كما تعلمون ، الليزر هو جهاز قادر على تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز. وقد تم توقع إمكانية بناء هذا الجهاز لأول مرة نظريًا ، وبعد سنوات عديدة فقط كان من الممكن بناء العينة الأولى. اسمحوا لي أن أذكركم بأن الانبعاث المحفز تم تفسيره من وجهة نظر نظرية الكم بواسطة آينشتاين ، وبدأ التجسيد الأول لهذا المبدأ في الحديد في الخمسينات من القرن العشرين بشكل مستقل من قبل مجموعات مختلفة من العلماء ، أشهرهم كان C. Townes ، A.M. Prokhorov و N.G باس. ثم تمكنوا من بناء أول مولد كمي - وهو ماسير ، الذي ولّد إشعاعًا في منطقة موجات السنتيمتر. ظل النطاق البصري غير مقيد في ذلك الوقت ، وسأحاول معرفة كيف تمكنت من التغلب عليه في هذه المقالة.
وتمكن ثيودور ميمان من التغلب عليه في الستينيات. أجرى العديد من الحسابات واستنتج أن بلورة الياقوت ستكون وسيلة عمل مثالية لتوليد موجات في النطاق البصري. اقترح مبدأ ضخ سائل العمل - مع ومضات ضوئية قصيرة من مصباح الفلاش المقابل وطريقة لخلق ردود فعل إيجابية من أجل أن يصبح مكبر الصوت مولدًا - تم تنفيذ هذه الوظيفة بواسطة طلاء المرآة في نهايات البلورة. أظهرت حسابات ميمان أن ذرات الكروم ، وهي شوائب في بلورات الياقوت وتجعلها ياقوت ، لديها نظام مناسب لمستويات الطاقة ، مما يجعل من الممكن توليد إشعاع الليزر. في الياقوت ، يتم تنفيذ أبسط مخطط من ثلاثة مستويات. تمر ذرة الكروم ، التي تمتص الضوء في المنطقة الزرقاء والخضراء من الطيف ، إلى المستوى المتحمس الأعلى ، والذي يحدث منه انتقال غير إشعاعي إلى المستوى المستقر ، والذي يمكن أن يستمر فيه لمدة تصل إلى 1 مللي ثانية. من هذه الحالة ، تعود الذرة إلى مستوى الأرض ، وتنبعث من الفوتون بطول موجة إما 694 أو 692 نانومتر ، نظرًا لأن المستوى غير المنتشر ليس في الواقع ، فهناك اثنان متباعدان جدًا. تسمح إمكانية تراكم الذرات على مستوى غير مستقر للمرء بإنشاء تعداد عكسي ، ومعه توليد إشعاع الليزر ، عندما يتسبب واحد أو أكثر من الفوتونات المنبعثة تلقائيًا في تلاشي جميع الذرات الأخرى من الحالة المستقرة إلى الحالة الأرضية ، مما ينبعث من الفوتونات الجديدة بنفس الطول الموجي ، الطور والاستقطاب واتجاه الحركة. إنها تخلق شعاعًا أحمر ساطعًا يتميز بالتماسك.
ترتبط الكثير من الأحداث المثيرة للاهتمام وأحيانًا غير العادلة جدًا بتاريخ اختراع أول مولد كمي بصري. بادئ ذي بدء ، تجدر الإشارة إلى أن Meiman قام بتطوير أول ليزر بمبادرة منه وفقط مع مساعده ، في حين تم إنشاء ليزر الياقوت على عكس آراء العديد من الخبراء الذين كانوا على يقين من أن الياقوت غير مناسب كوسيط عمل. هناك أسطورة حضرية تفيد أن مساعده ، وهو مصاب بعمى الألوان ، لأول مرة في حياته رأى ضوءًا أحمر ، في اللحظة التي تم فيها تجميع الليزر وعمله. وفقًا للأسطورة نفسها ، لم يلاحظ Meiman بصريًا شعاع الليزر ، حيث كان مشغولًا للغاية بإعدادات معدات التسجيل - كان من الضروري جمع البيانات التجريبية وإعداد مقال للنشر ، والذي سيقدم أدلة مقنعة على أنه تم الحصول على إشعاع متماسك للنطاق البصري لأول مرة. هنا بدأت الصعوبات. أولاً ، تم رفض مقال ميمان حول إمكانية توليد إشعاع بصري متماسك في بلورة ياقوت من نشره في مجلة Physical Review Letters ، موضحا أنه "لا يوجد شيء جديد في مقاله". بدلاً من ذلك ، تم نشر مقال في Nature. ما هو المميز - في عام 1958 ، نشرت مجلة Physical Review Letters بالفعل مقالًا حول مبادئ عملية الليزر ، تم إرسالها من منظمة منافسة - Bell Labs ، وعلى الرغم من حقيقة أنه ليس لديهم نسخة عمل من الليزر ، فقد وصفت المقالة مجرد مبرر نظري. لقد ابتدعوا بسرعة براءة اختراع ليزر ، لم يكن لديهم حتى الآن. وانحرف ميمان عن هذه المجلة ، على الرغم من أنه بنى أول ليزر يعمل. علاوة على ذلك ، شرح بالتفصيل لعلماء Bell Labs في محادثة هاتفية ما يحتاجه لإنشاء ليزر وكيفية صنعه ، بعد أن قام بإنشاء جهاز خاص به. ومع ذلك ، لم يتم التعرف على أولوية Meiman في اختراع الليزر. وقد مُنحت جائزة نوبل لاختراع الليزر لـ C. Townes ، وليس له ، الذي كان ينبغي أن ينتمي إليه بالحق. ويفسر هذا جزئياً حقيقة أن ميمان عمل في شركة خاصة نفذت أوامر للجيش ، وليس في مختبر جامعي.
الآن ، دعنا نترك الدراما وحدها ونرى كيف تم ترتيب ليزر روبي Meyman في الحديد. كان التصميم بسيطًا للغاية - في حالة مدمجة كان مصباح فلاش حلزوني مصغر ، تم فيه إصلاح بلورة روبي مصغرة أكثر. كانت نهاياتها المعاكسة مطلية بالفضة - كان أحد طرفيها مرآة "صماء" ، والثاني مطلي بالفضة بطبقة أرق ، مما سمح بمرور بعض الضوء. كان أول ليزر في العالم يبلغ طوله 12 سم ووزنه 300 جرام وبدا وكأنه لعبة.
تفاصيل الليزر عن قرب:
في الواقع ، بلورة ياقوت.
وتجميع الليزر كله ، بدون مصدر طاقة.
حصلت الصحافة أيضًا على صورة ليزر بحجم أكبر ، لكنها ليست الأولى من نوعها على الإطلاق. وبدأ الصحفيون على الفور في إثارة حالة من الذعر ، كما يقولون ، تم اختراع "أشعة الموت".
بعد عام أو عامين فقط ، عندما انتشرت أخبار اختراع الليزر بالفعل حول العالم ، بدأت أول عينات مخبرية من الليزر في الظهور في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. على عكس الدول الغربية ، لم تتجذر مصابيح الضخ اللولبية في الليزر على الفور. أولاً ، على الرغم من "وضوحها" ، فإن شكل الجسم المتوهج بعيد عن أن يكون مثالياً - فقط جزء صغير من الضوء يذهب إلى العنوان ، حيث أن المنعطفات المجاورة من اللولب تضيء بعضها البعض بشكل أساسي ، ولا يتم إدخال بلورة روبي فيها. ثانيًا ، لم تنتج الصناعة السوفيتية مجموعة واسعة من مصابيح الفلاش اللولبية. وتلك التي تم إنتاجها كان لها شكل غير مناسب - كان اللولب كبيرًا جدًا في القطر ولكن كان له عدد قليل من المنعطفات ، مثل المصابيح المعروفة IFK-20000 و IFK-80000. كان هناك تعديل حلزوني في مصباح IFK-2000 المعروف جيدًا والمنتشر إلى حد ما ، ولكنه نادر جدًا ويمكنه فقط "ضخ" أصغر بلورة ياقوت ، كما هو الحال في Mayman. بما أن المصابيح اللولبية كانت نادرة في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، فقد ساروا على طول مسار استخدام تلك المصابيح بكميات كافية. أول ليزر في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية أتيحت له الفرصة لتثبيت بلورات بأحجام مختلفة ، واستخدمت أنابيب U "الكلاسيكية" IFK-2000 للضخ. لذلك بدا حيا.
وهكذا تم عرضه في كتب BF Fedorov من المنشورات المختلفة.
نظرًا لأن طريقة الضخ هذه لا تزال غير فعالة ، فقد تركوها بسرعة لصالح الضخ باستخدام أنابيب أنبوبية مباشرة من سلسلة IFP. كما بدأ إنتاج بلورات روبي في أحجام قياسية قليلة فقط ، بالضبط حجم الجزء المضيء من المصباح. تم وضع الكريستال الياقوتي والمصباح في بؤر العاكس الإهليلجي ، بحيث جمعت البلورة الحد الأقصى للضوء المتاح. لذلك يبدو تخطيطيًا.
ويبدو وكأنه عاكس بيضاوي الشكل يعيش.
كان هناك أيضا تصميم مع ما يسمى مصباح "تجويف". يتم الحصول على مصباح التجويف عن طريق زيادة عدد الدورات في اللمبة اللولبية تدريجيًا إلى ما لا نهاية ، حتى تندمج في تجويف مستمر. هذا المصباح عبارة عن أنبوبين مصنوعين من زجاج الكوارتز متداخلين في الآخر وملحومين في النهايات. يتم لحام الأقطاب الكهربائية في الأطراف المقابلة من المصباح. تم استخدام مصباح التجويف الوحيد المعروف للتصنيع السوفييتي - IFPP-7000 ، في ضخ وحدة الليزر UIG-1.
يحتوي مخطط المضخة هذا على جميع عيوب دائرة المصباح اللولبية ، لذلك لم يتم استخدامه في أي مكان آخر. في الصورة ، مصباح IFPP-7000 والكريستال الياقوتي المستخدم معها. بالإضافة إلى الدوائر الغريبة الآن مع مصابيح المضخات اللولبية والتجويف ، يمكن أن يعمل ليزر الياقوت في دائرة أكثر غرابة - مع الضخ المستمر. هذا ممكن إذا كانت بلورة الياقوت صغيرة جدًا ، يتم تبريدها بالنيتروجين السائل وإضاءتها بواسطة شعاع مركز من مصباح الزئبق عالي الضغط أو شعاع ليزر الأرجون القوي. لكن مثل هذه الأجهزة لم تترك جدران المختبرات أبدًا ، وتبقى غريبة غريبة موصوفة في المقالات العلمية ، على الرغم من حقيقة أنه مع مرور الوقت كان من الممكن "الفطام" من النيتروجين السائل. بعد ذلك ، رفضوا أيضًا المرايا التي تم رشها على الأطراف ، لأنها قصيرة العمر وفي حالة حدوث ضرر ، سيتعين عليهم تغيير البلورة بأكملها. تم الاحتفاظ بهذا التصميم فقط في تلك الأجهزة التي تتطلب الحد الأقصى من الضغط ، كما هو الحال ، على سبيل المثال ، في أجهزة إزالة الشعر بالليزر. في جميع المرايا الأخرى يتم تركيبها بشكل منفصل على أجهزة الضبط.
سيكون من الغريب إذا لم أرغب في بناء ليزر الياقوت الخاص بي باستخدام القمامة التي تم التخلص منها بعيدًا عن معمل الليزر وفي نفس الوقت. أردت أن أشيد بالتاريخ. حسنًا ، احصل على أول تجربة مع ليزر الحالة الصلبة النبضي. فيما يلي وصف لبناء ليزر الياقوت الخاص بي.
المعلومات المقدمة هي لأغراض إعلامية فقط. المؤلف غير مسئول عن محاولات تكرار الوصف.كان الأساس هو البلورة المذكورة أعلاه من تثبيت UIG-1. هذا هو الكريستال الوردي الشاحب مع حجم الجزء المطلي العامل 8 * 120 ملم ، مع نصائح إضافية عديمة اللون ، والتي تعطي إجمالي طول الكريستال 180 ملم. هناك حاجة إلى نصائح لتركيب البلورة في حالة الباعث. سبب آخر يجعل الجزء المطلي مصنوعًا تمامًا وفقًا لحجم مصباح المضخة هو أن الياقوت له خاصية سيئة للغاية لامتصاص إشعاعه الخاص عند توليد الطول الموجي. إذا ظل جزء من البلورة غير مضاء ، فإنه يبدأ في امتصاص الإشعاع ، الذي يتم تضخيمه في الجزء المضاء ويتم تقليل كفاءة الليزر بشكل كبير. هذا يرجع إلى مخطط ثلاثي المستويات لذرات الكروم في الياقوت. وللسبب نفسه ، تتمتع الياقوت بطاقة ضخ عالية جدًا.
بادئ ذي بدء ، تم بناء نموذج أولي لمصدر الطاقة لمصباح المضخة. تفاصيله الرئيسية هي بنك مكثف 1000 μF ، والذي تم شحنه حتى جهد 3 كيلو فولت.
دعني أذكرك أن الدوائر ذات المكثفات عالية الجهد ذات السعة الكبيرة مميتة!
شحنة الدائرة واشتعال المصباح. للمحاولة الأولى ، تم أخذ IFP-5000.
في البداية ، تم اختبار الدائرة مع المصباح بدون أي غلاف. وميض المصباح قوي للغاية ، ويحدث مع صوت عالٍ إلى حد ما ويمكن رؤيته بسهولة في الغرف المجاورة - ينتشر الضوء عبر الممر ، مما يعكس الجدران. وميض مصباح قادر على تفحيم الخشب والورق ، والتي يتم وضعها في التركيز. يرافق كل وميض رائحة الغبار المحترق والأوزون الناتج عن نبضة قوية من الأشعة فوق البنفسجية القاسية ، ويصاحبها موجة حر ، إذا كنت بجوارها. المراقبة المباشرة للفلاش بدون حماية العين أمر خطير للغاية! قناع لحام عادي أو نظارات واقية كافية للحماية.
بعد أن لعبت بما يكفي مع أقوى فلاش في ذلك الوقت ، جمعت باعثًا مع هذا المصباح والكريستال الموضح أعلاه. كانت حالة المصباح والكريستال عاكسًا زجاجيًا أحادي الكتلة من الليزر التكنولوجي Kvant-16 ، وكانت القاعدة عبارة عن قطعة من قناة معدنية. أجهزة المحاذاة لمرايا الرنان مصنوعة من قطع من نفس القناة.
بصفتي مرآة صماء ، قررت استخدام منشور التفكير الكلي.
وفي عطلة نهاية الأسبوع ، تم اختيار مرآة من ليزر الياقوت.
بالنظر إلى المستقبل ، سأقول أن هذا البناء تبين أنه غير صالح للعمل. لم يكن من الممكن الحصول على جيل ليزر عليه. الأسباب واضحة للغاية - مصباح المضخة هو ضعف طول البلورة ويتم استخدام ضوءها بشكل غير فعال للغاية. وإمكانية مرآة الإخراج لتزويد هذا الجيل أثار أيضًا تساؤلات. كان لا بد من إعادة بناء Quantron (ما يسمى المصباح + الكريستال + كتلة العاكس). في الإصدار الثاني ، صنعت حاملًا جديدًا للكريستال والمصابيح ، بدلاً من مصباح واحد IFP5000 ، قررت استخدام مصباحين IFP2000 ، موضوعين عند توقف البلورة ومتصلين في سلسلة كهربائية. يتطابق طول IFP2000 تمامًا مع طول الجزء الملون من البلورة. تسمى طريقة التخطيط هذه "التغليف الضيق".
كعاكس ، تقرر اختبار البلاط الأبيض. الاتجاه الحالي في تصنيع الليزر التجاري هو استخدام عاكسات السيراميك المنتشرة المصنوعة من الألومينا الملبد ، والتي تعكس ما يصل إلى 97 ٪ من الضوء الساقط. العاكسات ذات العلامات التجارية ، بالطبع ، ليست متاحة لي ، لكن البلاط لا يبدو أسوأ ، فهي أيضًا بيضاء تمامًا.
تم استبدال مرآة الإخراج أيضًا بمرآة جديدة ذات نفاذية تم قياسها بنسبة 45 ٪ على طول موجة 694 نانومتر.
وفي هذا التكوين ، كان من الممكن الحصول على توليد من النبض الأول! تبين أن عتبة التوليد عالية إلى حد ما - حوالي 1500 جول من طاقة المضخة. بعث الليزر شعاعًا من اللون الأحمر العميق ، وسطوع رائع. لسوء الحظ ، بسبب "زواله" ، لم يكن من الممكن تصويره. ولكن كان من الممكن إصلاح تأثيره المدمر على المعدن أثناء التركيز. من الحديد ، ينحت شرارات بشكل جيد.
نظرًا لأن البلورة لا تحتوي على تبريد بالماء ، مع زيادة درجة حرارتها ، تنخفض طاقة الشعاع بسرعة إلى حد ما ، حتى يتم تعطيل الجيل تمامًا. ويسخن البلاط جيدًا ويجعل من الصعب إزالة الحرارة. عند التفكيك ، لاحظت أن سطح البلاط لا يزال يغمق. تقرر اختبار عاكس معدني عازمة من لوح مطلي بالكروم لمعان ضوئي.
يعمل هذا العاكس تمامًا مثل البلاط ، ولكنه يبرد بشكل أسرع ويمكن تصويره كثيرًا. تم تنفيذ العديد من إطلاق النار على المعدن والمطاط. يعتمد نوع الشرر المنحوت على نوع المعدن. الرماية الحديد المحولات. من خلال الانهيار ، كان مطلوبًا 4 طلقات.
تصوير الفولاذ المقاوم للصدأ. الشرر أكثر إشراقا.
إن إطلاق النار على شفرة سكين القرطاسية المصنوعة من الفولاذ الكربوني يعطي وفرة من النجوم الرقيقة.
يطلق المطاط المطاطي شعلة لهب يصل طولها إلى 3-4 سم مع حلقات الدخان اللاحقة.
كان من الممكن أيضًا معرفة أنه ، بسبب استخدام منشور الانعكاس الكلي كمرآة عمياء ، يعمل الليزر في وضع أحادي وينتج طاقة أقل مما يمكن أن يكون عليه في نفس مستوى المضخة. والحقيقة هي أن الحافة المركزية للمنشور هي منطقة ميتة ، وبناءً على نمط أشعة الضوء في منشور الانعكاس الكلي ، تنقسم حزمة الضوء إلى قسمين متوازيين ، وهو ما يتوافق مع وضع TEM10. تم التعرف على ذلك من خلال بقعة الحرق على الكاربوليت الأسود - كان هناك انقسام في النصف ، كما في الصورة ، واضحًا.
إذا تم إنشاء الظروف التي لا يتم فيها قمع جميع الأوضاع الأخرى ، فعند ظهور أنماط أعلى ، يمكن للمرء أن يحقق زيادة في طاقة الإخراج بمقدار عاملين على الأقل. للقيام بذلك ، كان من الضروري استبدال المنشور ، الذي يمكن الوصول إليه بسهولة ، بمرآة عمياء خاصة ، مصممة للعمل على طول موجة 694 نانومتر. وكان الأمر يستحق ذلك! انخفض عتبة الجيل إلى 900 جول ، ولكن كان هناك بالفعل المزيد من الطاقة! وعند تصوير الكاربوليت الأسود ، تم الحصول على بقعة احتراق موحدة. الآن صفيحة حديد المحولات تشق طريقها في 2-3 لقطات ، وكان قطر الحفرة أكبر إلى حد ما. حسنًا ، أصبح عدد الشرارات أكبر بكثير! إنها جميلة بشكل خاص عند التصوير في الفولاذ الكربوني.
الفولاذ العادي يشعل أيضًا ضعفًا شديدًا!
3 طلقات تصنع فتحة في نصل السكين.
في تلك اللحظة ، كانت قدرات الليزر مفهومة بالفعل من حيث المبدأ ، وبقيت لإزالة كل تلك الفوضى من المكثفات والأسلاك ذات الجهد العالي العارية في حالة أكثر أو أقل مرتبة ، والتي تم تركها بنجاح من وحدة تزويد طاقة الليزر المفككة LG-70. تقرر تقليل بنك المكثف ، وترك 6 فقط من نفس النوع من المكثفات التي تتناسب تمامًا مع العلبة. لم يتسبب دفع بقية القمامة في أي صعوبات ، كان هناك مساحة لمكون أمان مهم للغاية - قاطع الدائرة الكهربائية الفراغي الذي يكون مغلقًا بشكل طبيعي ، والذي يقوم بتفريغ المكثفات إلى مقاوم قوي عندما تتوقف الطبقات مع الليزر وإلغاء تنشيط مصدر الطاقة. يتم دمج الشحن بشكل موثوق في حوالي 40 ثانية. كان سعر هذا انخفاضًا طفيفًا في طاقة الإشعاع ، ولكن من ناحية أخرى ، تعمل مصابيح المضخة في وضع أكثر لطفًا.
في الأعلى توجد مكثفات ، إلى اليمين يوجد مقاوم للتفريغ ، في الزاوية اليسرى السفلى هو نظام إشعال المصباح ، الملف الدائري إلى اليمين هو خنق الصابورة الذي يتم تشغيله للحد من تيار النبض من خلال المصابيح (بدونه ، تنفجر المصابيح بشكل رسمي بعد بضع عشرات من الومضات) ، حتى أكثر إلى اليمين (في المركز) محول من ميكروويف صيني لشحن المكثفات ، إلى اليمين هو بدايته ، وفي الزاوية اليمنى السفلية يوجد قاطع دائرة فراغ BB-5 ، والذي يغلق المكثفات إلى المقاوم عند إيقاف تشغيل الجهاز من الشبكة.
منظر خلفي لامدادات الطاقة. كانت المروحة تقف هناك لمجرد أنه كان هناك ، وكان هناك مكان تحتها.
لا توجد عقد تدفئة حقًا في هذه الكتلة. يتم إنتاج الجهد العالي من خلال جهتي اتصال على عوازل البطانة المرتجلة ، والتي لا تزال بحاجة إلى توفير حماية إضافية ضد التلامس العرضي.
بعد تجميع مصدر الطاقة ، تقرر اقتحام النيكل ، المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ بسمك حوالي 1.3 مم. استغرق الأمر حوالي 7 طلقات ، ولكن تم الحصول على انهيار!
هنا ، الشرارات مرئية بالفعل من الجزء الخلفي من النيكل.
وهنا هي النتيجة المرجوة - من خلال انهيار النيكل.
للتلخيص ، سيكون من الغريب ، إذا كنت متحمسًا ، لم أقم ببناء هذا النوع الرائع حقًا من الليزر ، والذي يتم من خلال تنفيذه أن تقدر طاقة الخرج بـ 5 J باستخدام مجموعة مكثفات كاملة. كان معه أن تاريخ كل تكنولوجيا الليزر وعلم جديد تمامًا بدأ في ذلك الوقت - البصريات غير الخطية ، التي فتحت حوادث غير عادية تمامًا تحدث مع الضوء في مجال القوى والطاقات العالية. بشكل منفصل ، أود أن أشكر جارود كينزي ، وهو ليزر أمريكي محلي الصنع ، تمكنت معه من مناقشة تصميم جهاز الليزر الخاص بي محليًا والحصول على بعض التعليقات القيمة منه. استخدمت المقالة مواد من المصادر التالية ، بالإضافة إلى الأعماق التي لا نهاية لها للإنترنت:1. B. F. Fedorov مولدات الكم البصرية ، Energia ، 1966 ،2. B. F. Fedorov Lasers وتطبيقاتها ، "الطاقة" ، 19733. A. S. Boreisho Lasers: device and action، St. Petersburg، 1992شكرًا لك على القراءة ، آمل أن تكون ممتعة.وللمشاريع المستقبلية ، لدي متجر ضخم من الياقوت - قطره 16 ملم وقطره 240 مم. الطول الكامل - 300 مم. من هذه البلورة ، يمكن الحصول على ما يصل إلى 100 جول من طاقة الإخراج. تقريبا ما تحتاجه لمكبر الليزر.