Comme vous le savez, un laser est un appareil capable d'amplifier la lumière par émission stimulée. Et la possibilité de construire ce dispositif a d'abord été prédite en théorie, et seulement plusieurs années plus tard, il a été possible de construire le premier échantillon. Permettez-moi de vous rappeler que l'émission stimulée a été expliquée du point de vue de la théorie quantique par Einstein, et la première incarnation de ce principe dans le fer a commencé dans les années 50 du XXe siècle indépendamment par divers groupes de scientifiques, les plus célèbres étant C. Townes, A. M. Prokhorov et N. G Basse. Ensuite, ils ont réussi à construire le premier générateur quantique - un maser, qui a généré un rayonnement dans la région des ondes centimétriques. La plage optique n'était pas encore conquise à cette époque, et je vais essayer de dire comment j'ai réussi à la conquérir dans cet article.
Et Theodor Meyman a réussi à le conquérir dans les années 1960. Il a fait de nombreux calculs et est arrivé à la conclusion qu'un cristal de rubis serait un milieu de travail idéal pour générer des ondes dans la gamme optique. Il a proposé le principe du pompage du fluide de travail - avec de courts éclairs de lumière provenant de la lampe flash correspondante et une méthode pour créer une rétroaction positive afin que l'amplificateur devienne un générateur - cette fonction a été réalisée par des revêtements de miroir aux extrémités du cristal. Les calculs de Meyman ont montré que les atomes de chrome, qui sont une impureté dans les cristaux de saphir et en font un rubis, ont un système approprié de niveaux d'énergie, ce qui permet de générer un rayonnement laser. En rubis, le schéma à trois niveaux le plus simple est implémenté. L'atome de chrome, absorbant la lumière dans la région bleu-vert du spectre, passe au niveau excité supérieur, d'où se produit une transition non radiative vers le niveau métastable, auquel il peut persister pendant un temps de l'ordre de 1 ms. De cet état, l'atome retourne au niveau du sol, émettant un photon avec une longueur d'onde de 694 ou 692 nm, puisque le niveau métastable n'est en fait pas un, il y en a deux très étroitement espacés. La possibilité d'accumulation d'atomes à un niveau métastable permet de créer une population inverse, et avec elle la génération de rayonnement laser, lorsqu'un ou plusieurs photons émis spontanément provoquent la cascade de tous les autres atomes de l'état métastable à l'état fondamental, émettant de nouveaux photons avec la même longueur d'onde, phase, polarisation et direction du mouvement. Ils créent un rayon rouge vif, caractérisé par la cohérence.
Beaucoup d'événements assez intéressants et parfois très injustes sont liés à l'histoire de l'invention du premier générateur optique quantique. Pour commencer, il convient de noter que Meiman a réalisé le développement du premier laser de sa propre initiative et uniquement avec son assistant, tandis que le laser rubis a été créé contrairement aux opinions de nombreux experts qui étaient sûrs que le rubis ne convenait pas comme support de travail. Il y a une légende urbaine selon laquelle, son assistant, daltonien, a vu pour la première fois de sa vie une lumière rouge, au moment où le laser a été assemblé et cela a fonctionné. Selon la même légende, Meiman n'a pas observé visuellement le faisceau laser, car il était très occupé par les réglages de l'appareil d'enregistrement - il était urgent de collecter des données expérimentales et de préparer un article pour publication, qui présenterait des preuves convaincantes que le rayonnement cohérent de la gamme optique a d'abord été obtenu. C'est là que les difficultés ont commencé. Tout d'abord, l'article de Meyman sur la possibilité de générer un rayonnement optique cohérent dans un cristal de rubis a été rejeté de la publication dans la revue Physical Review Letters, clarifiant qu '«il n'y a rien de fondamentalement nouveau dans son article». Au lieu de cela, un article a été publié dans Nature. Ce qui est caractéristique - en 1958, la revue Physical Review Letters a déjà publié un article sur les principes de fonctionnement du laser, envoyé par une organisation rivale - Bell Labs, et malgré le fait qu'ils n'avaient pas de copie de travail du laser, l'article ne décrivait qu'une justification théorique. Ils ont rapidement concocté un brevet pour un laser, qu'ils n'avaient pas encore. Et Meiman s'est écarté de ce magazine, bien qu'il ait construit le premier laser fonctionnel. De plus, il a ensuite expliqué en détail aux scientifiques des Bell Labs lors d'une conversation téléphonique ce dont il avait besoin pour créer un laser et comment le construire, après avoir créé le sien. Cependant, la priorité de Meiman dans l'invention du laser n'a jamais été reconnue. Et le prix Nobel pour l'invention du laser a été décerné à C. Townes, et non à lui, qui aurait dû lui appartenir de droit. Cela s'explique en partie par le fait que Meiman travaillait dans une entreprise privée qui exécutait des commandes pour l'armée, et non dans un laboratoire universitaire.
Maintenant, laissons le drame tranquille et voyons comment le laser rubis Meyman en fer a été arrangé. Le design était extrêmement simple - dans un boîtier compact se trouvait une lampe flash spirale miniature, à l'intérieur de laquelle un cristal rubis encore plus miniature était fixé. Ses extrémités opposées étaient argentées - une extrémité était un miroir «sourd», la seconde était argentée avec une couche plus mince, ce qui permettait à la lumière de passer. Le premier laser au monde mesurait 12 centimètres de long, pesait 300 grammes et ressemblait à un jouet.
Détails du laser en gros plan:
En fait, un cristal rubis.
Et l'ensemble laser complet, sans source d'alimentation.
La presse a également obtenu une photographie d'un laser de plus grande taille, mais nullement la première de l'histoire. Et les journalistes ont immédiatement commencé à paniquer, disent-ils, des "rayons de la mort" ont été inventés.
À peine un an ou deux, alors que la nouvelle de l'invention du laser s'était déjà répandue dans le monde, les premiers échantillons de lasers de laboratoire ont commencé à apparaître en URSS. Contrairement aux pays occidentaux, les lampes à pompage en spirale dans les lasers n'ont pas immédiatement pris racine. Premièrement, malgré son «évidence», la forme du corps lumineux est loin d'être optimale - seule une petite fraction de la lumière va à l'adresse, car les tours voisins de la spirale s'éclairent principalement, et pas un cristal de rubis inséré dedans. Deuxièmement, l'industrie soviétique n'a pas produit une large gamme de lampes flash en spirale. Et ceux qui ont été produits avaient une forme inadaptée - la spirale était de trop grand diamètre mais avait quelques tours, comme les lampes bien connues IFK-20000 et IFK-80000. Il y avait une modification en spirale dans une lampe IFK-2000 assez connue et répandue, mais elle est très rare et ne pouvait que "pomper" le plus petit cristal de rubis, comme dans Mayman. Étant donné que les lampes à spirale étaient rares en URSS, elles ont choisi d'utiliser les lampes en quantité suffisante. Le premier laser de l'URSS a eu l'occasion d'y installer des cristaux de différentes tailles, et les tubes en U «classiques» IFK-2000 ont été utilisés pour le pompage. Il avait donc l'air vivant.
Et c'est ce qui a été montré dans les livres de B.F. Fedorov de diverses publications.
Cette méthode de pompage restant encore inefficace, ils l'ont rapidement abandonné en faveur du pompage avec des tubes à tube direct de la série IFP. Les cristaux de rubis ont également commencé à être produits dans seulement quelques tailles standard, exactement la taille de la partie lumineuse de la lampe. Le cristal de rubis et la lampe ont été placés dans les foyers du réflecteur elliptique, afin que le cristal recueille le maximum de lumière disponible. Il semble donc schématiquement.
Et il ressemble à un réflecteur elliptique en direct.
Il y avait aussi un design avec la lampe dite "à cavité". Une lampe à cavité est obtenue en augmentant progressivement le nombre de spires d'une lampe à spirale à l'infini, jusqu'à ce qu'elles fusionnent en une cavité continue. Une telle lampe est constituée de deux tubes en verre de quartz emboîtés l'un dans l'autre et soudés aux extrémités. Les électrodes sont soudées aux extrémités opposées de la lampe. La seule lampe à cavité connue de la fabrication soviétique - IFPP-7000, a été utilisée pour pomper l'unité laser UIG-1.
Ce schéma de pompe présente tous les inconvénients d'un circuit de lampe en spirale, il n'a donc été utilisé nulle part ailleurs. Sur la photo, la lampe IFPP-7000 et le cristal de rubis utilisé avec elle. En plus des circuits désormais exotiques avec des lampes à pompe à spirale et à cavité, le laser rubis peut fonctionner dans un circuit encore plus exotique - avec un pompage continu. Cela est possible si le cristal de rubis est très petit, il est refroidi à l'azote liquide et éclairé par un faisceau focalisé provenant d'une lampe à mercure à ultra-haute pression ou d'un puissant faisceau laser à argon. Mais de tels appareils n'ont jamais quitté les murs des laboratoires, restant exotiques décrits dans des articles scientifiques, malgré le fait qu'au fil du temps il a pu "se sevrer" de l'azote liquide. Par la suite, ils ont également refusé les miroirs pulvérisés sur les extrémités, car ils sont de courte durée et en cas de dommages, ils devront changer le cristal entier. Une telle conception n'a été conservée que dans les appareils où une compacité maximale est nécessaire, comme, par exemple, dans les émetteurs d'épilateurs laser. Dans tous les autres miroirs sont montés séparément sur les dispositifs de réglage.
Ce serait étrange si je ne voulais pas construire mon propre laser à rubis en utilisant les déchets qui avaient été jetés du laboratoire de laser et en même temps. Je voulais rendre une sorte d'hommage à l'histoire. Eh bien, obtenez la première expérience avec les lasers à l'état solide pulsés. Ce qui suit est une description de la construction de mon propre laser rubis.
Les informations fournies sont à titre informatif uniquement. L'auteur n'est pas responsable des tentatives de répétition de ce qui est décrit.La base était le cristal susmentionné de l'installation UIG-1. Il s'agit d'un cristal rose pâle avec une taille de la partie peinte de travail de 8 * 120 mm, avec des pointes incolores supplémentaires, ce qui donne une longueur totale de cristal de 180 mm. Des conseils sont nécessaires pour monter le cristal dans le cas de l'émetteur. Une autre raison pour laquelle la pièce peinte est faite exactement à la taille de la lampe à pompe est que le rubis a une propriété extrêmement mauvaise d'absorber son propre rayonnement à la longueur d'onde de génération. Si une partie du cristal reste éteinte, il commence à absorber le rayonnement, qui est amplifié dans la partie éclairée et l'efficacité du laser est considérablement réduite. Cela est dû à un schéma à trois niveaux d'atomes de chrome dans le rubis. Pour la même raison, le rubis a une énergie de pompe à seuil très élevée.
Tout d'abord, un prototype de source d'alimentation pour la lampe de la pompe a été construit. Son principal détail est une batterie de condensateurs de 1000 μF, qui a été chargée jusqu'à une tension de 3 kV.
Permettez-moi de vous rappeler que les circuits avec des condensateurs haute tension de grande capacité sont mortels!
La charge du circuit et l'allumage de la lampe. Pour la première tentative, IFP-5000 a été prise.
Dans un premier temps, le circuit avec la lampe a été testé sans boîtier. Le flash de la lampe est extrêmement puissant, il se produit avec un pop assez fort et peut être facilement vu dans les pièces voisines - la lumière se propage dans le couloir, se reflétant sur les murs. Un flash de lampe est capable de carboniser le bois et le papier, qui sont mis au point. Chaque flash est accompagné d'une odeur de poussière brûlée et d'ozone générée par une impulsion puissante de rayonnement ultraviolet dur, et s'accompagne d'une vague de chaleur, si vous êtes à côté. L'observation directe du flash sans protection oculaire est extrêmement dangereuse! Un masque ou des lunettes de soudage ordinaires sont suffisants pour la protection.
Ayant suffisamment joué avec le flash le plus puissant de l'époque, j'ai assemblé un émetteur avec cette lampe et le cristal ci-dessus. Le boîtier de la lampe et du cristal était un réflecteur monobloc en verre du laser technologique Kvant-16, et la base était un morceau de canal métallique. Les dispositifs d'alignement des miroirs à résonateur étaient constitués de morceaux du même canal.
En tant que miroir sourd, j'ai décidé d'utiliser le prisme de la réflexion totale.
Et comme un week-end, un miroir aurait été choisi parmi un laser à rubis.
Pour l'avenir, je dirai que cette construction s'est avérée inopérante. Il n'a pas été possible d'obtenir une génération laser sur celui-ci. Les raisons sont assez évidentes - la lampe à pompe est deux fois plus longue que le cristal et sa lumière est utilisée de manière extrêmement inefficace. Et la possibilité d'un miroir de sortie pour fournir cette génération a également soulevé des questions. Quantron (le soi-disant lampe + cristal + bloc réflecteur) a dû être refait. Dans la deuxième version, j'ai fait un nouveau support pour le cristal et les lampes, au lieu d'une lampe IFP5000 j'ai décidé d'utiliser deux lampes IFP2000, placées à l'arrêt du cristal et connectées en série électriquement. La longueur de l'IFP2000 correspond idéalement à la longueur de la partie colorée du cristal. Cette méthode de mise en page est appelée «emballage étanche».
En tant que réflecteur, il a été décidé de tester les carreaux blancs. La tendance actuelle dans la fabrication de lasers commerciaux est l'utilisation de réflecteurs diffuseurs céramiques en alumine frittée, qui réfléchissent jusqu'à 97% de la lumière incidente. Les réflecteurs de marque, bien sûr, ne sont pas disponibles pour moi, mais les carreaux ne sont pas pires, ils sont également parfaitement blancs.
Le miroir de sortie a également été remplacé par un nouveau avec une transmittance mesurée de 45% à une longueur d'onde de 694 nm.
Et dans cette configuration, il était possible d'obtenir la génération dès la première impulsion! Le seuil de génération s'est avéré assez élevé - environ 1500 J d'énergie de pompe. Le laser a émis un faisceau de couleur rouge profond, d'une luminosité éblouissante. Malheureusement, en raison de sa «fugacité», il n'a pas été possible de le photographier. Mais il a été possible de fixer son effet destructeur sur le métal lors de la mise au point. Du fer, il sculpte bien les étincelles.
Le cristal n'ayant pas de refroidissement par eau, avec une augmentation de sa température, l'énergie du faisceau baisse assez rapidement, jusqu'à ce que la génération soit complètement perturbée. Et les carreaux chauffaient bien et rendaient difficile l'évacuation de la chaleur. Lors du démontage, j'ai remarqué que la surface des carreaux commençait à s'assombrir. Il a été décidé de tester un réflecteur métallique courbé à partir d'une plaque chromée d'un photo-brillant.
Ce réflecteur fonctionnait comme des carreaux, mais il refroidissait beaucoup plus rapidement et pouvait être filmé un peu plus souvent. Plusieurs tirs sur métal et caoutchouc ont été effectués. Le type d'étincelles sculptées dépend du type de métal. Tir de fer transformateur. Pour une panne complète, 4 tirs ont été nécessaires.
Tir en acier inoxydable. Les étincelles sont plus brillantes.
Tirer sur la lame du couteau de papeterie en acier au carbone donne une abondance d'étoiles duveteuses.
Le tir en caoutchouc donne une éjection d'une torche à flamme jusqu'à 3-4 cm de long avec des anneaux de fumée ultérieurs.
Il a également été possible de découvrir qu'en raison de l'utilisation du prisme à réflexion totale comme miroir aveugle, le laser fonctionne en mode monomode et produit moins d'énergie qu'il ne le pourrait au même niveau de pompe. Le fait est que le bord central du prisme est une zone morte et, sur la base de la configuration des rayons de lumière dans le prisme de réflexion totale, le faisceau lumineux se divise en deux parallèles, ce qui correspond au mode TEM10. Cela a été reconnu par la tache de brûlure sur la carbolite noire - une tache divisée en deux, comme sur la photo, était clairement visible.
Si des conditions sont créées dans lesquelles tous les autres modes ne sont pas supprimés, en raison de l'apparition de modes plus élevés, on peut obtenir une augmentation de l'énergie de sortie d'au moins un facteur deux. Pour ce faire, il a fallu remplacer le prisme, qui est facilement accessible, par un miroir aveugle spécial, conçu pour fonctionner à une longueur d'onde de 694 nm. Et ça valait le coup! Le seuil de génération est tombé à 900 J, mais il y avait vraiment plus d'énergie! Et lors du tournage de carbolite noir, un point de brûlure uniforme a été obtenu. Maintenant, la plaque de fer du transformateur a fait son chemin en 2-3 coups et le diamètre du trou était un peu plus grand. Eh bien, le nombre d'étincelles est devenu beaucoup plus grand! Il est particulièrement beau lors de la prise de vue en acier au carbone.
L'acier ordinaire fait aussi très peu d'étincelles!
3 coups font un trou traversant dans la lame du couteau.
À ce moment-là, les capacités du laser étaient déjà compréhensibles en principe, et il restait à éliminer tout ce gâchis des condensateurs et du câblage haute tension nu dans un boîtier plus ou moins soigné, qui a été laissé avec succès de l'unité d'alimentation laser démontée LG-70. Il a été décidé de réduire la batterie de condensateurs, ne laissant que 6 condensateurs du même type qui s'intègrent parfaitement dans le boîtier. Pousser le reste de la camelote n'a pas posé de problèmes, il y avait même de la place pour un composant de sécurité très important - un disjoncteur à vide qui a une position normalement fermée, qui décharge les condensateurs vers une résistance puissante lorsque les cours avec le laser cessent et que l'alimentation est coupée. La charge fusionne de manière fiable en environ 40 secondes. Le prix pour cela était une légère diminution de l'énergie de rayonnement, mais d'un autre côté, les lampes à pompe fonctionnent dans un mode plus doux.
En haut se trouvent des condensateurs, à droite est une résistance de décharge, dans le coin inférieur gauche est un système d'allumage de la lampe, une bobine ronde à droite est une inductance de ballast qui est activée pour limiter le courant d'impulsion à travers les lampes (sans elle, les lampes explosent solennellement après quelques dizaines de flashs), encore plus à droite (au centre) un transformateur d'un micro-ondes chinois pour charger des condensateurs, à droite est son démarreur, et dans le coin inférieur droit est un disjoncteur à vide BB-5, qui ferme les condensateurs à une résistance lorsque l'appareil est éteint du réseau.
Vue arrière de l'alimentation Le ventilateur se tenait là simplement parce qu'il était là, et qu'il y avait une place en dessous.
Il n'y a pas vraiment de nœuds chauffants dans ce bloc. La haute tension est émise par deux contacts sur des isolateurs de traversée improvisés, qui doivent encore fournir une protection supplémentaire contre les contacts accidentels.
Après avoir assemblé l'alimentation, il a été décidé de prendre d'assaut le nickel, en acier inoxydable d'une épaisseur d'environ 1,3 mm. Il a fallu environ 7 clichés, mais une ventilation a été obtenue!
Ici, des étincelles sont déjà visibles depuis l'arrière du nickel.
Et voici le résultat souhaité - par la rupture d'un nickel.
Pour résumer, il serait étrange si, avec mon enthousiasme, je n'aurais pas construit ce type de laser vraiment exceptionnel, dans lequel dans mon implémentation l'énergie de sortie est estimée à 5 J en utilisant une batterie de condensateurs à pleine capacité. C'est avec lui que l'histoire de toutes les technologies laser et d'une science complètement nouvelle à cette époque a commencé - l'optique non linéaire, qui a découvert des incidents complètement inhabituels qui se produisent avec la lumière dans le domaine des hautes puissances et des énergies. Séparément, je voudrais remercier Jarrod Kinsey, un laser américain fait maison, avec lui j'ai pu discuter de la conception de mon laser fait maison et obtenir de lui de précieux commentaires. L'article utilisait des matériaux provenant des sources suivantes, en plus des profondeurs sans fond d'Internet:1. B. F. Fedorov Générateurs quantiques optiques, Energia, 1966,2. . . , «», 1973
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