Probablement, tous ceux qui aiment les produits maison presque électroniques se sont demandé s'il était possible de fabriquer un laser par eux-mêmes, à la maison. Et bien sûr, très souvent, je suis tombé sur une réponse assez prévisible des anciens selon laquelle il est très difficile ou presque impossible, disent-ils, que le rayonnement laser ne peut être obtenu qu'à partir de cristaux et de verres spéciaux coûteux, ou d'autres matériaux inconnus qui ne peuvent être obtenus que dans le marais noir ou dans l'Occident outre-mer. Ce n'est en fait pas le cas. Le nombre de substances dans lesquelles le processus laser est possible est estimé par milliers, et certaines d'entre elles sont littéralement sous nos pieds, et littéralement autour de nous, partout. Ainsi, par exemple, on peut être surpris d'apprendre qu'il est possible d'obtenir une génération laser dans la vapeur d'eau, dans des colorants extraits de feutres, et enfin, dans le dioxyde de carbone exhalé par de nombreux êtres vivants, une génération laser d'une puissance de centaines de kilowatts a été obtenue. Mais, il existe un autre environnement de travail au laser, qui est beaucoup plus courant que tous les autres combinés. Il s'agit de l'azote, dont 78% se trouve dans l'air atmosphérique.
Si vous faites une requête "laser maison" dans Google, celle d'azote apparaît en premier, avec de nombreux exemples de modèles:
Considérez le principe de son fonctionnement et de sa conception plus en détail.
Un laser à azote est un représentant typique des lasers à gaz moléculaire qui opèrent sur les transitions électroniques dans une molécule d'azote. Sa principale propriété est la génération intensive dans le domaine ultraviolet, avec une longueur d'onde fondamentale de 337,1 nm. Les propriétés de l'azote en tant que milieu de travail ne permettent la génération qu'en mode pulsé, car les transitions sont auto-limitées, c'est-à-dire la durée de l'inversion de population à de telles transitions est limitée par l'accumulation de particules au niveau inférieur; elle n'est pas plus longue que la durée de vie des particules au niveau de travail supérieur. La durée de vie du niveau supérieur pour l'azote est d'environ 40 nanosecondes, donc l'impulsion laser émise est également très courte, de l'ordre de plusieurs dizaines de nanosecondes. Cela impose des exigences spécifiques à l'impulsion électrique d'excitation - elle doit également être courte avec un front raide afin de pouvoir transférer un grand nombre de molécules à l'état excité pendant la durée de vie du niveau supérieur.
En même temps, l'azote, en tant que milieu actif, a un gain très élevé, si élevé que les miroirs ne sont pas nécessaires - il peut très bien fonctionner en mode super luminosité, lorsque le rayonnement est amplifié en une seule passe. Et pourtant, il peut fonctionner dans une large plage de pression jusqu'à l'atmosphère. Et, comme il s'est avéré, l'oxygène atmosphérique n'interfère pas, bien qu'il réduise la puissance de génération maximale réalisable. Ainsi, une image assez attrayante émerge pour l'homme de bricolage: l'environnement de travail est extrêmement accessible, se disputer avec le vide et les gaz n'est pas nécessaire, les matériaux rares ne sont pas nécessaires. Même les miroirs à cavité optique ne sont pas nécessaires. Vous avez juste besoin de bricoler un peu avec la haute tension. Examinons plus en détail le dispositif d'un laser à azote, qui est proposé pour l'auto-fabrication.
Sur la base des exigences de l'impulsion d'excitation, un circuit de pompe laser basé sur le générateur Blumlein, qui se compose de deux condensateurs plats qui peuvent être formés de plusieurs couches de feuille d'aluminium ou de cuivre et d'un film diélectrique, émerge généralement. L'interrupteur de cet appareil est l'éclateur le plus simple de deux vis à tête arrondie. Il semblerait, où est le laser lui-même? Et le processus de génération de rayonnement laser se produit presque imperceptiblement - dans l'espace entre deux lignes métalliques, dans lequel une décharge d'impulsion est allumée. Les règles sont montées sur les bords opposés des condensateurs plats C1 et C2. La décharge brûle à travers l'axe des règles et le rayonnement laser sort le long, respectivement, d'un laser à gaz avec une décharge transversale. Pour que la décharge ne s'allume pas au moment de la charge des condensateurs, une petite inductance est incluse en parallèle avec l'intervalle laser, ce qui raccourcit l'écart en courant continu. Il est nécessaire d'appliquer une tension élevée (environ 10-15 kV) comme indiqué sur le schéma - et le laser fonctionnera. Tout moyen approprié convient comme source HV - un pistolet paralysant, une alimentation électrique d'un ioniseur d'air, une machine d'électrophore, une source HV d'un téléviseur CRT ou d'un moniteur. Puisqu'il fonctionne sans miroirs, le rayonnement sort des deux extrémités des règles. Puisqu'il émet dans l'ultraviolet - cela vous permet de vous familiariser avec la luminescence de divers objets et matériaux. Et un tel laser est assez pratique pour pomper un laser à colorant - il suffit d'ajouter de l'
eau à la cuve à colorant et de la placer sous le faisceau.
Pour la même raison, et aussi, puisque l'énergie du pouls est très faible (dizaines de microjoules), son rayonnement est relativement sûr pour les yeux, car il est absorbé par la cornée et n'atteint pas la rétine. Cependant, il ne faut pas regarder directement dans le faisceau - les brûlures ultraviolettes de la cornée sont une chose plutôt désagréable.
Ainsi, ce schéma rend le «seuil d'entrée» dans le monde de la technologie laser très bas, un tel laser a été construit par d'innombrables personnes.
Il y a des conceptions plus terribles. La tache verte sur la première photo est la luminescence de la "cible" pour le rayonnement.
Il y en a d'autres plus détaillés et soignés, comme celui-ci.
Oui, un tel laser peut être assemblé en général en moins de 2 minutes! À moins bien sûr que toutes les matières premières soient préparées et que la conception soit élaborée, c'est-à-dire la main est déjà pleine.
La disponibilité et la simplicité de la conception d'un tel laser peuvent faire économiser beaucoup d'argent dans les laboratoires universitaires occidentaux, s'il n'a pas d'exigences particulières pour les paramètres de sortie.
Néanmoins, pour garantir le bon fonctionnement d'un tel laser, plusieurs nuances doivent être observées. Le plus important d'entre eux est que les bords des électrodes linéaires doivent être aussi lisses que possible et avoir des bords arrondis afin que la décharge n'ait pas la possibilité de s'assembler en une seule étincelle allumée à partir d'un certain point. Le second est le choix correct d'un film isolant pour condensateurs plats, de sorte que la capacité maximale possible soit obtenue avec la rigidité électrique maximale possible. Le troisième est le choix correct de l'espace entre les électrodes, qui doit être maintenu exactement sur toute la longueur et ne pas dépasser 2-3 mm. C'est alors que le front de courant le plus court sera obtenu grâce à une décharge laser. Les tolérances pour les deux dernières nuances peuvent être facilitées en réduisant la pression du gaz de travail à 100-200 mm Hg. Art., Et si de l'azote pur est fourni à la place de l'air, mais cela signifie automatiquement l'apparition d'un système primitif mais sous vide, et la conclusion des électrodes dans un volume légèrement scellé. Dans cette configuration, la distance entre les électrodes peut être augmentée et les exigences de raideur du front de courant sont quelque peu réduites - les condensateurs plats peuvent être remplacés par des condensateurs en céramique compacts. Mais une telle conception a également le droit d'exister.
Par exemple, les lasers de purge d'azote faits maison de Jarrod Kinsey.
Ici, en raison de l'abondance de divers objets sur sa table, le laser lui-même est assez difficile à considérer.
Laser à azote à décharge transversale à basse pression où les condensateurs plats sont remplacés par des céramiques. Conception de Thomas Rapp.
Si quelqu'un est intéressé par un guide très complet et détaillé sur la construction d'un tel laser avec une description de toutes les nuances non évidentes, alors cela vaut la peine de regarder à nouveau sur le
site de Yun'a Sothory .
Et il y a une légende plutôt populaire selon laquelle l'effet laser lors d'une décharge d'étincelle dans des espaces d'air prolongés pouvait être détecté bien avant que les principes de l'opération laser ne soient découverts en tant que tels, à l'époque où ils commençaient à peine à absorber l'électricité. Mais c'est un beau faux, comme cette photo. Ce qui ne nie pas la véracité de son contenu.
Un article décrivant le «laser victorien» est
ici .
Nous allons maintenant examiner quelles sont, en principe, les conceptions des lasers à azote disponibles dans le commerce. En Occident, absolument tous les lasers à azote que j'ai rencontrés ont une décharge transversale pompée par le générateur Blumlyayn. Tout est comme le laser autodidacte décrit ci-dessus, seules des commandes laser pratiques, des sources d'alimentation plus avancées y ont été ajoutées, au lieu de l'éclateur le plus simple - un thyratron à hydrogène pulsé ou un éclateur à haute pression contrôlé, au lieu de grands condensateurs plats en film et en feuille - il y a beaucoup de petites électrodes en céramique, et entre lesquels il y a une décharge située dans un volume fermé dans lequel vous pouvez ajuster la pression et généralement charger tout autre gaz. Mais le principe reste inchangé. Un tel schéma présente les avantages suivants:
- Simplicité. Comme mentionné ci-dessus, dans de nombreux cas, même la construction d'un simple laser azote-azote fait maison fonctionnant dans l'air atmosphérique est tout à fait applicable, même avec un travail scientifique assez sérieux en laboratoire.
- Une énergie d'impulsion de sortie assez importante - des dizaines de millijoules dans les grandes installations.
- Une durée d'impulsion très courte, s'élevant dans certains cas à des centaines de picosecondes.
- La combinaison des deux facteurs précédents permet d'obtenir d'énormes puissances d'impulsion - des dizaines à des centaines de mégawatts.
Parallèlement à cela, il existe certains inconvénients:
- Qualité de faisceau dégoûtante. Le faisceau n'est pas rond mais de forme oblongue, avec une intensité inégale sur la section transversale. Dans certains cas, cela n'est pas critique lorsque, par exemple, vous devez pomper un laser à colorant.
- Taux de répétition d'impulsion limité, généralement pas plus de quelques dizaines de Hz.
- Instabilité de l'énergie d'impulsion en impulsion.
- Certaines conceptions nécessitent un entretien périodique - changement du gaz de travail, maintien de sa pression, nettoyage et polissage périodiques des électrodes.
Tous les avantages et inconvénients mentionnés s'appliquent pleinement au laser à azote autodidacte.
Voyons à quoi ressemblent les lasers à azote des fabricants occidentaux et comparons leur conception avec les plus simples faits maison.
Laser d'azote de petite taille Spectra-Physics et sa chambre laser de cerclage. Il s'agit d'un laser à décharge transversale à basse pression.
Au lieu de condensateurs plats, il y en a des en céramique, et en plus il y a un éclateur contrôlé. La chambre laser est remplie d'azote et scellée.
Laser à azote puissant opérant sur une transition mineure dans la région bleue du spectre. Vous pouvez voir de nombreux petits condensateurs en céramique et une inductance de blocage entre les électrodes. Pour obtenir des lasers à des longueurs d'onde autres que 337,1 nm, un ajout d'hélium à l'azote est nécessaire.
La toute première caméra laser à décharge transversale, fabriquée en 1973.
Système laser Molectron.
L'intérieur d'un laser haute puissance à décharge transversale qui, lors du remplacement du mélange gazeux et de l'optique, peut fonctionner comme un laser CO2 ou comme un laser excimer.
Apparence d'électrodes d'un laser à décharge transversale fabriqué industriellement.
Caméra laser pour des durées d'impulsion picosecondes.
Maintenant, après tout ce qui précède, une question raisonnable se posera pour moi si j'ai essayé de répéter cette construction. En fait, non, je ne l'ai pas essayé. Il y avait des raisons objectives à cela. En bref, j'aime un type de laser à azote complètement différent - un laser non pas transversal mais à décharge longitudinale! Mais plus à ce sujet dans la
partie suivante .
Sources utilisées:
1.
www.jarrodkinsey.org2.
www.rapp-instruments.de3.www.spakbangbuzz.com4.
www.jonsinger.org5.
www.swissrocketman.fr6.
www.mylaser.ucoz.ru7.
www.laserkids.sourceforge.net8.
www.technology.niagarac.on.caJ'espère que je n'ai oublié personne.