Como você sabe, um laser é um dispositivo capaz de amplificar a luz por emissão estimulada. E a possibilidade de construir esse dispositivo foi prevista pela primeira vez em teoria, e apenas muitos anos depois foi possível construir a primeira amostra. Deixe-me lembrá-lo de que a emissão estimulada foi explicada do ponto de vista da teoria quântica por Einstein, e a primeira concretização desse princípio no ferro começou nos anos 50 do século XX de forma independente por vários grupos de cientistas, sendo os mais famosos C. Townes, A. M. Prokhorov e N. G Bass. Então eles conseguiram construir o primeiro gerador quântico - um maser, que gerava radiação na região de ondas centimétricas. O alcance óptico permaneceu não conquistado naquele momento, e tentarei contar como consegui conquistá-lo neste artigo.
E Theodor Meyman conseguiu conquistá-lo na década de 1960. Ele fez muitos cálculos e chegou à conclusão de que um cristal de rubi seria o meio de trabalho ideal para gerar ondas na faixa óptica. Ele propôs o princípio de bombear o fluido de trabalho - com pequenos flashes de luz da lâmpada do flash correspondente e um método de criação de feedback positivo para que o amplificador se tornasse um gerador - essa função era realizada por revestimentos de espelho nas extremidades do cristal. Os cálculos de Meyman mostraram que os átomos de cromo, que são uma impureza nos cristais de safira e o tornam um rubi, têm um sistema adequado de níveis de energia, o que possibilita a geração de radiação laser. Em ruby, o esquema mais simples de três níveis é implementado. O átomo de cromo, absorvendo a luz na região verde-azulada do espectro, passa para o nível excitado superior, do qual ocorre uma transição não-radiativa para o nível metaestável, no qual pode permanecer por um tempo da ordem de 1 ms. A partir desse estado, o átomo retorna ao nível do solo, emitindo um fóton com um comprimento de onda de 694 ou 692 nm, já que o nível metaestável não é realmente um, existem dois deles muito espaçados. A possibilidade de acúmulo de átomos em um nível metaestável permite criar uma população inversa e, com ela, a geração de radiação laser, quando um ou mais fótons emitidos espontaneamente fazem com que todos os outros átomos cascatem do estado metaestável para o estado fundamental, emitindo novos fótons com o mesmo comprimento de onda, fase, polarização e direção do movimento. Eles criam um raio vermelho brilhante, que é caracterizado pela coerência.
Muitos eventos bastante interessantes e às vezes muito injustos estão relacionados à história da invenção do primeiro gerador quântico óptico. Para começar, note-se que Meiman realizou o desenvolvimento do primeiro laser por iniciativa própria e apenas com seu assistente, enquanto o laser de rubi foi criado contrariamente às opiniões de muitos especialistas que tinham certeza de que o rubi não era adequado como meio de trabalho. Há uma lenda urbana, segundo a qual, seu assistente, sendo daltônico, pela primeira vez em sua vida viu uma luz vermelha, no momento em que o laser foi montado e funcionou. De acordo com a mesma lenda, Meyman não observou o feixe de laser visualmente, pois estava muito ocupado com as configurações do equipamento de gravação - era urgente coletar dados experimentais e preparar um artigo para publicação, o que apresentaria evidências convincentes de que a radiação coerente da faixa óptica foi obtida pela primeira vez. É aqui que as dificuldades começaram. Primeiro, o artigo de Meyman sobre a possibilidade de gerar radiação óptica coerente em um cristal de rubi foi rejeitado na publicação na revista Physical Review Letters, esclarecendo que "não há nada fundamentalmente novo em seu artigo". Em vez disso, um artigo foi publicado na Nature. O que é característico - em 1958, a revista Physical Review Letters já publicou um artigo sobre os princípios da operação a laser, enviado por uma organização rival - a Bell Labs, e apesar do fato de não terem uma cópia de trabalho do laser, o artigo descreveu apenas uma justificativa teórica. Eles rapidamente inventaram uma patente para um laser, o que ainda não tinham. E Meiman se desviou desta revista, apesar de ter construído o primeiro laser em funcionamento. Além disso, ele explicou em detalhes aos cientistas do Bell Labs, em uma conversa por telefone, o que ele precisava para criar um laser e como construí-lo, depois que ele criou o seu. No entanto, a prioridade de Meiman na invenção do laser nunca foi reconhecida. E o Prêmio Nobel pela invenção do laser foi concedido a C. Townes, e não a ele, que deveria ter pertencido a ele por direito. Isso é parcialmente explicado pelo fato de Meiman trabalhar em uma empresa privada que realizava pedidos para os militares, e não em um laboratório universitário.
Agora, vamos deixar o drama em paz e ver como o laser de rubi de Meyman em ferro foi arranjado. O design era extremamente simples - em um estojo compacto havia uma lâmpada de flash espiral em miniatura, dentro da qual um cristal de rubi ainda mais miniatura era fixado. Suas extremidades opostas eram prateadas - uma das extremidades era um espelho "surdo", a segunda prateada com uma camada mais fina, que deixava passar alguma luz. O primeiro laser do mundo tinha 12 centímetros de comprimento, pesava 300 gramas e parecia um brinquedo.
Detalhes do laser em close-up:
Na verdade, um cristal de rubi.
E todo o conjunto do laser, sem fonte de energia.
A imprensa também tirou uma fotografia de um laser de tamanho maior, mas de modo algum o primeiro da história. E os jornalistas começaram imediatamente a entrar em pânico, dizem eles, "raios da morte" foram inventados.
Apenas um ano ou dois, quando as notícias da invenção do laser já haviam se espalhado pelo mundo, as primeiras amostras laboratoriais de lasers começaram a aparecer na URSS. Ao contrário dos países ocidentais, as lâmpadas de bombeamento em espiral nos lasers não se enraizaram imediatamente. Em primeiro lugar, apesar de sua “obviedade”, a forma do corpo de brilho está longe de ser ótima - apenas uma pequena fração da luz vai para o endereço, uma vez que as curvas vizinhas da espiral se iluminam principalmente, e não um cristal de rubi inserido nela. Em segundo lugar, a indústria soviética não produziu uma ampla gama de lâmpadas de flash em espiral. E os que foram produzidos tinham uma forma inadequada - a espiral era muito grande em diâmetro, mas tinha poucas curvas, como as conhecidas lâmpadas IFK-20000 e IFK-80000. Houve uma modificação em espiral em uma lâmpada IFK-2000 bastante conhecida e difundida, mas é muito rara e só poderia "bombear" o menor cristal de rubi, como em Mayman. Como as lâmpadas em espiral eram raras na URSS, elas seguiram o caminho de usar as lâmpadas em quantidade suficiente. O primeiro laser na URSS teve a oportunidade de instalar cristais de vários tamanhos, e os tubos U "clássicos" IFK-2000 foram usados para bombear. Então ele parecia vivo.
E assim foi mostrado nos livros de B.F. Fedorov de várias publicações.
Como esse método de bombeamento ainda permanece ineficaz, eles rapidamente o deixaram a favor do bombeamento com tubos diretos da série IFP. Os cristais de rubi também começaram a ser produzidos em apenas alguns tamanhos padrão, exatamente o tamanho da parte luminosa da lâmpada. O cristal de rubi e a lâmpada foram colocados nos focos do refletor elíptico, de modo que o cristal coletasse a máxima luz disponível. Portanto, parece esquematicamente.
E parece um refletor elíptico ao vivo.
Havia também um design com a chamada lâmpada "cavidade". Uma lâmpada de cavidade é obtida aumentando gradualmente o número de voltas em uma lâmpada em espiral até o infinito, até que elas se fundam em uma cavidade contínua. Tal lâmpada é composta por dois tubos de vidro de quartzo, aninhados um no outro e soldados nas extremidades. Os eletrodos são soldados nas extremidades opostas da lâmpada. A única lâmpada de cavidade conhecida da fabricação soviética - IFPP-7000, foi usada no bombeamento da unidade de laser UIG-1.
Esse esquema de bomba tem todas as desvantagens de um circuito de lâmpada espiral, portanto não foi usado em nenhum outro lugar. Na foto, a lâmpada IFPP-7000 e o cristal de rubi usados com ela. Além dos circuitos agora exóticos com lâmpadas de bomba espiral e de cavidade, o laser rubi pode operar em um circuito ainda mais exótico - com bombeamento contínuo. Isso é possível se o cristal de rubi for muito pequeno, for resfriado com nitrogênio líquido e iluminado por um feixe focalizado de uma lâmpada de mercúrio de alta pressão ou um poderoso raio laser de argônio. Mas esses dispositivos nunca saíram das paredes dos laboratórios, permanecendo exóticos descritos em artigos científicos, apesar do fato de que, com o tempo, foi capaz de "desmamar" do nitrogênio líquido. Posteriormente, eles também recusaram os espelhos pulverizados nas extremidades, uma vez que têm vida curta e, em caso de dano, terão que trocar o cristal inteiro. Esse projeto foi preservado apenas nos dispositivos em que é necessária compactação máxima, como, por exemplo, em emissores de depiladores a laser. Em todos os outros espelhos são montados separadamente nos dispositivos de ajuste.
Seria estranho se eu não quisesse construir meu próprio laser de rubi usando o lixo jogado fora do laboratório de laser e ao mesmo tempo. Eu queria prestar uma espécie de homenagem à história. Bem, obtenha a primeira experiência com lasers de estado sólido pulsados. A seguir, é apresentada uma descrição da construção do meu próprio laser rubi.
As informações fornecidas são apenas para fins informativos. O autor não é responsável por tentativas de repetir o descrito.A base foi o cristal mencionado acima da instalação do UIG-1. Trata-se de um cristal rosa pálido com o tamanho da peça pintada de trabalho de 8 * 120 mm, com pontas incolores adicionais, o que fornece um comprimento total de cristal de 180 mm. São necessárias dicas para montar o cristal no caso do emissor. Outra razão pela qual a peça pintada é feita exatamente do tamanho da lâmpada da bomba é porque o rubi tem uma propriedade extremamente ruim para absorver sua própria radiação no comprimento de onda da geração. Se alguma parte do cristal permanecer apagada, ele começará a absorver a radiação, que é amplificada na parte iluminada e a eficiência do laser é bastante reduzida. Isso ocorre devido a um esquema de três níveis de átomos de cromo no rubi. Pela mesma razão, o rubi possui uma energia de bomba de limiar muito alto.
Primeiro, foi construído um protótipo da fonte de energia da lâmpada da bomba. Seu detalhe principal é um banco de capacitores de 1000 μF, carregado até uma tensão de 3 kV.
Deixe-me lembrá-lo que os circuitos com capacitores de alta tensão de grande capacidade são mortais!
A carga do circuito e a ignição da lâmpada. Para a primeira tentativa, o IFP-5000 foi realizado.
A princípio, o circuito com a lâmpada foi testado sem nenhum alojamento. O flash da lâmpada é extremamente poderoso, acontece com um estalo bastante alto e pode ser facilmente visto em salas vizinhas - a luz se espalha pelo corredor, refletindo nas paredes. Um flash de uma lâmpada é capaz de carbonizar madeira e papel, que são colocados em foco. Cada flash é acompanhado pelo cheiro de poeira queimada e ozônio gerado por um poderoso pulso de forte radiação ultravioleta e é acompanhado por uma onda de calor, se você estiver próximo a ele. A observação direta do flash sem proteção para os olhos é extremamente perigosa! Uma máscara de solda comum ou óculos de proteção são suficientes para proteção.
Tendo tocado o suficiente com o flash mais poderoso da época, montei um emissor com esta lâmpada e o cristal mostrado acima. O estojo da lâmpada e do cristal era um refletor monobloco de vidro do laser tecnológico Kvant-16, e a base era um pedaço de um canal de metal. Os dispositivos de alinhamento para os espelhos ressonadores foram feitos de peças do mesmo canal.
Como um espelho surdo, decidi usar o prisma da reflexão total.
E como um fim de semana, um espelho foi escolhido como um laser de rubi.
Olhando para o futuro, direi que esse construto acabou sendo inoperante. Não foi possível obter geração de laser nele. As razões são bastante óbvias - a lâmpada da bomba tem o dobro do comprimento do cristal e sua luz é usada de maneira extremamente ineficiente. E a possibilidade de um espelho de saída para fornecer essa geração também levantou questões. Quantron (a chamada lâmpada + cristal + bloco refletor) teve que ser refeito. Na segunda versão, fiz um novo suporte para o cristal e as lâmpadas. Em vez de uma lâmpada IFP5000, decidi usar duas lâmpadas IFP2000, colocadas na parada do cristal e conectadas em série eletricamente. O comprimento do IFP2000 corresponde perfeitamente ao comprimento da parte colorida do cristal. Esse método de layout é chamado de "embalagem apertada".
Como refletor, decidiu-se testar os azulejos brancos. A tendência atual na fabricação comercial de laser é o uso de refletores difusos de cerâmica feitos de alumina sinterizada, que reflete até 97% da luz incidente. Os refletores de marca, é claro, não estão disponíveis para mim, mas os ladrilhos não parecem piores, eles também são perfeitamente brancos.
O espelho de saída também foi substituído por um novo com uma transmitância medida de 45% a um comprimento de onda de 694 nm.
E nessa configuração, foi possível obter geração a partir do primeiro pulso! O limite de geração acabou sendo bastante alto - cerca de 1500 J de energia da bomba. O laser emitiu um feixe de cor vermelho escuro, brilho deslumbrante. Infelizmente, devido à sua "transitoriedade", não foi possível fotografá-lo. Mas foi possível fixar seu efeito destrutivo no metal durante o foco. De ferro, ele esculpe faíscas bem.
Como o cristal não possui resfriamento a água, com um aumento de temperatura, a energia do feixe cai rapidamente, até que a geração seja completamente interrompida. E os ladrilhos aqueceram bem e dificultaram a remoção do calor. Ao desmontar, notei que a superfície dos ladrilhos ainda começava a escurecer. Foi decidido testar um refletor de metal dobrado a partir de uma placa cromada de um brilho fotográfico.
Esse refletor funcionava como azulejos, mas esfriava muito mais rápido e podia ser filmado com um pouco mais de frequência. Vários disparos em metal e borracha foram realizados. O tipo de faíscas esculpidas depende do tipo de metal. Tiro ferro transformador. Para avarias, foram necessários 4 tiros.
Tiro de aço inoxidável. Faíscas são mais brilhantes.
Atirar na lâmina da faca de papel de carta em aço carbono dá uma abundância de estrelas fofas.
O disparo de borracha permite a ejeção de uma tocha de chamas de até 3-4 cm de comprimento com anéis de fumaça subsequentes.
Também foi possível descobrir que, devido ao uso do prisma total de reflexão como um espelho cego, o laser opera no modo monomodo e produz menos energia do que no mesmo nível da bomba. O fato é que a borda central do prisma é uma zona morta e, com base no padrão dos raios de luz no prisma de reflexão total, o feixe de luz se divide em dois paralelos, o que corresponde ao modo TEM10. Isso foi reconhecido pelo ponto de queimadura no carbolito preto - um ponto dividido ao meio, como na figura, era claramente visível.
Se forem criadas condições sob as quais todos os outros modos não serão suprimidos, devido ao aparecimento de modos mais altos, é possível obter um aumento na energia de saída em pelo menos um fator de dois. Para isso, foi necessário substituir o prisma, de fácil acesso, por um espelho cego especial, projetado para operar no comprimento de onda de 694 nm. E valeu a pena! O limiar de geração caiu para 900 J, mas realmente havia mais energia! E ao fotografar carbolito preto, um ponto de queima uniforme foi obtido. Agora, a chapa de ferro do transformador fez o seu caminho em 2-3 tiros, e o diâmetro do furo era um pouco maior. Bem, o número de faíscas se tornou muito maior! É especialmente bonito ao fotografar em aço carbono.
O aço comum também acende fracamente!
3 tiros fazem um orifício na lâmina da faca.
Naquele momento, os recursos do laser já eram compreensíveis em princípio, e restava remover toda essa bagunça dos capacitores e a fiação de alta tensão em um estojo mais ou menos puro que foi deixado com sucesso da unidade de fonte de alimentação a laser desmontada LG-70. Foi decidido reduzir o banco de capacitores, deixando apenas 6 do mesmo tipo de capacitores que se encaixam perfeitamente no gabinete. Empurrar o resto do lixo não causou dificuldades, havia ainda espaço para um componente de segurança muito importante - um disjuntor a vácuo com uma posição normalmente fechada, que descarrega os capacitores em um resistor poderoso quando o laser é parado e a fonte de alimentação é desenergizada. A cobrança é mesclada de maneira confiável em cerca de 40 segundos. O preço disso foi uma ligeira diminuição na energia de radiação, mas, por outro lado, as lâmpadas da bomba operam de maneira mais suave.
No topo, há capacitores, à direita, um resistor de descarga, no canto inferior esquerdo, um sistema de ignição de lâmpadas, uma bobina redonda à direita é uma bobina de lastro que é ativada para limitar a corrente de pulso através das lâmpadas (sem ela, as lâmpadas explodem solenemente após algumas dúzias de flashes), ainda mais à direita (no centro) um transformador de um micro-ondas chinês para carregar capacitores, à direita, é o acionador de partida e, no canto inferior direito, está um disjuntor a vácuo BB-5, que fecha os capacitores a um resistor quando o dispositivo é desligado da rede.
Vista traseira da fonte de alimentação. O ventilador estava lá simplesmente porque ele estava lá, e havia um lugar embaixo dele.
Não há realmente nós de aquecimento neste bloco. A alta tensão é emitida através de dois contatos em isoladores de buchas improvisados, que ainda precisam fornecer proteção adicional contra contato acidental.
Após a montagem da fonte, decidiu-se atacar o níquel, feito de aço inoxidável com uma espessura de aproximadamente 1,3 mm. Foram necessárias cerca de 7 disparos, mas foi obtida uma avaria!
Aqui, faíscas já são visíveis na parte de trás do níquel.
E aqui está o resultado desejado - através da quebra de um níquel.
Para resumir, seria estranho se, com meu entusiasmo, eu não tivesse construído esse tipo realmente excelente de laser, no qual, na minha implementação, a energia de saída é estimada em 5 J usando um banco de capacitores com capacitores completos. Foi com ele que começou a história de toda a tecnologia laser e de uma ciência completamente nova na época - óptica não linear, que abriu incidentes completamente incomuns que ocorrem com a luz no campo de altas potências e energias. Separadamente, gostaria de agradecer a Jarrod Kinsey, um laser caseiro americano, com ele pude discutir o design do meu laser caseiro e obter alguns comentários valiosos dele. O artigo usou materiais das seguintes fontes, além das profundezas sem fundo da Internet:1. B. F. Fedorov Geradores quânticos ópticos, Energy, 1966,2. . . , «», 1973
3. . . : , -, 1992
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