Como saben, un láser es un dispositivo capaz de amplificar la luz mediante emisión estimulada. Y la posibilidad de construir este dispositivo se predijo por primera vez en teoría, y solo muchos años después fue posible construir la primera muestra. Permítanme recordarles que Einstein explicó la emisión estimulada desde el punto de vista de la teoría cuántica, y la primera encarnación de este principio en el hierro comenzó en los años 50 del siglo XX de forma independiente por varios grupos de científicos, los más famosos fueron C. Townes, A. M. Prokhorov y N.G. Bajo Luego lograron construir el primer generador cuántico, un maser, que generaba radiación en la región de las ondas centimétricas. El rango óptico permaneció sin conquistar en ese momento, e intentaré decir cómo logré conquistarlo en este artículo.
Y Theodor Meyman logró conquistarlo en la década de 1960. Hizo muchos cálculos y llegó a la conclusión de que un cristal de rubí sería un medio de trabajo ideal para generar ondas en el rango óptico. Propuso el principio de bombear el fluido de trabajo, con pequeños destellos de luz de la lámpara de destello correspondiente y un método para crear retroalimentación positiva para que el amplificador se convierta en un generador, esta función se realizó mediante recubrimientos de espejo en los extremos del cristal. Los cálculos de Meyman mostraron que los átomos de cromo, que son una impureza en los cristales de zafiro y lo convierten en rubí, tienen un sistema adecuado de niveles de energía, lo que hace posible generar radiación láser. En ruby, se implementa el esquema más simple de tres niveles. El átomo de cromo, que absorbe la luz en la región azul-verde del espectro, pasa al nivel excitado superior, desde el cual se produce una transición no radiativa al nivel metaestable, en el que puede permanecer durante aproximadamente 1 ms. Desde este estado, el átomo vuelve al nivel del suelo, emitiendo un fotón con una longitud de onda de 694 o 692 nm, ya que el nivel metaestable no es realmente uno, hay dos de ellos muy espaciados. La posibilidad de la acumulación de átomos a un nivel metaestable permite crear una población inversa, y con ello la generación de radiación láser, cuando uno o más fotones emitidos espontáneamente hacen que todos los demás átomos caigan en cascada desde el estado metaestable al estado fundamental, emitiendo nuevos fotones con la misma longitud de onda, fase, polarización y dirección del movimiento. Crean un rayo rojo brillante, que se caracteriza por la coherencia.
Muchos eventos bastante interesantes y a veces muy injustos están relacionados con la historia de la invención del primer generador óptico cuántico. Para comenzar, debe tenerse en cuenta que Meiman llevó a cabo el desarrollo del primer láser por iniciativa propia y solo con su asistente, mientras que el láser de rubí se creó en contra de las opiniones de muchos expertos que estaban seguros de que el rubí no era adecuado como medio de trabajo. Existe una leyenda urbana, según la cual, su asistente, al ser daltónico, vio por primera vez en su vida una luz roja, en el momento en que se ensambló el láser y funcionó. Según la misma leyenda, Meiman no observó visualmente el rayo láser, ya que estaba muy ocupado con la configuración del equipo de grabación: era urgente recopilar datos experimentales y preparar un artículo para su publicación, que presentaría pruebas convincentes de que primero se obtuvo radiación coherente del rango óptico. Aquí es donde comenzaron las dificultades. Primero, el artículo de Meyman sobre la posibilidad de generar radiación coherente óptica en un cristal de rubí fue rechazado de publicación en la revista Physical Review Letters, aclarando que "no hay nada fundamentalmente nuevo en su artículo". En cambio, se publicó un artículo en Nature. Lo que es característico: en 1958, la revista Physical Review Letters ya publicó un artículo sobre los principios del funcionamiento del láser, enviado desde una organización rival, Bell Labs, y a pesar de que no tenían una copia funcional del láser, el artículo describía solo una justificación teórica. Rápidamente inventaron una patente para un láser, que aún no tenían. Y Meiman obtuvo una desviación de esta revista, aunque construyó el primer láser de trabajo. Además, luego explicó en detalle a los científicos de Bell Labs en una conversación telefónica lo que necesitaba para crear un láser y cómo construirlo, después de crear el suyo. Sin embargo, la prioridad de Meiman en la invención del láser nunca fue reconocida. Y el Premio Nobel por la invención del láser fue otorgado a C. Townes, y no a él, que debería haberle pertenecido por derecho. Esto se explica en parte por el hecho de que Meiman trabajaba en una empresa privada que realizaba órdenes para los militares, y no en un laboratorio universitario.
Ahora, dejemos el drama solo y veamos cómo se arregló el láser de rubí Meyman en hierro. El diseño era extremadamente simple: en una carcasa compacta había una lámpara de flash en espiral en miniatura, dentro de la cual se fijaba un cristal de rubí aún más en miniatura. Sus extremos opuestos estaban chapados en plata: un extremo era un espejo "sordo", el segundo estaba plateado con una capa más delgada, lo que permitió que pasara algo de luz. El primer láser del mundo tenía 12 centímetros de largo, pesaba 300 gramos y parecía un juguete.
Detalles láser de primer plano:
En realidad, un cristal de rubí.
Y todo el ensamblaje del láser, sin una fuente de energía.
La prensa también obtuvo una fotografía de un láser de mayor tamaño, pero de ninguna manera el primero en la historia. Y los periodistas inmediatamente comenzaron a generar pánico, dicen, se inventaron los "rayos de la muerte".
Solo un año o dos, cuando la noticia de la invención del láser ya se había esparcido por todo el mundo, las primeras muestras de láser de laboratorio comenzaron a aparecer en la URSS. A diferencia de los países occidentales, las lámparas de bombeo en espiral en los láseres no se enraizaron de inmediato. En primer lugar, a pesar de su "obviedad", la forma del cuerpo incandescente está lejos de ser óptima: solo una pequeña fracción de la luz va a la dirección, ya que las vueltas vecinas de la espiral se iluminan entre sí, y no se inserta un cristal de rubí. En segundo lugar, la industria soviética no produjo una amplia gama de lámparas de flash en espiral. Y los que se produjeron tenían una forma inadecuada: la espiral tenía un diámetro demasiado grande pero tenía pocas vueltas, como las conocidas lámparas IFK-20000 e IFK-80000. Hubo una modificación en espiral en una lámpara IFK-2000 bastante conocida y extendida, pero es muy rara y solo podía "bombear" el cristal de rubí más pequeño, como en Mayman. Como las lámparas en espiral eran raras en la URSS, siguieron el camino del uso de esas lámparas que están en cantidad suficiente. El primer láser en la URSS tuvo la oportunidad de instalar cristales de varios tamaños, y los tubos en U "clásicos" IFK-2000 se usaron para bombear. Entonces se veía vivo.
Y así se mostró en los libros de B.F. Fedorov de varias publicaciones.
Dado que este método de bombeo sigue siendo ineficaz, lo dejaron rápidamente a favor de bombear con tubos de tubo directo de la serie IFP. Los cristales de rubí también comenzaron a producirse en solo unos pocos tamaños estándar, exactamente el tamaño de la parte luminosa de la lámpara. El cristal de rubí y la lámpara se colocaron en los focos del reflector elíptico, de modo que el cristal recogiera la máxima luz disponible. Entonces se ve esquemáticamente.
Y parece un reflector elíptico en vivo.
También hubo un diseño con la llamada lámpara de "cavidad". Se obtiene una lámpara de cavidad aumentando gradualmente el número de vueltas en una lámpara espiral hasta el infinito, hasta que se fusionen en una cavidad continua. Tal lámpara es dos tubos hechos de vidrio de cuarzo anidados uno en el otro y soldados en los extremos. Los electrodos están soldados a los extremos opuestos de la lámpara. La única lámpara de cavidad conocida de la fabricación soviética, IFPP-7000, se utilizó para bombear la unidad láser UIG-1.
Este esquema de bomba tiene todas las desventajas de un circuito de lámpara en espiral, por lo que no se ha utilizado en ningún otro lugar. En la foto, la lámpara IFPP-7000 y el cristal de rubí utilizado con ella. Además de los circuitos ahora exóticos con lámparas de bomba de espiral y cavidad, el láser de rubí puede funcionar en un circuito aún más exótico, con bombeo continuo. Esto es posible si el cristal de rubí es muy pequeño, se enfría con nitrógeno líquido y se ilumina mediante un haz enfocado desde una lámpara de mercurio de alta presión o un potente haz de láser de argón. Pero tales dispositivos nunca abandonaron las paredes de los laboratorios, permaneciendo exóticos como se describe en los artículos científicos, a pesar del hecho de que con el tiempo fue capaz de "destetarse" del nitrógeno líquido. Posteriormente, también rechazaron los espejos rociados en los extremos, ya que son de corta duración y en caso de daño tendrán que cambiar todo el cristal. Tal diseño se conservó solo en aquellos dispositivos donde se necesita la máxima compacidad, como, por ejemplo, en los emisores de depiladores láser. En todos los demás espejos se montan por separado en los dispositivos de ajuste.
Sería extraño si no quisiera construir mi propio láser de rubí utilizando la basura que había sido arrojada del laboratorio de láser y al mismo tiempo. Quería rendir una especie de homenaje a la historia. Bueno, obtenga la primera experiencia con láser de estado sólido pulsado. La siguiente es una descripción de la construcción de mi propio láser de rubí.
La información proporcionada es solo para fines informativos. El autor no es responsable de los intentos de repetir lo descrito.La base fue el cristal antes mencionado de la instalación UIG-1. Este es un cristal rosa pálido con un tamaño de la parte pintada de trabajo de 8 * 120 mm, con puntas incoloras adicionales, lo que da una longitud total de cristal de 180 mm. Se necesitan consejos para montar el cristal en el caso del emisor. Otra razón por la cual la parte pintada se hace exactamente del tamaño de la lámpara de la bomba es porque el rubí tiene una propiedad extremadamente mala para absorber su propia radiación en la longitud de onda de generación. Si alguna parte del cristal permanece sin iluminar, comienza a absorber la radiación, que se amplifica en la parte iluminada y la eficiencia del láser se reduce considerablemente. Esto se debe a un esquema de tres niveles de átomos de cromo en rubí. Por la misma razón, el rubí tiene un umbral de energía de bomba muy alto.
En primer lugar, se construyó un prototipo de la fuente de energía para la lámpara de la bomba. Su detalle principal es un banco de condensadores de 1000 μF, que se cargó hasta un voltaje de 3 kV.
¡Permítame recordarle que los circuitos con condensadores de alta tensión de gran capacidad son mortales!
El circuito de carga y encendido de la lámpara. Para el primer intento, se tomó IFP-5000.
Al principio, el circuito con la lámpara se probó sin ninguna carcasa. El destello de la lámpara es extremadamente potente, ocurre con un estallido bastante fuerte y se puede ver fácilmente en las habitaciones vecinas: la luz se extiende por el pasillo y se refleja en las paredes. Un destello de una lámpara es capaz de carbonizar madera y papel, que se enfocan. Cada flash está acompañado por el olor a polvo quemado y ozono generado por un poderoso pulso de radiación ultravioleta fuerte, y está acompañado por una ola de calor, si está al lado. ¡La observación directa del flash sin protección para los ojos es extremadamente peligrosa! Una máscara o gafas de soldar normales son suficientes para la protección.
Después de haber jugado lo suficiente con el flash más potente en ese momento, ensamblé un emisor con esta lámpara y el cristal que se muestra arriba. El estuche para la lámpara y el cristal era un reflector monobloque de vidrio del láser tecnológico Kvant-16, y la base era una pieza de un canal de metal. Los dispositivos de alineación para espejos de resonador estaban hechos de piezas del mismo canal.
Como un espejo sordo, decidí usar el prisma de la reflexión total.
Y como fin de semana, supuestamente se eligió un espejo de un láser de rubí.
Mirando hacia el futuro, diré que esta construcción resultó ser inoperante. No fue posible obtener la generación de láser en él. Las razones son bastante obvias: la lámpara de la bomba es dos veces más larga que el cristal y su luz se usa de manera extremadamente ineficiente. Y la posibilidad de un espejo de salida para proporcionar esta generación también planteó preguntas. Quantron (la llamada lámpara + cristal + bloque reflector) tuvo que rehacerse. En la segunda versión, hice un nuevo soporte para el cristal y las lámparas, en lugar de una lámpara IFP5000, decidí usar dos lámparas IFP2000, colocadas en el tope del cristal y conectadas en serie eléctricamente. La longitud del IFP2000 coincide idealmente con la longitud de la parte coloreada del cristal. Este método de diseño se llama "empaquetado ajustado".
Como reflector, se decidió probar los azulejos blancos. La tendencia actual en la fabricación de láser comercial es el uso de reflectores difusos de cerámica hechos de alúmina sinterizada, que refleja hasta el 97% de la luz incidente. Los reflectores de marca, por supuesto, no están disponibles para mí, pero las baldosas no se ven peor, también son perfectamente blancas.
El espejo de salida también se reemplazó por uno nuevo con una transmitancia medida del 45% a una longitud de onda de 694 nm.
Y en esta configuración, ¡fue posible obtener generación desde el primer pulso! El umbral de generación resultó ser bastante alto: aproximadamente 1500 J de energía de la bomba. El láser emitió un haz de color rojo intenso, brillo deslumbrante. Desafortunadamente, debido a su "fugacidad", no fue posible fotografiarlo. Pero fue posible corregir su efecto destructivo sobre el metal durante el enfoque. De hierro, talla chispas bien.
Dado que el cristal no tiene enfriamiento por agua, con un aumento en su temperatura, la energía del haz cae bastante rápido, hasta que la generación se interrumpe por completo. Y los azulejos se calentaron bien y dificultaron la eliminación del calor. Al desmontar, noté que la superficie de las baldosas todavía comenzaba a oscurecerse. Se decidió probar un reflector de metal doblado de una placa cromada de un fotobrillo.
Este reflector funcionaba igual que las baldosas, pero se enfriaba mucho más rápido y podía dispararse un poco más a menudo. Se realizaron varios disparos sobre metal y caucho. El tipo de chispas talladas depende del tipo de metal. Disparo transformador de hierro. Para el desglose, se requirieron 4 disparos.
Tiro de acero inoxidable. Las chispas son más brillantes.
Disparar a la hoja de cuchillo de papelería hecha de acero al carbono da una abundancia de estrellas esponjosas.
Al disparar el caucho se expulsa una antorcha de llama de hasta 3-4 cm de largo con anillos de humo posteriores.
También fue posible descubrir que, debido al uso del prisma de reflexión total como espejo ciego, el láser funciona en modo monomodo y produce menos energía de la que podría al mismo nivel de bomba. El hecho es que el borde central del prisma es una zona muerta y, según el patrón de los rayos de luz en el prisma de reflexión total, el haz de luz se divide en dos paralelos, que corresponde al modo TEM10. Esto fue reconocido por el punto de quemado en el carbolito negro: un punto dividido por la mitad, como en la imagen, era claramente visible.
Si se crean condiciones en las que no se suprimen todos los demás modos, debido a la aparición de modos más altos, se puede lograr un aumento en la energía de salida en al menos un factor de dos. Para hacer esto, fue necesario reemplazar el prisma, que es fácilmente accesible, con un espejo ciego especial, diseñado para operar a una longitud de onda de 694 nm. ¡Y valió la pena! El umbral de generación cayó a 900 J, ¡pero realmente había más energía! Y al disparar carbolita negra, se obtuvo un punto de quemado uniforme. Ahora la placa de hierro transformador se abrió paso en 2-3 disparos, y el diámetro del agujero era algo mayor. Bueno, ¡la cantidad de chispas se ha vuelto mucho mayor! Es especialmente hermoso cuando se dispara en acero al carbono.
¡El acero ordinario también chispea bastante débilmente!
3 disparos hacen un orificio pasante en la hoja del cuchillo.
En ese momento, las capacidades del láser ya eran entendibles en principio, y quedaba por eliminar todo ese desorden de los condensadores y el cableado desnudo de alto voltaje en una carcasa más o menos ordenada, que se dejó con éxito de la unidad de fuente de alimentación láser LG-70 desmontada. Se decidió reducir el banco de condensadores, dejando solo 6 del mismo tipo de condensadores que encajan perfectamente en la carcasa. Empujar el resto de la basura no causó ninguna dificultad, incluso había espacio para un componente de seguridad muy importante: un disyuntor de vacío que tiene una posición normalmente cerrada, que descarga los condensadores a una potente resistencia cuando las clases con el láser cesan y la fuente de alimentación se desactiva. La carga se fusiona de manera confiable en aproximadamente 40 segundos. El precio de esto fue una ligera disminución en la energía de radiación, pero por otro lado, las lámparas de la bomba funcionan en un modo más suave.
En la parte superior hay condensadores, a la derecha hay una resistencia de descarga, en la esquina inferior izquierda hay un sistema de encendido de la lámpara, una bobina redonda a la derecha es un estrangulador que se enciende para limitar la corriente de pulso a través de las lámparas (sin ella, las lámparas explotan solemnemente después de un par de docenas de flashes), incluso más a la derecha (en el centro) un transformador de un microondas chino para cargar condensadores, a la derecha es su arrancador, y en la esquina inferior derecha hay un disyuntor de vacío BB-5, que cierra los condensadores a una resistencia cuando el dispositivo se apaga de la red.
Vista posterior de la fuente de alimentación. El fan estaba parado allí simplemente porque él estaba allí, y había un lugar debajo de él. . , .
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1. . . , «», 1966,
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