التعلم عن أشعة الليزر النيتروجينية - الجزء الأول

ربما ، تساءل كل شخص مولع بالمنتجات المنزلية شبه الإلكترونية عما إذا كان من الممكن صنع ليزر بمفرده ، في المنزل. وبالتأكيد ، صادفت في كثير من الأحيان إجابة يمكن التنبؤ بها من كبار السن مفادها أنه من الصعب جدًا أو شبه مستحيل ، كما يقولون ، لا يمكن الحصول على إشعاع الليزر إلا من خلال بلورات ونظارات باهظة الثمن خاصة ، أو بعض المواد الأخرى غير المعروفة التي يمكن الحصول عليها فقط في Dark Marsh أو في الغرب وراء البحار. هذا في الواقع ليس هو الحال. يتم تقدير عدد المواد التي تكون فيها عملية الليزر ممكنة بالآلاف ، وبعضها تحت أقدامنا حرفيًا ، ومن حولنا حرفيًا ، في كل مكان. لذلك ، على سبيل المثال ، قد يفاجأ المرء عندما يعلم أنه من الممكن الحصول على توليد ليزر في بخار الماء ، في الأصباغ المستخرجة من الأقلام ذات الرأس ، وأخيراً ، في ثاني أكسيد الكربون الذي تنفث عنه العديد من الكائنات الحية ، تم الحصول على توليد ليزر بقوة مئات الكيلووات. ولكن ، هناك بيئة عمل ليزر أخرى ، والتي تعد أكثر شيوعًا من غيرها. هذا هو النيتروجين ، 78 ٪ منها في الهواء الجوي.


إذا قمت بإجراء استعلام "ليزر محلي الصنع" في Google ، فسيظهر النيتروجين أولاً مع العديد من الأمثلة على التصاميم:



النظر في مبدأ التشغيل والتصميم بمزيد من التفصيل.

يعد ليزر النيتروجين ممثلاً نموذجيًا لأشعة الليزر الجزيئية التي تعمل على التحولات الإلكترونية في جزيء النيتروجين. الخاصية الرئيسية هي توليد كثيف في نطاق الأشعة فوق البنفسجية ، مع طول موجي أساسي من 337.1 نانومتر. تجعل خصائص النيتروجين كوسيلة عاملة ممكنة فقط في الوضع النبضي ، لأن التحولات محدودة ذاتيًا ، أي مدة انعكاس السكان في مثل هذه التحولات محدودة بتراكم الجسيمات في المستوى الأدنى ؛ لم يعد أطول من عمر الجسيمات في مستوى العمل العلوي. يبلغ عمر المستوى العلوي للنيتروجين حوالي 40 نانو ثانية ، لذلك فإن نبض الليزر المنبعث قصير جدًا أيضًا ، بترتيب عدة عشرات من النانو ثانية. هذا يفرض متطلبات محددة على نبض الإثارة الكهربائي - يجب أن يكون أيضًا قصيرًا بواجهة شديدة الانحدار من أجل إدارة نقل عدد كبير من الجزيئات إلى الحالة المثارة أثناء عمر المستوى العلوي.

في الوقت نفسه ، فإن النيتروجين ، باعتباره وسيطًا نشطًا ، لديه ربح كبير جدًا ، لدرجة أنه لا توجد حاجة إلى المرايا - يمكن أن يعمل جيدًا في وضع اللمعان الفائق ، عندما يتم تضخيم الإشعاع في مسار واحد. ومع ذلك ، يمكن أن تعمل في نطاق ضغط واسع يصل إلى الغلاف الجوي. وكما اتضح فيما بعد ، لا يتداخل الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي ، على الرغم من أنه يقلل من طاقة التوليد القصوى القابلة للتحقيق. وبالتالي ، تظهر صورة جذابة جدًا لرجل "افعل ذلك بنفسك": بيئة العمل يمكن الوصول إليها بشكل كبير ، والتأثير على الفراغ والغازات ليست ضرورية ، والمواد النادرة ليست ضرورية. ليست هناك حاجة حتى المرايا تجويف البصرية. تحتاج فقط إلى العبث قليلا مع الجهد العالي. دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في جهاز ليزر النيتروجين ، الذي يُقترح للتصنيع الذاتي.



بناءً على متطلبات نبض الإثارة ، تظهر عادةً دائرة مضخة ليزر تعتمد على مولد Blumlein ، والذي يتكون من المكثفات المسطحة التي يمكن تشكيلها من عدة طبقات من الألومنيوم أو رقائق النحاس وفيلم عازل. يعتبر المفتاح الموجود في هذا الجهاز هو أبسط فجوة شرارة بين برغيين مع رؤوس مدورة. يبدو ، أين هو الليزر نفسه؟ وتحدث عملية توليد الإشعاع الليزري بشكل غير محسوس تقريبًا - في الفجوة بين خطين معدنيين ، حيث يضيء تفريغ النبضة. يتم تثبيت المساطر على حواف متوازية من المكثفات المسطحة C1 و C2. يحترق التفريغ عبر محور المساطر ، ويخرج الإشعاع الليزري على طول ، ويتم الحصول على ليزر غاز ذي تفريغ عرضي. بحيث لا يضيء التفريغ في وقت شحن المكثفات ، يتم تضمين مغو صغير بالتوازي مع فجوة الليزر ، والتي تقصر الفجوة في التيار المباشر. من الضروري استخدام جهد كهربي مرتفع (حوالي 10-15 كيلو فولت) كما هو موضح في الرسم البياني - وسيعمل الليزر. أي وسيلة مناسبة مناسبة كمصدر الجهد العالي - مسدس الصعق ، وإمدادات الطاقة من المؤين الهواء ، وآلة electrophore ، ومصدر الجهد العالي من تلفزيون أو شاشة CRT. لأنه يعمل بدون مرايا ، يخرج الإشعاع من طرفي الحكام. نظرًا لأنه ينبعث من الأشعة فوق البنفسجية - يتيح لك هذا التعرف على لمعان الأشياء والمواد المختلفة. ومثل هذا الليزر مناسب تمامًا لضخ ليزر صبغة - ما عليك سوى إضافة الماء إلى كفيت الصبغة ووضعه تحت الشعاع.

وللسبب نفسه ، ونظرًا لأن طاقة النبض صغيرة جدًا (عشرات الجيجول) ، فإن إشعاعاتها آمنة نسبيًا للعينين ، نظرًا لأن القرنية تمتصها ولا تصل إلى شبكية العين. على الرغم من أنه لا ينبغي للمرء أن ينظر مباشرة في الحزمة - فالحروق فوق البنفسجية للقرنية هي شيء غير سار.

وبالتالي ، فإن هذا المخطط يجعل "عتبة الدخول" في عالم تكنولوجيا الليزر منخفضة للغاية ؛ تم بناء هذا الليزر من قبل عدد لا يحصى من الناس.

هناك تصاميم أكثر رهيبة. البقعة الخضراء في الصورة الأولى هي التلألؤ من "الهدف" للإشعاع.





هناك أكثر تفصيلا وأنيق ، مثل هذا واحد.



نعم ، يمكن تجميع مثل هذا الليزر بشكل عام في أقل من دقيقتين! ما لم يكن بالطبع يتم إعداد جميع المواد الخام ، وقد تم تصميم التصميم ، أي اليد ممتلئة بالفعل.


إن توفر وبساطة تصميم مثل هذا الليزر يمكن أن يوفر الكثير من المال في مختبرات الجامعات الغربية ، إذا لم يكن لديه متطلبات خاصة لمعلمات الإخراج.

ومع ذلك ، لضمان التشغيل الناجح لمثل هذا الليزر ، هناك العديد من الفروق الدقيقة التي يجب مراعاتها. الأهم منها هو أن تكون حواف الأقطاب الكهربائية على نحو سلس قدر الإمكان وأن تكون حوافها مدورة بحيث لا تتاح الفرصة للتجميع في شرارة واحدة مضاءة من نقطة ما. والثاني هو الاختيار الصحيح للفيلم العازل للمكثفات المسطحة ، بحيث يتم الحصول على السعة القصوى الممكنة بأقصى قوة كهربائية ممكنة. والثالث هو الاختيار الصحيح للفجوة بين الأقطاب الكهربائية ، والتي يجب الحفاظ عليها على طول الطول بالكامل ولا تزيد عن 2-3 مم. عندها سيتم الحصول على أقصر تيار حالي من خلال تصريف ليزر. يمكن تسهيل التفاوتات في الفروق الدقيقة الأخيرة عن طريق تقليل ضغط غاز العمل إلى 100-200 ملم زئبق. الفن ، وإذا تم توفير النيتروجين النقي بدلاً من الهواء ، ولكن هذا يعني تلقائيًا ظهور نظام بدائي ولكن فراغ ، واستنتاج الأقطاب الكهربائية في حجم مختوم قليلاً. في هذا التكوين ، يمكن زيادة المسافة بين الأقطاب الكهربائية ، ويتم تقليل متطلبات انحدار الجبهة الحالية إلى حد ما - يمكن استبدال المكثفات المسطحة بأخرى من السيراميك المضغوط. لكن مثل هذا التصميم له أيضًا الحق في الوجود.

على سبيل المثال ، ليزر تطهير النيتروجين منزلي الصنع من Jarrod Kinsey.



هنا ، نظرًا لوفرة العديد من الأشياء على طاولته ، يصعب النظر إلى الليزر نفسه.



ليزر نيتروجين تفريغ عرضي منخفض الضغط حيث يتم استبدال المكثفات المسطحة بأخرى من السيراميك. تصميم توماس راب.



إذا كان أي شخص مهتمًا بدليل شامل ومفصل للغاية لإنشاء مثل هذا الليزر مع وصف لجميع الفروق الدقيقة غير الواضحة ، فإن الأمر يستحق النظر مرة أخرى في موقع Yun'a Sothory .

وهناك أسطورة شائعة إلى حد بعيد مفادها أنه يمكن اكتشاف تأثير الليزر أثناء تفريغ الشرارة في فجوات الهواء الممتدة قبل وقت طويل من اكتشاف مبادئ العملية الليزرية على هذا النحو ، في تلك الأيام التي بدأوا فيها للتو في امتصاص الكهرباء. لكن هذه مزيفة جميلة ، مثل هذه الصورة. الذي لا ينفي صحة محتواه.



مقالة تصف "الليزر الفيكتوري" هنا .

الآن سننظر في ماهية تصاميم ليزر النيتروجين المتاحة تجارياً. في الغرب ، جميع أشعة الليزر النيتروجينية التي واجهتها لديها تفريغ عرضي يضخه مولد Blumlyayn. كل شيء يشبه الليزر المصنّع نفسه الموصوف أعلاه ، تمت إضافة عناصر تحكم ليزر مريحة فقط ، ومصادر طاقة أكثر تقدماً ، بدلاً من أبسط فجوة شرارة - ثايراترون الهيدروجين النبضي أو فجوة شرارة عالية الضغط يتم التحكم فيها ، بدلاً من المكثفات المسطحة الكبيرة المصنوعة من الفيلم والرقائق - يوجد العديد من الأقطاب الكهربائية الخزفية الصغيرة ، بينه يوجد تفريغ موجود في وحدة تخزين مغلقة حيث يمكنك ضبط الضغط وشحن أي غاز آخر بشكل عام. لكن المبدأ لم يتغير. هذا المخطط له المزايا التالية:

1. البساطة. كما ذكر أعلاه ، في كثير من الحالات حتى بناء ليزر النيتروجين البسيط محلي الصنع الذي يعمل في الهواء الجوي ينطبق تماما ، حتى مع العمل العلمي الجاد جدا في المختبر.
2. طاقة نبضية خرج خطير للغاية - عشرات من الميلي جول في المنشآت الكبيرة.
3. مدة نبضة قصيرة جدًا ، تصل في بعض الحالات إلى مئات البيكو ثانية.
4. مزيج من اثنين من العوامل السابقة يجعل من الممكن تحقيق قوى دافعة هائلة - عشرات إلى مئات ميجاوات.

مع هذا ، هناك بعض العيوب:

1. جودة شعاع مثير للاشمئزاز. الشعاع ليس مستديرًا ولكن مستطيل الشكل ، مع كثافة غير متساوية على المقطع العرضي. في بعض الحالات ، لا يعد هذا أمرًا بالغ الأهمية عندما تحتاج ، على سبيل المثال ، إلى ضخ ليزر صبغ.
2. معدل تكرار النبض المحدود ، عادة لا يزيد عن بضع عشرات من هرتز.
3. عدم استقرار الطاقة من النبض إلى النبض.
4. تتطلب بعض التصميمات صيانة دورية - تغيير غاز العمل ، والحفاظ على الضغط والتنظيف الدوري وتلميع الأقطاب الكهربائية.

جميع المزايا والعيوب المذكورة تنطبق بالكامل على ليزر النيتروجين العصامي.

دعونا نرى كيف تبدو أشعة الليزر النيتروجينية للمصنعين الغربيين ومقارنة تصميمها مع أبسط محلية الصنع.

Spectra-Physics ليزر نيتروجين صغير الحجم وغرفة ليزر كبيرة الحجم. هذا هو الليزر التفريغ عرضي الضغط المنخفض.





بدلاً من المكثفات المسطحة ، توجد السيراميك ، وهناك فجوة شرارة يمكن التحكم فيها. غرفة الليزر مليئة بالنيتروجين ومختومة.

ليزر نيتروجين قوي يعمل على انتقال بسيط في المنطقة الزرقاء من الطيف. يمكنك رؤية العديد من المكثفات الخزفية الصغيرة ومثبط الحجب بين الأقطاب الكهربائية. للحصول على الليزر بأطوال موجية غير 337.1 نانومتر ، يلزم إضافة الهيليوم إلى النيتروجين.



أول كاميرا ليزر عرضية التفريغ ، والتي صنعت في عام 1973.



نظام الليزر Molectron.



الجزء الداخلي من الليزر عالي الطاقة مع التفريغ العرضي ، والذي ، عند استبدال مزيج الغاز والبصريات ، يمكن أن يعمل كليزر CO2 أو ك ليزر excimer.



ظهور أقطاب ليزر التفريغ العرضي المنتج صناعيا.



كاميرا الليزر لفترات النبض بيكو ثانية.



الآن ، بعد كل ما سبق ، سوف يطرح لي سؤال معقول إذا حاولت تكرار هذا البناء. في الواقع ، لا ، لم أحاول ذلك. كانت هناك أسباب موضوعية لهذا. باختصار ، أنا أحب نوعًا مختلفًا تمامًا من ليزر النيتروجين - ليزر ليس مستعرضًا ، ولكن تصريف طولاني! ولكن المزيد عن ذلك في الجزء التالي .

المصادر المستخدمة:

1. www.jarrodkinsey.org
2. www.rapp-instruments.de
3.www.spakbangbuzz.com
4. www.jonsinger.org
5. www.swissrocketman.fr
6. www.mylaser.ucoz.ru
7. www.laserkids.sourceforge.net
8. www.technology.niagarac.on.ca
آمل أنني لم أنس أحدا.