Wie Sie wissen, ist ein Laser ein Gerät, das Licht durch stimulierte Emission verstärken kann. Die Möglichkeit, dieses Gerät zu bauen, wurde zunächst theoretisch vorhergesagt, und erst viele Jahre später war es möglich, die erste Probe zu bauen. Ich möchte Sie daran erinnern, dass die stimulierte Emission von Einstein aus der Sicht der Quantentheorie erklärt wurde und die erste Verkörperung dieses Prinzips in Eisen in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts unabhängig von verschiedenen Gruppen von Wissenschaftlern begann, von denen die berühmtesten C. Townes, A. M. Prokhorov und N. G. waren Bass. Dann gelang es ihnen, den ersten Quantengenerator zu bauen - einen Maser, der Strahlung im Bereich von Zentimeterwellen erzeugte. Der optische Bereich war zu diesem Zeitpunkt noch nicht erobert, und ich werde in diesem Artikel versuchen zu erzählen, wie ich es geschafft habe, ihn zu erobern.
Und Theodor Meyman konnte ihn in den 1960er Jahren erobern. Er führte viele Berechnungen durch und kam zu dem Schluss, dass ein Rubinkristall ein ideales Arbeitsmedium für die Erzeugung optischer Entfernungswellen sein würde. Er schlug das Prinzip des Pumpens des Arbeitsmediums vor - mit kurzen Lichtblitzen von der entsprechenden Blitzlampe und einer Methode zur Erzeugung einer positiven Rückkopplung, damit der Verstärker zum Generator wird - diese Funktion wurde durch Spiegelbeschichtungen an den Enden des Kristalls ausgeführt. Meyman-Berechnungen zeigten, dass Chromatome, die eine Verunreinigung in Saphirkristallen darstellen und daraus einen Rubin machen, ein geeignetes Energieniveausystem aufweisen, das die Erzeugung von Laserstrahlung ermöglicht. In Ruby wird das einfachste dreistufige Schema implementiert. Das Chromatom, das Licht im blaugrünen Bereich des Spektrums absorbiert, gelangt in das obere angeregte Niveau, von dem aus ein nicht strahlender Übergang zum metastabilen Niveau auftritt, bei dem es eine Zeit in der Größenordnung von 1 ms verweilen kann. Von diesem Zustand kehrt das Atom zum Boden zurück und emittiert ein Photon mit einer Wellenlänge von entweder 694 oder 692 nm, da das metastabile Niveau tatsächlich nicht eins ist, gibt es zwei von ihnen, die sehr eng beieinander liegen. Die Möglichkeit der Akkumulation von Atomen auf metastabilem Niveau ermöglicht es, eine inverse Population und damit die Erzeugung von Laserstrahlung zu erzeugen, wenn ein oder mehrere spontan emittierte Photonen bewirken, dass alle anderen Atome vom metastabilen Zustand in den Grundzustand kaskadieren und neue Photonen mit derselben Wellenlänge emittieren. Phase, Polarisation und Bewegungsrichtung. Sie erzeugen einen leuchtend roten Strahl, der durch Kohärenz gekennzeichnet ist.
Viele interessante und manchmal sehr unfaire Ereignisse hängen mit der Geschichte der Erfindung des ersten optischen Quantengenerators zusammen. Zunächst ist anzumerken, dass Meiman die Entwicklung des ersten Lasers von sich aus und nur mit seinem Assistenten durchführte, während der Rubinlaser entgegen der Meinung vieler Experten entwickelt wurde, die sicher waren, dass Rubin nicht als Arbeitsmedium geeignet ist. Es gibt eine urbane Legende, nach der sein Assistent, der farbenblind war, zum ersten Mal in seinem Leben ein rotes Licht sah, als der Laser zusammengebaut wurde und funktionierte. Der gleichen Legende nach beobachtete Meiman den Laserstrahl nicht visuell, da er mit den Einstellungen des Aufzeichnungsgeräts sehr beschäftigt war. Es war dringend erforderlich, experimentelle Daten zu sammeln und einen Artikel zur Veröffentlichung vorzubereiten, der überzeugende Beweise dafür liefern würde, dass die kohärente Strahlung des optischen Bereichs zuerst erhalten wurde. Hier begannen die Schwierigkeiten. Zunächst wurde Meymans Artikel über die Möglichkeit der Erzeugung optisch kohärenter Strahlung in einem Rubinkristall von der Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review Letters abgelehnt, in der klargestellt wurde, dass „sein Artikel nichts grundlegend Neues enthält“. Stattdessen wurde ein Artikel in Nature veröffentlicht. Was charakteristisch ist - 1958 veröffentlichte die Zeitschrift Physical Review Letters bereits einen Artikel über die Prinzipien des Laserbetriebs, der von einer konkurrierenden Organisation - Bell Labs - verschickt wurde, und trotz der Tatsache, dass sie keine Arbeitskopie des Lasers hatten, beschrieb der Artikel nur eine theoretische Begründung. Sie erfanden schnell ein Patent für einen Laser, das sie noch nicht hatten. Und Meiman bekam eine Abweichung von dieser Zeitschrift, obwohl er den ersten funktionierenden Laser baute. Darüber hinaus erklärte er den Wissenschaftlern von Bell Labs in einem Telefongespräch ausführlich, was er zum Erstellen eines Lasers benötigte und wie er gebaut werden sollte, nachdem er seinen eigenen erstellt hatte. Meimans Priorität bei der Erfindung des Lasers wurde jedoch nie erkannt. Und der Nobelpreis für die Erfindung des Lasers wurde an C. Townes vergeben und nicht an ihn, der ihm von Rechts wegen hätte gehören sollen. Dies ist teilweise darauf zurückzuführen, dass Meiman in einer privaten Firma arbeitete, die Aufträge für das Militär ausführte, und nicht in einem Universitätslabor.
Lassen wir jetzt das Drama in Ruhe und sehen, wie der Meyman-Rubinlaser in Eisen angeordnet wurde. Das Design war äußerst einfach - in einem kompakten Gehäuse befand sich eine Miniatur-Spiralblitzlampe, in der ein noch kleinerer Rubinkristall befestigt war. Die gegenüberliegenden Enden waren versilbert - ein Ende war ein „gehörloser“ Spiegel, das zweite war mit einer dünneren Schicht versilbert, durch die etwas Licht hindurchtreten konnte. Der erste Laser der Welt war 12 Zentimeter lang, wog 300 Gramm und sah aus wie ein Spielzeug.
Nahaufnahme Laser Details:
Eigentlich ein Rubinkristall.
Und die gesamte Laserbaugruppe ohne Stromquelle.
Die Presse bekam auch ein Foto eines größeren Lasers, aber keineswegs der erste in der Geschichte. Und die Journalisten gerieten sofort in Panik, sie sagten, "Todesstrahlen" seien erfunden worden.
Nur ein oder zwei Jahre, als die Nachricht von der Erfindung des Lasers bereits auf der ganzen Welt verbreitet war, erschienen in der UdSSR die ersten Laborproben von Lasern. Im Gegensatz zu westlichen Ländern haben Spiralpumplampen in Lasern nicht sofort Wurzeln geschlagen. Erstens ist die Form des Glühkörpers trotz seiner „Offensichtlichkeit“ bei weitem nicht optimal - nur ein kleiner Teil des Lichts geht an die Adresse, da sich die benachbarten Windungen der Spirale hauptsächlich gegenseitig beleuchten und kein Rubinkristall in sie eingesetzt wird. Zweitens produzierte die sowjetische Industrie keine große Auswahl an Spiralblitzlampen. Und diejenigen, die hergestellt wurden, hatten eine ungeeignete Form - die Spirale hatte einen zu großen Durchmesser, aber nur wenige Windungen, wie die bekannten Lampen IFK-20000 und IFK-80000. Es gab eine Spiralmodifikation in einer ziemlich bekannten und weit verbreiteten IFK-2000-Lampe, aber sie ist sehr selten und konnte nur den kleinsten Rubinkristall „pumpen“, wie bei Mayman. Da Spirallampen in der UdSSR selten waren, gingen sie den Weg, Lampen in ausreichender Menge zu verwenden. Der erste Laser in der UdSSR hatte die Möglichkeit, Kristalle unterschiedlicher Größe einzubauen, und die "klassischen" U-Röhren IFK-2000 wurden zum Pumpen verwendet. Also sah er lebendig aus.
Und so wurde es in den Büchern von B. F. Fedorov verschiedener Veröffentlichungen gezeigt.
Da diese Pumpmethode immer noch unwirksam ist, haben sie sie schnell zugunsten des Pumpens mit Direktrohrrohren der IFP-Serie verlassen. Rubinkristalle wurden auch in nur wenigen Standardgrößen hergestellt, genau so groß wie der leuchtende Teil der Lampe. Der Rubinkristall und die Lampe wurden in den Brennpunkten des elliptischen Reflektors platziert, so dass der Kristall das maximal verfügbare Licht sammelte. So sieht es schematisch aus.
Und es sieht aus wie ein elliptischer Reflektor live.
Es gab auch ein Design mit der sogenannten "Hohlraum" -Lampe. Eine Hohlraumlampe wird erhalten, indem die Anzahl der Windungen in einer Spirallampe allmählich auf unendlich erhöht wird, bis sie zu einem durchgehenden Hohlraum verschmelzen. Eine solche Lampe besteht aus zwei Röhren aus Quarzglas, die ineinander verschachtelt und an den Enden angeschweißt sind. Die Elektroden sind an die gegenüberliegenden Enden der Lampe gelötet. Die einzige bekannte Hohlraumlampe der sowjetischen Manufaktur - IFPP-7000 - wurde zum Pumpen der UIG-1-Lasereinheit verwendet.
Dieses Pumpenschema hat alle Nachteile eines Spirallampenschaltkreises, so dass es nirgendwo anders verwendet wurde. Auf dem Foto die IFPP-7000-Lampe und der damit verwendete Rubinkristall. Zusätzlich zu den jetzt exotischen Schaltkreisen mit Spiral- und Hohlraumpumplampen kann der Rubinlaser in einem noch exotischeren Schaltkreis arbeiten - mit kontinuierlichem Pumpen. Dies ist möglich, wenn der Rubinkristall sehr klein ist, durch flüssigen Stickstoff gekühlt und durch einen fokussierten Strahl einer Ultrahochdruck-Quecksilberlampe oder eines starken Argonlaserstrahls beleuchtet wird. Solche Geräte verließen jedoch nie die Wände der Labors und blieben exotisch, wie in wissenschaftlichen Artikeln beschrieben, obwohl sie im Laufe der Zeit von flüssigem Stickstoff "entwöhnt" werden konnten. Anschließend lehnten sie auch die auf die Enden gesprühten Spiegel ab, da sie nur von kurzer Dauer sind und im Schadensfall den gesamten Kristall wechseln müssen. Ein solches Design wurde nur bei solchen Vorrichtungen beibehalten, bei denen maximale Kompaktheit erforderlich ist, wie beispielsweise bei Laser-Epilierer-Emittern. Bei allen anderen Spiegeln sind die Einstellvorrichtungen separat montiert.
Es wäre seltsam, wenn ich nicht meinen eigenen Rubinlaser aus dem Müll bauen wollte, der vom Laserlabor und an der Basis weggeworfen wurde. Ich wollte der Geschichte eine Art Tribut zollen. Machen Sie die ersten Erfahrungen mit gepulsten Festkörperlasern. Das Folgende ist eine Beschreibung des Aufbaus meines eigenen Rubinlasers.
Die bereitgestellten Informationen dienen nur zu Informationszwecken. Der Autor ist nicht verantwortlich für Versuche, das Beschriebene zu wiederholen.Basis war der vorgenannte Kristall aus der UIG-1-Installation. Dies ist ein blassrosa Kristall mit einer Größe des bearbeiteten lackierten Teils von 8 * 120 mm und zusätzlichen farblosen Spitzen, was eine Gesamtkristalllänge von 180 mm ergibt. Für die Montage des Kristalls im Fall des Emitters sind Spitzen erforderlich. Ein weiterer Grund, warum das lackierte Teil genau auf die Größe der Pumplampe zugeschnitten ist, liegt darin, dass der Rubin eine äußerst schlechte Eigenschaft hat, seine eigene Strahlung bei der Erzeugungswellenlänge zu absorbieren. Wenn ein Teil des Kristalls unbeleuchtet bleibt, beginnt er Strahlung zu absorbieren, die im beleuchteten Teil verstärkt wird und die Lasereffizienz stark verringert. Dies ist auf ein dreistufiges Schema von Chromatomen in Rubin zurückzuführen. Aus dem gleichen Grund hat Rubin eine sehr hohe Pumpenschwellenenergie.
Zunächst wurde ein Prototyp der Stromquelle für die Pumpenlampe gebaut. Das Hauptdetail ist eine 1000 μF Kondensatorbank, die auf eine Spannung von 3 kV aufgeladen wurde.
Ich möchte Sie daran erinnern, dass Schaltkreise mit Hochspannungskondensatoren mit großer Kapazität tödlich sind!
Die Schaltung Ladung und Zündung der Lampe. Für den ersten Versuch wurde IFP-5000 genommen.
Zunächst wurde die Schaltung mit der Lampe ohne Gehäuse getestet. Der Blitz der Lampe ist extrem stark, er tritt mit einem ziemlich lauten Knall auf und ist in benachbarten Räumen leicht zu sehen - das Licht breitet sich durch den Korridor aus und wird von den Wänden reflektiert. Ein Lampenblitz kann Holz und Papier karbonisieren, die im Fokus stehen. Jeder Blitz wird von dem Geruch von verbranntem Staub und Ozon begleitet, der durch einen starken Impuls harter ultravioletter Strahlung erzeugt wird, und wird von einer Hitzewelle begleitet, wenn Sie sich daneben befinden. Die direkte Beobachtung des Blitzes ohne Augenschutz ist äußerst gefährlich! Eine gewöhnliche Schweißmaske oder Schutzbrille reicht zum Schutz aus.
Nachdem ich zu dieser Zeit genug mit dem stärksten Blitz gespielt hatte, baute ich mit dieser Lampe und dem oben gezeigten Kristall einen Emitter zusammen. Das Gehäuse für die Lampe und den Kristall war ein Glas-Monoblock-Reflektor des technologischen Lasers Kvant-16, und der Sockel war ein Stück eines Metallkanals. Ausrichtvorrichtungen für Resonatorspiegel wurden aus Stücken desselben Kanals hergestellt.
Als gehörloser Spiegel habe ich mich für das Prisma der Totalreflexion entschieden.
Und als Wochenende wurde angeblich ein Spiegel aus einem Rubinlaser ausgewählt.
Mit Blick auf die Zukunft werde ich sagen, dass sich dieses Konstrukt als nicht funktionsfähig erwiesen hat. Es war nicht möglich, eine Lasererzeugung darauf zu erhalten. Die Gründe liegen auf der Hand: Die Pumplampe ist doppelt so lang wie der Kristall und ihr Licht wird äußerst ineffizient genutzt. Auch die Möglichkeit eines Ausgangsspiegels für diese Generation warf Fragen auf. Quantron (der sogenannte Lampe + Kristall + Reflektorblock) musste erneuert werden. In der zweiten Version habe ich einen neuen Halter für den Kristall und die Lampen hergestellt. Anstelle einer Lampe IFP5000 habe ich mich für zwei Lampen IFP2000 entschieden, die am Anschlag zum Kristall platziert und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Länge des IFP2000 entspricht idealerweise der Länge des farbigen Teils des Kristalls. Diese Layoutmethode wird als "dichtes Verpacken" bezeichnet.
Als Reflektor wurde beschlossen, die weißen Fliesen zu testen. Der aktuelle Trend in der kommerziellen Laserherstellung ist die Verwendung von diffusen Keramikreflektoren aus gesintertem Aluminiumoxid, die bis zu 97% des einfallenden Lichts reflektieren. Markenreflektoren stehen mir natürlich nicht zur Verfügung, aber die Fliesen sehen nicht schlechter aus, sie sind auch perfekt weiß.
Der Ausgangsspiegel wurde ebenfalls durch einen neuen mit einer gemessenen Durchlässigkeit von 45% bei einer Wellenlänge von 694 nm ersetzt.
Und in dieser Konfiguration war es möglich, eine Erzeugung aus dem ersten Impuls zu erhalten! Die Erzeugungsschwelle erwies sich als ziemlich hoch - etwa 1500 J Pumpenenergie. Der Laser strahlte einen tiefroten Strahl mit blendender Helligkeit aus. Leider war es aufgrund seiner „Vergänglichkeit“ nicht möglich, ihn zu fotografieren. Es war jedoch möglich, seine zerstörerische Wirkung während der Fokussierung auf das Metall zu fixieren. Aus Eisen schnitzt er gut Funken.
Da der Kristall bei steigender Temperatur keine Wasserkühlung hat, fällt die Strahlenergie ziemlich schnell ab, bis die Erzeugung vollständig unterbrochen ist. Und die Fliesen erwärmten sich gut und machten es schwierig, Wärme abzuleiten. Beim Zerlegen bemerkte ich, dass die Oberfläche der Fliesen immer noch dunkler wurde. Es wurde beschlossen, einen Metallreflektor zu testen, der aus einer verchromten Platte mit Fotoglanz gebogen wurde.
Dieser Reflektor funktionierte genau wie Fliesen, kühlte jedoch viel schneller ab und konnte etwas häufiger aufgenommen werden. Es wurde mehrfach auf Metall und Gummi gebrannt. Die Art der geschnitzten Funken hängt von der Art des Metalls ab. Schießen Transformator Eisen. Für den Durchbruch waren 4 Schüsse erforderlich.
Edelstahlschießen. Funken sind heller.
Das Schießen auf die Schreibwarenmesserklinge aus Kohlenstoffstahl ergibt eine Fülle von flauschigen Sternen.
Durch das Schießen von Gummi wird ein bis zu 3-4 cm langer Flammenbrenner mit nachfolgenden Rauchringen ausgeworfen.
Es konnte auch festgestellt werden, dass der Laser aufgrund der Verwendung des Totalreflexionsprismas als Blindspiegel im Einmodenmodus arbeitet und weniger Energie erzeugt als bei gleichem Pumpenniveau. Tatsache ist, dass die Mittelkante des Prismas eine Totzone ist und der Lichtstrahl basierend auf dem Muster der Lichtstrahlen im Prisma der Totalreflexion in zwei parallele geteilt wird, was dem TEM10-Modus entspricht. Dies wurde am Brandfleck auf dem schwarzen Carbolit erkannt - ein in zwei Hälften geteilter Fleck, wie auf dem Bild, war deutlich sichtbar.
Wenn Bedingungen geschaffen werden, unter denen nicht alle anderen Modi unterdrückt werden, kann aufgrund des Auftretens höherer Modi eine Erhöhung der Ausgangsenergie um mindestens den Faktor zwei erreicht werden. Zu diesem Zweck musste das leicht zugängliche Prisma durch einen speziellen Blindspiegel ersetzt werden, der für den Betrieb bei einer Wellenlänge von 694 nm ausgelegt war. Und es hat sich gelohnt! Die Erzeugungsschwelle fiel auf 900 J, aber es gab wirklich mehr Energie! Und beim Schießen von schwarzem Carbolit wurde ein gleichmäßiger Brandfleck erhalten. Jetzt machte die Platte aus Transformator-Eisen ihren Weg in 2-3 Schüssen, und der Durchmesser des Lochs war etwas größer. Nun, die Anzahl der Funken ist viel größer geworden! Es ist besonders schön beim Schießen in Kohlenstoffstahl.
Gewöhnlicher Stahl funkelt auch ziemlich schwach!
3 Schüsse machen ein Durchgangsloch in die Klinge des Messers.
Zu diesem Zeitpunkt waren die Fähigkeiten des Lasers bereits im Prinzip verständlich, und es blieb, all das Durcheinander von den Kondensatoren und der bloßen Hochspannungsverkabelung in ein mehr oder weniger ordentliches Gehäuse zu entfernen, das erfolgreich vom zerlegten Laser-Netzteil LG-70 zurückgelassen wurde. Es wurde beschlossen, die Kondensatorbank zu reduzieren und nur 6 Kondensatortypen des gleichen Typs übrig zu lassen, die perfekt in das Gehäuse passen. Das Schieben des restlichen Mülls verursachte keine Schwierigkeiten, es gab sogar Platz für eine sehr wichtige Sicherheitskomponente - einen Vakuum-Leistungsschalter mit normalerweise geschlossener Position, der die Kondensatoren an einen leistungsstarken Widerstand entlädt, wenn der Unterricht mit dem Laser unterbrochen wird und die Stromversorgung abgeschaltet wird. Die Ladung verschmilzt zuverlässig in ca. 40 Sekunden. Der Preis dafür war eine leichte Abnahme der Strahlungsenergie, andererseits arbeiten die Pumpenlampen in einem sanfteren Modus.
Oben befinden sich Kondensatoren, rechts ein Entladungswiderstand, rechts unten ein Lampenzündsystem, rechts eine runde Spule eine Vorschaltgerätdrossel, die eingeschaltet ist, um den Impulsstrom durch die Lampen zu begrenzen (ohne sie explodieren die Lampen nach ein paar Dutzend Blitzen feierlich), rechts weiter (in der Mitte) Ein Transformator aus einer chinesischen Mikrowelle zum Laden von Kondensatoren ist rechts der Starter und in der unteren rechten Ecke ein BB-5-Vakuum-Leistungsschalter, der die Kondensatoren gegen einen Widerstand schließt, wenn das Gerät vom Netzwerk ausgeschaltet wird.
Rückansicht des Netzteils. Der Fan stand einfach da, weil er da war und es einen Platz darunter gab.
In diesem Block gibt es keine wirklich Heizknoten. Hochspannung wird über zwei Kontakte an improvisierten Buchsenisolatoren ausgegeben, die noch zusätzlichen Schutz gegen versehentlichen Kontakt bieten müssen.
Nach dem Zusammenbau des Netzteils wurde beschlossen, das Nickel aus Edelstahl mit einer Dicke von ca. 1,3 mm zu stürmen. Es dauerte ungefähr 7 Schüsse, aber eine Aufschlüsselung wurde erhalten!
Hier sind bereits Funken von der Rückseite des Nickels sichtbar.
Und hier ist das gewünschte Ergebnis - durch Abbau eines Nickels.
Zusammenfassend wäre es seltsam, wenn ich mit meiner Begeisterung diesen wirklich herausragenden Lasertyp nicht bauen würde, bei dem in meiner Implementierung die Ausgangsenergie unter Verwendung einer Vollkondensatorbank von Kondensatoren auf 5 J geschätzt wird. Mit ihm begann die Geschichte aller Lasertechnologien und einer damals völlig neuen Wissenschaft - der nichtlinearen Optik, die völlig ungewöhnliche Ereignisse eröffnete, die mit Licht im Bereich hoher Leistungen und Energien auftreten. Unabhängig davon möchte ich Jarrod Kinsey, einem amerikanischen selbstgebauten Laser, danken. Mit ihm konnte ich das Design meines selbstgebauten Lasers besprechen und einige wertvolle Kommentare von ihm erhalten. Der Artikel verwendete Materialien aus den folgenden Quellen zusätzlich zu den bodenlosen Tiefen des Internets:1. B. F. Fedorov Optische Quantengeneratoren, Energy, 1966,2. . . , «», 1973
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