрома, которые являются примесью в кристаллах сапфира и делающие его рубином имеют подходящую систему энергетических уровней, которая делает возможной генерацию лазерного излучения. В рубине реализуется простейшая трехуровневая схема. Атом хрома, поглощая свет в сине-зелёной области спектра, переходит на верхний возбужденный уровень, с которого происходит безизлучательный переход на метастабильный уровень, на котором он может задержаться на время порядка 1 мс. Из этого состояния атом возвращается на основной уровень, излучая фотон с длиной волны или 694 или 692 нм, так как метастабильный уровень на самом деле не один, их два очень близко расположенных. Возможность накопления атомов на метастабильном уровне и позволяет создать инверсную заселенность, а вместе с ней и генерацию лазерного излучения, когда один или несколько спонтанно испущенных фотонов заставляют лавинообразно «осыпаться» все остальные атомы из метастабильного состояния в основное, испуская новые фотоны с одинаковой длиной волны, фазой, поляризацией и направлением движения. Они и создают яркий красный луч, которому свойственна когерентность.

    image

    С историей изобретения первого оптического квантового генератора связано много достаточно интересных и порой очень несправедливых событий. Для начала надо отметить, что разработку первого лазера Мейман осуществлял по своей инициативе и самостоятельно, только со своим помощником, при этом, лазер на рубине создавался вопреки мнениям многих специалистов, которые были уверены в том, что рубин не годится в качестве рабочей среды. Есть городская легенда, согласно которой, его помощник, будучи дальтоником, впервые в жизни увидел красный свет, в тот момент когда лазер был собран и он заработал. Согласно этой же легенде, Мейман не наблюдал лазерный пучок визуально, так как был очень занят настройками регистрирующей аппаратуры – нужно было срочно собирать экспериментальные данные и готовить статью к публикации, в которой будут представлены убедительные доказательства, что было впервые получено когерентное излучение оптического диапазона. Тут-то и начались сложности. Во-первых, статью Меймана о том, что возможна генерация оптического когерентного излучения в кристалле рубина отклонили от публикации в журнале Physical Review Letters, уточнив, что в «его статье нет ничего принципиально нового». Вместо этого статья была опубликована в Nature. Что характерно – в 1958 году в журнале Physical Review Letters была уже опубликована статья о принципах работы лазера, направленная из конкурирующей организации – Bell Labs, и это не смотря на то, что рабочего экземпляра лазера у них не было, статья описывала просто теоретическое обоснование. Они же быстро состряпали патент на лазер, которого у них ещё не было. А Мейман получил отклонение из этого журнала, хотя построил первый работоспособный лазер. Более того, он подробно потом объяснил ученым из Bell Labs в разговоре по телефону, что нужно для создания лазера и как его построить, уже после того, как он создал свой. Тем не менее, приоритет Меймана в изобретении лазера так и не был признан. Да и Нобелевскую премию за изобретение лазера присудили Ч. Таунсу, а не ему, которая должна была принадлежать ему по праву. Отчасти это объясняют тем фактом, что Мейман работал в частной фирме, которая выполняла заказы для военных, а не в университетской лаборатории.

    Теперь, оставим драму в покое и посмотрим, как был устроен рубиновый лазер Меймана в железе. Конструкция была чрезвычайно проста – в компактном корпусе находилась миниатюрная спиральная лампа-вспышка, внутри которой фиксировался ещё более миниатюрный кристалл рубина. Противоположные его торцы были посеребрены – один торец был «глухим» зеркалом, второй был посеребрен более тонким слоем, который пропускал некоторое количество света. Первый в мире лазер был длиной в 12 сантиметров, весил 300 грамм и выглядел игрушечным.

    image

    Детали лазера крупным планом:

    image

    Собственно, кристалл рубина.

    image

    И весь лазер в сборе, без источника питания.

    image

    В прессу же попала фотография лазера уже более крупных размеров, но уже далеко не первого в истории. И журналисты сразу же начали поднимать панику, дескать, изобретены «лучи смерти».

    image

    Буквально через год-два, когда новость об изобретении лазера уже разлетелась по миру, стали появляться первые лабораторные образцы лазеров в СССР. В отличии от стран запада, спиральные лампы накачки в лазерах не прижились сразу. Во-первых спиральная лампа не смотря на свою «очевидность» имеет далеко не оптимальную форму тела свечения – лишь малая доля света идет по адресу, так как соседние витки спирали в основном подсвечивают друг друга, а не вставленный внутрь неё кристалл рубина. Во-вторых – советская промышленность не выпускала широкую номенклатуру спиральных импульсных ламп. А те которые выпускались, имели неподходящую форму – спираль была слишком большого диаметра но мало витков, как например, достаточно известные лампы ИФК-20000 и ИФК-80000. Была спиральная модификация у достаточно известной и распространенной лампы ИФК-2000, но она встречается очень редко и смогла бы «прокачать» лишь самый миниатюрный кристаллик рубина, как у Меймана. Поскольку спиральные лампы в СССР были редки, то пошли по пути использования тех ламп, которые есть в достаточном количестве. Первый лазер в СССР имел возможность устанавливать в него кристаллы различных размеров, а для накачки использовались «классические» U-образные лампы ИФК-2000. Так он выглядел «живьем».

    image

    А так его показывали в книжках Б. Ф. Федорова различных изданий.

    image

    image

    Поскольку такой способ накачки все равно остается неэффективным, то от него быстро ушли в пользу накачки прямыми трубчатыми лампами серии ИФП. Кристаллы же рубина также стали выпускаться всего нескольких стандартных размеров, в точности по размеру светящейся части лампы. Кристалл рубина и лампу стали размещать в фокусах эллиптического отражателя, чтобы кристалл собирал максимум доступного света. Так это выглядит схематически.

    image

    А так выглядит эллиптический отражатель вживую.

    image

    Была ещё конструкция с так называемой «полостной» лампой. Полостная лампа получается, если постепенно увеличивать число витков в спиральной лампе до бесконечности, пока они не сольются в сплошную полость. Такая лампа представляет собой две трубки из кварцевого стекла вложенные одна в другую и спаянные на торцах. Электроды впаяны в противоположные концы лампы. Единственная известная полостная лампа советского производства – ИФПП-7000, применялась в накачке лазерной установки УИГ-1.

    image

    Такая схема накачки обладает всеми недостатками схемы со спиральной лампой, поэтому больше нигде не применялась. На фотографии лампа ИФПП-7000 и кристалл рубина использовавшийся с ней. Кроме теперь уже экзотических схем со спиральными и полостными лампами накачки, возможна работа рубинового лазера в ещё более экзотической схеме – с непрерывной накачкой. Это возможно если кристалл рубина очень маленький, охлаждается жидким азотом и освещается сфокусированным пучком от ртутной лампы сверхвысокого давления или лучом мощного аргонового лазера. Но такие устройства так и не покинули стены лабораторий, оставшись экзотикой, описанной в научных статьях, не смотря на то, что со временем его удалось «отучить» от жидкого азота. Впоследствии и от напыленных на торцы зеркал отказались, так как они недолговечны и в случае их повреждения придется менять весь кристалл. Такая конструкция сохранилась только в тех устройствах где нужна максимальная компактность, как, например, в излучателях лазерных эпилляторов. Во всех остальных зеркала смонтированы отдельно на юстировочных приспособлениях.

    Было бы странно, если бы мне не захотелось построить свой собственный рубиновый лазер, используя подручный и подножный выброшенный из лазерной лаборатории хлам. Хотелось отдать своего рода дань истории. Ну и получить первый опыт работы с импульсными твердотельными лазерами. Дальше следует описание постройки моего собственного лазера на рубине.

    Информация представлена в ознакомительных целях. Автор не несет ответственности за попытки повторения описанного.

    Основой стал упомянутый выше кристалл от установки УИГ-1. Это кристалл бледно-розового цвета с размером рабочей окрашенной части 8*120 мм, с дополнительными бесцветными наконечниками, что дает общую длину кристалла в 180 мм. Наконечники нужны для крепления кристалла в корпусе излучателя. Ещё одна причина, по которой окрашенную часть делают точно по размеру лампы накачки в том, что у рубина есть крайне нехорошее свойство поглощать собственное излучение на длине волны генерации. Если какая-то часть кристалла остается незасвеченной, то она начинает поглощать излучение, которое усиливается в засвеченной части и эффективность лазера сильно снижается. Обусловлено это трехуровневой схемой атомов хрома в рубине. По этой же причине у рубина очень высокая пороговая энергия накачки.

    В первую очередь был построен макет источника питания для лампы накачки. Основная его деталь – это батарея конденсаторов емкостью 1000 мкФ, которая заряжалась до напряжения 3 кВ.

    Напомню, что схемы с высоковольтными конденсаторами большой ёмкости смертельно опасны!

    image

    Схема заряда и поджига лампы. Для первой попытки взята ИФП-5000.

    image

    Сначала схема с лампой испытывалась без какого либо корпуса. Вспышка лампы крайне мощная, происходит с достаточно громким хлопком и её легко видно в соседних комнатах – свет распространяется через коридор, переотражаясь от стен. Вспышка лампы способна обугливать дерево и бумагу, расположенные к ней в упор. Каждая вспышка сопровождается запахом подгоревшей пыли и озона, выработанного могучим импульсом жёсткого ультрафиолета, и сопровождается волной жара, если находиться рядом с ней. Прямое наблюдение вспышки без средств защиты глаз крайне опасно! Для защиты достаточно обычной сварочной маски или очков.

    Наигравшись с самой мощной на тот момент фотовспышкой, я собрал излучатель с этой лампой и показанным выше кристаллом. Корпусом для лампы и кристалла стал стеклянный моноблочный отражатель от технологического лазера «Квант-16», а снованием стал кусок металлического швеллера. Из кусков этого же швеллера были сделаны юстировочные приспособления для зеркал резонатора.

    image

    image

    В качестве глухого зеркала я решил использовать призму полного отражения.

    image

    А в качестве выходного было выбрано зеркало якобы от рубинового лазера.
    Забегая вперед, скажу, что этот конструктив оказался нерабочим. Лазерную генерацию получить на нем не удалось. Причины вполне очевидны – лампа накачки в два раза длиннее кристалла и её свет используется крайне неэффективно. Да и возможность выходного зеркала обеспечить эту генерацию тоже вызывала вопросы. Квантрон (так называется блок лампа+кристалл+отражатель) пришлось переделать. Во втором варианте я сделал новый держатель для кристалла и ламп, вместо одной лампы ИФП5000 решил использовать две лампы ИФП2000, размещенные в упор к кристаллу и соединенные последовательно электрически. Длина ИФП2000 идеально соответствует длине окрашенной части кристалла. Такой способ компоновки называется «плотная упаковка».

    image

    В качестве отражателя было решено испытать белые кафельные плитки. Современной тенденцией в коммерческом лазеростроении является использование керамических диффузных отражателей сделанных из спеченной окиси алюминия, которая отражает до 97% падающего света. Фирменные отражатели мне, конечно же, недоступны, но вот кафельные плитки выглядят не хуже, тоже идеально белые.

    image

    image

    Было заменено и выходное зеркало на новое с измеренным коэффициентом пропускания 45% на длине волны 694 нм.

    image

    И в такой конфигурации удалось получить генерацию с первого импульса! Порог генерации оказался довольно высоким – около 1500 Дж энергии накачки. Лазер выдавал луч насыщенно-красного цвета, ослепительной яркости. К сожалению из-за его «скоротечности» сфотографировать его не удалось. Зато удалось зафиксировать его разрушительное действие на металл при фокусировке. Из железа он хорошо высекает искры.

    image

    Поскольку кристалл не имеет водяного охлаждения, то с повышением его температуры энергия луча довольно быстро падает, вплоть до полного срыва генерации. Да и кафельные плитки хорошо нагревались и затрудняли отвод тепла. При разборке я заметил, что поверхность плиток все же начала темнеть. Было решено испытать металлический отражатель, согнутый из хромированной пластины фотоглянцевателя.

    image

    image

    Этот отражатель работал также как и кафельные плитки, но гораздо быстрее охлаждался и стрелять можно было чуть чаще. Было проведено несколько стрельб по металлу и резине. От сорта металла зависит вид высекаемых искр. Стрельба в трансформаторное железо. Для сквозного пробоя понадобилось 4 выстрела.

    image

    Стрельба в нержавейку. Искры более яркие.

    image

    Стрельба в лезвие канцелярского ножа из углеродистой стали дает обилие пушистых звездочек.

    image

    Стрельба в резину дает выброс факела пламени длиной до 3-4 см с последующими колечками дыма.

    image

    Также удалось выяснить, что из-за применения призмы полного отражения в качестве глухого зеркала лазер работает в одномодовом режиме и выдает энергию меньшую, чем мог бы, при том же уровне накачки. Дело в том, что центральное ребро у призмы – это мертвая зона и, исходя из схемы хода лучей света в призме полного отражения, световой пучок расщепляется на два параллельных, что соответствует моде ТЕМ10. Опозналось это по пятну ожога на черном карболите – было четко видно расщепленное пополам пятно как на картинке.

    image

    Если создать условия, при которых все остальные моды не будут подавляться, то за счет появления высших мод можно добиться повышения выходной энергии минимум вдвое. Для этого потребовалось заменить призму, которые легкодоступны, на специальное глухое зеркало, рассчитанное для работы на длине волны 694 нм. И это того стоило! Порог генерации упал до 900 Дж, а энергии действительно стало больше! И при стрельбе в черный карболит получалось равномерное пятно ожога. Теперь пластинка трансформаторного железа пробивалась за 2-3 выстрела, а диаметр отверстия получался несколько большим. Ну и количество искр стало существенно больше! Особенно красиво получается при стрельбе в углеродистую сталь.

    image

    image

    image

    Обычная сталь тоже искрит весьма неслабо!

    image

    3 выстрела делают в лезвии ножа сквозную дырку.

    image

    На этот момент возможности лазера уже были в принципе понятны, и оставалось убрать весь тот бардак из конденсаторов и оголенной высоковольтной проводки в более-менее аккуратный корпус, удачно оставшийся от разобранного блока питания лазера ЛГ-70. Принято решение сократить конденсаторную батарею, оставив только 6 однотипных конденсаторов, которые идеально влазили в корпус. Впихивание остального барахла затруднений не вызвало, даже осталось место для очень важного узла обеспечения безопасности – вакуумного выключателя имеющего нормально замкнутое положение, который разряжает конденсаторы на мощный резистор, когда прекращаются занятия с лазером и блок питания обесточивается. Заряд надежно сливается примерно за 40 секунд. Платой за это стало некоторое снижение энергии излучения, но зато лампы накачки работают в более щадящем режиме.

    image

    Вверху – конденсаторы, правее – разрядный резистор, в левом нижнем углу – система поджига лампы, круглая катушка правее – балластный дроссель который включается для ограничения импульсного тока через лампы (без него лампы торжественно взрываются после пары десятков вспышек), ещё правее (в центре) трансформатор от китайской микроволновки для заряда конденсаторов, ещё правее – его пускатель, и в правом нижнем углу – вакуумный выключатель ВВ-5, который замыкает конденсаторы на резистор при выключении аппарата из сети.

    image

    image

    Вид БП сзади. Вентилятор там стоит просто потому, что он там был, и там было место под него. Реально греющиеся узлы в этом блоке отсутствуют. Высокое напряжение выводится через два контакта на самодельных проходных изоляторах, которым ещё нужно обеспечить дополнительную защиту от случайных прикосновений.

    image

    После сборки блока питания было решено взять штурмом пятак, выполненный из нержавеющй стали толщиной примерно 1.3 мм. Понадобилось около 7 выстрелов, но сквозной пробой был получен!

    image

    image

    Здесь уже видны искры с тыльной стороны пятака.

    image

    А вот и желаемый результат – сквозной пробой пятака.

    image

    image

    Подводя итог, было бы странно, если бы с моим увлечением я бы не построил этот действительно выдающийся вид лазера, у которого в моей реализации выходная энергия оценивается в 5 Дж при использовании полновесной батареи конденсаторов. Именно с него началась история всей лазерной техники и совершенно новой на тот момент науки – нелинейной оптики, которая открыла совершенно необычные казусы, происходящие со светом в области больших мощностей и энергий. Отдельно я бы хотел поблагодарить Джаррода Кинси, американского лазерного самодельщика, с ним я смог обсудить конструкцию своего самодельного лазера, и получить от него ряд ценных замечаний. В статье были использованы материалы из следующих источников, помимо бездонных глубин интернетов:

    1. Б. Ф. Федоров Оптические квантовые генераторы, «Энергия», 1966,
    2. Б. Ф. Федоров Лазеры и их применения, «Энергия», 1973
    3. А. С. Борейшо Лазеры: устройство и действие, Санкт-Петербург, 1992

    Благодарю за чтение, надеюсь было интересно.

    А для будущих проектов у меня припасен действительно огромный рубиновый стержень – диаметром 16мм и с длиной окрашенной части 240 мм. Полная длина – 300 мм. Из такого кристалла можно получить до 100 Дж выходной энергии. Почти то, что нужно для лазерного бластера.

    image
    Поделиться публикацией
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 112

      +8
      Вы мой кумир, шикарные работы!
        +1

        Давным-давно, в далекой-далекой галактике...

          +12

          Как будто "Гиперболоид инженера Гарина" перечитал. Жду продолжения.

          +1

          Здорово, теперь возьмите металлическую пластину толщиной с монету и сделайте из неё перфокарту. Вечная перфокарта будет, миллиард считываний выдержит и не порвётся.

            0
            … только читаться электрическим способом не будет, исключительно оптическим.
              0

              Почему не будет? Достаточно простое решение:
              Контакт ползет по перфокарте — ток есть, ноль.
              Контакт провалился в отверстие и пошел по непроводящей подложке — тока нет — единица.
              Главное, обеспечить размеры контакта относительно размеров отверстия, чтобы он успевал пройти некоторый участок, не касаясь краев отверстия, либо обеспечить изоляцию контакта, чтобы провалившийся в отверстие контакт был изолирован от краев отверстия.

              +5
              карты галактики в кин-дза-дза так делали наверное
                0
                Кстати, отличную идею подкинули. При желании можно тонким сверлом заколхозить «вечную» дискету с данными.
                  +3
                  раньше проще поступали
                  image
                0
                «Запах озона», на самом деле, запах оксидов азота. Озон не пахнет, хотя он тоже активно образуется под действием УФ-излучения и электрического поля.
                А вообще, фотографии напомнили детство — один родственник работал последовательно в нескольких советских исследовательских организациях, занимавшихся лазерной тематикой, и подобного хлама у него дома всегда было полно — поврежденные зеркала, механизмы юстировки, керамические высоковольтные конденсаторы, провода и кварцевые трубы.
                  0
                  Про запах википедия пишет — «Запах — резкий, специфический «металлический» (по Менделееву — «запах раков»). При больших концентрациях напоминает запах хлора. Запах ощутим даже при разбавлении 1:100000.». Кому верить?
                    +4
                    У озона есть запах — по крайне мере он ощущается при химическом получении озона (из пероксида бария)
                      0
                      И от запаха тетраоксида азота он сильно отличается. Хотя, может тетраоксид в очень низкой концентрации и будет пахнуть похоже, но мне кажется нет
                        0
                        Если «тетраоксид», то тогда уж «диазота». Потому что тетраоксид азота — это уже какое-то слишком теоретическое вещество
                          0
                          Обычно его сокращали просто до «тетраоксида»
                            0
                            В нашем детстве его сокращали до диоксида.
                              0
                              Диоксид азота — это продукт его разложения. А ракетчики говорят «азотный тетроксид», или, для дезы или по привычке, называют его неправильно «амил».
                                0
                                Я думаю, о разложении речь вообще не идёт, так как реакция идёт в обе стороны, и диоксид находится в равновесии с тетраоксидом диазота. И, казалось бы, причём здесь ракетчики…
                                  0
                                  диоксид находится в равновесии с тетраоксидом диазота

                                  Верно. А точна равновесия зависит от температуры.
                                  И, казалось бы, причём здесь ракетчики…

                                  Т.е. что значит «причём»? Кроме них он, мало у кого встречается.
                                    0
                                    Я думаю, он встречается в выхлопе автомобилей (см. обсуждение чуть ниже).
                                      0
                                      В следовых количествах, очевидно?
                                        0
                                        Очевидно нет, в следовых количествах встречается уран в питьевой воде, а здесь речь идёт о десятках миллионов тонн выбросов ежегодно.
                                          0
                                          Ниже по комментариям указаны «оксиды азота». Без конкретизации про АТ.
                          +1
                          Оксиды азота при небольшой концентрации по запаху скорее похожи на хлорку. В реальной жизни придают характерный аромат выхлопу дизеля
                            0
                            По мне запах ближе к запаху серной кислоты чем к хлору.
                          0
                          Концентрированный раствор марганцовки похоже пахнет и некоторые дезинфицирующее средства. Я всегда думал, что это запах одноатомного кислорода.
                          0
                          И озон ядовит, если что.
                            0
                            Ну, не в таких концентрациях, уж точно.
                          0
                          В детстве мы поджигали помойки следующим образом. Брали полиэтиленовую пробку. Наливали туда концентрированной серной кислоты (тогда свободно продавалась в хозмагах). Сыпали туда марганцовку и аккуратно размешивали стеклянной палочкой. Потом аккуратно ставили «сосуд» в помойку, отходили (типа мы тут нипричем) и ждали когда кто-то выкинет мусор. Смесь соприкасалась с органикой, происходил маленький фейерверк, а толпа малолетних оболтусов укатывалась от смеха, мол это не мы, это бабулька помойку подожгла!

                          Так вот. Когда бодяжили кислоту с марганцовкой, я прекрасно помню как пахло. Окислам азота там взяться было просто неоткуда. А вот марганцевый ангидрид (Mn2O7) вполне себе разлагается с выделением озона. С окислами азота тоже прекрасно помню. Химичить в детстве я обожал. У них запах совершенно другой. У озона (марганцовка с серной) он скорее металлический. У окислов азота едкий и какой-то «жирный». Кто нюхал, точно никогда не спутает.
                        0
                        Потрясающая статья, огромное спасибо! Скажите, разве рубин — это не оксид алюминия? И ещё: не будут ли мешать скошенные торцы большого рубина с последней фотографии?
                          0
                          Нет, мешать не будут, хотя и заставят строить «изогнутый» резонатор вместо прямолинейного, поскольку свет на этих торцах преломляется.
                            0
                            Насколько я помню, торцы специально скошены под углом Брюстера, чтобы минимизировать отражения луча при выходе из кристалла.
                            0
                            Рубин — действительно Al2O3. Красный цвет дают ионы хрома, собственно необходимые для работы лазера. Видимо совсем красный рубин не подходит, может по указанной автором причине — «у рубина есть крайне нехорошее свойство поглощать собственное излучение на длине волны генерации».
                            Для примера сапфир — тоже оксид алюминия, Вики подсказывает, что с примесями титана и железа. Применяется как подложка для создания структур типа AlGaAs или AlGaN.
                              0
                              Торцы стержня скошены под угол Брюстера — угол наименьшего отражения от поверхности.
                                0
                                Просто такой стержень выдаёт поляризованное излучение. А резонатор нужен конфокальный (в данном случае — полуконфокальный).
                              +2
                              Спасибо большое; всегда с удовольствием читаю Ваши статьи, а результат описанный именно в этой, я считаю лучшим косплеем laser rifle из Fallout.
                                +3
                                Спасибо за интересную статью и грамотную речь.
                                  +2
                                  Да и Нобелевскую премию за изобретение лазера присудили Ч. Таунсу, а не ему, которая должна была принадлежать ему по праву
                                  Ну, нобелевскую премию Таунсу дали даже не столько за разработку мазера за пять лет до Мейнмана, сколько за, цитирую, «фундаментальную работу в области квантовой электроники, приведшую к созданию излучателей и усилителей на мазерно-лазерном принципе».
                                    +1
                                    На фоне вашей данной публикации статья из Вики о комплексе "Сжатие" выглядит
                                    довольно-таки несуразно.
                                    Можно попросить прокомментировать некоторые моменты из Вики?
                                    Типа:
                                    — посеребренные торцы рубина (ради компактности, но в минус надежности?)
                                    — «Вокруг рубинового стержня в форме спирали были обвиты ксеноновые импульсные газоразрядные лампы-вспышки для освещения кристалла»…
                                    — какая же там была батарея конденсаторов?
                                    — как излучение одного лазера умудрялись поделить аж на «12 каналов» с разными
                                    длинами волн?
                                    И пожалуй, главный вопрос:
                                    — чисто теоретически, сколько можно было получить выходной мощности с
                                    такого рубинового стержня (весом в 30 кг.) В одной точке, а не разделенным
                                    на «12 каналов».
                                      +2
                                      Достоверной информации в открытых источниках по содержавшейся в этой машине лазерной установке нет. Поэтому описанное в статье в педивикии ИМХО сплошные домыслы. Что там было на самом деле внутри — можно лишь предполагать.

                                      Про разные длины волн скорее всего вранье. Деление на 12 каналов возможно стандартными методами геометрической оптики. Единственное что возможно могло быть — это установка удваивающих частоту кристаллов в некоторых каналах, тогда действительно можно получить длину волны вдвое короче основной. Тогда получалось уже излучение двух возможных длин волн, но не 12ти. Получение более высоких порядков (гармоник) уже очень неэффективно. Про рубиновый стержень массой в 30 кг скорее всего тоже вранье — насколько я знаю готовых лазерных кристаллов таких размеров не выпускали — кишка была тонка. Такого размера существовали только неодимовые стекла, и сейчас существуют. Если принять величину массы АЭ за истину то скорее всего там было неодимовое стекло. А с АЭ из высокоэффективного фосфатного неодимового стекла можно было бы получить десяток-два килоджоулей при массе конденсаторной батареи до 10 тонн, реально хватило бы и 5т. Если все же вообразить, что там был кристалл рубина, то выходная энергия с него ограничилась несколькими килоджоулями, скорее всего порядка 5 кДж +-два пятнистых удава.

                                      Торцы кристалла ещё помимо компактности серебрили чтобы упростить обслуживание установки — не нужно поддерживать «строй» оптического резонатора, подстраивать зеркала итп. В ряде случаев это важно, например когда аппарат\установка находится в пользовании у неквалифицированного персонала.
                                        +1
                                        Ещё интересен вопрос, где взяли изначально рубиновый стержень. Там ведь совсем не природный рубин. Лазерный рубин сильно светлее. Его специально делать надо. Где же его взяли для самого первого рубинового лазера? Это ж надо целую промышленность запускать по изготовлению таких вещей.

                                        Что касается зеркал- разве в лазерах не используют зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием (обратно просветлению оптики) с высоким коэффициентом отражения (99.9%)?
                                          +2
                                          В 50ые годы искусственные рубиновые кристаллы уже использовали в квантовых парамагнитных усилителях СВЧ в радиотелескопах, но даже если я ошибаюсь, то промышленность по выращиванию искуственных кристаллов уже была. Диэлекрические зеркала конечно же сейчас применяют, но на момент изобретения лазера технология ещё не была отточена, поэтому серебрили торцы стержня.
                                            0
                                            Как я писал выше, отражатели конечно многослойные, например для микрорезонаторов это по 10-15 слоев lambda/2 (пар чередующихся веществ толщиной четверть д.в.).
                                            Как пример, это могут быть давно известные в микроэлектронике слои оксида гафния вперемешку с ещё более давно известным оксидом кремния.
                                            Такой резонатор получает хороший коэффициент отражения в широком диапазоне длин волн (а не только на конкретной lambda).
                                              +1
                                              Искусственные рубиновые кристаллы в то время уже выращивали методом Вернейля (нагрев с помощью водородно-кислородной горелки) для подшипников часов и других точных приборов.
                                                0
                                                Рубины делали с 70-х годов 19-го века. Может не такие качественные как нужны для лазеров (тут важна высокая однородность) но тем не менее. А серьёзная промышленность кристаллов начала развиваться с 30-х годов, когда радиотехника потребовала в массовых количествах кварц. Так что к 60-м получение качественного рубина большой проблемы не представляло. Да, не дешево. Но и ничего особенного.
                                            +4
                                            Поскольку спиральные лампы в СССР были редки, то пошли по пути использования тех ламп, которые есть в достаточном количестве.
                                            Странно, что в лабораторных установках ориентировались на промышленные лампы. Одно время я собирал литературу по импульсному фотолизу (flash photolysis): во многих публикациях описывались самодельные лампы. Судя по этим описаниям сделать такую лампу в лабораторных условиях не является трудной задачей.
                                              +2
                                              Самостоятельно в лабах лампы действительно делают, но только в том случае, если надо иметь преимущества по сравнению с промышленно выпускаемыми. Например, когда надо получить особо короткие вспышки определенного спектра. По требуемым временным параметрам для накачки рубина вполне подходят промышленные лампы, а для накачки красителя, уже действительно могут понадобиться специальные лампы которые проще сделать самому.
                                              0
                                              Если какая-то часть кристалла остается незасвеченной, то она начинает поглощать излучение, которое усиливается в засвеченной части и эффективность лазера сильно снижается. Обусловлено это трехуровневой схемой атомов хрома в рубине. По этой же причине у рубина очень высокая пороговая энергия накачки.


                                              А разве это не свойство всех активных сред? Если вероятность поглощательного перехода меньше вероятности такого же излучательного, то как получится инверсная населённость уровня (если уровень быстрее освобождается, чем наполняется )? И разве это не равновероятные процессы?
                                              И разве трёхуровневая схема как-то влияет на это поглощение? Она ведь влияет только на энергию фотона накачки (которая hv) и на тепловыделение внутри элемента (как разность энергий между начальным уровнем и метастабильным).
                                                +1
                                                Если вероятность поглощательного перехода меньше вероятности такого же излучательного, то как получится инверсная населённость уровня (если уровень быстрее освобождается, чем наполняется )?


                                                Если система накачки не успевает загнать атомы на метастабильный уровень относительно скорости рекомбинации на основной — то лазер не работает. Поэтому скорость накачки должна быть быстрее чем опустошение метастабильного уровня.

                                                В трехуровневой схеме возбуждение метастабильного уровня возможно и путем поглощения фотона который излучается при опустошении оного — потому, если часть кристалла не засвечена лампой (более коротковолновым излучением, относительно генерационного лазерного), то она начинает поглощать фотоны с длиной волны генерации и усиление в кристалле уменьшается.

                                                Но это не точно) Возможно есть другие механизмы про которые я не знаю.
                                                  0
                                                  Поэтому скорость накачки должна быть быстрее чем опустошение метастабильного уровня.


                                                  Да нет, речь не об этом. Речь о том, что переход с метастабильного уровня на основной и обратно равновероятен, а потому любая активная среда всегда будет поглощать собственное излучение.
                                                    0
                                                    Здесь закралась ошибка. Для того, чтобы произошел переход, с поглощением ли фотона, или с излучением, нужно чтобы на исходном уровне была хоть какая-нибудь населенность. Все лазерные среды работающие по четырехуровневой схеме не поглощают свое излучение, т.к. населенность нижнего уровня для соответствующего перехода близка к нулю, за счет очень малого времени жизни.
                                                      0
                                                      А, точно. Нужна же ещё населённость уровня. :) Вот тот же лазер на парах меди с самоограничением за счёт большого времени жизни промежуточного уровня.
                                                    0
                                                    Да, механизм именно такой. Поэтому более эффективна четырехровневая схема, как в иттрий-алюминиевом гранате (YAG) с неодимом.
                                                  +3
                                                  Фотонный бластер в 100 Дж, ПОЖАЛУЙСТА!!!
                                                    0
                                                    Видео бы испытания, со звуком. Интересно с каким звуком это происходит. Ну и главное как это выглядит, засечет ли луч камера.
                                                      0
                                                      Луч на камере не виден, так как его перебивает свет от ламп накачки.
                                                        0
                                                        А если применить какие нибудь фильтры? Я в оптике плохо разбираюсь, но если есть очки что не пропускают лазерное излучение (привет Алику и его лазерам/станкам/прочему), то неужели нету подобного для камер. Чтоб увидеть луч?
                                                          +3
                                                          Луч не видно, потому что ему отражаться в воздухе не от чего. Дунуть на него паром из дыммашины/вейпа, станет виден.
                                                            +1
                                                            Повторюсь — при съемке идет сильная паразитная засветка белым светом от ламп-вспышек которые нужны для накачки лазера. Если яркость паразитной засветки больше чем «полезной», то сколько ни фильтруй, ни дуй, ни плюй — заснять не получится. Единственный выход — сделать кожух который полностью закроет квантрон с лампами, тогда паразитной засветки не будет и можно будет поймать луч на камеру. Но на тот (и этот) момент руки его сделать не дошли.
                                                              0
                                                              Нет, это само-собой. Я имею ввиду, что даже в случае отсутствия засветки увидеть луч лазера в воздухе может быть сложно.
                                                                0
                                                                А если отойти от лазера на несколько метров? Свет от накачки рассеется, а от лазера — нет. Мне кажется вполне можно с помощью дыма/пара засечь.
                                                                  0
                                                                  Пробовал, хороших фоток лично у меня не получилось.
                                                                0
                                                                от энергетичности же зависит, ионизация, рассеивание, вот это вот всё
                                                                  0
                                                                  Если спектр лазера соответствует скажем ионизации внешней электронной оболочки углерода, азота или кислорода (переводу электрона выше энергии уровня n = inf), то поглощение будет заметным. Например для кислорода это 13.6 эВ. но я тут беру атомарный. Энергия разрыва молекулы будет немного другой, а после этого по идее атомарный газ опять объединяется в молекулу с излучением той самой длины волны.
                                                                  Соответственно видимый свет атомы точно не ионизирует, будет например обычное рассеяние с законом по Рэлею. Тут длина волны до 695 нм, то есть красный свет и рассеивается относительно слабо.
                                                                  Но наверное разные компоненты воздуха будут поглощать по разному, вот скажем нашел про водяной пар. Пик поглощения правда дальше — от 700 до 740 нм.
                                                                    0
                                                                    кмк луч любого лазера можно визуализировать, даже 10мкм углекислотного, вопрос только в мощности
                                                                    если мы не в чистой комнате, помимо азота, кислорода, аргона, углекислого газа и водяного пара всегда будут присутствовать разнообразные микрочастицы
                                                                    заизолировать накачку, в тёмной комнате выставить 1-2-секундную выдержку на штативе и всё получится
                                                                      0
                                                                      Вопрос в мощности и селективности воспринимающего свет вещества. Если наш условно говоря «тепловизор» может «накопить» сигнал на длине волны 10.6 мкм, значит что-то снять выйдет.
                                                                      Вопрос немного не по теме, именно про микрочастицы. Вот есть скажем вещество InSb с шириной 0.17 эВ (это соответствует 7.3 мкм). А по идее в наночастице металла из не очень хороших проводников должна возникать запрещенная зона, может выйдет подобрать чуть меньше, чтобы поглощать излучение углекислотного лазера.
                                                            0
                                                            «Пиу-пиу»
                                                            0
                                                            а сколько стоит такой рубин?
                                                              0
                                                              В зависимости от размера, места покупки и от везения — от одной до пары десятков тыс руб. Реально найти в пределах 5-8
                                                                0
                                                                Ищите лучше на неодимовом стекле или YAG:Nd, они более распространены. Но они светят в ближнем ИК 1,064 мкм, глазом не видно
                                                                0
                                                                Ваша фамилия случайно не Гарин, господин инженер? :-)
                                                                  0
                                                                  Мой вопрос, скорее всего, очень глупый и меня заминусуют.
                                                                  Что мешает наращивать мощность накачки с тем же кристаллом?
                                                                    +3
                                                                    Во-первых перегрев (до определенного предела решаемо), во-вторых — то что происходит насыщение. Число активных атомов в кристалле конечно — когда задействованы все, то дальше уже не выжать ни капли.
                                                                      +1
                                                                      Что-то мне подсказывает (наверное, математика), что потребуется мощность (желательно лазерного же излучения, желательно нужной длины волны) едва ли не превосходящая получаемую :(

                                                                      Поправьте меня, если я ошибаюсь.

                                                                      Тут и так реальный КПД смешной.
                                                                      > Порог генерации упал до 900 Дж
                                                                      А выходная энергия, судя по количеству выстрелов для пробития пятака… не могу точно ткнуть пальцем, но явно меньше 9Дж / имп.
                                                                      Итого печальный 1%, но зато корегентного!
                                                                      Современные лазерные диоды иронично улыбаются в сторонке, хотя такую мощность импульсом им и не выдать.

                                                                      На современных материалах же можно получить более интересные мощности. Но страшно =)
                                                                        0
                                                                        Чтобы пробить наш пятак, нужно всего-то испарить сталь. Нашел вот инфу — толщина полтора мм, можете прикинуть плотность — обычная ли это нержавейка.
                                                                      0
                                                                      Что мешает излучению снимать инверсную населенность быстрее, чем мы накачиваем среду? Другими словами, при любой разумной скорости накачки насыщения не удастся достигнуть, т.к. излучение внутри резонатора будет снимать инверсную населенность быстрее, чем она будет восполнятся накачкой. Разве не так?
                                                                        0
                                                                        Хороший вопрос, как-то не подумал об этом.
                                                                        0
                                                                        Отличная статья и похвальный энтузиазм!
                                                                        К вопросу больших активных элементов…
                                                                        Где-то на складах у коллег вот такие видел, если интересно, могу узнать, может ещё не выбросили. Маркировка ЛГС-247-1.5 была, но мне это ни о чём не говорит)
                                                                        Бревно внутри

                                                                          0
                                                                          написал в личку
                                                                          0
                                                                          А то я смотрю у меня обои отклеились.
                                                                            0
                                                                            Очень классно увидеть статью данного типа. Классно описано, я учусь в университете на кафедре корреляционной оптики, как оптотехник. На счет рубиновых лазеров учил и то что пятак пробивает, но на виду не видел. Но теперь видел) Спасибо.
                                                                              –3
                                                                              За вами выехали
                                                                                0
                                                                                А такой вопрос: вы на фотографии в той же комнате, что и лазер. А какие средства защиты используете? Ведь если блик от такого попадёт в глаза, то уже всё
                                                                                  +2
                                                                                  Использую специальные защитные очки со специальным паспортом.

                                                                                  спойлер
                                                                                  Возможно, о вопросах лазерной безопасности будет отдельная, более занудная статья.
                                                                                  0
                                                                                  «Респект и уважуха!!!» )) Как будто в аспирантской молодости побывал. Спасибо.
                                                                                  Лет 30 назад было много экспериментов с ГОР-30. Активный элемент там был (если не ошибаюсь) как раз рубиновый стержень 16х300. Вот 30 Дж в максимуме и можно было получить в свободной генерации. Про 100 Дж даже и не мечталось.
                                                                                    0
                                                                                    Позволю усомниться все же в размерах стержня у ГОР-30. Вот у ГОР-100 точно был стержень с 16*240 (окрашенная часть), так как известно из инструкции. Жаль, что это у Вас было давно, так бы попросил фотографии этого лазера для истории, они очень редки сейчас.
                                                                                      0
                                                                                      Жаль, что за ненадобностью подробности забылись — кто же знал ))
                                                                                      1. Уже сомневаюсь, что это был ГОР-30, а не ГОР-100М.
                                                                                      image
                                                                                      2. Удивлён — действительно фотографий ГОРов не много.
                                                                                      image
                                                                                      3. Во всех случаях — активный элемент помнится равномерно окрашенным и без скосов
                                                                                      image
                                                                                      4. Почему-то по фантомным воспоминаниям АЭ больше, чем 24 см, но тут уж…
                                                                                      Приходилось работать с ГОС-1000, так там АЭ был, наверное, метровый и диаметром сантиметров 3-5 ))
                                                                                      5. До кучи…
                                                                                      image
                                                                                      image
                                                                                      6. Не хватает фото пульта управления ((
                                                                                        0
                                                                                        По поводу сколов — может и есть смысл сколоть под уголом Брюстера, тем более — если этот кристалл потом всунуть в кольцевой резонатор.
                                                                                        Плоские параллельные — это был бы обычный Фабри-Перо, но может для цилиндра конфокальный/полуконфокальный вариант полезнее будет.
                                                                                          +1
                                                                                          image
                                                                                            0
                                                                                            Спасибо за фотку этикетки! Почему-то в этикетке на мой стержень вообще ничего толкового не написано, только «соответствует параметрам». Нет ни величины концентрации хрома, ни генерационных параметров.
                                                                                              0
                                                                                              Ну, и славно )) А вот теперь уже интересно как «считали» энергию накачки. Я о том, что больше 30 Джоулей на выходе не получалось, а тут аж 106! Банки, лампы, отражатели, юстировка должны быть идеальными!
                                                                                                0
                                                                                                Для паспорта энергию генерации определяли экспериментально, насколько я понял. Возможно ещё выходная энергия зависит от подбора пропускания выходного зеркала резонатора и довольно чувствительна к форме светового импульса накачки.
                                                                                                  0
                                                                                                  С энергией генерации примерно понятно — померили, допустим, ИТК-1Н.

                                                                                                  Я про энергию накачки.
                                                                                                    0
                                                                                                    Так а энергию накачки просто фиксируют по напряжению и емкости конденсаторов, которая привела к измеренной энергии генерации.
                                                                                                      0
                                                                                                      Это и грустно, т.к. 100 Дж на кустарном отражателе не получить, если уж в стандартной комплектации при юзаных лампах и посеребрении не получалось. А в паспорте КПД менее 1% при, надо полагать, идеальной конфигурации.
                                                                                    0

                                                                                    Вообще, конечно, мегакруто. Единственное, для обывателей непонятно, откуда исходники. "Как построить лазер? Возьмите детали старого советского лазера..."


                                                                                    Откуда все это берется? Можно запросто пойти и купить запчасти для лазерной устновки?

                                                                                      0
                                                                                      У автора — списанные из лаборатории детали. А так, да, всё продаётся.
                                                                                        0
                                                                                        Все продается — относительно недорого по барахолкам, дороже — на ебэе, еще дороже и новое — у китайцев, совсем дорого — у фирм -производителей.
                                                                                          0
                                                                                          А у китайцев как найти рубиновый стержень? А то что-то на том же али ничего не могу найти.
                                                                                            0
                                                                                            Никак. Ищите на и-бее. На али только свежевыпущенный ширпотреб продают.
                                                                                              0
                                                                                              Мне интересно сравнить цены было. На ebay я уже посмотрел.
                                                                                              0
                                                                                              На али и не будет, на алибабе иногда бывает, но т.к. в настоящее время рубиновые лазеры редки, кристаллы к ним тоже редки.
                                                                                          0
                                                                                          Класс. Интересная статья. Спасибо.
                                                                                          P.s. Обожаю такие изобретения. Это вам не на Али светодиоды покупать. )))))
                                                                                            0
                                                                                            Вот бы видео работы… Это было бы просто шикаро
                                                                                              0
                                                                                              А вот и желаемый результат – сквозной пробой пятака.

                                                                                              Есть видео, где его пробивают? Друг очень просит :)

                                                                                                0
                                                                                                Очень рад, что занавесочки пережили-таки искорки =)

                                                                                                Статьи — супер. Конкретно этой не хватает лишь схемы блока питания (хотя бы примерной) с небольшими пояснениями (было бы совсем круто).

                                                                                                Моё уважение.
                                                                                                  0

                                                                                                  Планируете ли статью о лазере на углекислом газе?

                                                                                                    0
                                                                                                    Планирую, когда сделаю нечто большее чем «подключить к БП готовую трубку», а именно хочу попробовать трубку самостоятельно сделать.
                                                                                                    0
                                                                                                    балластный дроссель который включается для ограничения импульсного тока через лампы
                                                                                                    А какой критерий выбора индуктивности, если не для лазера, просто — максимально «пыхнуть».
                                                                                                    На ИФК-2000 в паспорте кроме скромной таблицы ёмкости конденсаторов/напряжения не припомню. И при каких мощностях нужно начинать беспокоиться?
                                                                                                      0
                                                                                                      В паспорте на лампу обычно есть т.н. «фактор нагрузки» — некая безразмерная величина, которая формируется из взаимовлияния энергии вспышки, длительности вспышки, частоты повторения вспышек. Следовательно режим работы лампы должен подбираться так, чтобы величина «фактора» не выходила за допустимые пределы. Более подробно об этом можно почитать в книге Маршака «Импульсные источники света», там же насколько помню была и формула вычисления фактора.

                                                                                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                                                                    Самое читаемое