Seperti yang Anda tahu, laser adalah perangkat yang mampu memperkuat cahaya dengan emisi terstimulasi. Dan kemungkinan membangun perangkat ini pertama kali diprediksi dalam teori, dan hanya beberapa tahun kemudian adalah mungkin untuk membangun sampel pertama. Izinkan saya mengingatkan Anda bahwa emisi terstimulasi dijelaskan dari sudut pandang teori kuantum oleh Einstein, dan perwujudan pertama prinsip ini dalam besi dimulai pada 50-an abad kedua puluh secara independen oleh berbagai kelompok ilmuwan, yang paling terkenal adalah C. Townes, A. M. Prokhorov dan N. G Bass. Kemudian mereka berhasil membangun generator kuantum pertama - maser, yang menghasilkan radiasi di wilayah gelombang sentimeter. Kisaran optik tetap tidak ditaklukkan pada waktu itu, dan saya akan mencoba memberi tahu bagaimana saya berhasil menaklukkannya dalam artikel ini.
Dan Theodor Meyman berhasil menaklukkannya di tahun 1960-an. Dia membuat banyak perhitungan dan sampai pada kesimpulan bahwa kristal ruby ​​akan menjadi media kerja yang ideal untuk menghasilkan gelombang dalam rentang optik. Dia mengusulkan prinsip memompa fluida kerja - dengan kilatan cahaya pendek dari lampu kilat yang sesuai dan metode menciptakan umpan balik positif agar amplifier menjadi generator - fungsi ini dilakukan dengan pelapis cermin di ujung kristal. Perhitungan Meyman menunjukkan bahwa atom kromium, yang merupakan pengotor dalam kristal safir dan menjadikannya ruby, memiliki sistem tingkat energi yang sesuai, yang memungkinkan untuk menghasilkan radiasi laser. Di ruby, skema tiga tingkat paling sederhana diterapkan. Atom kromium, yang menyerap cahaya di wilayah biru-hijau dari spektrum, beralih ke tingkat tereksitasi atas, dari mana transisi non-radiasi ke tingkat metastabil terjadi, di mana ia dapat berlama-lama untuk waktu dengan urutan 1 ms. Dari keadaan ini, atom kembali ke permukaan tanah, memancarkan foton dengan panjang gelombang 694 atau 692 nm, karena tingkat metastabil sebenarnya bukan satu, ada dua di antaranya yang berjarak sangat dekat. Kemungkinan akumulasi atom pada tingkat metastabil memungkinkan seseorang untuk membuat populasi terbalik, dan bersamanya generasi radiasi laser, ketika satu atau lebih foton yang dipancarkan secara spontan menyebabkan semua atom lainnya mengalir dari keadaan metastabil ke keadaan dasar, memancarkan foton baru dengan panjang gelombang yang sama, fase, polarisasi dan arah gerak. Mereka menciptakan sinar merah terang, yang ditandai dengan koherensi.
Banyak peristiwa yang cukup menarik dan kadang-kadang sangat tidak adil dihubungkan dengan sejarah penemuan generator kuantum optik pertama. Untuk mulai dengan, perlu dicatat bahwa Meiman melakukan pengembangan laser pertama atas inisiatifnya sendiri dan hanya dengan asistennya, sedangkan laser ruby ​​dibuat bertentangan dengan pendapat banyak ahli yang yakin bahwa ruby ​​tidak cocok sebagai media kerja. Ada legenda urban, yang menurutnya, asistennya, menjadi buta warna, untuk pertama kali dalam hidupnya melihat lampu merah, pada saat ketika laser dirakit dan itu bekerja. Menurut legenda yang sama, Meiman tidak secara visual mengamati sinar laser, karena ia sangat sibuk dengan pengaturan peralatan rekaman - sangat mendesak untuk mengumpulkan data eksperimental dan menyiapkan artikel untuk publikasi, yang akan menghadirkan bukti meyakinkan bahwa radiasi koheren dari rentang optik pertama kali diperoleh. Di sinilah kesulitan dimulai. Pertama, artikel Meyman tentang kemungkinan menghasilkan radiasi koheren optik dalam kristal ruby ​​ditolak dari publikasi dalam jurnal Physical Review Letters, mengklarifikasi bahwa "tidak ada yang secara fundamental baru dalam artikelnya". Sebaliknya, sebuah artikel diterbitkan di Nature. Apa karakteristiknya - pada tahun 1958, jurnal Physical Review Letters telah menerbitkan sebuah artikel tentang prinsip-prinsip operasi laser, yang dikirim dari organisasi saingan - Bell Labs, dan meskipun fakta bahwa mereka tidak memiliki salinan laser yang berfungsi, artikel tersebut menggambarkan justifikasi teoretis. Mereka dengan cepat membuat paten untuk laser, yang belum mereka miliki. Dan Meiman mendapat penyimpangan dari majalah ini, meskipun ia membangun laser yang berfungsi pertama. Selain itu, ia kemudian menjelaskan secara rinci kepada para ilmuwan Bell Labs dalam percakapan telepon tentang apa yang ia butuhkan untuk membuat laser dan cara membuatnya, setelah ia membuat sendiri. Namun, prioritas Meiman dalam penemuan laser tidak pernah dikenali. Dan Hadiah Nobel untuk penemuan laser diberikan kepada C. Townes, dan bukan miliknya, yang seharusnya menjadi haknya. Ini sebagian dijelaskan oleh fakta bahwa Meiman bekerja di sebuah perusahaan swasta yang melakukan perintah untuk militer, dan bukan di laboratorium universitas.
Sekarang, mari kita tinggalkan drama itu sendirian dan melihat bagaimana laser ruby ​​Meyman pada besi diatur. Desainnya sangat sederhana - dalam casing yang ringkas terdapat lampu flash spiral mini, yang di dalamnya dipasang kristal ruby ​​miniatur. Ujung-ujungnya berlapis perak - salah satu ujungnya adalah cermin "tuli", yang kedua berlapis perak dengan lapisan yang lebih tipis, yang memungkinkan beberapa cahaya untuk melewatinya. Laser pertama di dunia memiliki panjang 12 sentimeter, beratnya 300 gram dan tampak seperti mainan.
Detail laser close-up:
Sebenarnya, kristal ruby.
Dan seluruh perakitan laser, tanpa sumber daya.
Pers juga mendapat foto laser berukuran lebih besar, tetapi bukan yang pertama dalam sejarah. Dan para jurnalis segera mulai panik, kata mereka, "sinar kematian" ditemukan.
Hanya satu atau dua tahun, ketika berita tentang penemuan laser sudah tersebar di seluruh dunia, sampel laboratorium pertama laser mulai muncul di USSR. Tidak seperti negara-negara Barat, lampu pompa spiral di laser tidak segera berakar. Pertama, terlepas dari “kejelasan” -nya, bentuk tubuh cahaya masih jauh dari optimal - hanya sebagian kecil dari cahaya yang masuk ke alamat, karena belokan-belokan tetangga dari spiral terutama saling menerangi satu sama lain, dan bukan kristal ruby ​​yang dimasukkan ke dalamnya. Kedua, industri Soviet tidak memproduksi berbagai macam lampu flash spiral. Dan yang diproduksi memiliki bentuk yang tidak sesuai - spiral berdiameter terlalu besar tetapi memiliki beberapa belokan, seperti lampu IFK-20000 yang terkenal dan IFK-80000. Ada modifikasi spiral pada lampu IFK-2000 yang cukup terkenal dan tersebar luas, tetapi sangat jarang dan hanya bisa "memompa" kristal ruby ​​terkecil, seperti pada Mayman. Karena lampu spiral jarang ada di USSR, mereka menggunakan lampu yang jumlahnya cukup. Laser pertama di USSR memiliki kesempatan untuk menginstal kristal dari berbagai ukuran ke dalamnya, dan "klasik" U-tabung IFK-2000 digunakan untuk memompa. Jadi dia tampak hidup.
Dan itu ditunjukkan dalam buku-buku B.F. Fedorov dari berbagai publikasi.
Karena metode pemompaan ini masih tetap tidak efektif, mereka dengan cepat meninggalkannya untuk memompa dengan tabung tabung langsung dari seri IFP. Kristal Ruby juga mulai diproduksi hanya dalam beberapa ukuran standar, persis ukuran bagian lampu yang bercahaya. Kristal ruby ​​dan lampu ditempatkan di fokus reflektor elips, sehingga kristal mengumpulkan cahaya maksimum yang tersedia. Jadi itu terlihat secara skematis.
Dan itu terlihat seperti reflektor elips langsung.
Ada juga desain dengan apa yang disebut lampu "rongga". Lampu rongga diperoleh dengan secara bertahap meningkatkan jumlah belokan dalam lampu spiral hingga tak terbatas, sampai mereka bergabung menjadi rongga terus menerus. Lampu semacam itu adalah dua tabung yang terbuat dari kaca kuarsa yang disarangkan satu ke yang lain dan dilas di ujungnya. Elektroda disolder ke ujung lampu yang berlawanan. Satu-satunya lampu rongga yang diketahui dari pabrik Soviet - IFPP-7000, digunakan untuk memompa unit laser UIG-1.
Skema pompa ini memiliki semua kelemahan dari rangkaian lampu spiral, sehingga belum digunakan di tempat lain. Dalam foto tersebut, lampu IFPP-7000 dan kristal ruby ​​digunakan dengannya. Selain sirkuit eksotis sekarang dengan lampu pompa spiral dan rongga, laser ruby ​​dapat beroperasi di sirkuit yang lebih eksotis - dengan pemompaan terus menerus. Ini dimungkinkan jika kristal ruby ​​sangat kecil, ia didinginkan dengan nitrogen cair dan diterangi oleh sinar terfokus dari lampu merkuri bertekanan sangat tinggi atau sinar laser argon yang kuat. Tetapi perangkat seperti itu tidak pernah meninggalkan dinding laboratorium, tetap eksotis yang dijelaskan dalam artikel ilmiah, meskipun fakta bahwa seiring waktu itu dapat "menyapih" dari nitrogen cair. Selanjutnya, mereka juga menolak cermin yang disemprotkan pada ujungnya, karena mereka berumur pendek dan jika terjadi kerusakan mereka harus mengubah seluruh kristal. Desain seperti itu dipertahankan hanya pada perangkat-perangkat tersebut di mana kekompakan maksimum diperlukan, seperti, misalnya, dalam penghasil laser epilator. Di semua cermin lain dipasang secara terpisah pada perangkat penyesuaian.
Akan aneh jika saya tidak ingin membangun laser ruby ​​sendiri menggunakan sampah yang telah dibuang dari lab laser dan pada saat yang sama. Saya ingin membayar semacam penghargaan untuk sejarah. Nah, dapatkan pengalaman pertama dengan laser solid-state berdenyut. Berikut ini adalah deskripsi konstruksi laser ruby ​​saya sendiri.
Informasi yang disediakan hanya untuk tujuan informasi. Penulis tidak bertanggung jawab atas upaya untuk mengulangi yang dijelaskan.Dasarnya adalah kristal tersebut dari instalasi UIG-1. Ini adalah kristal merah muda pucat dengan ukuran bagian yang dilukis bekerja 8 * 120 mm, dengan tambahan tips tidak berwarna, yang memberikan panjang kristal total 180 mm. Diperlukan tips untuk memasang kristal pada emitor. Alasan lain mengapa bagian yang dicat dibuat persis dengan ukuran lampu pompa adalah karena ruby ​​memiliki sifat yang sangat buruk untuk menyerap radiasi sendiri pada panjang gelombang generasi. Jika beberapa bagian kristal tetap tidak menyala, maka ia mulai menyerap radiasi, yang diperkuat pada bagian yang diterangi dan efisiensi laser sangat berkurang. Hal ini disebabkan oleh skema atom kromium tiga tingkat dalam ruby. Untuk alasan yang sama, ruby ​​memiliki energi pompa ambang yang sangat tinggi.
Pertama-tama, prototipe sumber daya untuk lampu pompa dibangun. Detail utamanya adalah bank kapasitor 1000 ÎĽF, yang diisi hingga tegangan 3 kV.
Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa sirkuit dengan kapasitor tegangan tinggi kapasitas besar adalah mematikan!
Biaya rangkaian dan penyalaan lampu. Untuk upaya pertama, IFP-5000 diambil.
Pada awalnya, rangkaian dengan lampu diuji tanpa housing. Kilatan lampu sangat kuat, ini terjadi dengan letupan yang cukup keras dan dapat dengan mudah dilihat di kamar-kamar tetangga - cahaya menyebar melalui koridor, memantulkan dinding. Lampu kilat mampu mengkarbonisasi kayu dan kertas, yang ditempatkan dalam fokus. Setiap lampu kilat disertai dengan bau debu terbakar dan ozon yang dihasilkan oleh gelombang kuat radiasi ultraviolet yang keras, dan disertai dengan gelombang panas, jika Anda berada di sebelahnya. Pengamatan langsung blitz tanpa pelindung mata sangat berbahaya! Masker atau kacamata las biasa cukup untuk perlindungan.
Setelah bermain cukup dengan flash paling kuat pada waktu itu, saya mengumpulkan emitor dengan lampu ini dan kristal yang ditunjukkan di atas. Kasing untuk lampu dan kristal adalah reflektor monoblok kaca dari laser teknologi Kvant-16, dan dasarnya adalah sepotong saluran logam. Perangkat penyelarasan untuk cermin resonator terbuat dari potongan-potongan saluran yang sama.
Sebagai cermin tuli, saya memutuskan untuk menggunakan prisma refleksi total.
Dan sebagai akhir pekan, sebuah cermin diduga dipilih dari laser ruby.
Ke depan, saya akan mengatakan bahwa konstruksi ini ternyata tidak beroperasi. Itu tidak mungkin untuk mendapatkan generasi laser di atasnya. Alasannya cukup jelas - lampu pompa dua kali lebih lama dari kristal dan cahayanya digunakan sangat tidak efisien. Dan kemungkinan cermin keluaran untuk menyediakan generasi ini juga menimbulkan pertanyaan. Quantron (blok lampu + kristal + reflektor) harus diulang. Pada versi kedua, saya membuat dudukan baru untuk kristal dan lampu, alih-alih satu lampu IFP5000 saya memutuskan untuk menggunakan dua lampu IFP2000, ditempatkan di halte kristal dan dihubungkan secara seri secara elektrik. Panjang IFP2000 sangat cocok dengan panjang bagian berwarna kristal. Metode tata letak ini disebut "pengemasan ketat."
Sebagai reflektor, diputuskan untuk menguji ubin putih. Tren saat ini dalam pembuatan laser komersial adalah penggunaan reflektor difus keramik yang terbuat dari alumina yang disinter, yang memantulkan hingga 97% dari cahaya yang terjadi. Reflektor bermerek, tentu saja, tidak tersedia untuk saya, tetapi ubin tidak terlihat lebih buruk, mereka juga sangat putih.
Cermin keluaran juga diganti dengan yang baru dengan transmitansi terukur 45% pada panjang gelombang 694 nm.
Dan dalam konfigurasi ini, dimungkinkan untuk mendapatkan generasi dari pulsa pertama! Ambang generasi ternyata agak tinggi - sekitar 1500 J energi pompa. Laser memancarkan sinar warna merah tua, kecerahan menyilaukan. Sayangnya, karena sifatnya "sementara", tidak mungkin untuk memotretnya. Tetapi adalah mungkin untuk memperbaiki efek merusaknya pada logam selama pemfokusan. Dari besi, dia mengukir percikan api dengan baik.
Karena kristal tidak memiliki pendingin air, dengan kenaikan suhunya, energi berkas turun dengan cepat, sampai pembangkitannya benar-benar terganggu. Dan ubin dipanaskan dengan baik dan membuatnya sulit untuk menghilangkan panas. Ketika dibongkar, saya perhatikan bahwa permukaan ubin masih mulai gelap. Diputuskan untuk menguji reflektor logam yang ditekuk dari piring chrome-photo.
Reflektor ini berfungsi seperti ubin, tetapi mendingin lebih cepat dan bisa ditembak lebih sering. Beberapa penembakan terhadap logam dan karet dilakukan. Jenis percikan berukir tergantung pada jenis logam. Menembak besi transformator. Untuk melalui breakdown, diperlukan 4 tembakan.
Penembakan stainless steel. Bunga api lebih terang.
Menembak di pisau alat tulis yang terbuat dari baja karbon memberikan banyak bintang berbulu.
Karet pemotretan mengeluarkan obor nyala hingga panjang 3-4 cm dengan cincin asap berikutnya.
Itu juga mungkin untuk mengetahui bahwa, karena penggunaan prisma refleksi total sebagai cermin buta, laser beroperasi dalam mode mode tunggal dan menghasilkan lebih sedikit energi daripada yang bisa terjadi pada level pompa yang sama. Faktanya adalah bahwa tepi tengah prisma adalah zona mati dan, berdasarkan pola sinar cahaya pada prisma pantulan total, sinar cahaya terbagi menjadi dua yang paralel, yang sesuai dengan mode TEM10. Ini dikenali oleh titik bakar pada karbolit hitam - bercak menjadi dua, seperti pada gambar, terlihat jelas.
Jika kondisi dibuat di mana semua mode lain tidak ditekan, maka karena penampilan mode yang lebih tinggi, seseorang dapat mencapai peningkatan energi output oleh setidaknya dua faktor. Untuk melakukan ini, perlu mengganti prisma, yang mudah diakses, dengan cermin khusus, yang dirancang untuk beroperasi pada panjang gelombang 694 nm. Dan itu sangat berharga! Ambang generasi turun menjadi 900 J, tetapi benar-benar ada lebih banyak energi! Dan saat memotret karbolit hitam, diperoleh titik bakar seragam. Sekarang pelat besi transformator berjalan dalam 2-3 tembakan, dan diameter lubang agak lebih besar. Nah, jumlah bunga api telah menjadi jauh lebih besar! Sangat indah saat memotret dengan baja karbon.
Baja biasa juga memercik dengan sangat lemah!
3 tembakan membuat lubang di bilah pisau.
Pada saat itu, kemampuan laser sudah dapat dipahami secara prinsip, dan tetap untuk menghapus semua kekacauan dari kapasitor dan kabel tegangan tinggi yang telanjang menjadi casing yang lebih atau kurang rapi, yang berhasil ditinggalkan dari unit catu daya laser yang dibongkar LG-70. Diputuskan untuk mengurangi kapasitor bank, hanya menyisakan 6 dari jenis kapasitor yang sama yang cocok ke dalam kasing. Mendorong sisa sampah tidak menyebabkan kesulitan, bahkan ada ruang untuk komponen keamanan yang sangat penting - pemutus sirkuit vakum yang memiliki posisi tertutup secara normal, yang melepaskan kapasitor ke resistor kuat ketika laser dihentikan dan catu daya dihilangkan energi. Muatan bergabung secara andal dalam waktu sekitar 40 detik. Harga untuk ini adalah sedikit penurunan energi radiasi, tetapi di sisi lain, lampu pompa beroperasi dalam mode yang lebih lembut.
Di atas adalah kapasitor, di sebelah kanan adalah resistor pelepasan, di sudut kiri bawah adalah sistem pengapian lampu, kumparan bundar di sebelah kanan adalah sebuah pemberat pemberat yang dihidupkan untuk membatasi arus pulsa melalui lampu (tanpa itu, lampu sungguh-sungguh meledak setelah beberapa lusin kedipan), bahkan lebih ke kanan (di tengah) sebuah transformator dari microwave Cina untuk mengisi kapasitor, di sebelah kanan adalah starter, dan di sudut kanan bawah adalah pemutus sirkuit vakum BB-5, yang menutup kapasitor ke resistor ketika perangkat dimatikan dari jaringan.
Tampak belakang catu daya. Kipas itu berdiri di sana hanya karena dia ada di sana, dan ada tempat di bawahnya.
Tidak ada benar-benar titik panas di blok ini. Tegangan tinggi adalah output melalui dua kontak pada isolator bushing improvisasi, yang masih perlu memberikan perlindungan tambahan terhadap kontak yang tidak disengaja.
Setelah merakit catu daya, diputuskan untuk menyerbu nikel, terbuat dari stainless steel dengan ketebalan sekitar 1,3 mm. Butuh sekitar 7 tembakan, tetapi perincian diperoleh!
Di sini, bunga api sudah terlihat dari bagian belakang nikel.
Dan di sini adalah hasil yang diinginkan - melalui pemecahan nikel.
Singkatnya, akan aneh jika, dengan antusiasme saya, saya tidak akan membangun jenis laser yang sangat luar biasa ini, di mana dalam implementasi saya energi output diperkirakan 5 J menggunakan bank kapasitor kapasitor penuh. Bersamanya bahwa sejarah semua teknologi laser dan ilmu yang sepenuhnya baru pada saat itu dimulai - optik nonlinear, yang membuka insiden yang sama sekali tidak biasa yang terjadi dengan cahaya di bidang kekuatan dan energi tinggi. Secara terpisah, saya ingin mengucapkan terima kasih kepada Jarrod Kinsey, laser buatan Amerika, dengan dia saya dapat mendiskusikan desain laser buatan saya dan mendapatkan beberapa komentar berharga darinya. Artikel ini menggunakan bahan-bahan dari sumber-sumber berikut, selain kedalaman Internet tanpa dasar:1. B. F. Fedorov Generator kuantum optik, Energi, 1966,2. . . , «», 1973
3. . . : , -, 1992
, .
– 16 240 . – 300 . 100 . , .
