Laser Kids
ENG

. : Карманный лазер на красителе с ламповой накачкой : .

В этом гайде мы будем изучать как сделать маленький лазер на красителе с ламповой накачкой, причем полностью из доступных ресурсов (концепция "лазер-из-хозмага"). Предупреждаю сразу: этот лазер не будет ни резать ни прожигать отверстия (хотя убить веб-камеру вполне способен). По отношению к лазерам слово "СВЕТИЛО" приобретает новый смысл - "светит, но не греет". Тем не менее на выходе этот лазер выдает больше, чем любая кювета с красителем, накачиваемая от любого азотника разумных (для самодельщика) размеров.

Кроме того этот лазер очень компактен. Даже в описываемом здесь виде он умещается на ладони, а если приложить определенные усилия по оптимизации, может быть сделан и еще меньше. По стоимости и доступности используемых материалов этот лазер лишь незначительно уступает общеизвестному воздушному азотному лазеру.

С другой стороны технически это уже вполне полноценный лазер с зеркалами, с юстировками, с лампой накачки и активной средой. Понятно, что и конструкция его сложнее и навыков для его сборки и настройки потребуется заметно больше.

приборы:

  • высоковольтный блок питания или шокер
  • лазерная указка красного цвета свечения
  • лазерная указка зеленого цвета свечения
  • шприц медицинский на 3-5 мл

инструмент:

  • ножовка по металлу
  • ножницы (по бумаге или пластику)
  • дрель и сверла (на 2 мм, 3 мм, 4 мм, 5 мм и, возможно, на 6 мм)
  • алмазный (или корундовый) отрезной диск на шпинделе, подходящем для Вашей дрели
  • линейка
  • штангенциркуль
  • рисовало (например тонкий маркер)
  • паяльник (с припоем, канифолью и алюминиевым флюсом)
  • тиски, отвертка, плоскогубцы, тонкогубцы и прочий мелкий слесарный инструмент
  • термоклеевой пистолет (и понятное дело - стержни к нему)
  • офисный дырокол

материалы:

  • ксеноновая лампа от фотоаппарата-"мыльницы" внутренним диаметром <= 3 мм с межэлектродным зазором не мменее 25 мм. (Здесь использовалась китайская лампочка маркированная как L-3230 (xenonflashtubes.com)). Их бывает много разных. В общем случае Чем длиннее у Вас лампа тем лучше. Чем меньше диаметр разрядного канала тем, в принципе, тоже лучше, но выбирать его меньше 1 мм бессмысленно.
  • стеклянная трубка наружным диаметром 2..2.5 мм, внутренним 1..2 мм (удобно использовать трубку от CCFL лампы (лампы подсветки TFT-мониторов). Из стеклянной трубки будет делаться тело кюветы. Вероятно можно использовать отрезок стержня от авторучки, при условии, что он изготовлен из тонкого прозрачного полиэтилена, но тут без гарантий.
  • металлическая трубка диаметром около 5 мм (для изготовления патрубков)
  • два куска пластика толщиной 10 мм размерами не менее 20х20 мм из них делаются торцевые (юстируемые) платформочки. Требования к материалу тут довольно противоречивые. С одной стороны материал должен быть устойчивым к воздействию раствора красителя хотя бы на протяжении нескольких недель, с другой - поддаваться склеиванию, с третьей - легко обрабатываться. С четвертой - быть достаточно твердым, чтобы держать юстировку...
    Как выяснилось оргстекла не подходят. Они трескаются после помещения в этиловый спирт. От сорта оргстекла зависит только насколько быстро это произойдет. Через час или через неделю. Более-менее положительные результаты получены с толстым текстолитом и с эпоксидными отливками (их можете изготовить сами, застудив нужное количесто эпоксидки в подходящей таре)
  • кольцевые резиновые прокладки с внутренним диаметром 2..2.5 мм.
    Внутренний диаметр кольцевых уплотнений должен быть равен или чуть меньше диаметра трубки, используемой для тела кюветы. Резиновые колечки используются для уплотнения стеклянной трубки кюветы в местах ее входа в торцевые платформочки. Резиновые колечки такого размера довольно дефицитны и заменить особо не на что. Если у Вас трудности с их доставанием, можно попробовать самостоятельно вырубить колечки из листовой резины, отлить колечки из силикона, или вообще пересмотреть способ герметизации трубки (впрочем человечество уже две тыщи лет мается с подтекающим водопроводом и ничего лучше резиновых колец не придумало).
  • микроскопное предметное стекло.
    Из него будут делаться окна. Заменить можно на любое тонкое (<=2мм) ровное стекло с высоким пропусканием (без синевы и зелени).
  • плоское зеркало с алюминиевым покрытием.
    Необязательно отражающая алюминиевая поверхность должна быть внешней. Подходит кусок бытового зеркала небольшой толщины (до 3 мм).
  • плоское зеркало с диэлектрическим покрытием от DVD-привода.
  • болты на М2х10 с гайками. минимум 6 шт, возможно Вы захотите применять их не только для крепления юстировок, но и в других местах, - тогда болтов потребуется больше.
  • кусок алюминиевого уголка 25х25, длиной не менее 50 мм (для концевых стоек)
  • кусок алюминиевого уголка 20х20, длиной не менее 70 мм, две колпачковых гайки не менее чем на М10 и соответствующие болты. Из этого добра будет делаться разрядник. Он, в принципе, может быть и открытым, однако для шумоподавления лучше предусмотреть кожух или корпус.
  • пластиковая платформа, подходящая по размерам, чтобы все это добро собрать и достаточно жесткая чтобы держать юстировку. У меня все собралось на размерах 150 х 30 мм (толщина платформы 10 мм). Вероятно, Вам удастся сделать все еще компактнее.
  • алюминиевая фольга. Как всегда в высоковольтной технике: чем толще фольга - тем лучше (в разумных размерах)
  • майлар для изготовления конденсаторов (если Вы ориентируетесь на использование фабричных конденсаторов майлар Вам может потребоваться, разве что, для дополнительной изоляции "узких мест"). Одиночный лист потребуется толщиной 125-150 мкм. Более тонкий малар придется использовать многослойно.
  • спирт (этиловый, изопропиловый, метиловый или даже глицерин) Нужен для приготовления раствора красителя. Удобнее всего использовать этанол. Он неядовит и почти не агрессивен. Но его сложно достать. К тому же Жаба и Зеленый Змий могут не позволить его использовать.
  • Родамин 6Ж.
    Собственно это и есть рабочий краситель. Адекватной замены ему нет. Достать можно путем покупки в интернете или тщательно перебирая все доступные в продаже красные перманентные маркеры на предмет содержания родамина.

 

СХЕМА ЛАЗЕРА

Схема лазерной кюветы показана на рисунке 1.

NewDye01

Рис 1. Схема кюветы малогабаритного лампового лазера на красителе.
1 - окна
2 - стойки
3 - уплотняющая прокладка (резиновое колечко, для улучшения обзора чертежа аналогичная прокладка слева не показана)
4 - платформочки-окнодержатели.

Электрическая схема лазера показана на рисунке 2.

NewDye02

Рис 2. Электрическая схема малогабаритного лампового лазера на красителе.
Cs - накопительный конденсатор, самодельный майларовый пленочный конденсатор на 16 нФ х 10 кВ
Cp - пиковый конденсатор - самодельный майларовый пленочный конденсатор на 500..1000 пФ х 10 кВ
SG1 - воздушный малоиндуктивный разрядник типа "шар-шар" либо "шар-плоскость" на напряжение срабатывания 10 кВ.
Rb - балластный резистор ~1 МОм, Rs - шунтирующий резистор (обеспечивает целостность схемы по постоянному току при погасшей лампе) номинал ~1..10 кОм, должен выдерживать рабочее напряжение 10 кВ
Lamp1 - ксеноновая лампа-вспышка с межэлектродным зазором 25-40 мм и внутренним диаметром колбы ~2 мм.

Компоновочная схема лазера показана на рисунке 3.

NewDye03

Рис 3. Компоновка лазера.
Разрядник SG1 размещен с торца лазерной кюветы. Пиковый конденсатор Cp расположен непосредственно на разряднике. Накопительный конденсатор Cs разположен под основанием. Такая сборка обеспечивает минимальную индуктивность.

 

ИЗГОТОВЛЕНИЕ КЮВЕТЫ

Порядок изготовления и сборки в целом такой: сначала делаем стойки, потом платформочки, потом сверлим в платформочках заодно со стойками отверстия (крепежные и под трубку), затем дорабатываем платформочки окнодержатели (рассверливаем спереди и добавляем отверстие для патрубка) затем вклеиваем патрубки, наклеиваем окна, затем привинчиваем платформочки к стойкам, размечаем основание, устанавливаем на него стойки (с окнодержателями) и вот только теперь измеряем необходимую длину стеклянной трубки и режем ее. Тонкая стеклянная трубка достаточно дефицитна, чтобы поступать иначе. Если Вы отрежете ее заранее, то потом разного рода несрастухи приведут к тому, что отрезанный кусок придется лазеру не в пору.

Итак начнем. от алюминиевого уголка 25х25 отрежьте два кусочка шириной 25 мм. (чтобы в основании получился квадрат).

racks Pocket size dye laser with lamp pumping

Кусочки пластика, из которых будут делаться торцевые платформочки держатели окон доработайте так, чтобы они подходили к стойкам по размеру.

epoxi_in_form solidified_epoxy processed_epoxy

На пластиковых платформочках разметьте положение отверстий. Центрального для трубки кюветы и трех боковых для юстировочно-прижимных болтов. Желательно чтобы центральное отверстие было близко к центру квадрата стойки и уж во всяком случае надо постараться, чтобы центральные отверстия в обоих стойках были на одной высоте относительно основания.

Положения (трех) отверстий под юстировочно-прижимные винты не так критично. Надо лишь помнить, что слишком их жать к оси не стоит - уменьшится плечо (рычаг) юстировки, а с ним и точность. Часто юстировочно-прижимные винты располагают в вершинах равностороннего треугольника, но это не обязательно.

razmetka

В стойках и концевых платформочках просверлите по центральному отверстию. Удобно это делать за одну операцию в каждой паре стойка+платформочка-окнодержатель. Для этого пару стойка+платформочка-окнодержатель сожмите струбциной или тисками и просверлите за один проход дырку диаметром 3 мм (или, точнее - диаметр дырки должен быть на 0.2..0.5 мм больше диаметра используемой Вами трубки, но обязательно меньше наружного диаметра используемых уплотнительных прокладок).

central_hole

Теперь платформочки окнодержатели можно скрепить со стойками через центральное отверстие используя пару болт-гайка. Это упростит сверление остальных отверстий.

Скрепив детали, просверлите отверстия под юстировочно-прижимные болты.

sverl 4holes

Теперь надо рассверлить переднюю часть центрального отверстия (отверстия под трубку) в обоих платформочках.

Дело в том, что выходное отверстие (то, на которое будут наклеиваться окна) должно иметь несколько больший диаметр, чем диаметр трубки. Связано это, в основном с тем, что краевые зоны окон будут загрязнены при наклейке и, если не передусмотреть необходимого уширения, загрязнения будут перекрывать луч.

Чем аккуратнее Вам удается наклеить окна т.е. чем уже область загрязнения клеем, тем меньше Вы можете брать запас при рассверливании. Поначалу диаметр рассверленной части выбирайте равным ~ 5 мм.

zasverl

Теперь можно проcверлить боковые отверстия под патрубки. Патрубки выбираются по диаметру используемых шлангов. Среди систем омывания автомобильных стекол и среди аквариумного оборудования довольно распротранены ПВХ шланги внутренним диаметром чуть менее 5 мм. Если ориентироваться на их использование, то соответственно и патрубки должны быть диаметром 5 мм.

В качестве патрубков удобно использовать трубки от телескопической антенны (телескопическая антенна - целый кладезь трубочек разного диаметра) или трубчатую часть корпуса вытяжных заклепок.

antenna_and_zaklepka

Теперь патрубки следует вклеить в отверстия. Неплохие результаты дает вклейка на эпоксидную смолу (JB-weld). Несколько хуже - вклейка на термоклей (глюган). При вклейке на глюган используйте черный сорт стержней, он устойчивей к длительному воздействию спиртов. Можно также вклеить патрубки на силиконовый герметик, но ожидание его затвердевания может занять несколько дней.

enders_with_hoses

Следующий шаг - наклейка окон. Точно также как и с патрубками их можно клеить на термоклей (глюган), на эпоксидную смолу и на силикон. Надо сразу отметить, что на настоящий момент мне неизвестени ни один клей, который длительное время выдерживал бы воздействие спиртов.

Эпоксидные смолы в зависимости от марки отслаиваются через три дня - три недели, черный глюган держит около двух недель, силиконовые герметики в зависимости от типа - от двух недель до трех месяцев, фотоотверждаемый акриловый полимер - от недели до двух.

Т.е. понятно, что время от времени такой лазер придется чинить. Единственная альтернатива - установка окон на честных резиновых уплотнениях с применением прижимных фланцев - ведет к усложнению конструкции и ее сборки настолько, что может и вовсе отвратить от создания подобного лазера. Поэтому на первых порах рекомендую помучиться с наклеенными окнами, а там уж - как захотите.

Перед наклейкой обязательно протрите окна до максимально чистого состояния, до какого только сможете. После наклейки очистить окна изнутри уже не представится возможным.

platforms_glued

После того, как окнодержатели будут готовы, следует прикурутить их к стойкам (алюминиевым уголкам) с помощью юстировочно-прижимных винтов и приступать к разметке основания.

Стойки должны стоять таким образом, чтобы используемая лампа вспышка помещалась между ними с небольшим запасом. Излишний запас вреден, так как неосвеченная часть раствора с красителем ничем полезным не занимается - только поглощает усиливаемый свет и делает лазер менее мощным и более трудным в настройке.

pre_assemblage01 pre_assemblage02 pre_assemblage03 pre_assemblage04 pre_assemblage05

Кроме того стойки должны стоять возможно более параллельно друг другу, а линия, соединяющая их центральные отверстия (будущая ось трубки) должна проходить возможно более перпендикулярно плоскостям окнодержателей.

При наличии некоторого опыта имеет смысл проводить разметку "в луче" юстировочного лазера, сразу устанавливая стойки так, чтобы не испытывать потом проблем с юстировкой.

enders_installed

После того, как концевые узлы лазера установлены, можно резать стеклянную трубку. Возьмите кусок стеклянной трубки внутренним диаметром 1.5..2 мм (или убитую CCFL лампу от старого TFT-монитора), отметьте необходимую длину трубки и отрежьте. Длина отрезаемой трубки должна быть на полтора-два миллиметра меньше расстояния между окнами в лазере. (Т.е. концы трубки в собранном лазере должны близко подходить к окнам но не касаться их).

tube_lamp tube_cut tube_cleaned

Если используете кусок CCFL лампы, внутреннюю поверхность трубки следует отмыть от люминофора. Делается это методом протягивания влажной ватки сквозь трубочку с помощью тонкой медной проволочки.

Установите трубку и уплотнения и подзатяните юстировочно-прижимные винты. Залейте лазер (на этом этапе можно водой) и проконтролируйте отсутствие протечек.

tube_ready tube_installed

Если течи есть - устраняйте их. Если нет - можно переходить к установке лампы. Перед установкой лампы обязательно осушите лазер.

Для удобства передняя и задняя стойки лазера (алюминиевые уголки) совмещены с контактами питания лампы. Для этого на основание под стойками намотано по широкой полосе алюминиевого скотча. И от этих полос к выводам лампы токоподвод выполнен широкой алюминиевой лентой.

Стойки под напряжением несколько снижают безопасность эксплуатации лазера, поэтому юстировать его надо только предварительно разрядив все емкости в цепи питания и проверив, что они разряжены.

В Вашей конструкции Вы можете использовать и другой способ подведения тока, помните только, что токоподводы должны обладать наименьшей возможной индуктивностью и наименьшим сопротивлением.

Приставье лампу вплотную к стеклянной трубке кюветы и примотайте одним-двумя оборотами алюминиевой фольги (блестящей стороной внутрь). Закрепите фольгу полоской скотча.

lamp_refl lamp_refl_installed

Необязательно добиваться весьма плотного прилегания лампы и трубки. Зазор в 0.5..1.0 мм вполне допустим.

Припаяйте выводы лампы к токоподводам. Если токоподводы выполнены из алюминиевой фольги, в этом деле очень помогает флюс ФТКА (флюс для пайки алюминия).

lamp_soldered

Вот, собственно, и все. Лазерная кювета собрана. Если у Вас уже есть отдельная малоиндуктивная батарея конденсаторов и подходящий разрядник, уже на этом этапе лазер можно съюстировать и опробовать. Но предположим, что их пока нету.

 

ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ

Лазер на красителяях требует для своей накачки очень быстрого импульса света. Насыщения тут практически нет. Просто чем короче импульс, тем лучше. Поэтому накопительные конденсаторы должны делаться малоиндуктивными.

Несмотря на то, что лазер оказался способен работать на самокрученных конденсаторах "маечного" типа (несколько позже я выложу гайд и по их скрутке тоже) это не самое лучшее, что можно придумать.

Накопительную батарею будем делать на конденсаторах "конфетного" типа. Их индуктивность несколько меньше. Свое название они получили от вида - свернутый рулон фольги с изоляционной пленкой с несколько выступающими с обоих сторон краями фольги, если края фольги туго свернуть, начинает напоминать конфету.

Чтобы свернуть конденсатор конфетного типа на 10 киловольт и примерно 8 нф нужно взять две полосы майларовой пленки шириной 150 мм длиной 0.7 м и толщиной 125 мкм (можно взять более тонкую пленку, сложенную в несколько слоев) и две полосы алюминиевой фольши. Размеры фольги подбирайте так, чтобы оставить закраины, как показано на рисунке 4.

NewDye04

Рис 4. Взаимное положение металлической фольги и пленки диэлектрика при сборке конденсатора.

При наложении двух таких пар полоско получается плоский конденсатор, область перекрытия металлических обкладок в котором составляет 50 мм и по 50 мм с каждой стороны отведено на закраины. (Столь большие закраины выбраны в связи с тем, что в области закраин хотя бы с одной стороны диэлектрика имеется металл, т.е. имеются условия для развития скользящего разряда.)

Далее этот плоский конденсатор надо для компактности свернуть в трубочку.

tube_capasitor

В зависимости от плотности свертки емкость конденсатора получится от 4 нФ до 9 нФ.

Помимо обычного (описанного выше) способа складывания (см рис 5а) возможен еще тип складывания "в складку" диэлектрика (рис 5b). В теории второй способ оптимальнее, поскольку дает возможность сократить закраины. На практике же складка сильно мешает скрутке (порождает волны на поверхности фольги и майлара, смещает слои диэлектрика и фольги) и, в итоге, конструкция компактнее не получается. Впрочем, если есть желание преодолеть "все тяготы и невзгоды", то можете попробовать оба варианта.

NewDye05

Рис 5. Способы складывания конденсатора перед скруткой.

На самом деле хорошая скрутка даже конденсатора, сложенного по первому способу, получается не с первого раза и способна вызвать раздражение. Поэтому может иметь смысл рассмотреть применение фабричных конденсаторов. При выборе керамических конденсаторов помните, что за счет нелинейности электризации сегнетоэлектриков запасенная энергия в них на 20..30% меньше, чем в пленочных при той же емкости и напряжении заряда. Т.е. если в нашем лазере применялось два рулонных пленочных конденсатора по 8 нф каждый, то при замене их на батарею из десятикиловольтных КВИ-3 емкость батареи должна быть под 20 нф.

Еще имеет смысл напомнить, что выбранные здесь емкости (16 нф для пленочных конденсаторов и 20 нф для керамических) подобраны для оптимальной работы лазера. Порог генерации на родамине 6Ж при выборе растворителя достаточной чистоты достигается при значениях накопленной энергии в 2..3 раза ниже.

 

ИЗГОТОВЛЕНИЕ РАЗРЯДНИКА

Разрядник в данном лазере выбран неуправляемый и нерегулируемый, с воздушным наполнением. Напряжение срабатывания разрядника должно быть 10 кВ. Для воздуха с давлением, влажностью и температурой, характерными для моего местоположение это соответствует зазору между электродами разрядника в 4 мм, при условии, что электроды имеют форму сферы (части сферы) диаметром около 10 мм (плюс-минус некоторый лапоть). Вполне возможно, что в Ваших краях этот зазор придется несколько изменить.

Помимо напряжения срабатывания главным требованием к разряднику является минимальная индуктивность. Ставить в этой схеме многозазорный рельсовый разрядник это... некоторое излишество. Тем не менее не используйте заостренные электроды и делайте токоподводы как можно шире. (При таких длительностях вследствие скин-эффекта ток неохотно лезет вглубь металла, поэтому с точки зрения сопротивления и индуктивности проводники в виде трубок эквивалентны цельным стержням, а широкие ленты из алюминиевого скотча могут оказаться эффективноее толстых медных проводов.)

Применение полированных электродов нежелательно, т.к. при этом увеличивается разброс напряжения срабатывания и Ваши с таким трудом сделанные конденсаторы может вышибить.

С учетом сказанного выше при изготовлении разрядника - полный простор для творчества и самодеятельности.

На снимках ниже приведен пример последовательности изготовления разрядника. В качестве электродов взяты две колпачковые гайки на М8. В качестве выводов используются отрезки алюминиевого уголка 20х20. В качестве корпуса - отрезок ППРС трубы диаметром 20 мм. Длина отрезка трубы выбирается такой, чтобы обеспечить зазор между округлыми поверхностями колпачковых гаек равный 4 мм. Герметизация всей сборки делается термоклеем (глюганом).

spark_gap_production01
spark_gap_production02
spark_gap_production03
spark_gap_production04
spark_gap_production05
spark_gap_production06

Варианты

spark_gap01 spark_gap02

 

ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРА И ЗАПРАВКА ЛАЗЕРА

Лазер работает на растворах родаминовых красителей в спиртах.
На красителях с низким усилением (флуоресцеин, кумарины) этот лазер (пока) неработоспособен.

При наличии зеленой лазерной указки для подбора правильной концентрации родаминовых растворов существует предельно простое правило:

  • ГЛУБИНА, НА КОТОРУЮ ЛУЧ ЗЕЛЕНОЙ ЛАЗЕРНОЙ УКАЗКИ ПРОВАЛИВАЕТСЯ В РАСТВОР КРАСИТЕЛЯ, ДОЛЖНА БЫТЬ РАВНА РАДИУСУ ЛАЗЕРНОЙ ТРУБКИ (КЮВЕТЫ).

Поскольку (внутренний) диаметр трубки в нашем лазере 2..2.5 мм, то глубина затухания луча должна быть 1..1.25 мм. На практике это выглядит как яркое ядро флуоресценции размером с маленькую спичечную головку.

dye_with_laser_pointer

Просто добавляйте краситель в спирт, пока не получите такую картину.

Если зеленой лазерной указки нет, все гораздо противнее. Можно еще ориентироваться на толщину флуоресцируещего слоя красителя при дневном освещении стакана с раствором сверху. Толщина флуоресцирующего слоя должна быть от половины до целого диаметра лазерной трубки-кюветы. (1..2.5 мм). Определение нужной концентрации по толщине флуоресцирующего слоя требует "наметанного глаза".

Если Вы делаете лазер на красителе впервые, то как только Вы добъетесь генерации, рекомендую сохранить образец раствора. Даже если он "прокиснет" (т.е. станет бесполезным для использования в лазере) его еще несколько лет можно будет использовать для подбора концентрации свежих растворов методом сравнения цвета и вида флуоресценции с эталоном.

В качестве спиртов для создания рабочего раствора подходят:

  • метиловый спирт (довольно сложно достать, применяется как компонент авиамодельного топлива - стало быть у авиамоделистов и ищите)
  • этиловый спирт (достать проще чем метиловый, но тоже на каждом углу не продается)
  • изопропиловый спирт (продается обычно в магазинах электроники, иногда встречается в хозяйственных виде очистителя стекол)
  • глицерин (необязательно безводный/"динамитный"), глицерин с некоторым содержанием воды продается в аптеках, его и используйте

Надо заметить, что метиловый спирт - довольно сильный яд. Работать с ним под вытяжкой и с осторожностью. Этиловый спирт неядовит, но тоже опасен. Если любители его пить (т.наз. "этанольщики") прознают, что Вы используете в лазерах, Вам может непоздоровиться. Изопропиловый спирт слабо ядовит. Пить его нельзя, но о случаях отравлений, вроде особо не слышно. Глицерин безвреден, но очень вязок. Устроить режим с прокачкой жидкости при диаметре трубки кюветы в 2 мм практически нереально. Также изза вязкости глицерина будут трудности с наполнением - очень сложно выгнать пузыри.

На водке в качестве растворителя лазер оказался неработоспособен (усиление понижено вследствие неоднородного уширения). Удавалось запустить лазер на растворах красителя в воде с детергентами (так называются поверхностно активные вещества, или, в просторечии, мыла). Однако пока из тех доступных детергентов, с которыми лазер был проверен, большая часть дает вообще неработоспособный раствор, а те немногие, что демонстрируют генерацию, дают время жизни раствора,
исчисляющееся десятками минут, т.е. даже не часами.

Заправка лазера делается по разному, в зависимости от того, используете Вы циркуляционный насос или нет. Если используется внешний бачок для красителя и циркуляционный насос, то просто залейте раствор красителя в бачок и включите насос. Пузыри из кюветы выйдут сами с потоком красителя.

Если насоса нет, заправка чуть менее тривиальна. Ключевым моментом заправки является отстутствие пузырей в кювете. Используйте медицинский шприц на 3..5 мл. Наберите раствор красителя в шприц. Далее разместите лазер вертикально, так, чтобы верхний патрубок располагался над некоторым сосудом для сбора излишков раствора. К нижнему патрубку плотно присоедините шприц.

filling

Надавите на поршень шприца, так чтобы организовать сильный поток раствора через кювету. При этом любые пузыри будут вынесены потоком. Когда большая часть содержимого шприца пройдет через кювету, прекратите нажатие на поршень шприца, но продолжайте удерживать шприц плотно прижатым к нижнему патрубку. Переверните лазер в нормальное (горизонтальное, патрубками вверх) положение. Шприц можно убирать. Такая процедура достаточно эффективна и проходит даже с глицерином.

После заливки (если не используется насос) патрубки кюветы рекомендуется заткнуть подходящими пробками, после чего лазер становится устойчивым к перевороту и работоспособен в любом положении.

В зависимости от примененных при изготовлении лазера материалов раствор в лазере жизнеспособен от трех суток до двух недель. Обычно за это время не удается набрать количество импульсов, достаточное для фотохимической деградации красителя.

 

ДОБЫЧА РОДАМИНА

Родамин 6Ж можно добыть двумя способами.

  1. купить по интернету (например на еbау)
  2. выдоить спиртом из подходящего красного перманетного маркера
    Таковых на настоящий момент известно как минимум два: отдельные разновидности маркера centropen
    centropen
    и CrownHijell
    crownhijell
    а также Crown Multi и Power Line 200
    CrownMultiP505F
    PowerLine200
    Вполне возможно, что Вам повезет и Вы найдете еще один тип перманентного маркера, богатого родамином.

Кроме того лазер работоспособен на растворе содержащем неизвестный родамин из розовых флуоресцентных маркеров. Чернила в розовых флуоресцентных маркерах содержат молочную муть, практически не осаждаемую со временем.

Для очистки раствора используйте процедуру "уксусной дойки":

  • отожмите вкладыш маркера в подходящую емкость
    marker_juice
  • добавьте около 0.5 мл уксусной эссенции (80%-ная уксусная кислота)
  • добавте спирта в количестве около половины от общего объема получившейся смеси(вообще говоря, спирт добавлять не обязательно, но это повышает выход "удои", но с другой стороны это снижает конечную концентрацию красителя в соке, поэтому при дойке для ламповых лазеров спирт лучше добавлять, а для лазеров с накачкой от азотника - на Ваше усмотрение).
  • дождитесь коагуляции творожного осадка
    marker_cheese01 marker_cheese02 marker_cheese03
  • аккуратно слейте прозрачный раствор, оставшийся поверх осадка и отфильтруйте его, например, через туалетную бумагу.
    pure_juice01 pure_juice02 pure_juice03
  • разбавьте или усушите раствор до необходимой концентрации

Для разбавления используйте выбранный тип растворителя, памятуя о совместимости растворителей (так вода с изопропанолом в определенных соотношениях взаимно нерастворимы и дают муть)

 

ДОБЫЧА ЗЕРКАЛ

Заднее ("глухое") зеркало вырежьте алмазным диском из обломка плоского тонкого бытового зеркала.

al_mirror

Переднее зеркало добудьте из DVD-привода. На самом деле Вы, вероятнее всего уже делали мощную красную лазерную указку из лазерного диода от DVD, так что, если Вы оказались предусмотрительны, и не выкинули оптические запчасти в мусор, нужные зеркала у Вас, скорее всего есть.

Тем не менее, будем считать, что это не так и расмотрим процедуру эксгумации DVD-привода подробнее.

Вот так выгладит DVD-привод.

DVDrom

Открутите крепежные болты и снимите панели фальшкорпуса.

DVDnaked01 DVDnaked02

Лицевая панель держится на защелках. Отщелкните их или сломайте, чтобы ее снять. Для чего будет удобным сначала выдвинуть лоток привода.

DVDfaceless01 DVDfaceless02 DVDfaceless03

Ниже показано, где находится интересующая нас оптическая головка привода
(обведена на фотографии красным).

DVDinside

Отвинтите крепежные винты салазок оптической головки и снимите головку с направляющих.

DVDhead01 DVDhead02 DVDhead03

Начните аккурато разбираить оптическую головку, снимая различные крышечки и платы, пока не обнаружите в ней несколько небольших линз и зеркал. Зеркала будут отличаться размером и цветом.

DVDhead04 DVDhead_disas

К корпусу головки зеркала обычно приклеены несколькими капельками (эпоксидного?) клея. С помощью пинцета или тонкогубцев обычно удается снять зеркала с крепления не повредив их лицевую поверхность.

DVDmirrorz01
DVDmirrorz02 DVDmirrorz03

Из найденных в головке зеркал вероятнее всего некоторые будут иметь желтоватый оттенок, а некоторые - красноватый. Обычно для использования в родаминовом лазере на красителях следует выбирать зеркала желтоватого оттенка.

Не всегда, однако, этот рецепт срабатывает. Иногда зеркала на вид не отличаются по цвету. Иногда оттенки бывают другими (зеленоватые зеркала). Иногда красноватые зеркала оказываются лучше.

Для проверки пригодности зеркала посветите сквозь него красной лазерной указкой. Желательно обычной бытовой (с длиной волны 640-650 нм) а не самодельной из DVD диода (с длиной волны 680 нм). Пригодное зеркало должно отражать луч красной указки не полностью. При внесении зеркала в луч пятно проходящего луча должно на вид "сильно пригасать" (пропускание ~10%). Если проходящий сквозь зеркало луч красной указки практически не ослабляется - такие зеркала непригодны. Если луч красной указки ослабляется слишком сильно (проходит едва заметное пятнышко) с таким зеркалом можно получить лазерную генерацию, но мощность лазера будет мала.

mirror_test

 

ЮСТИРОВКА

Для юстировки потребуется лазерная указка красного цвета свечения. Лучше всего - питаемая от батареек AA или ААА типов. Брелковые (keychain) указки слишком недолго светят - разоритесь на батарейках.

Первое, что надо сделать - это экран с диафрагмой. Лучшим материалом для экрана является алюминиевый скотч. Алюминиевая фольга полностью не пропускает свет с противоположной стороны экрана, а на стороне, оклеенной белой бумагой хорошо видно даже слабые отраженные пятна.

Из алюминиевого скотча вырежьте квадратик 15х15 мм или 20х20 мм. В центре квадратика швейной иглой проколите отверстие диаметром примерно 0.5 мм.

alignment_screen

Теперь надо приклеить этот экран "на морду" лазерной указке. Фольгой в сторону лазерной указки, бумагой, соответственно, наружу. Пр приклейке надо чтобы луч лазерной указки ровно прошел через отверстие в экране (при этом бОльшая часть луча отсечется, но это нормально, - зато прошедшая меньшая часть будет иметь хорошее качество). Чтобы попасть дыркой на самую лучшую часть пучка лазерной указки в процессе наклейки экран придется немного подвигать, поэтому используйте эластичный клей (резиновый или полиуретановый) или вообще пластилин.

laserpointer_with_screen01

Наклеивать удобнее на включенную лазерную указку и подбирать положение экрана таким образом, чтобы прошедший через дырку луч был наиболее ярким и круглым.

Дальше указку, оснащенную экраном, будем называть юстировочным лазером.

Включите юстировочный лазер, установите более-менее горизонтально и хорошо закрепите (например в тисках). Надеюсь, излишне пояснять, что юстировочный луч должен быть направлен туда, где Вы потом сможете поставить юстируемый лазер, а не в какое-нибудь труднодоступное место.

laserpointer_with_screen02

Принцип юстировки показан на рисунке ниже. Задача юстировки - выставить оба зеркала или окна параллельно друг другу, причем так, чтобы развивающемуся между ними лучу (идущему перпендикулярно зеркалам) ничего не мешало. Зеркало устанавливаются перпендикулярно юстировочному лучу по пятну юстировочного луча, отраженному от этого зеркала. Когда отраженный луч совпадает с падающим (когда пятно отраженного луча попадает в дырку в экране) это значит зеркало установлено перпендикулярно юстировочному лучу. Когда оба зеркала установлены перпендикулярно одному и тому же юстировочному лучу, эти зеркала оказываются параллельны друг другу.

justage

В нашем случае будем юстировать не зеркала а окна (окно это в каком то смысле тоже зеркало, только с малым коэффициентом отражения). Нужно взять наш лазер на красителе (юстируемый лазер) и поставить его так, чтобы луч юстировочного лазера свободно проходил сквозь трубку юстируемого не испытывая переотражений и (желательно) не касаясь стенок.

Поскольку трубка нашего лазера имеет малый диаметр (2..2.5 мм) чтобы соблюдалось последнее условие (отстутствие касания стенок) юстировочный луч тоже должен быть тонким. К сожалению изза естественной расходимости луча лазерной указки Вы не сможете ставить юстируемый лазер слишком далеко от юстировочного. Используйте расстояние ("базу") от 30 до 50 см. Это, конечно снизит точность, но для наших целей вполне приемлемо.

Часто рекомендуют сначала сьюстировать лазер "насухую", а потом залить раствор и вновь выполнить юстировку (дальше будет понятно откуда это требование вытекает). Но полная осушка лазера процесс длительный и непростой, а при неполной Вам будут сильно мешать капли в лазерной трубке. Поэтому рекомендовать такой порядок действий не буду. Сразу начнем с заливки раствора в лазер.

После заливки раствора вносите юстируемый лазер в юстировочный луч и добивайтесь прохождения луча через лазерную трубку. При юстировке больших лазеров двигают юстировочный луч до тех пор, пока он не пройдет через юстируемый лазер ровно, по оси и ничего не касаясь. В нашем случае юстируемый лазер маленький и удобнее смещать и наклонять его, оставив юстировочный луч в покое.

dye_laser_on_the_alignment_beam

Когда добьетесь хорошего прохождения луча через юстируемый лазер, начинайте юстировать переднее окно. (Передним будем называть окно со стороны ближней к юстировочному лазеру. Соответственно задним - дальнее от юстировочного лазера). Сначала надо найти на экране пятно, соответствующее переднему окну. Делается это просто - понаклоняйте платформочку с передним окном. То пятно, которое при этом движется по экрану и будет пятном от переднего окна.

spots_on_screen

Иногда лазер может быть собран настолько косо, что отраженные от окон лучи попросту не попадают на экран. Можно попробовать потанцевать с (бубном) листом бумаги вокруг основного луча - поискать отраженные пятна. Можно также предварительно выставить концевые платформочки перпендикулярно оси лазера с помощью угольника.

Когда пятно от переднего окна найдено, остается только загнать его в то отверстие из которого выходит юстировочный луч. Поочередно подтягивайте прижимные винты (которые раздавливают резиновую уплотнительную прокладку) и ведите пятно к отверстию в экране, стараясь при этом не нарушить герметичность уплотнения.

Если платформочку уже заклинило а пятно все еще не на месте - видать лазер собран слишком криво и его придется переделать.

Самое главное, что нужно помнить при юстировке жидкостных лазеров, это то, что раствор, преломляет свет. Поэтому при изменении наклона окна юветы, изменяется и ход луча за ним. После каждого существенного изменения угла установки окон, чтобы луч снова проходил через трубку, положение кюветы вновь приходится подбирать (как говорят "надевать кювету на луч"). Естественно, что при этом меняется положение окна. Окно вновь приходится юстировать, а вслед за ним перенадевать кювету на луч... По существу процесс юстировки становится итерационным.

Если руки не совсем кривые, то каждая последующая итерация дает положение переднего окна кюветы все более близкое к перепендикулярному относительно оси трубки. Итерации за три-четыре процесс сходится. Т.е. отражение юстировочного луча от окна удается вернуть в то отверстие (в бумажке-экране на юстировочном лазере) из которого этот луч вышел, и при этом не нарушить сквозное прохождение юстировочного луча через трубку кюветы. После того, как это достигнуто, можно считать, что переднее окно выставлено как надо и приступать к юстировке заднего окна.

Заднее окно юстируется проще, поскольку хотя юстировочный луч за ним тоже преломляется, но это уже ни на что не влияет. Если пятно от луча, отраженного задним окном находится в пределах экрана, то просто регулируя прижимные винты задней платформочки, загоните пятно в отверстие в экране. Если же пятна от заднего окна на экране не видно, то скорее всего поиски с листком бумаги вокруг основного юстировочного луча ничего не дадут, поскольку ход луча отраженного от заднего окна ограничен трубкой. В этом случае можно посоветовать ослабить прижимные винты и, наклоняя заднюю платформочку рукой, найти положение при котором отраженный от заднего окна луч попадает-таки на экран.

Когда оба пятна - от переднего окна и от заднего окна попадают точно в отверстие в экране и если при этом юстировочный луч проходит сквозь трубку лазера не испытывая переотражений (а лучше - не касаясь ее стенок) лазер сьюстирован и можно наклеивать зеркала.

 

НАКЛЕЙКА ЗЕРКАЛ

По не вполне понятным причинам, несмотря на довольно большое число Френеля, лазер получается волноводным. В частности, это выражается в очень сильной зависимости выходной мощности от расстояния от зеркал до торцов стеклянной трубки кюветы. Так если зеркала размещены на расстоянии всего в 15 мм от торцов трубки, выходная мощность падает более чем в 10 раз.

Самое простое решение данной проблемы - наклейка зеркал прямо на выходные окна. Никаких дополнительных стоечек и юстировочек. С задачей поддержания зеркал в параллельном друг другу состоянии вполне справляются концевые платформочки-окнодержатели. Тем более, что они уже были у нас сьюстировны на предыдущем этапе.

Чтобы покрытие зеркала не повреждалось при трении об твердую стеклянную поверхность окна, при наклейке будем использовать бумажные прокладки. Аккуратные отверстия в бумаге можно получить с помощью офисного дырокола.

Возьмите лист писчей бумаги и наделайте в нем отверстий

office_puncher

Затем ножницами из листа вырежьте небольшие бумажки с уже заготовленными отверстиями. Размеры бумажных прокладок должны быть чуть больше размеров используемого зеркала.

paper_gasket

Наложите бумажную прокладку на окно а поверх прокладки положите зеркало лицевой стороной вниз (к трубке с раствором). Убедитесь, что зеркало лежит ровно, что прокладка плотно прилегает к окну а зеркало плотно прилегает к прокладке (таким образом обеспечивается параллельность).

window window_paper window_paper_refl window_refl_pressed

Закрепите зеркало несколькими небольшими каплями термоклея (глюгана).

window_refl_ready

Повторите процедуру со вторым зеркалом.

 

ФИНИШНАЯ СБОРКА.

Кювета готова, залита и съюстирована. Конденсторы готовы, разрядник готов.
Осталось только собрать все это воедино и пробовать получившийся лазер.

laser_finished01 laser_finished02

 

ПУСК

В пуске лазера ничего хитрого нет, ибо и юстировку и заливку красителем Вы уже выполнили на предыдущих этапах. Достаточно теперь просто подключить лазер к блоку питания (с достаточным для срабатывания разрядника напряжением) и лазер загенерит

dye_microlaser_working_R6G

Фото выше - лазер работает на растворе родамина 6Ж. Работа лазера на родаминсодержащих перманентных маркерах (Centropen, CrownHijell) ничем принципиально не отличается - это тот же родамин 6Ж и довольно чистый.

На соке розовых флуоресцентных маркеров лазер генерит послабее. На фото ниже показана генерация на экстракте маркера ErichKrausen, полученном в процессе уксуснокислой дойки (см. выше в гайде).

dye_microlaser_working_EKrause

На фото ниже точно такой же лазер, только вместо стеклянной трубки кусочек стержня от шариковой ручки. (пускался на Родамине 6Ж). Лазер оказался работоспособным, но генерит заметно слабее. Словно зеркала резонатора стоят на некотором расстоянии от окон. Есть предположение, что полиэтиленовый стержень ручки не в состоянии поддерживать режим волновода, что и снижает выходную мощность.

pen_rod
pen_rod_lasing

Если лазер не запускается или Вас что-то не устраивает см раздел траблшутинг ниже.

 

УСТРАНЕНИЕ НЕПОЛАДОК

лазер не генерит
Перво-наперво проверьте (на слух) частоту срабатывания разрядника. Если она внезапно выросла (по сравнению с тем, как было при первом включении лазера), возможно подгорел корпус разрядника и снизилось его напряжение срабатывания (пробои идут по поверхности корпуса)
РЕШЕНИЕ: вскройте и почистите разрядник.

Если напряжение срабатывания разрядника в норме, возможно состарился раствор красителя. Раствор красителя залитый в лазер с течением времени теряет свои генерационные свойства. В зависимости от примененных при сборке лазера материалов время жизни раствора может варьироваться от нескольких часов до нескольких недель.
РЕШЕНИЕ: перезалейте лазер свежим раствором.
Иногда, в особенности при приготовлении из маркеров, раствор содержит пыль. В этом случае после заливки свежего раствора дайте лазеру отстояться минут двадцать, пыль осядет и генерация появится.

Если раствор свежий и напряжение срабатывания в норме, а генерации нет, остается последнее - переюстировать лазер. Снимите зеркала, разрядник и переделайте юстировку. При юстировке обращайте внимание на вид пятна юстировочного лазера. Если пятна "мутные", возможно окна лазера заляпаны. Хорошо если снаружи - тогда просто протрите их. Если они заляпаны изнутри - лазер придется переделывать.

Если юстировка выполнена правильно лазер генерит с первого импульса. С некоторой небольшой разъюстировкой лазер способен справиться самостоятельно за счет отклонения луча внутри кюветы на термооптических искажениях. Если в первом импульсе генерации нет - дайте лазеру немного поработать, возможно генерация появится импульса с пятого - десятого.

лазер генерит, но потом прекращает
В режиме без прокачки красителя лазер способен непрерывно выдавать импульсы с частотой примерно один раз в три секунды. Если у Вас получилось больше - снизьте частоту повторения, например, включив последовательно с лазером
балластный резистор на несколько десятков мегаом. Если же настоятельно хочется иметь большую частоту повторения импульсов - используйте насос и прокачку раствора красителя.

лазер выдает плохое пятно
Обычно, если лазер хорошо сьюстирован, первым импульсом идет очень хорошее, мощное и кругленькое пятнышко. В последующих импульсах за счет термооптики все гораздо хуже. Если Вам нужно хорошее пятно снизьте частоту повторения и/или примените прокачку раствора красителя.

Надо напомнить, что жидкостные лазеры вообще не отличаются хорошим качеством излучения, такчто возможно дело просто в неоправдавшихся ожиданиях.

юстировка слишком быстро уходит
Исправный лазер более менее стабильно держит юстировку, необходимую для его работы в течение нескольких недель. Если в Вашем лазере все уплывает за минуты проверьте окна, возможно они отклеились.

идут пробои мимо лампы с токоподвода на отражатель и с отражателя на второй токоподвод. Когда лампа исправна пробой внутри нее блокирует развитие пробоев снаружи. Если лазер пробивает снаружи - верный признак того, что лампа натекла воздухом и более неработоспособна.
РЕШЕНИЕ: заменить лампу.

 

КОММЕНТАРИИ

Многочисленные попытки собрать пусть и маломощный, но дешевый и маленький лазер на красителе разными изощренными способами (например лампа, полностью погруженная в кювету или широкоугольная передача изображения лампы на поверхность красителя) упорно выдавали фейл за фейлом. А оказалось, что надо просто аккуратно и без извращений смасштабировать большой лазер на красителях к маленьким размерам. Как только это было сделано все сразу заработало.

Широкая распространенность DVD_приводов решает проблему доступности лазерных зеркал, так что даже несмотря на наличие резонатора, лазер не содержит редких и трудно доставаемых компонентов.

МОЩНОСТЬ

В луче лазер выдает несколько сот микроджоулей. Не бог весть сколько, конечно, но если вспомнить, что это примерно за сто наносекунд, то выходная мощность получается уже равной нескольким киловаттам.

МАСШТАБИРУЕМОСТЬ

Обычно лазеры на красителях делаются заметно больших масштабов (по габаритам, по энергии и, конечно, по цене). Поскольку этот лазер был специально получен масштабированием крупных собратьев к карманным размерам, масштабирование в бОльшую сторону рассматривать не будем.

Основное ограничение при масштабировании в меньшую сторону это насколько тонкую лампу удастся достать и насколько тоную удастся достать трубку для кюветы. Простое укорочение без уменьшения диаметра очень быстро упрется в нашу неспособность уменьшать потери резонатора вслед за снижающимся усилением. Масштабирование с уменьшением диаметра упирается не только в труднодоступность ресурсов (ламп и стеклянных трубок) но и в проблемы нанотехнологий. Так например капилляр от градусника имеет внутренний диаметр 0.3 мм. И как прикажете юстировать такой лазер? Нужна совершенно иная схема резонатора и другие материалы (в первую очередь растворители с показателем преломления, большим чем у стекла). А если хочется, чтобы лазер с таким тонким капилляром имел еще и сносный кпд, то придется и лампу выбрать с таким же тонким капилляром. На самом деле такие лампы есть (ИСП-15), но представьте себе проблему попадания в капилляр изображением лампы, кода все это будет поставлено в эллиптический отражатель.

Сказанное выше приводит к мысли, что масштабируемость такого лазера к еще меньшим размерам, хотя теоретически и есть, но на практике особо не разбежишься.

Впрочем за счет оптимизации самой конструкции есть большие резервы по уменьшению размеров всего лазера при неизменных размерох лампы, трубки и резонатора.

ПРИМЕНЕНИЕ

Первое, что идет на ум - использование в качестве лазерной указки. Лазерные указки желтого цвета свечения нынче большой эксклюзив и стоят весьма дорого. С другой стороны лазер на родамине 6Ж, как мы видим, компактен (и может быть сделан еще компактнее) а при использовании с автономным (батарейным) блоком питания такой лазер легко может быть портативным. Если не жмут габариты, в качестве автономного источника питания может быть использован обычный электрошокер

dye_laser_in_hands

Если же габариты жмут, можно собрать высоковольтный блочок еще компактнее, тем более, что необходимые 10 кВ относятся к зоне "детского" высокого напряжения, работать в которой легко.

Из других применений - сигнализация, связь, скоростная фотография. При определенной доработке резонатора весьма вероятно, что этот лазер применим для некоторых видов, впрочем это еще предстоить опробовать.

 

БЫСТРОДЕЙСТВИЕ ЦЕПИ НАКАЧКИ

Время жизни верхнего лазерного уровня в красителях мало. По разным оценкам для родамина 6Ж оно составляет от 2 до 4 нс. Поэтому в случае ламповой накачки и запасенная энергия и усиление определяются не энергией источника накачки, но
лишь его мощностью. Понятно, что при ограниченной энергии в накопителе, чем быстрее она будет переведена в свет (т.е. чем короче импульс) тем лучше.

Второе неприятное свойство красителей - то, что они имеют паразитные (не участвующие в генерации) уровни и притом весьма долгоживущие. Эти уровни носят название триплетных уровней (в отличие от синглетных уровней, на которых осуществляется генерация). Время жизни триплетных уровней в красителях может достигать десятков и сотен микросекунд. Т.е. даже если вероятность попадания молекулы красителя на этот уровень много меньше вероятности попадания на лазерные уровни, за счет того, что время жизни здесь на много порядков больше, кончается все тем, что большинство молекул красителя оказываются выведенными в триплетное состояние. Хуже всего то, что такие молекулы не просто не могут принимать участие в генерации (по крайней мере до следующего импульса), но еще и заметно поглощают свет с лазерной длиной волны, т.е. вносят потери и могут в конце концов привести к срыву генерации.

В истории лазеров на красителях даже был период, когда накопление молекул в триплетном состоянии считалось основной причиной прекращения генерации и, по этой причине создание непрерывного лазера на красителях считалось невозможным. Позже, правда было показано [1] что в распространенных лазерных красителях (вроде родаминов и флуоресцеина) время жизни триплетных состояний может быть сильно сокращено с помощью специальных добавок тушителей триплетов. При сокращенном времени жизни триплетных состояний оказывается возможным осуществлять непрерывную генерацию лазеров на красителях при лазерной накачке, а при ламповой накачке длительности импульса могут достигать нескольких сот микросекунд и импульс прекращается, в основном, за счет разъюстировки резонатора на термооптических искажениях а не за счет накопления триплетов.

В качестве "волшебных" добавок, тушащих триплетные состояния по классике применяются циклооктотетраен (выговорить-то сложно, не то что достать) и кислород растворенного воздуха. Второе для любителя проще и понятнее. Поэтому не нужно стремиться к отсутствию растворенного воздуха в растворе. Наоборот, он только помогает генерации.

Представим, однако, что триплеты все же мешают. Например не удалось достать циклооктатетраен и воздух из раствора выкачан. Или лазер работает на красителях такого типа, для которых неизвестны эффективные тушители триплетов (как, например, для кумаринов). С начала импульса накачки триплеты накапливаются медленно (поскольку их выход для хороших красителей мал) но неотвратимо (поскольку за время импульса молекулы попавшие в триплетные состояния никуда оттуда уже не денутся). По мере накопления растут потери, а с ними и порог генерации. Как уже было сказано выше, усиление в лазере зависит только от мощности накачки, поглощаемой в красителе. Понятно, что если пик мощности накачки будет достигнут слишком поздно (когда триплеты уже накопились) порог генерации может не быть достигнут даже на пике. Если учесть еще и тот факт, что скорость накопления триплетов (так же как и синглетов) пропорциональна мощности накачки, то получается что важно не абсолютное время, за которое достигается пик мощности накачки, а относительное. Т.е. важна форма импульса. Чтобы лазер успел в максимальной степени высветиться до накопления триплетов импульс накачки должен иметь крутой фронт, т.е. пик мощности накачки должен достигаться как можно скорее после начала импульса.

Таким образом при отсутствии существенного накопления триплетов импульс накачки лазера на красителе должен быть как можно мощнее, что при фиксированной энергии в нем равнозначно "как можно короче". А при наличии накопления триплетов импульс должен быть не только как можно короче, но и иметь крутой фронт нарастания.

Следует подчеркнуть, что сказанное относится к импульсу света, излучаемого лампой-вспышкой, форма которого, вообще говоря имеет весьма отдаленное отношение к форме импульса тока, питающего эту самую лампу вспышку.

Импульс света состоит из двух частей (рис 6) передней нарастающей (зона I на рисунке 6) и задней спадающей (зона II на рисунке 6). Форма и длительность нарастающей части определяется балансом между тепловыделением за счет вкачиваемого электрического тока и различными теплопотерями в лампе. Т.е. можно сказать, что она определяется параметрами питающего импульса электрического тока, но не только ими. Форма задней спадающей части импульса определяется только охлаждением лампы. Ее длительность оценить проще всего.

NewDye06

Рисунок 6. Форма импульса света, обычно имеющая место при питании лампы вспышки от малоиндуктивных конденсаторов.

Постоянную времени спада температуры лампы можно оценить как tauT=Ql/Wl, где Ql - запас тепла в разогретой газовой плазме в лампе, Wl - мощность тепловых потерь лампы.

WARNING! это ученые делают расчеты с точностями до 0.1%. Мы же - самодельщики, поэтому все расчеты будем делать плюс - минус здоровенный ЛАПОТЬ. Тем не менее качественно что от чего зависит и куда двигаться, чтобы лазер работал лучше, будет видно даже из таких простых выкладок.

Запас тепла в лампе Ql определим, по старой доброй, известной со школы формуле для внутренней энергии идеального газа: Q=mu*(X/2)RT, где T - абсолютная температура, R=8.3 Дж/(моль оК) - универсальная газовая постоянная, mu - количество разогретого вещества в лампе (в молях), X - количество степеней свободы.

Казалось бы, поскольку в лампах используется ксенон - одноатомный газ, икс должен быть равен трем. Но на самом деле в плазме при высоких температурах возбуждено до кучи разных уровней и икс в точности неизвестен. Впрочем, как будет видно дальше, от величины икса конечный результат зависит слабо.

Количество вещества между электродами холодной лампы можно определить, как mu=(P/P0)(V/V0), где P - давление в (холодной) лампе, V - объем газа между электродами лампы, P0 = 1 ata = 760 torr = 14.7 psi = 101 kPa - нормальное
давление, V0 = 22.4 л = 22 400 ml = 2.24e7 cubic mm - объем, занимаемый одним молем газа при нормальных условиях.

Для определения теплопотерь будем считать, что плазма теряет тепло только в виде света и что плазма является абсолютно черным телом: Wl=sigma*S*T^4, где S - площадь поверхности плазмы
sigma=0.57e-11 Дж/(сек кв.см. oK^4) =5.7e-14 Вт/(кв.мм. oK^4) - постоянная Стефана-Больцмана

И в итоге
tauT=Ql/Wl= mu *(X/2)RT / (sigma*S*T^4) = (P/P0)*(V/V0)*(X/2)*R / (sigma*S*T^3) = P/(P0*V0)*(V/S)*(X*R/2) / (sigma*T^3)

В частности уже отсюда видно, что постоянная времени спада температуры обратно пропорциональна кубу температуры плазмы и прямо пропорциональна отношению (V/S) т.е. прямо пропорциональна внутреннему диаметру лампы d.
(действительно V/S = pi*(d^2/4)*l/(pi*d*l)=d/4 , pi=3.14 - число "пи", l - длина лампы, при подсчете светящей площади площадью торцов цилиндра пренебрегли)

Кроме того видно, что постоянная времени растет с начальным давлением в лампе. Т.е. можно сделать вывод, что в лазерах на красителях выгодно исползовать тонкие лампы с низким начальным давлением.

При желании можно оценить постоянную спада для нашей лампы. Межэлектродное расстояние 25 мм, внутреннй диаметр колбы 3 мм, откуда V=176 куб.мм. S=235 кв.мм. Наполнение стеклянных фоторграфических импульсных ламп обычно делается при сравнительно низком давлении [2], более менее логично положить P=0.05 ata.
Отсюда количество ксенона в лампе: mu ~ 3.9e-7 mol.

tauT= mu *(X/2)RT / (sigma*S*T^4) = 1.2e5[sec*oK^3] X/T^3

Например при X=3 и Е=10000 oK получаем tauT= 364ns. Впрочем эта величина для нас неособо актуальна, поскольку это постоянная спада температуры а нас интересует постоянная спада по свету.

Для того, чтобы найти постоянную времени спада по свету tauL воспользуемся тем же приемом, что и для tauT, оценим ее как отношение максимальной мощности излучения к скорости изменения мощности излучения:

                        S*sigma*T^4          T^4           T^4       1   T
   tauL=Wl/(dWl/dt) = ----------------- =  --------- = ----------- = - -----
                      d(S*sigma*T^4)/dt    d(T^4)/dt    4T^3*dT/dt   4 dT/dt
			

Но в наших оценках отношение температуры к скорости ее изменения и было принято за постоянную времени по температуре, т.е. tauL = tauT/4, т.е. постоянная времени спада импульса силы света в четыре раза меньше постоянной времени спада температуры плазмы:

tauL= mu *(X/8)RT / (sigma*S*T^4)

В случае нашей, конкретно взятой лампы, tauL=3e4[sec*oK^3] X/T^3, что для X=3 и T=10000 oK дает 91 нс.

Причем из полученной формулы видно, что в зависимости от неизвестного X постоянная времени спада импульса меняется всего лишь линейно, в то время, как от температуры (т.е. от энерговклада в плазму) - имеется обратная пропорция в третьей степени(!)

Казалось бы неограниченно увеличивая энерговклад в лампу можно было бы неограниченно увеличивать ее быстродействие (неограниченно уменьшать tauL). На самом деле это не совсем так. Например взятая выше при оценках температура в 10 тыс градусов кельвина довольно адекватна в качестве максимальной или максимально допустимой. Чтобы убедиться в этом, вспомним закон Вина (Wien), который гласит, что положение максимума спектра энергетической светимости черного тела ведет себя в соответствии с формулой: lambda_max=b/T, где b = 2.8e6 nm*oK - постоянная Вина. Подставив сюда T=10000oK получим lambda_max=289 нм. Т.е. даже максимум спектра испускания лампы лег на ультрафиолетовую границу пропускания стекла. Понятно, что дальнейшее наращивание температуры приведет лишь к катастрофическому падению кпд лазера. (Впрочем энергетический порог генерации продолжит снижаться, поскольку доля излучения, пропускаемого стеклом уменьшается медленнее, чем растет мощность излучения.) Для кварца коротковолновая граница лежит при бОльшей температуре плазмы (~13000 oK), что дает больший кпд, большую мощность, меньшие пороги по энергии и бОльшую скорость фотохимического разложения красителя. Для лазеров на основе ламп с кварцевой колбой и кювет с кварцевой трубкой деградацию красителя под действием света лампы вполне удается наблюдать в реальном времени.

Другой причиной является то, что плазму в лампе очень трудно нагреть выше 10 тыс градусов. В особенности, если это нужно сделать быстро, не более чем за несколько десятков наносекунд, как это требуется для лазера на красителе. Дело в том, что проводимость плазмы сильно растет с повышением температуры. В [2] есть формула для проводимости плазмы:
(1/ro)[sm/cm]=1.55e-4*T^(3/2)/(Z^2*ln(A))
Приняв средний заряд ионов в плазме равным единице: Z=1 а кулоновский логарифм равным трем ( ln(A)=3, как и рекомендовано в [2]) получим:
(1/ro) = 0.52-4*T^(3/2)[sm/cm]
Для температуры 1e4oK проводимость: 1/ro=52[sm/cm], соответственно удельное сопротивление ro=0.019 [Ом/см]. Для имеющихся размеров лампы в нашем лазере (d=0.3 cm, l=2.5 cm) это дает сопротивление лампы Rl=0.67 Ом.

Из курса электротехники известно, что энергия из генератора в нагрузку вкладывается эффективно лишь тогда, когда импеданс генератора меньше сопротивления нагрузки. Нагрузкой в нашем случае является лампа, а генератором цепь из накопительного конденсатора и паразитной индуктивности (самого конденсатора, соединительных проводов и разрядника). В пренебрежении омическими потерями импеданс генератора равен sqrt(L/Cs), где Cs - емкость накопительного конденсатора, L - полная паразитная индуктивность. Соответственно для эффективного энерговклада в лампу должно выполняться условие:
sqrt(L/Cs)<Rl => L/Cs < Rl^2 => L < Rl^2 * Cs = 0.45 Cs.
Т.е. на каждую нанофараду накопительной емкости допустимо лишь 0.45 наногенри полной индуктивности. Соблюсти такое условие на практике очень трудно. И тем труднее, чем выше температура плазмы (ниже Rl). Допустимая индуктивность падает обратно пропорционально кубу температуры.

На практике это выглядит как "сверхпроводимость" плазмы. Поднимая напряжение на накопительной емкости мы в определенный момент упираемся в то, что ток начинает "проваливаться" сквозь лампу и вместо быстрого прогрева плазмы мы наблюдаем лишь медленное выделение тепла слабозатухающими колебаниями в RLC контуре. По сравнению с таким медленным тепловыделением скорость теплопотерь (в частности за счет излучения) уже не может считаться малой и, в итоге рост температуры замедляется или прекращается вовсе.

Отсюда, в частности, видно, что наше естественное стремление сократить длительность импульса накачки, применив как можно меньшую емкость Cs и как можно большее напряжение заряда U0, обречено... Действительно еще в [3] было замечено, что поскольку накопленная в емкости энергия равна Cs*U0^2/2, то ее можно сохранять на постоянном уровне, сколь угодно понижая Cs при соответствующем поднятии U0. При этом характерное время разряда, равное pi*sqrt(L*Cs) для колебательного режима и Rl*Cs для апериодического режима, должно, вроде бы, сколь угодно сокращаться. Но в реальности это сокращение ничего не дает, поскольку происходит переход к режиму слабозатухающих осцилляций, при котором на каждом периоде синусоиды лишь малая доля запасенной энергии переходит в полезный подогрев лампы.

Вернемся к рисунку 6. После сказанного понятно, что в режимах с эффективным энерговкладом (при L< Rl^2*Cs или L~ Rl^2*Cs) длительность нарастающей части импульса (зона I на рис 6) целиком и полностью определяется временем разряда накопителя через лампу. На практике - длительностью одного-двух полупериодов сильнозатухающих колебаний тока разряда. В режимах же с неэффективным энерговкладом (когда L>> Rl^2*Cs) длительность нарастающей части импульса определяется временем затухания колебаний в RLC контуре, причем хвост импульса затухающих колебаний может вносить искажения даже в спадающую часть импульса света от лампы (зона II на рис 6).

Если не стремиться к асимметричным формам импульса, то не имеет смысла выбирать постоянную времени разряда накопителя сильно меньшей, чем время остывания лампы, которое, как мы определили выше составляет ~100 нс для температуры 10 тыс. оК. Отсюда вытекает условие: pi*sqrt(L*Cs)=100 ns или Ls[Гн]*Cs[Ф]=1013e-18 или Ls[нГн]*Cs[нФ]=1000.

Если принять индуктивность разрядника ~20нГн, индуктивность соединений ~20нГн и индуктивность конденсатора ~20нГн, то суммараная паразитная индуктивность L=60 нГн определит нам емкость конденсатора: 16 нФ. При этом импеданс генератора sqrt(L/Cs)=1.9 Ом.экв, хотя и превышает нагрузочное сопротивление, но все-таки не на порядок величины, т.е. описанный выше лазер работает вблизи режима эффективного энерговклада.

На фото ниже приведены осциллограммы двух разных вспышек лампы накачки этого лазера.

lamp0 lamp1

Как видно время нарастания светового импульса получилось равным 50 нс а время спада 150 нс. Заметьте, что отличие от расчетного значения, полуенного ранее с помощью ну очень грубой теории не превысило двух раз. Неплохо, да?

Следующие два изображения представляют осциллограммы двух разных импульсов выходного лазерного излучения.

laser1 laser2

Видно, что длительность лазерного импульса слегка менее 100 нс. Надо заметить, что сравнивать величины с осциллограмм промеж собой не следует. Поскольку для каждого импульса положение фотодиодного датчика и ослабителей-рассеивателей специально подбиралось таким образом, чтобы не вогнать фотодиод в насыщение. Фактически амплитуда импульсов на осциллограммах отражает не их реальную мощность, а лишь степень удачности попытки подогнать эту амплитуду к более менее постоянному значению.

На следующей картинке - осциллограмма импульса излучения от воздушного атмосферного азотного лазера. Поскольку длительность импульса с точки зрения аппаратуры доступной самодельщику можно с хорошей точностью считать мгновенной, эта осциллограмма фактически показывает быстродействие самой измерительной цепи.

n2_laser

Т.е. измеренные 10.5 нс отражают передаточную характеристику системы осциллограф + датчик.

 

ВЛИЯНИЕ ДИАМЕТРА ЛАЗЕРНОЙ ТРУБКИ

Рассматривая влияние диаметра трубки на работу лазера имеет смысл рассматривать два принципиально разных случая:

  1. случай заданной запасенной энергии в лазерной среде
  2. случай постоянной освещенности (постоянной плотности мощности света, падающего на поверхность лазерной трубки)

Усиление в лазерной среде удобно описывать с помощью некоей научной абстракции, называемой "сечением вынужденного излучения". (Формулы получаются не настолько громоздкими, как если напрямую использовать коэффициенты Эйнштейна.) Сечение обычно обозначается как sigma, но это обозначение выше по тексту уже было использовано для обозначения постоянной Больцмана. Поэтому будем использовать обозначение sigmaE (E от слова Emission - излучение). Не влезая в подробности, откуда все берется, сразу используем готовую формулу для усиления: Ku=exp(sigmaE*n*Ll), где Ku - это полное усиление на проход лазерной среды, sigmaE (как уже сказано) это сечение вынужденного излучения, n - объемная плотность активных центров (возбужденных молекул красителя) и Ll - длина активной среды в направлении луча света, усиление которого мы рассматриваем.

Для наших целей не нужно знать конкретное значение сечения вынужденного излучения. Да и вообще при работе с лазерами Вы его как правило заранее не знаете. Тем не менее, поскольку для конкретно взятого случая родамина 6Ж в спирте величину этого сечения посчастливилось найти, то имеет смысл ее привести (см. рис 7, цитируемый по [4]).
Возможно как-нибудь эта величина Вам еще пригодится.

NewDye07
Рис. 7. Сечения для Родамина 6Ж.
SigmaE - сечение вынужденного излучения
SigmaA - сечение поглощения света (накачки)
SigmaT - сечение образования триплетов.

Вернемся к выражению Ku=exp(sigmaE*n*Ll). Умножим и поделим выражение под экспонентой на hv - т.е. на энергию кванта:

Ku=exp(sigmaE*n*hv*Ll/hv)

А еще домножим и поделим выражение в скобках на pi*d^2/4 (напомню, что d - внутренний диаметр лазерной трубки):

Ku=exp(sigmaE*n*hv*Ll*[pi*d^2/4]/hv/[pi*d^2/4])

Теперь заметим, что Ll*[pi*d^2/4] это объем лазера (или, если угодно, активная часть объема лазерной среды). Значит n*hv*Ll*[pi*d^2/4] дает энергию в лазере. Поскольку мы не уточнили энергию какого кванта мы имеем в виду под обозначением hv то и выраженная энергия может быть разной. Если hv - это энергия лазерного излучения, то мы получим энергию, запасенную в лазерной среде, ту, которая может быть снята в виде лазерного излучения. Если же hv - это энергия кванта накачки, то мы получим энергию накачки, поглощенную в лазерной среде. Не будем пока избавляться от такой
двусмысленности. Просто будем считать, что E=n*hv*Ll*[pi*d^2/4] это энергия в лазерной среде. При необходимости мы всегда сможем уточнить, какая именно. Далее:

Ku=exp(sigmaE*E/hv/[pi*d^2/4]) or Ku=exp([sigmaE/hv]*E/Sl)

где Sl=pi*d^2/4 - площадь попертечного сечения (внутреннего канала) лазерной трубки. Поскольку sigmaE и hv это параметры лазерной среды, их можно рассматривать как постоянные (пока мы рассматриваем один и тот же тип лазера). И, если предположить, что поглощенная (или запасенная) энергия E фиксирована, мы немедленно приходим к выводу, что усиление
в лазере зависит только от диаметра (точнее от площади поперечного сечения внутренности лазерной трубки). И чем больше диаметр тем меньше усиление и наоборот.

Пусть два лазера имеют одинаковые энергии, запасенные в их аткивной среде. Но у одного из них среда имеет вид стержня с диаметром d1, а у другого - вид стержня с диаметром d2. Надо понять как соотносятся между собой усиления на проход в обоих лазерах.

Пусть Ku(d2) - усиление в лазере с диаметром d2 и пусть Ku(d1) - усиление в лазере с диаметром d1, тогда

Ku(d2) = exp(sigmaE*E/hv/[pi*d2^2/4]) = exp(sigmaE*E/hv/[pi*(d1*d2/d1)^2/4]) =
= exp([d1/d2]^2*sigmaE*E/hv/[pi*d1^2/4]) = exp( [d1/d2]^2*ln(Ku(d1)) )

И в итоге Ku(d2) = Ku(d1)^([d1/d2]^2) (*)

ПРИМЕР: Пусть, скажем, некий лазер имеет усиление 20% на проход (в абсолютных единицах это выразится как Ku=1.2) и имеет активную среду в виде стержня диаметром 6 мм. Как изменитсяусиление, если сократить диаметр стержня до 2 мм но при этом сохранить запасенную энергию (энергию накачки) на том же уровне?

ОТВЕТ: Ku(d2) = Ku(d1)^([d1/d2]^2) = Ku(d1)^9 = 5.16

То есть уменьшение диаметра в три раза вызвало увеличение усиления с жалких 20% на проход до целых 416% на проход (!).

Заметьте, мы не использовали ни численные значения sigmaE ни длину лазера ни, вообще говоря, даже тип лазера. На самом деле не потребовалось даже знать величины диаметров d1 и d2 по отдельности. Нужно было знать лишь их отношение.

Еще пример. Если начальное усиление в лазере 10 раз за проход и мы меняем диаметр стержня в три раза (как и в предыдущем примере) то получим лазер с усилением в миллиард раз за проход. Т.е. нормальный обычный лазер станет сверхизлучательным и сможет работать без зеркал.

Все это хорошо, но... кто сказал, что энергию поглощаемую в среде так легко сохранить на прежнем уровне при уменьшении диаметра стержня?

Перейдем к рассмотрению второго случая. Изменяющуюся энергию можно учесть, если при выводе соотношения (*) помнить о том, что энергия может меняться. Сохраняя за ней такую возможность мы получим:

Ku(d2) = Ku(d1)^((E2/E1)*[d1/d2]^2) (**)

Где E1 - энергия поглощенная (или запасенная) в лазере с диаметром d1, а E2 - энергия, поглощенная (или запасенная) в лазере с диаметром d2.

Но как определить отношение этих энергий E2/E1 ?

Предположим, что оба лазера накачиваются одинаковыми лампами (питаемыми от одинаковых импульсных генераторов). В этом случае мы имеем случай постоянной освещенности. В том смысле, что каждая точка поверхности любой из ламп, нагретых до одной и той же температуры излучает одинаковый световой поток. И если пренебречь затенением и изменением температуры по длине ламп, а также если учесть, что поверхность активной среды близко к поверхности лампы (т.е. свету некуда деться по дороге) то получим, что каждая точка поверхности активной среды находится под воздействием одинакового светового потока в обоих лазерах. Такой случай более характерен для лазеров с лампой большого диаметра и тонкой кюветой, а когда лампа с кюветой имеют сравнимые диаметры затенение кюветы вовсе не пренебрежимо мало. Однако учет тонкостей заведет нас в дебри интегро-диффиренциального исчисления, поэтому все-таки остановимся на простом случае постоянной освещенности.

В этом простом случае можно принять, что энергия света накачки, входящая в кювету с красителем пропорциональна освеченной площади кюветы E~pi*d*Ll. И если предположить, что все что упало на поверхность кюветы то (пропало) поглотилось в растворе с красителем то можно утверждать что E2/E1 = pi*d2*Ll2/pi*d1*Ll1 = d2*Ll2/d1*Ll1. Можно было бы заметить, что лампы одинаковые и сократить длину лампы из числителя и знаменателя. Однако если предположить, что лампы все-таки не совсем одинаковые и отличаются длиной, то длину в формуле можно и оставить.

Воспользовавшись выражением (**) и только что полученным отношением E2/E1 придем к:

Ku(d2) = Ku(d1)^([Ll2/Ll1]*[d1/d2]) (***)

Что означает, что усиление все еще продолжает расти с уменьшением диаметра. Не так быстро, как в случае равных поглощенных энергий, но растет.

Замечание: чтобы кювета все меньшего диаметра была способна поглощать падающий на нее свет, придется увеличивать концентрацию красителя.

Еще замечание: полученные выводы можно обобщать и далее. Например можно сказать, что в реальности нет необходимости действительно уменьшать диаметр кюветы. Достаточно просто поднимать концентрацию красителя и тонкий его слой, где поглощается свет, рассматривать как своего рода кювету кольцевого сечения. Причем для определения усиления здесь важен будет уже не диаметр а площадь этого самого кольцевого сечения и т.д. и т.п. Однако этот гайд - не учебник по лазерной физике, а значит и не место для углубления в такие дебри.

Последний случай, который стоит рассмотреть - случай малого поглощения - когда поглощенная активной средой энергия настолько мала, что не искажает светового потока от лампы даже внутри самой среды и поглощенную в среде энергию можно считать пропорциональной освеченному объему активной среды (ну и конечно освещенности).

В этом случае E2/E1 = (Ll2/Ll1)*(d2/d1)^2 и в выражении (**) отношение диаметров наконец-то сократится:
Ku(d2) = Ku(d1)^(Ll2/Ll1) (***)

В настоящих лазерах стремление к приемлемому кпд не дает Вам настолько опускать поглощение. Поэтому последний случай скорее умозрительный, просто иллюстрирующий, что усиление перестает зависеть от диаметра кюветы только когда поглощение в активной среде настолько мало, что оно слабо нарушает световой поток от лампы. Во всех остальных случаях чем меньше диаметр лазернойго стержня тем выше усиление.

 


 


[1] Ф.П. Шефер. Лазеры на красителях. М.: Мир, 1976.
[2] И.С. Маршак. Импульсные источники света. М.: Энергия, 1978.
[3] Джон Сингер. TJJIIRRS-15A Towards affordable dye laser...
[4] Справочник по лазерной технике. Под ред А.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат 1991.

 

 

<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА