Provavelmente todos os que gostam de produtos caseiros quase eletrônicos se perguntam se é possível fazer um laser por conta própria, em casa. E com certeza, muitas vezes encontrei uma resposta bastante previsível dos mais velhos de que é muito difícil ou quase impossível, dizem eles, a radiação laser pode ser obtida apenas com cristais e óculos caros especiais ou com outros materiais desconhecidos que podem ser obtidos apenas no Dark Marsh ou no oeste ultramarino. Este não é realmente o caso. O número de substâncias em que o processo a laser é possível é estimado em milhares, e algumas estão literalmente sob nossos pés, e literalmente ao nosso redor, em todo lugar. Por exemplo, pode-se surpreender ao saber que é possível obter geração de laser em vapor de água, em corantes extraídos de canetas de feltro e, finalmente, no dióxido de carbono exalado por muitos seres vivos, foi obtida geração de laser com potência de centenas de quilowatts. Porém, existe outro ambiente de trabalho a laser, que é muito mais comum do que todos os outros combinados. Este é o nitrogênio, dos quais 78% estão no ar atmosférico.
Se você fizer uma consulta de "laser caseiro" no Google, a primeira de nitrogênio será exibida primeiro, com muitos exemplos de designs:
Considere o princípio de sua operação e design com mais detalhes.
Um laser de nitrogênio é um representante típico de lasers de gás molecular que opera em transições eletrônicas em uma molécula de nitrogênio. Sua principal propriedade é a geração intensiva na faixa ultravioleta, com um comprimento de onda fundamental de 337,1 nm. As propriedades do nitrogênio como meio de trabalho tornam a geração possível apenas em modo pulsado, uma vez que as transições são autolimitadas, ou seja, a duração da inversão da população em tais transições é limitada pelo acúmulo de partículas no nível mais baixo; não excede a vida útil das partículas no nível de trabalho superior. A vida útil do nível superior de nitrogênio é de cerca de 40 nanossegundos; portanto, o pulso do laser emitido também é muito curto, da ordem de várias dezenas de nanossegundos. Isso impõe requisitos específicos ao pulso elétrico de excitação - ele também deve ser curto com uma frente íngreme para conseguir transferir um grande número de moléculas para o estado excitado durante a vida útil do nível superior.
Ao mesmo tempo, o nitrogênio, como meio ativo, tem um ganho muito alto, tão alto que não são necessários espelhos - ele pode funcionar no modo de super luminosidade, quando a radiação é amplificada em uma passagem. E, no entanto, ele pode operar em uma ampla faixa de pressão atmosférica. E, como se viu, o oxigênio atmosférico não interfere, embora reduza a potência de geração máxima possível. Assim, surge uma imagem bastante atraente para o homem que faz você mesmo: o ambiente de trabalho é extremamente acessível, não é necessário mexer no vácuo e nos gases, não são necessários materiais escassos. Mesmo espelhos de cavidade óptica não são necessários. Você só precisa mexer um pouco com a alta tensão. Vamos considerar com mais detalhes o dispositivo de um laser de nitrogênio, proposto para a fabricação própria.
Com base nos requisitos para o pulso de excitação, geralmente surge um circuito de bomba a laser baseado no gerador Blumlein, que consiste em dois capacitores planos que podem ser formados a partir de várias camadas de folha de alumínio ou cobre e um filme dielétrico. O interruptor neste dispositivo é a centelha mais simples de dois parafusos com cabeças arredondadas. Parece, onde está o próprio laser? E o processo de geração de radiação a laser ocorre quase imperceptivelmente - no espaço entre duas linhas de metal, nas quais uma descarga de pulso é acesa. As réguas são montadas em bordas opostas dos capacitores planos C1 e C2. A descarga queima através do eixo das réguas e a radiação do laser sai, respectivamente, sendo obtido um laser de gás com uma descarga transversal. Para que a descarga não acenda no momento do carregamento dos capacitores, um pequeno estrangulamento é incluído paralelamente ao espaço do laser, o que diminui o espaço em corrente contínua. É necessário aplicar uma tensão alta (cerca de 10-15 kV), como mostrado no diagrama - e o laser funcionará. Qualquer meio adequado é adequado como fonte de alta tensão - uma arma de choque, uma fonte de alimentação de um ionizador de ar, uma máquina de eletróforo, uma fonte de alta tensão de uma TV ou monitor CRT. Como funciona sem espelhos, a radiação sai das duas extremidades das réguas. Uma vez que emite no ultravioleta - isso permite que você se familiarize com a luminescência de vários objetos e materiais. E esse laser é bastante conveniente para bombear um laser de tinta - basta adicionar
água à cubeta de tinta e colocá-la sob o feixe.
Pelo mesmo motivo, e também, como a energia do pulso é muito pequena (dezenas de microjoules), sua radiação é relativamente segura para os olhos, pois é absorvida pela córnea e não atinge a retina. Embora não se deva olhar diretamente para o raio - as queimaduras ultravioletas da córnea são algo bastante desagradável.
Portanto, esse esquema torna o "limiar de entrada" muito baixo no mundo da tecnologia a laser, construído por inúmeras pessoas.
Existem projetos mais terríveis. O ponto verde na primeira foto é a luminescência do "alvo" para radiação.
Existem mais detalhados e arrumados, como este.
Sim, esse laser pode ser montado em geral em menos de 2 minutos! A menos que, naturalmente, todas as matérias-primas sejam preparadas e o design seja elaborado, ou seja, a mão já está cheia.
A disponibilidade e a simplicidade do design desse laser podem economizar muito dinheiro nos laboratórios das universidades ocidentais, se ele não possuir requisitos especiais para os parâmetros de saída.
No entanto, para garantir a operação bem-sucedida desse laser, há várias nuances que devem ser observadas. O mais importante deles é que as bordas dos eletrodos de linha sejam o mais suaves possível e tenham bordas arredondadas para que a descarga não tenha a oportunidade de se reunir em uma única faísca acesa em algum ponto. A segunda é a escolha correta do filme isolante para capacitores planos, de modo que a capacidade máxima possível seja obtida com a máxima força elétrica possível. A terceira é a escolha correta do espaço entre os eletrodos, que deve ser mantido exatamente ao longo de todo o comprimento e não deve exceder 2-3 mm. É então que a frente de corrente mais curta será obtida através de uma descarga a laser. As tolerâncias para as duas últimas nuances podem ser facilitadas reduzindo a pressão do gás de trabalho para 100-200 mm Hg. Art. E se for fornecido nitrogênio puro em vez de ar, mas isso automaticamente significa a aparência de um sistema primitivo, mas a vácuo, e a conclusão dos eletrodos em um volume levemente selado. Nesta configuração, a distância entre os eletrodos pode ser aumentada e os requisitos para a inclinação da parte frontal atual são um pouco reduzidos - capacitores planos podem ser substituídos por cerâmicos compactos. Mas esse design também tem o direito de existir.
Por exemplo, lasers caseiros de purga de nitrogênio da Jarrod Kinsey.
Aqui, devido à abundância de vários objetos em sua mesa, o próprio laser é bastante difícil de considerar.
Laser de nitrogênio de descarga transversal de baixa pressão, onde capacitores planos são substituídos por cerâmicos. Projeto por Thomas Rapp.
Se alguém estiver interessado em um guia muito completo e detalhado para a construção de um laser com uma descrição de todas as nuances não óbvias, vale a pena dar uma olhada novamente no
site da Yun'a Sothory .
E existe uma lenda bastante popular de que o efeito do laser durante uma descarga de faísca em intervalos de ar prolongados poderia ser detectado muito antes dos princípios da operação do laser serem descobertos como tal, naqueles dias em que eles estavam começando a absorver eletricidade. Mas isso é uma bela falsificação, como esta imagem. O que não nega a veracidade do seu conteúdo.
Um artigo descrevendo o "laser vitoriano" está
aqui .
Agora vamos considerar quais são, em princípio, os projetos de lasers de nitrogênio disponíveis no mercado. No Ocidente, absolutamente todos os lasers de nitrogênio que encontrei têm uma descarga transversal bombeada pelo gerador Blumlyayn. Tudo é como o laser fabricado acima, apenas controles convenientes do laser, fontes de energia mais avançadas foram adicionadas lá, em vez da mais simples faísca - um hidrogênio tiratron pulsado ou uma faísca de alta pressão controlada, em vez de grandes capacitores planos feitos de filme e papel alumínio - existem muitos pequenos eletrodos de cerâmica e entre as quais há uma descarga localizada em um volume fechado no qual você pode ajustar a pressão e geralmente carregar qualquer outro gás. Mas o princípio permanece inalterado. Esse esquema tem as seguintes vantagens:
- Simplicidade. Como mencionado acima, em muitos casos, mesmo a construção de um laser caseiro simples de nitrogênio e nitrogênio operando no ar atmosférico é bastante aplicável, mesmo com trabalhos científicos bastante sérios em laboratório.
- Uma energia de pulso de saída bastante grave - dezenas de milijoules em grandes instalações.
- Uma duração de pulso muito curta, em alguns casos equivalente a centenas de picossegundos.
- A combinação dos dois fatores anteriores torna possível obter enormes poderes de impulso - dezenas a centenas de megawatts.
Junto com isso, existem algumas desvantagens:
- Qualidade de feixe nojento. A viga não é redonda, mas de forma oblonga, com intensidade irregular sobre a seção transversal. Em alguns casos, isso não é crítico quando, por exemplo, você precisa bombear um laser de tinta.
- Taxa de repetição de pulso limitada, geralmente não mais do que algumas dezenas de Hz.
- Instabilidade de energia de pulso para pulso.
- Alguns projetos exigem manutenção periódica - alterando o gás de trabalho, mantendo sua pressão, limpeza e polimento periódicos dos eletrodos.
Todas as vantagens e desvantagens mencionadas se aplicam totalmente ao laser de nitrogênio produzido por você.
Vamos ver como os lasers de nitrogênio dos fabricantes ocidentais se parecem e comparar seu design com os mais simples caseiros.
Laser de nitrogênio de tamanho pequeno Spectra-Physics e sua câmara de amarração. Este é um laser de descarga transversal de baixa pressão.
Em vez de capacitores chatos, existem cerâmicos e, no topo, há uma centelha controlada. A câmara do laser é preenchida com nitrogênio e selada.
Poderoso laser de nitrogênio operando em uma pequena transição na região azul do espectro. Você pode ver muitos pequenos capacitores de cerâmica e um indutor de bloqueio entre os eletrodos. Para obter lasers em comprimentos de onda diferentes de 337,1 nm, é necessária uma adição de hélio ao nitrogênio.
A primeira câmera a laser de descarga transversal, feita em 1973.
Sistema de laser Molectron.
O interior de um laser de alta potência com uma descarga transversal, que quando substituído por uma mistura de gás e óptica, pode funcionar como um laser de CO2 ou como um excimer.
Aparência de eletrodos de um laser de descarga transversal produzido industrialmente.
Câmera a laser para durações de pulsos de picossegundos.
Agora, depois de tudo o que foi exposto, uma pergunta razoável surgirá para mim se eu tentar repetir essa construção. De fato, não, eu não tentei. Havia razões objetivas para isso. Em suma, eu gosto de um tipo completamente diferente de laser de nitrogênio - um laser não transversal, mas longitudinal! Mas mais sobre isso na
próxima parte .
Fontes utilizadas:
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.caEspero não ter esquecido ninguém.