Je souhaite la bienvenue à tous, cet article abordera l'un de mes projets les plus complexes - une installation faite maison avec un laser à vapeur de cuivre. Je réserverai tout de suite que le projet a été mené à bien, porté à un produit entièrement fini et justifie le nom que je lui ai donné. Je considère qu'il est nécessaire de dire en détail comment elle a été mise en œuvre et ce que j'ai dû affronter sur le chemin de sa mise en œuvre. L'histoire de l'installation est assez longue, elle devra donc être divisée en plusieurs parties.
Et un autre petit avertissement: ce projet a été mis en œuvre en raison de mon grand amour pour l'art d'obtenir le rayonnement laser, en grande partie pour le plaisir de sa mise en œuvre, donc je vous demande de ne pas poser la question «pourquoi est-ce nécessaire» dans les commentaires. Les informations présentées sont présentées à titre informatif, l'auteur n'est pas responsable des conséquences des tentatives de répétition des informations décrites.Une photo pour attirer l'attention.
Et la suite est sous la coupe.
Tout d'abord, vous devez faire une digression. Le fait est que je suis probablement l'une de ces nombreuses personnes qui ont déjà rêvé de leur épée légère ou de leur pistolet laser, au moins sous la forme dans laquelle cela est possible avec les technologies actuelles. Et comme il s'est avéré, tout est possible si vous travaillez dessus. Dès le début de mes études, je me suis intéressé au génie électrique, à savoir l'obtention de hautes tensions et hautes fréquences. J'ai donc découvert pour moi-même un appareil aussi intéressant que le transformateur Tesla dans ses nombreuses manifestations en utilisant une variété de topologies et une variété de composants. En même temps, j'ai réalisé que j'étais particulièrement attiré par l'esthétique du moteur diesel, à savoir, je voulais que tous mes produits aient l'air de venir directement des laboratoires de Frankenstein ou de Tesla lui-même. C'est pourquoi j'ai lancé la base de l'élément, composée de vieux transformateurs d'huile, de puissants tubes radio, de générateurs de moteur haute fréquence (umformers), de compteurs de mesure dans un boîtier en carbolite, etc. Néanmoins, il s'est avéré qu'il était déjà difficile de surprendre qui que ce soit, même avec une décharge assez longue du transformateur Tesla. J'ai donc décidé de changer de direction d'activité, en prenant la niche dans laquelle très peu de gens se sont aventurés. A savoir, consacrer son hobby à la technologie laser. Mon rêve était toujours de comprendre ce que sont les lasers, de révéler les secrets de leur appareil et de travailler, enfin, pour construire votre propre générateur de rayonnement cohérent. Au fil du temps, j'ai étudié beaucoup de littérature, parlé avec différentes personnes, accumulé progressivement de l'expérience dans l'étude, la mise en place et la réparation de lasers dans des laboratoires et obtenu un «swag» sous forme de lasers entiers et de leurs fragments, que j'ai étudié de la manière la plus détaillée.
Parmi toute la variété des lasers, l'un d'eux mérite beaucoup plus d'attention que les autres - un laser à vapeur de cuivre. Lorsque j'ai réussi à voir et à sentir un tel laser tout en travaillant dans l'un des laboratoires, il a créé mes impressions les plus puissantes. Mais le tout est ceci. Il s'agit du laser le plus efficace fonctionnant dans le domaine visible du spectre, capable d'avoir une puissance de rayonnement de dizaines de watts à des longueurs d'onde de 510 nm (vert clair) et 578 nm (jaune saturé). Un faisceau contenant les deux lignes d'émission a une couleur vert-citron unique et est capable de brûler à travers divers matériaux combustibles pas pire qu'un faisceau laser CO2 infrarouge. L'objectif était d'acquérir un tel laser.
En travaillant avec un laser similaire en laboratoire, j’ai réalisé que je ne peux pas compter sur l’achat d’une installation terminée, malgré les tentatives faites. Trop gros, lourd et cher. Comme tout laser, il se compose de deux parties principales - l'émetteur et la source d'alimentation. Voici à quoi ressemble l'un des premiers modèles d'un tel laser - LGI-101. L'émetteur mesure près de 2 mètres de long et la source d'alimentation a la taille d'un réfrigérateur domestique "à part entière". Et il pèse comme 4 réfrigérateurs. La puissance de rayonnement laser déclarée au total pour les deux lignes d'émission est de 5 watts avec une consommation de 2,5 kW. L'aspect de l'émetteur et de la source d'alimentation est visible sur les photos:
L'émetteur, à son tour, se compose de son propre ensemble de pièces: le plus important - l'élément actif, puis les miroirs du résonateur, le système de refroidissement et le boîtier dans lequel il est assemblé. La source d'alimentation se compose d'un certain nombre de blocs fonctionnels, qui sont décrits ci-dessous. J'ai donc dû me limiter à ne rechercher que la partie irremplaçable - l'élément actif (tube laser à décharge), puis mobiliser toute mon expérience et mon butin pour construire tout ce qui manquait. Après un certain temps, avec l'aide précieuse de mes amis, j'ai finalement reçu une précieuse boîte en bois par la poste, avec un élément actif complètement nouveau tel que UL-102 «Quantum», un développement plus récent par rapport au LGI-101. Comparé au LGI-101, UL-102 est presque la moitié de la taille, il produit exactement la même puissance de rayonnement et la consommation d'énergie est 1,5 fois inférieure, c'est-à-dire C'est beaucoup plus économique. L'élément actif (AE) «nu» de l'UL-102 ressemble à ceci.
Il s'agit d'un appareil massif en métal, en céramique et en verre. C'est à l'intérieur de celle-ci qu'a lieu la conversion de l'énergie électrique en une décharge de gaz à courant élevé, à partir de la chaleur dont le cuivre métallique s'évapore, et dans laquelle les atomes de cuivre passent dans un état excité. Lors de la transition de l'état excité au sol, les atomes émettent des photons qui, entrant en collision avec d'autres atomes excités, provoqueront l'émission de nouveaux photons, jusqu'à ce que la lumière s'amplifie jusqu'à la valeur maximale possible, qui est déterminée par le degré d'excitation du milieu actif. Pour que la lumière passe librement à travers le tube laser et s'y amplifie, des fenêtres optiques massives sont situées aux extrémités, et afin de consommer moins d'énergie pour chauffer le cuivre à sa température d'évaporation, une bonne isolation thermique du tube à décharge en céramique interne, qui est enfermé dans un boîtier extérieur en céramique rose, est nécessaire . L'énergie électrique est fournie aux deux électrodes métalliques de l'extérieur, et à l'intérieur du tube il y a du néon sous pression atmosphérique réduite. C'est la décharge dans le néon qui sert de principale source de chaleur pour l'évaporation du cuivre, située sous forme de petits morceaux à l'intérieur du canal de décharge, il n'y a pas de vapeurs dans le tube froid, et il serait impossible d'allumer la décharge s'il y avait un vide complet. Avec le tube laser, j'ai également obtenu un ensemble de miroirs à résonateur.
Ainsi, les détails les plus importants sont déjà apparus en moi.
J'avais déjà une idée du principe de fonctionnement de ce laser et de ce qui est nécessaire pour obtenir un puissant rayonnement cohérent à partir d'un ensemble de pièces détachées. Il était nécessaire de trouver le système optimal de stabilisation thermique de l'élément actif, de tout assembler sous la forme d'un émetteur laser et, surtout, de construire une source d'alimentation.
Il est connu de la littérature qu'un laser à vapeur de cuivre ne peut fonctionner qu'en mode pulsé. Le taux de répétition des impulsions pour le tube UL-102 peut varier de 6 à 16 kHz. Chaque impulsion de puissance individuelle doit avoir un front de montée raide à travers la décharge. Idéalement, la raideur du front de courant à travers la décharge sera au niveau de 50 nanosecondes, ce qui est comparable à la durée de vie de l'état excité des atomes de cuivre, et le courant dans l'impulsion sera de plusieurs centaines d'ampères avec une durée d'impulsion de 300 à 1000 ns. De manière générale, la génération laser se produira sur une pente inférieure du front, au niveau de 100 ns, voire 300 ns, mais son efficacité sera bien pire. Il convient également de noter que la tension aux électrodes du tube au moment du pré-claquage doit être d'au moins 10 kV, et de préférence supérieure. La puissance moyenne investie dans la décharge par des impulsions individuelles devrait être suffisante pour chauffer et maintenir la température optimale de la vapeur de cuivre, et pour UL-102, la valeur minimale de cette puissance est de 1600 watts. Il y avait une bonne nouvelle: les vapeurs de cuivre ont le gain le plus élevé. Cela signifie que les exigences de précision d'alignement du résonateur sont très libérales (des dispositifs spéciaux de haute précision pour le montage et le réglage de la position des miroirs ne sont pas nécessaires). De plus, le gain est plus élevé, plus la concentration d'atomes de cuivre dans la décharge est élevée, c'est-à-dire s'il est chauffé suffisamment fortement, le laser peut être obtenu non pas avec deux, mais avec un miroir, voire sans eux (amplification en un seul passage d'émission spontanée ou «superluminescence»). Cela a grandement facilité la tâche de construction de la disposition principale, c'est-à-dire la tâche a été simplifiée à la construction d'une seule source d'énergie, et la construction de l'émetteur peut être reportée au moment où les subtilités avec le pouvoir seront élaborées. Maintenant sur la nutrition. Si vous regardez le circuit de puissance du tube, à première vue, tout est extrêmement simple. Juste quelques détails lors de l'utilisation de la topologie la plus simple, appelée dans la littérature le «schéma d'excitation directe».
Tout est simple - 2 inductances, 2 condensateurs, un thyratron de commutation, un transformateur de commande de thyratron. Tout est simple jusqu'à ce que vous regardiez les valeurs des pièces et leurs exigences. Étant donné que la tâche consiste à obtenir une bonne pente du front de l'impulsion de courant à travers l'élément actif, le thyratron a besoin d'une vitesse élevée, avec remplissage d'hydrogène, tension inverse élevée et courant de commutation élevé. Le courant d'impulsion minimum souhaité pour un thyratron est de 500 ampères. Mieux - 1000 ou plus. La tension inverse nécessite au moins 20, de préférence 25 kV. De tels thyratrons étaient généralement utilisés dans les radars et leur obtention n'est pas facile. Mais j'ai eu de la chance. Un couple gisait dans les décombres du butin. Le regard tomba sur le beau verre TGI-700 \ 25, de la taille d'une bouteille de soda de deux litres. Selon les paramètres nominaux qui lui conviennent, seule la vitesse déclarée relativement faible (700 Hz) était gênante, mais il a été décidé d'essayer de l'utiliser pour l'instant. Condensateurs De 1000 à 3300 pF le stockage principal et 235-470 pF supplémentaires entre les électrodes du tube. Ugh, juste ça. Mais! Une tension de fonctionnement est requise à partir de 15 kV. Et une faible perte à haute fréquence est hautement souhaitable; l'inductance parasite doit être minimisée. Après tout, je dois faire passer un court front de courant dans le tube, sinon je ne verrai pas les photons cohérents comme mes propres oreilles. Ainsi, seuls les condensateurs en céramique à haute puissance réactive admissible conviennent, qui sont utilisés dans les émetteurs radio à tube et les mêmes radars. Fffuh, vous pouvez expirer, j'en ai aussi, car ils se sont accumulés depuis l'époque où je me suis engagé à Tesla. Inductance. Mais c'est plus difficile avec eux ... Jusqu'à présent, je n'avais pas besoin d'étranglement dans mon artisanat, au moins d'une telle ampleur, de 0,5 H, et même sans noyau, à haute résistance électrique. Un tel accélérateur est nécessaire pour le soi-disant. "Charge résonnante" des condensateurs de stockage. Dans ce mode, le processus de charge se produit avec une efficacité maximale et la tension sur le condensateur peut être doublée par rapport à l'alimentation. J'ai dû liquider un tel accélérateur à partir de plusieurs sections, car il y a de l'expérience. En connectant le nombre souhaité de sections, il a été possible de réguler l'inductance par étapes, et en changeant la distance entre elles, l'inductance peut être ajustée en douceur dans certaines limites. Avec la deuxième inductance de blocage, qui est nécessaire pour empêcher le courant continu de traverser l'élément actif, c'est beaucoup plus simple - l'inductance requise est de 100 à 300 μH, mais la résistance électrique est également élevée. Par conséquent, je me suis également enroulé sur un cadre divisé en sections. Voilà à quoi ressemblait le premier «ensemble de soupe» pour la partie la plus importante, comme je l'ai appelé, de l'alimentation électrique.
Mais cela ne suffit pas. Pour que le thyratron fonctionne normalement - vous avez besoin d'une source de tension pour que la cathode brille - le premier transformateur de poids apparaît. Afin d'allumer une décharge dans un tube laser et de la commuter, une source de tension constante élevée est nécessaire, et il est très souhaitable de pouvoir la réguler de 0 à 7-8 kV. Enfin, vous avez besoin d'un générateur d'un signal de commande suffisamment puissant pour déverrouiller le thyratron. Un autre bloc difficile semble le générer. C'était également plus facile avec ce dernier, car il y avait des blocages de la conception infructueuse de la bobine de la lampe Tesla avec un mode de fonctionnement pulsé, il suffisait de les reconfigurer pour fonctionner à la fréquence souhaitée.
Ici a été assemblé un tel sous-système modèle de la tension d'anode de l'unité de puissance, appelé "IVN" - une source à haute tension. Il se composait de deux transformateurs de puissance, fournissant jusqu'à 8 kV de tension alternative en série, un redresseur en forme de pont de diodes sur les pôles KTs201D, un condensateur de filtrage k41-1a à 2 uF 10 kV, LATR à 9A dans le circuit primaire des transformateurs de puissance, des boutons marche / arrêt contrôle individuel du générateur et de l'IVN, dispositifs de surveillance de la tension et du courant.
Le générateur de commande (sous-modulateur) se compose de deux blocs principaux - un oscillateur maître et un amplificateur de puissance. Les deux blocs sont faits sur des lampes - dans le maître, un générateur de blocage sur une lampe 6n6p avec un préamplificateur sur le thyratron TGI1-10 \ 1 est utilisé. L'alimentation des circuits anodiques est redressée par le kénotron.
Le deuxième bloc est un amplificateur de puissance, à ce stade, il a été assemblé sur une lampe GMI-5, se compose d'un amplificateur lui-même et d'un kit de carrosserie sous la forme de sources de polarisation pour la première et la deuxième grille, également sur des redresseurs kénotron. Une tension d'anode de 2 kV est obtenue à l'aide d'un doubleur de tension, également sur les kénotrons 6d22s. C’est pourquoi il y a tant de lampes dans ce bloc.
Le moment est venu où vous devez connecter tous les éléments en un seul circuit. Cela ressemblait à ça.
Le circuit de l'unité de puissance était situé à proximité sur la table, et a été assemblé "sur la morve", car il peut être nécessaire de refaire quelque chose, d'ajuster les valeurs des pièces.
Le lancement a été immédiat.
À première vue, tous les composants interagissent correctement. Les transformateurs bourdonnent, une décharge est allumée dans le tube laser, un grincement caractéristique est entendu à une fréquence de 10 kHz, le thyratron de commutation est allumé, mais la tension d'alimentation n'a pas encore été augmentée jusqu'à la «conception» 6 kV. A strictement parler, la tension ne joue pas un rôle déterminant, il est important d'atteindre une certaine puissance moyenne investie dans la décharge laser, qui pour ce tube doit être d'au moins 1600 watts. C'est là que l'affaire s'est arrêtée. Au tournant de 500 watts, le thyratron a perdu le contrôle, planant simplement en position ouverte, conduisant à un court-circuit dans l'IVN. Après avoir joué avec le taux de répétition des impulsions (ci-après dénommé ChSI), la capacité des condensateurs principaux et supplémentaires et l'inductance de la self de charge (à partir de grandes sections), nous avons réussi à surmonter cette limite et à atteindre la limite d'abord à 1000, puis à 1500 W. Il ne restait plus qu'à attendre le chauffage progressif et le tube pour atteindre le régime de température de fonctionnement.
Cependant, après une courte période, environ 10 minutes, le thyratron a de nouveau perdu le contrôle, fermant l'IVN. Et il est devenu évident que quelque chose n'allait pas avec le thyratron! Son anode était chauffée au rouge!
Pendant le temps où l'appareil fonctionnait de manière stable, le canal de décharge dans le tube laser a également réussi à chauffer à chaud, car, contrairement au thyratron, c'est plus qu'un travail régulier. Mais cette température pour le canal de décharge est encore totalement insuffisante.
Après plusieurs tentatives de redémarrage, il est devenu clair que dans le thyratron de ce type les pertes de puissance sont trop importantes, un autre thyratron, plus adapté, est nécessaire. J'ai dû extraire le thyratron TGI1-1000 \ 25 d'un autre laser pulsé, en même temps j'ai changé la topologie de l'unité de puissance en un circuit plus «avancé», le soi-disant "Générateur Blumlyayn."
Et la disposition a complètement changé - le long câble de connexion entre le tube laser et le bloc d'alimentation a disparu.
Dans une telle topologie, les choses se sont immédiatement améliorées. Le circuit fonctionnait de manière assez stable et il était possible d'obtenir un apport d'énergie dans la décharge au niveau de 2000 watts. Le chauffage régulier du canal de décharge a commencé.
Après environ une demi-heure de travail, la couleur de la décharge est devenue perceptible. De néon orange, il est d'abord devenu rose, puis s'est éclairci jusqu'à devenir presque blanc, après quoi il a acquis une teinte jaune verdâtre sale. Une émission spontanée de cuivre est apparue, qui a commencé à s'évaporer. Enfin, sur fond de lumière provenant de la décharge, une tache verte relativement brillante irisée de «mouchetures» a commencé à apparaître. Génération laser sous forme de superluminescence, c'est-à-dire sans miroirs résonateurs. La luminosité de la tache lumineuse laser a rapidement augmenté, en quelques minutes, elle est devenue éblouissante.
Si vous installez un miroir de résonateur vierge sur un côté du tube et que vous saisissez sa position correcte, la luminosité augmente d'environ 5 fois et la divergence du faisceau diminue considérablement
Le faisceau laser est clairement visible!
Et si vous placez une lentille sur le chemin du faisceau, elle est déjà capable de brûler sur du contreplaqué. Ce qui suggère que la puissance lumineuse est d'au moins 0,5-1 watts. Et ceci avec un seul miroir résonateur. Il reste donc une grande réserve de puissance de sortie à augmenter en installant un deuxième miroir. Pour un système laser fait maison, c'est déjà un grand succès! Surtout lorsque de tels schémas d'alimentation sont maîtrisés pour la première fois.
Si vous réfléchissez le faisceau avec un fragment de CD-ROM dans le mur, vous pouvez voir qu'il y a 2 composants dans le faisceau - vert et jaune, le composant jaune est toujours moins prononcé que le vert.
Néanmoins, malgré les résultats obtenus, un problème ne nous a pas permis de procéder au montage final. A savoir, l'instabilité du thyratron dans le mode lorsque le laser est déjà réchauffé à la température de fonctionnement. Un nouvel ajustement approfondi du mode de fonctionnement a réussi à améliorer légèrement la stabilité et la protection supplémentaire contre les courts-circuits à grande vitesse a facilité le redémarrage de l'IVN. Mais le LATR était déjà en mauvais état, l'isolation de son enroulement était gravement endommagée. Les expériences ont dû être interrompues pendant un certain temps. Il a été décidé de se concentrer sur la construction de l'émetteur. Tout d'abord, un boîtier avec une chemise d'eau a été réalisé, à l'intérieur duquel un tube laser a été placé. Il est nécessaire pour stabiliser thermiquement tout l'émetteur afin que le boîtier du laser ne chauffe pas depuis la surface latérale très chaude de l'AE.Il remplit également la fonction d'un conducteur de courant inverse situé coaxialement avec l'AE. Cela vous permet de réduire légèrement l'inductance parasite de l'AE. Un morceau de tuyau d'un lampadaire acheté dans l'acceptation de la ferraille et des fragments du boîtier d'un vieux réfrigérateur ont été utiles pour sa fabrication. Le tuyau a été tourné à la taille requise et les anneaux et la partie extérieure ont été coupés du boîtier. Les anneaux ont été placés sur le tuyau, une couche de revêtement en feuille a été enroulée dessus, et tout cela a été brasé. Le résultat fut un tuyau métallique à double paroi. Une bride de fixation a été soudée par le bas, qui relie cette pièce au disque en aluminium. De plus, 2 autres disques en aluminium ont été fabriqués sur lesquels sont montés des miroirs résonateurs, et un textolite, sur lequel le support du secteur AE est placé.Tous ces disques sont tirés ensemble par des tiges filetées pour obtenir une structure solide et rigide. Pour éviter les pannes, l'électrode AE «chaude» est séparée du boîtier par un isolant en textolite autodidacte. Le textolite était également fait maison - un manchon était enroulé à partir d'un ruban en fibre de verre, chaque couche était enduite d'époxy. Ensuite, la manche a séché. Après que l'époxy a été complètement séché, le manchon a été tourné sur un tour à la taille souhaitée.Cadre émetteur avec une veste d'eau.
Avec l'élément actif installé.
Voici à quoi ressemble l'isolant de l'élément actif.
Un câble de connexion avec un grand connecteur coaxial conçu pour une tension de 50 kV a été fabriqué. Le boîtier du connecteur est emprunté au laser série LGI-21 et le noyau du connecteur est fait maison. Câble - antenne RK-50 du radar, avec isolation monolithique du noyau central. Le rôle du condensateur supplémentaire de 470 pF est maintenant joué par la capacité distribuée de ce câble de connexion ainsi que la capacité de montage parasite.
En conséquence, une telle conception de l'émetteur assemblé a été obtenue. Il ne restait plus qu'à réaliser l'enveloppe décorative extérieure, pour laquelle un tuyau d'égout d'un diamètre de 250 mm était déjà stocké. Mais jusqu'à présent, j'ai reporté cette partie du travail. Il fallait s'assurer que l'émetteur fonctionnait correctement.
Il était impossible de continuer à travailler avec le LATR pratiquement brûlé, il a donc été décidé de rembobiner le LATR, le transformant en un autotransformateur à prises fixes. Etat du bobinage «avant»:
et «après»
Un interrupteur spécial à plusieurs positions a dû être réalisé pour ce bobinage et le châssis de l'ancien LATR. Les composants de la partie mobile du LATR ont été utilisés.
Assemblé avec un enroulement, il s'est avéré comme ça.
L'autotransformateur converti est installé à sa place.
Il a également été ajouté à la protection rapide contre les courts-circuits «lents» sous la forme d'une machine automatique dans un boîtier blanc. Vous pouvez commencer une nouvelle série d'expériences. La tentative de lancement a échoué - pour une raison inconnue, une lampe GMI-5 a été trouvée endommagée dans l'amplificateur de puissance du signal de commande. Elle a soufflé de l'air sur la jonction des jambes avec du verre. Peut-être à cause d'un refroidissement insuffisant. Dans un ordre immédiat, la lampe est remplacée par un thyratron en céramique TGI-270 \ 12. Cela a nécessité quelques modifications dans le circuit amplificateur, en particulier, maintenant les circuits d'alimentation des grilles sont devenus inutiles.
Il convient de noter que pour toutes les modifications requises, il a fallu environ 2 mois - pour la fabrication du châssis de l'émetteur, la modification de l'autotransformateur et de l'amplificateur de puissance. Pendant tout ce temps, l'élément actif était dans la boîte. Une fois toutes les modifications terminées, il en a été retiré, l'émetteur a été entièrement assemblé et une tentative de démarrage a été effectuée. Échec à nouveau. Élément actif détecté par une fuite d'air. Voici à quoi ressemble la décharge, pour la photographie, l'AE a été retiré de l'émetteur.
À ce moment, le projet a dû être arrêté indéfiniment. Suite, voir la partie suivante.