1. Введение.
Твердотельник - это странное существо в мире лазеров. Первый открытытй в мире
лазер был твердотельным. Но затем наоткрывали кучу других лазеров, имеющих
больший кпд, большую среднюю мощность, более полезные длины волн. Расходимость
излучения от твердотельного лазера, конечно, получше, чем у полупроводникового
или жидкостного, но хуже, чем у большинства газовых или оптоволоконных. Ни
цена ни простота конструкции тоже не выделяют твердотельники в положительном
смысле. (Да, конечно, когда у Вас уже есть лазерный кристалл и лампа, нет
ничего проще, чем примотать их фольгой друг к другу. Но кристалл еще надо
суметь вырастить и обработать, да и хорошую лампу сделать отнюдь не проще, чем
разрядную трубку газового лазера.)
И тем не менее ни один из других типов лазеров так и не смог потеснить
твердотельник. В чем же секрет его полезности? Ответ прост. - С помощью
твердотельных лазеров удобнее всего получать очень короткие световые импульсы
с огромной пиковой мощностью. Такие импульсы носят название "гигантских
импульсов" а процесс их получения называется "модуляция добротности." Дело в
том, что благодаря сравнительно большому времени жизни верхнего лазерного
уровня и отсутствию узких мест в механизмах накачки твердотельные лазеры
относятся к классу "накопительных" - т.е. если лазеру не давать высвечиваться
сразу, энергия может быть накоплена в лазерном стекле или кристалле, а потом
высвечена за очень короткое время. Обычно - за 10..20 наносекунд.
Что это дает? Свет такой мощности легче преобразовывается. Например на
http://www.milankarakas.org/pub/KDP/HomegrownKDP.html рассказывается, как невидимый свет неодимового лазера
преобразовать в зеленый с помощью выращенного в домашних условиях кристалла.
Будучи сфокусирован, мощный лазерный импульс способен разрушать совершенно
прозрачное стекло - на этом основан способ создания трехмерных изображений
внутри стеклянных блоков. Ну и, конечно, же лазерная искра - оптический
пробой воздуха.
Твердотельный лазер на мегаватт излучаемой мощности это небольшое устройство
(1 МВт = 20 мДж/20 нс), состоящее из лазерного стержня, размерами с тонкий
карандаш, лампы таких же размеров, оптического затвора и рамки с зеркалами
резонатора. В блоке питания могут использоваться электролитические
конденсаторы, поэтому по размерам он тоже получается небольшим. Ключевым
элементом для получения большой мощности является именно оптический затвор,
который в течение определенного времени держит резонатор запертым, не давая лучу свободно распространяться между зеркалами, а потом за короткое время
открывается, открывая путь для лавинообразного сброса энергии в виде лазерного
излучения.
Затворы бывают активными и пассивными.
Активные затворы - те, которые открываются от внешнего управляющего
воздействия. В основном бывают электрооптическими, механическими и
акустооптическими. Механические затворы (с вращающимся зеркалом, призмой или шторкой) требуют экзотических высокообортных электромоторов с плавным ходом.
Акустооптические требуют применения весьма сложных схем управления.
Схемы управления электрооптическими затворами попроще, однако их принцип работы
основан на вращении поляризации (эффект Керра или Поккельса), а следовательно
внутрь резонатора придется устанавливать светопрочный поляризатор на нужную
длину волны. И если ячейку Поккельса можно, хотя и недешево, купить на еВау,
то с поляризатором все куда проблематичнее. Есть еще затворы на нарушенном
полном внутреннем отражении. Для них не нужен поляризатор. Но там своя
проблема - требуется тонкая подгонка оптических деталей, с которой Вы
связываться вряд ли захотите.
Для самодельщика проще пассивный затвор - т.е. такой, который открывается
самостоятельно. Пассивные затворы делаются обычно из так называемых фототропных
материалов - таких, прозрачность которых растет с ростом интенсивности
проходящего сквозь них излучения. Такими свойствами обладают некоторые
красители, полупроводники, активированные стекла и кристаллы.
Красители для применения в пассивных модуляторах добротности распространенных
лазеров довольно редки и экзотичны. Для рубина они хотя бы имеют названия
(фталоцианин хлористого алюминия, например). Красители для модуляции
неодимового лазера вообще зачастую известны только под номерами.
Из твердых сред для рубинового лазера известно стекло КС-19, а для
неодимового - алюмоиттриевый гранат, активированный четырехвалентным хромом
(YAG:Cr4+). Однако и это довольно экзотические и трудно добываемые для
самодельщика материалы.
Нельзя ли что нибудь попроще? Как выяснилось, известно несколько схем
модуляции добротности, создаваемых на основе доступных материалов. Это в
первую очередь резонаторы с изменением потерь за счет изменения параметра
устойчивости (на основе эффекта самофокусировки), с изменением потерь за
счет включения обращения волнового фронта и еще довольно интересная схема
на основе эффекта восстановленного полного внутреннего отражения. Кроме
того выяснилось, что для рубинового лазера модуляция добротности может с
определенным успехом осуществляться с помощью медицинского антисептического
красителя - "бриллиантовой зелени." Но, давайте обо всем по порядку.
2. Описание тестовых лазеров.
a) Рубиновый лазер.
Лазер собран на основе полуэллиптического осветителя от коммерческого лазера
Диаметр рубинового стержня 6 мм, длина 75 мм. Тип рубина - розовый. Лампа типа
FXQ-1302, ксеноновая, с кварцевой колбой внутренним диаметром 4 мм, наружным
диаметром 6 мм. Межэлектродный зазор 75 мм.
Осветитель помещен в резонатор из двух плоских диэлектрических зеркал (из
головки от пишущего DVD-привода). Зеркала подобраны таким образом, что одно из
них имеет весьма малый коэффициент пропускания (менее 5%), пропускание второго
зеркала составляет около 30%.
Лампа питается от самодельного накопительного блока на основе шести
электролитических конденсаторов 1000 мкф x 450 Вольт, включенных
последовательно-параллельно так, что общая емкость батареи составляет 1500 мкф.
Схема питания лазера приведена на рис 2.1.
Рис 2.1. Схема питания рубинового лазера. Трансформатор Tr1 - фабричный
трансформатор поджига от лампы-вспышки либо самодельный на феррите 400НМ,
диаметром 6 мм, длиной 30мм. Вторичная обмотка 360 витков провода ПЭЛ-0.1 в три
слоя с изоляцией. Первичная обмотка 4 витка провода ПЭЛ-0.5 мотается поверх
вторичной. Разрядник SG1 - газовый грозозащитный разрядник на 470 в. Можно
применить и на другие напряжения, но потребуется пересчитать делитель R5:R6.
Когда напряжение на накопителе достигает 770 Вольт срабатывает разрядник SG1
и поджигает лампу накачки лазера. Зарядное напряжение ограничивается, в
основном, непомерно растущим током утечки накопительных конденсаторов.
Таким образом запасенная энергия к моменту вспышки равна 440 Джоулей.
Конструкция лазера показана на рис 2.2. Импульс поджига лампы подается на
металлический корпус осветителя.
В режиме свободной генерации (без модуляции добротности) выходная энергия
лазера составляет около 1 Дж. Измерено по методике первобытных лазерщиков -
сколько бритвенных лезвий лазер способен пробить сфокусированным лучом -
столько и джоулей на выходе.
Рис 2.2. Общий вид рубинового лазера.
б) Лазер на гранате с неодимом.
Используется кристалл алюмоиттриевого граната с неодимом (YAG:Nd) диаметром
8 мм и длиной 110 мм и ксеноновая авиа строб-лампа (точно такая же, как в
описанных на этом сайте конструкциях лазеров на красителях) с внутренним
диаметром 8 мм, наружным диаметром 10 мм и межэлектродным зазором 110 мм.
Осветитель самодельный - лампа примотана к стержню полированной медной
фольгой. В принципе, работоспособный лазер получается и при использовании
кухонной алюминиевой фольги, но ее использование непрактично. Фольгу доступной
толщины (до 14 мкм) за несколько десятков импульсов рвет в клочья энергией
вспышки. Снаружи это выглядит как плавное и необъяснимое снижение выходной
энергии лазера от импульса к импульсу.
В качестве глухого зеркала используется диэлектрическое зеркало с отражением
более 90% на длине волны 1064 нм (такие зеркала достаточно доступны), а в
качестве выходного зеркала используются два микроскопных покровных стекла,
сложенных вплотную и склеенных по периметру глюганом.
Схема питания лазера аналогична схеме питания рубинового лазера, за
исключением того, что накопительная емкость представляет собой не батарею
электролитических конденсаторов, а одиночный бумаго-масляный конденсатор типа
КБГ-М номиналом 100 мкф х 2000 В. Зарядное напряжение составляет 2 кВ. Сделано
это для согласования времени свечения лампы с временем жизни верхнего лазерного
уровня. Импульс поджига лампы подается прямо на фольгу осветителя.
Используемый лазерный кристалл имеет скошенные торцы и матовую боковую
поверхность, что вносит дополнительные потери и затрудняет юстировку, но
позволяет накапливать большие энергии на верхнем лазерном уровне без развития
генерации на отражении от торцов стержня. Кроме того один из торцов стержня
имеет множество тонких ("волосяных") царапин, что однако не препятствует
генерации и, при достигнутых уровнях мощности, не приводит к оптическому
повреждению.
Длина резонатора составляет 45 см, что делает лазер неособо компактным, зато
позволяет всячески издеваться над резонатором, засовывая в него разнообразные
линзы, фильтры, кюветы и диафрагмы. Фотография лазера приведена на рис 2.3.
Схема питания - на рис 2.4.
В режиме свободной генерации (без модуляции добротности) выходная энергия
лазера составляет около 2 Дж - тоже по количеству пробиваемых бритвенных
лезвий. Расходимость луча около 3 мрад.
Рис 2.3. Общий вид лазера на гранате с неодимом.
Рис 2.4. Схема питания неодимового лазера. Параметры трансформатора Tr1
и разрядника SG1 аналогичны показанным на рис. 2.1.
3. Наблюдение факта модуляции добротности.
Самый прямой способ получения информации, позволяющей утверждать, что
модуляция добротности имела место - использование быстродействующего фотодиода
и осциллографа. Если величина, обратная ширине полосы пропускания осциллографа,
составляет небольшую долю от ожидаемой длительности импульса, то можно
регистрировать его длительность. Если нет, то только факт наличия пика
неизвестой длительности, меньшей разрешающей способности осциллографа.
Например, для измерения параметров импульса длительностью 20 нс нужен прибор
с полосой пропускания более 150 МГц. А если необходимо диагностировать лишь
факт наличия гигантского импульса, подойдет и осциллограф с полосой в единицы
мегагерц. Трудность здесь в том, что поскольку полезный сигнал однократный (или редко повторяющийся) для него нужен запоминающий осциллограф. Либо цифровой.
В последнем случае, кроме полосы пропускания важна еще скорость стробирования,
выражаемая обычно в гигасамплах в секунду (GSa/s)или мегасамплах в секунду
(MSa/s). Интервал времени между самплами (величина, обратная частоте
стробирования) должен как минимум быть в несколько раз меньше длительности
перепадов интенсивности, которые Вы хотите наблюдать. Для измерений гигантского
импульса это не менее 200 MSa/s, для диагностики факта его появления >1 MSa/s.
Быстродействующий осциллограф с временным разрешением, позволяющим прописать
гигантский импульс твердотельного лазера, относится к профессиональному и
дорогостоящему оборудованию. Любителю такой прибор, обычно, не по карману.
Поэтому будем считать, что с помощью этой методики можно только
зарегистрировать сам факт наличия модуляции добротности и подсчитать количество
гигантских импульсов, генерируемых за время одной вспышки лампы. (В отличие от
лазеров с активными модуляторами добротности, лазеры с пассивными модуляторами
зачастую генерируют несколько импульсов за одну вспышку, и чем их больше, тем,
вообще говоря, хуже, поскольку тем меньше пиковая мощность в каждом из них.)
При таких измерениях, кстати, можно не особо беспокоиться о насыщении -
перегрузке фотодиода и уходе его в глубоко нелинейную область.
Схема включения фотодиода показана на рисунке 3.1.
Рис 3.1. Схема включения фотодиода.
R1 и С3 монтируются непосредственно на выводах фотодиода или как можно ближе
к нему. С3 - керамический, R1 - металлопленочный. Важно, чтобы R1 и С3 были
малоиндуктинвыми. Можно использовать SMD-типа. С2 - обязательно керамический.
С1 - может быть и электролитическим. Подключение к осциллографу выполняют
коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 ом. Если нет риска длительной
интенсивной засветки фотодиода, резистор R2 может отстутствовать. В этом случае
батарейка подключается непосредственно к буферным конденсаторам.
Вторым общеизвестным (но мало описанным в литературе) методом является
регистрация лазерного пятна на галоген-серебряном фотоматериале - фотопленке
либо фотобумаге. Фотоматериал должен быть засвечен но не проявлен. Также нужно,
чтобы длина волны лазерного излучения не попадала в область паспортной
чувствительности фотоматериала, иначе отличить гигантский импульс от свободной
генерации будет практически невозможно.
Способ основан на том, что в поле высокоинтенсивного лазерного излучения
двухфотонное поглощение вызывает такую же засветку фотоматериала, как если бы
он засвечивался излучением с длиной волны вдвое короче. Большинство черно-белых
фотоматериалов чувствительны в зелено-синей области спектра, поэтому подходят
для регистрации наносекундного излучения рубиновых и неодимовых лазеров. Синие
и зеленые лазеры довольно эффективно засвечивают фотопленки даже работая в
непрерывном режиме. С другой стороны лазер на углекислом газе не дает
отпечатков на фотопленке даже при таких интенсивностях, когда ее поверхность
сплош покрыта ярким свечением лазерной плазмы. Некоторые цветные фотопленки
имеют область чувствительности, захватывающую длину волны 694 нм в красной
области. Такие фотопленки легко засвечиваются излучением свободной генерации
рубинового лазера.
Распознание пятна гигантского импульса на засвеченном непроявленном
фотоматериале обычно не представляет затруднений. Излучение свободной генерации
либо не оставляет пятна вовсе, либо, при высокой плотности энергии, оставляет
обожженый и/или оплавленный след. Излучение лазера с модулированной
добротностью при умеренной интенсивности оставляет отпечаток в виде потемнения
фотоэмульсии без следов оплавления и обжига. При высокой плотности энергии,
безусловно, следы обжига будут, но в спорных случаях всегда можно понизить
нагрузку на фотоматериал. Например, поставив его подальше от лазера, где
сечение пучка станет больше за счет естественной расходимости. На рис 3.2
для примера приведены фотографии отпечатков гиганткого импульса неодимового
лазера на непроявленной фотопленке.
Рис 3.2. Отпечатки пятна пучка лазера с модулированной добротностью на
фотпленке.
Способ очень прост и эффективен. Позволяет быстро понять на качественном
уровне, генерируется ли гигантский импульс вообще, а также грубо оценить
выходную энергию лазера. Однако есть и недостатки. Например этот способ Вам
никогда не даст понять, что в место одного гигантского имульса их генерируется
штук пять за одну вспышку и именно поэтому и не получается получить искру в
воздухе при фокусировке пучка линзой. Кроме того, широкое распространение
цифровой фотографии приводит к тому, что галоидно-серебрянные фотоматериалы
становится все труднее добывать. Так может дойти до того, что станет актуален
гайд по самодельному изготовлению фотопластинок.
Еще пара полезных эффектов это пробой воздуха и пробой диэлектрика.
Если сфокусировав пучок лазера Вы наблюдаете лазерную искру, то очевидно,
что модуляция добротности имела место. Согласно [1] пробой воздуха при
атмосферном давлении излучением с длиной волны около 1 мкм наступает при
интенсивностях w0=3e11 Вт/кв.см. Т.е. хоть и с большой погрешностью, но это
позволяет оценить выходную мощность Вашего лазера W:
W=3e11*3.14*(theta*f)^2/4 [Вт]
Где theta - расходимость лазерного пучка в радианах, f - фокусное расстояние
линзы в сантиметрах.
Например, расходимость лазерного пучка измерена и равнв 1 мрад (пучок
расходится на миллиметр на метре). И лазер дает искру при использовании линзы
с фокусным расстоянием 1 см. Тогда:
W=3e11*3.14*(1e-3*1)^2/4 = 235 кВт
Если предположить, что длительность импульса составляет 10 нс, то энергия
гигантского импульса будет всего: 235кВт*10нс=2.35 мДж.
Если сфокусированный внутрь прозрачного стеклянного блока пучок лазера
оставляет след в виде характерной звездочки оптического повреждения, то
мощность лазерного излучения достаточно высока, чтобы утверждать, что модуляция
добрости имела место. Однако для количественных оценок метод непригоден,
поскольку пороговая интенсивность пробоя сильно зависит от качества и марки
стекла. Надо заметить, что органические стекла и прозрачные пластики легко
пробиваются в объеме излучением свободной генерации, и поэтому для таких тестов
непригодны.
4. Модуляция добротности на основе самофокусировки в резонаторе.
Схема модулятора добротности показана на рисунке 4.1.
Рис 4.1. Схема модулятора добротности, основанного на самофокусировке
внутри резонатора. 1 - заднее зеркало резонатора. 2 - герметичная кювета,
3 - рабочая жидкость, 4 - осветитель лазера с лампой и кристаллом, 5 - выходное
зеркало, 6 - линза, 7 - линза.
Ранее подобная схема была описана в статье [2], где, как это обычно и бывает,
приведена только идея схемы и, очень кратко, лучшие из достигнутых результатов.
Все жизненно важные подробности, естественно, опущены. Сказано лишь, что при
положении линз, соответствующем высокому порогу генерации, модуляция
добротности наблюдалась, а при соответствующем низкому порогу - нет. Еще в этой
статье говорится, что после нескольких десятков импульсов кювета с жидкостью
разрушалась. Не приводятся ни подробности подбора этого самого "положения,
соответствующего высокому порогу" ни характеристики схемы по применимости.
Нет, чтоб написать, например: "Да, ребята, эта схема работает, но мы так
замаялись с ее юстировкой, что ни в коем случае ее не используйте, если у вас
есть хоть какие то альтернативы." Или наоборот: "Схема легко юстируется, гладко
и стабильно работает даже для лазеров с низким усилением. Просто поставьте
линзы так-то и так-то и все у Вас получится..." Но кто ж Вам такое напишет?
Сходная схема применялась в работе [3], однако там авторы основным эффектом,
ответственным за модуляцию добротности, считают образование в жидкости
динамической отражающей голограммы - так называемого ОВФ-зеркала. В этой
статье подробности также опущены.
Был изготовлен набор кювет с линзами в качестве торцевых стенок. Выбор
такой конструкции был сделан для того, чтобы избежать наличия стеклянной
стенки вблизи перетяжки пучка между линзами и, соответственно, избежать риска
повреждения кюветы лазерным излучением. И действительно за время опытов
(более сотни импульсов с каждой из кювет) кюветы работали исправно и никаких
следов повреждений замечено не было. Кюветы были сделаны с коэффициентом
телескопирования 1:1, т.е. входная и выходная линзы имели одинаковое
фокусное расстояние. Линзы имели следующие фокусные расстояния:
- Кювета № 1 f1=f2=14 mm
- Кювета № 2 f1=f2=23 mm
- Кювета № 3 f1=f2=74 mm
Следует особо отметить, что фокусное расстяние измерялось со стороны жидкости
для ситуации, когда по одну сторону линзы находился воздух а по другую -
изопропанол. На воздухе и будучи полностью погруженными в жидкость линзы имеют
совершенно другие фокусные расстояния.
В качестве рабочих жидкостей использовались изопропиловый спирт и бензин.
Пробовалась также заливка водой, но заметной модуляции добротности при этом
обнаружено не было.
Удавалось сделать работоспособные модуляторы добротности на основе кювет с
фиксированным расстоянием между линзами, однако это требовало высокой точности
изготовления, в особенности, в случае короткофокусных линз. Лучшие результаты
получались, когда кюветы были сделаны составными из двух частей (трубок)
соединенных резьбовым соединением. Это позволяло регулировать расстояние между
линзами в небольших пределах. Резьбовые соединения герметизировались ФУМ-лентой.
Маленькие кюветы оказалось удобным делать из отрезков корпусов от шариковых
ручек. При изготовлении кюветы большего размера использовались канализационные
либо водопроводные трубы и фиттинги. Приклейка линз производилась глюганом
(черные стержни) для кювет, предназначенных для изопропанола и эпоксидным
герметиком для кювет, предназначенных для заполнения бензином.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ! ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ЖИДКОСТИ ОГНЕОПАСНЫ! Лазерный пучок способен нагревать предметы до воспламенения. Плохо собранный блок питания может искрить. Будьте внимательны и соблюдайте меры противопожарной безопасности. Следите за герметичностью кювет! Не допускайте подтекания рабочей жидкости. Следите за положением и ходом лазерного луча. Избегайте попадания основного и паразитных лучей извне на стенки кюветы. Запас рабочей жидкости держите подальше от места экспериментов.
Фотографии готовых кювет показаны на рис 4.2. Фотографии лазеров, с кюветами,
инсталлированными внутри резонатора показаны на рис 4.3.
Рис 4.2. Кюветы для модуляции добротности на основе эффекта самофокусировки.
a) Кювета №1. b) Кювета №2 c) Кювета №3
Pис 4.3. Лазеры с кюветами внутри резонатора.
а) Рубиновый лазер с кюветой №1, b) Неодимовый лазер с кюветой №1,
с) Неодимовый лазер с кюветой №2, d) Неодимовый лазер с кюветой №3.
Процедура юстировки лазера с инсталлированной внутрь резонатора кюветой
практически не отличается от обычной процедуры юстировки лазера (с плоско
параллельным резонатором). Вспомогательный юстировочный лазер (гелий-неоновый
или лазерная указка) устанавливается в метре-двух от юстируемого лазера,
а затем пятна, возвращенные передним и задним зеркалами совмещаются с
выходным отверстием юстировочного лазера (подробнее описание юстировки
можно найти на этом сайте в гайде по импульсно-периодическому продольному
лазеру на углекислом газе). Поскольку кювета является системой, оборачивающей
изображение, реакция луча на управление задней юстировкой оказывается
инверсной. Это несколько необычно, но неудобств не создает.
При настройке кюветы (установкой расстояния между линзами) на параллельный
пучок чувствительность лазера к расстройке резонатора остается примерно такой
же, как и для резонатора без кюветы (расстройка зеркал на +-3 мрад не приводит
к срыву генерации). Настройка кюветы на сходящийся пучок делает резонатор более
устойчивым и снижает чувствительность к разъюстировке. Настройка кюветы на
расходящийся пучок делает резонатор неустойчивым и повышает критичность к
отклонению зеркал. Когда кювета настроена на расходящийся пучок и вносит
расхождение около 20 мрад (полный угол) это приблизительно предел, когда
резонатор лазера еще удавалось съюстировать до получения генерации при
имеющейся точности юстировок.
Модуляция добротности была получена при всех трех типах настроек кюветы:
на расходящийся пучок, на параллельный пучок и на сходящийся пучок. Наилучшие
результаты (по выходной энергии и качеству луча) достигались при настройке
кювет на параллельный пучок.
Процедура настройки на параллельный пучок выполняется следующим образом.
Луч юстировочного лазера направляется на экран (стенку, дверь и т.п. - на то
место, где удобно наблюдать пятно). Расстояние от юстировочного лазера до
экрана должно быть достаточно большим - желательно не менее полутора метров.
Пятно луча юстировочного дазера на экране обводится карандашом. Затем в этот
луч ставится кювета и юстируется так, чтобы центр пятна вышедшего из кюветы
луча приблизительно совпал с центром нарисованного на экране пятна. Затем,
подгонкой расстояния между линзами, по необходимости проводя подстройку
углового положения кюветы, надо вписать пятно вышедшего из кюветы луча в
контур, нарисованный на экране. Когда это будет выполнено - кювета настроена
на параллельный пучок и ее можно ставить в резонатор. (Естественно, что
настройка должна проводиться с кюветой уже заполненной рабочей жидкостью.)
На неодимовом лазере результаты получаются следующие. Лазер обычно генерирует
цуг импульсов, длительностью 50..100 нс каждый, длительность цуга совпадает с
длительностью свободной генерации (100..150 мкс). Количество импульсов в цуге
составляет обычно 5..15 и уменьшается при:
- при выборе более длинной кюветы
- при разъюстировке резонатора передним либо задним зеркалом
- при настройке кюветы на все более расходящийся луч
Однако при стремлении к одиночному импульсу значительно падает выходная
энергия лазера (до ~ 1мДж), поэтому, если Вас интересует суммарная энергия
цуга (как например при нанесении меток в объеме стекла) добиваться одиночного
импульса, возможно, не следует.
При заполнении одним и тем же типом жидкости длительность импульса растет
при переходе от более коротких кювет к более длинным. С одной и той же кюветой
и жидкостью наименьшая длительность (<20 нс) получается при юстировке на
сильное (до неустойчивости резонатора) схождение луча, но генерация при этом
нестабильна - мала выходная энергия, и от импульса к импульсу сильно меняются
длительность и даже направление луча (пятно "прыгает"). Более длинные импульсы
(~30..50 нс), получаются при настройке кюветы на расхождение луча. Качество
луча и стабильность генерации при этом гораздо выше. Наибольшая длительность
импульса (~50..100нс) получается при настройке кювет на параллельный или слабо
сходящийся пучок. Генерация при этом стабильна, пятно однородно, длительность
от импульса к импульсу практически не меняется. Выходная энергия при этом
максимальна.
Надо отметить, что минимальная зарегистрированная длительность импульса
(20нс) определяется разрешающей способностью осциллографа и, вероятнее всего
импульсы были еще короче.
Максимальная полученная энергия ~60 мДж в цуге из 15 импульсов при
длительности каждого из них около 50 нс. Т.е. в среднем в каждом импульсе
энргия ~4 мДж и мощность ~80 кВт.
Типовые осциллограммы импульсов неодимового лазера с кюветой №2 приведены
на рис 4.4. Пятна лазерного излучения на засвеченной непроявленной фотопленке
приведены на рис 4.5. На рис 4.6 приведены фотографии оптических повреждений,
полученных при фокусировке луча неодимового лазера, модулированного кюветой №2,
в объем стекла линзой с фокусным расстоянием 10 мм.
 
Рис 4.4. Осциллограммы типичного импульса неодимового лазера с модуляцией
добротности на основе эффекта внутрирезонаторной самофокусировки. a) Цуг
импульсов, масштаб по времени 10 мкс на клетку. b) один импульс из цуга,
масштаб по времени 100 нс на клетку. c) Свободная генерация без затвора, масштаб по времени 20 мкс на клетку.
Рис 4.5. Пятна неодимового лазера с кюветой №2, настроенной на параллельный
пучок на непроявленной фотопленке.
Рис 4.6. Оптические повреждения в объеме стекла, полученные с помощью
неодимового лазера с кюветой №2.
Кюветы были также испытаны с рубиновым лазером. Была получена выраженная
модуляция добротности, однако выходная энергия и мощность заметно ниже, чем
для случая неодимового лазера. Типовые осциллограммы импульсов рубинового
лазера с кюветой №1 приведены на рис 4.7. Пятна лазерного излучения
на засвеченной непроявленной фотопленке приведены на рис 4.8.
 
Рис 4.7. Осциллограммы типичного импульса рубинового лазера с модуляцией
добротности на основе эффекта внутрирезонаторной самофокусировки. a) Цуг
импульсов, масштаб по времени 50 мкс на клетку. b) один импульс из цуга,
масштаб по времени 500 нс на клетку. c) Свободгая генерация без затвора, масштаб по времени 100 мкс на клетку.
Рис 4.8. Пятна рубинового лазера с кюветой №1, настроенной на параллельный
пучок на непроявленной фотопленке.
Вывод: модулятор добротности на основе внутрирезонаторной самофокусировки
может быть сделан из доступных ресурсов, несложен в изготовлени и настройке,
дает стабильные, но неоосбо высокие результаты. Приятной особенностью является
возможность использовать его для модуляции неодимового лазера, для которого
насыщающиеся поглотители труднодоступны. Модулятор пригоден для лазеров с
невысоким усилением, что подтверждается работоспособностью в рубиновом лазере.
Наибольшие затруднения может вызвать вопрос, где раздобыть подходящие линзы.
Однако это решаемо. В крайнем случае - путем покупки и разборки пары старых
фотоаппаратов. Неплохая конструкция для самодельщика, но звезд с небес не
хватает.
5. Модуляция добротности на восстановленном полном внутреннем отражении.
В работе [4] описана другая конструкция пассивного оптического затвора для
модуляции добротности лазеров. Основана она на эффекте восстановленного
полного внутреннего отражения (ВПВО). В резонатор устанавливается призма
полного внутреннего отражения, отражающая грань которой вводится в контакт
с жидкостью, хорошо поглощающей лазерное излучение. Призма ставится так, что
на границе стекло-жидкость полное внутреннее отражение не достигается. Однако
при возникновении в резонаторе начальной генерации жидкость вскипает и полное
внутреннее отражение восстанавливается. При этом коэффициент отражения от
рабочей грани призмы сильно возрастает и имеет место модуляция добротности
резонатора (я намеренно примитивизирую процесс для упрощения понимания, в [4]
описан гораздо более сложный цикл работы этого затвора с учетом изменения
показателя преломления при прогреве и релаксации плотности жидкости
акустическими волнами). Предложенная в [4] схема затвора показана на рис 5.1.
Рис 5.1. Cхема модулятора добротности на восстановленном полном
внутреннем отражении. 1- выходное зеркало, 2 - осветитель с лампой и
лазерным стержнем, 3 - кювета, 4 - рабочая жидкость, 5 - заднее зеркало,
6 - призма
Даже из беглого рассмотрения рисунка 5.1 видно, что ожидаются большие
трудности с юстировкой. Дело в том, что когда призма поставлена под таким углом
к оси резонатора, что полное внутреннее отражение на границе стекло-жидксость
существует, очевидно, нет модуляции добротности. Когда угол установки призмы
к оси резонатора выбран таким, что полного внутреннего отражения нет, резонатор имеет чрезмерные потери. Даже если коэффициент отражения выходного
зеркала близок к 100%, для компенсации этих потерь усиление в лазерном стержне
должно быть порядка 1/ro на проход, где ro - коэффициент отражения на границе стекло-жидкость. Вдали от критического угла падения ro довольно мал и можно
ожидать значений ro~1..5%, что соответствует усилениям в 20..100 на проход.
Достигнуть таких величин усиления непросто даже с использованием кристалла
YAG:Nd, не говоря уже о рубине или стекле с неодимом.
В оригинальной работе авторы предлагают решать эту проблему с помощью
установки призмы под углом к оптической оси резонатора, близким к критическому.
При этом ro имеет заметно большие, чем вдали от критического угла, значения,
а также сильно зависит от угла (меняется от единиц процентов до 100% за доли
градуса). Вот на этой точке крайне неустойчивого равновесия и предлагается
балансировать, обеспечивая с одной стороны отсутствие полного внутреннего
отражения, а с другой стороны сравнительно высокий начальный коэффициент
отражения, чтобы в лазере могла развиться стартовая генерация. С точностью
до единиц угловых минут в такое положение должна быть выставлена призма, да
еще и заднее зеркало должно быть приюстировано так, чтобы правильно возвращать
изломанный отраженнием луч. Положение усугубляется еще и тем, что юстировка
по лучу видимого лазера не даст понимания насколько близко призма установлена
к критическому углу, поскольку он будет различен для видимого и инфракрасного
лучей вследствие дисперсии показателя преломления.
Для того, чтобы избежать подобных трудностей были сделаны попытки запустить
ВПВО затвор по схемам, показанным на рис 5.2.
Рис 5.2. Варианты схемы модуляторов добротности на восстановленном полном
внутреннем отражении. 1- выходное зеркало, 2 - осветитель с лампой и
лазерным стержнем, 3 - призма, 4 - кювета, 5 - рабочая жидкость,
6 - вспомогательное полупрозрачное зеркало.
Рис 5.3. Рубиновый лазер с установленным призменным ВПВО затвором.
Следует сразу оговориться, что из испытанных поглощающих жидкостей
(разнообразные черные и синие краски и красители в различных растворителях, а
также насыщенный раствор медного купороса в воде) ни одна не продемонстрировала
должного поглощения на длине волны 1064 нм (желательно - вдвое на толщине
10 мкм; плохо но приемлемо - вдвое на толщине 0.1 мм). Поэтому ВПВО затвор
по схемам 5.2а-5.2с испытывался, в основном, на рубиновом лазере.
Схема на рис 5.2a была тестовой. Как и ожидалось, ни рубиновый, ни даже
неодимовый лазер попросту не достигают порога с такой схемой резонатора.
Естественно, что когда генерации нет, ни о какой модуляции добротности и
говорить не приходится.
Для получения стартовой генерации в резонатор было добавлено дополнительное
полупрозрачное зеркало (6 на рис 5.2), которое состояло из двух
плоскопараллельных стеклянных пластинок для неодимового лазера и трех таких
же пластинок для рубинового лазера. При таком коэффициенте отражения лазеры
находились близко к порогу генерации. Несколько неожиданным оказалось то,
что несмотря на наличие затравочной генерации, модуляции добротности по
получившейся схеме (рис 5.2b) не происходило. Вскипания жидкости, судя по
всему, тоже. По крайней мере жидкость во время импульса генерации оставалась
спокойной. Вероятно энергии излучения затравочной генерации не хватало для
достаточного подогрева жидкости.
Для увеличения плотности энергии на единицу поверхности жидкости, жидкость
наливалась в кювету слоем до ребра призмы или чуть меньше (рис 5.2c). По такой
схеме в рубиновом лазере наблюдалась четко выраженная модуляция добротности.
Однако затвор оказался одноразового действия - после каждого импульса верхнюю
грань призмы забрасывало каплями раствора и для получения нового импульса ее
приходилось очищать. В качестве рабочей жидкости использовались чернила из
черного маркера SCHNEIDER, разбавленные 1:1 ацетоном.
В аналогичных условиях в неодимовом лазере модуляции добротности не было.
Как выяснилось это связано с недостаточным поглощением в растворе. - Чем меньше
поглощение, тем более толстый слой жидкости подвергается прогреву, и тем больше
энергии необходимо затратить на его подогрев до нужной температуры.
Для увеличения энергии стартовой генерации коэффициент отражения
внутрирезонаторного полупрозрачного зеркала был увеличен. И для неодимового и
для рубинового лазера было добавлено еще по одной стеклянной пластинке.
В результате в неодимовом лазере модуляция добротности так и не появилась, а
в рубиновом - напрочь исчезла. Т.е. при слишком большом отражении от
дополнительного зеркала эффект модуляции срывается.
Несмотря на то, что разлет брызг раствора создает пугающее впечатление, за
несколько десятков импульсов на поверхности призмы не появилось видимых глазом
повреждений.
Были выполнены пуски и по авторской схеме (см фотки выше). Как и ожидалось - юстировка трудна и неказиста. Одной только процедуре выставления призм и зеркал можно целый гайд посвятить. Но не это самое плохое. Хуже то, что резонатор в имеющейся конфигурации мог поддерживать режим модуляции добротности (балансировать на грани срыва полного внутреннего отражения) самое большее 15 минут. Потом все приходилось перенастраивать. Тем не менее по качеству выходного импульса результаты тут были самыми лучшими.
ВЫВОД: ВПВО затвор вполне работоспособен, но в своей исходной конструкции
весьма критичен к юстировке, а в модифицированной - требует использования
легкокипящих жидкостей с высоким поглощением на рабочей длине волны. Потери
энергии велики (оценки дают ~500 мДж/кв.см. даже для растворов на основе
ацетона) но даже при этом выходная энергия лазера превышает полученную при
использовании затвора на основе самофокусировки (в рубиновом лазере).
6. Бриллиантовая зелень как модулятор добротности рубинового лазера.
В книге [5] отмечено, что при возбуждении излучением рубинового лазера была
получена генерация такого известного красителя как Бриллиантовая Зелень. Причем
длина волны генерации (755 нм) очень близка к длине волны генерации
фталоцианина хлористого алюминия (759 нм) - красителя, широко используемого в
качестве пассивного лазерного затвора для рубиновых лазеров.
Лазер на красителе с такой длиной волны мало интересен самодельщику, а вот
возможность создания модулятора добротности для рубинового лазера весьма
интригует. Тем более, что этот краситель весьма распространен и легко доступен
в качестве медицинского обеззараживающего средства (см. рис. 6.1).
Рис. 6.1. Известная с детства "зеленка" - 1%-ный раствор бриллиантового
зеленого в этиловом спирте - как выяснилось вполне способна работать в качестве
насыщающегося поглотителя в рубиновом лазере.
Кювета с зеленкой была поставлена в резонатор рубинового лазера и, после
подбора концентрации, результат не заставил себя долго ждать - выгорело заднее
зеркало резонатора. В качестве кюветы использовалась коммерческая стеклянная
поскопараллельная кювета от спектрофотометра. Раствор красителя использовался
на основе изопропанола - в изопропанол микрокаплями добавлялся медицинский
(1%-ный) раствор бриллиантовой зелени до срыва генерации рубинового лазера. Затем полученный раствор разбавлялся в два раза чистым изопропанолом.
Надо сказать, что тесты с растворами бриллиантового зеленого в воде, ацетоне,
этиловом спирте и глицерине выраженной модуляции добротности не показали.
Изопропанол в этом смысле несколько уникален. Фотография лазера с кюветой
красителя приведена на рис 6.2. На рис 6.3 приведены осциллограммы импульсов.
На рис 6.4. приведены фотографии пятен на засвеченной фотопленке.
Рис 6.2. Фото рубинового лазера с установленной в резонаторе кюветой с
раствором бриллиантовой зелени.
 
Рис 6.3. Осциллограммы импульсов рубинового лазера.
a) - свободная генерация,
b) - модуляция добротности кюветой с зеленкой,
c) - один импульс из цуга.
Рис 6.4. Фотографии отпечатков лазерного луча на непроявленной фотопленке.
Свободная генерация рубинового лазера может засвечивать фотопленку, в
особенности если она чувствительна в красной области, но обычно требуемая
интенсивность вызывает еще и проплав фотоэмульсии. Тут - чистые пятна
потемнения без следов проплава.
Из сравнения осциллограмм свободной генерации и генерации лазера с затвором
видно, что количество пичков резко снижается, а интенсивность в каждом из них
растет. Количество импульсов тем ниже, чем выше концентрация красителя. Однако,
видимо, ненасыщенное поглощение бриллиантовой зелени также велико, и с ростом
концентрации красителя резко падает и выходная энергия. В частности это привело
к тому, что в данном лазере получить без срыва генерации менее десяти пичков
в одной вспышке не получилось.
В итоге была повреждена поверхность торцов лазерного стержня
(предназначеенного, вообще говоря для лазера с модулированной добротностью, т.е.
светопрочного). Фото поврежденной поверхности показано на рис 6.5.
Рис 6.5. Оптические повреждения торцов рубинового стержня после работы с
раствором бриллиантового зеленого в резонаторе.
Дополнение, июнь 2020
Внезапно оказалось, что краситель, известный как "метиленовый синий" вполне доступен для самодельщика. Как выяснилось искать надо в "зоотоварах" в отделе для аквариумистов. Там он продается в виде средства для обеззараживания аквариумов. В том виде, в котором он достался мне, это был раствор 300 мг метиленового синего в 50 мл воды.
Спектр поглощения этого красителя почти идеально совпадает с линией излучения рубинового лазера.
На тот момент я был далек от того, чтобы заниматься рубином, но попробовать метиленову синь в качестве затвора очень хотелось. Результат обещал быть интересным. Пришлось раскопать старый добрый рубиновый лазер и слегка отреставрировать. Модификации ничего существенного не затронули. Это все тот же квантрон от MS-60 в самодельном резонаторе. Родная его лампа давно израсходовалась, так что сейчас на ее месте эксплуатируется отечественная ИСП-2500. Заднее зеркало заменено на призму полного внутреннего отражения, поскольку зеркала от DVD в лазерах с модуляцией добротности медленно но верно выгорают. Заодно был несколько отреставрирован блок питания лазера. Схема, в целом, осталась прежней, только последовательно с лампой со стороны анода (плюсового электрода) добавлен дроссель, свернутый из 15 метров осветительного провода (медь, два квадрата) на диаметре 60 мм. Индуктивность дросселя получилась 200 мкГн, сопротивление порядка 0.1 Ома. Дроссель несколько растягивает импульс накачки и позволяет лампе жить дольше. В остальном он ничего полезного не делает. Если Вам не жалко лампу дроссель можете не ставить.
Раствор метиленового синего готовился в два приема. В отдельную баночку наливалось ~5мл чистого растворителя (воды, либо изопропанола, либо чего-нибудь другого). Затем в эту баночку добавлялось две - три капли "аквариумного" раствора метиленовой сини (300 мг в 50 мл воды). Таким образом получался промежуточный раствор.
Затем в кювету от спектрофотометра, имеющую объем 5 мл наливалось около 4 мл чистого растворителя и по каплям добавлялся промежуточный раствор. Обычно хватало трех-пяти капель.
Результаты, в целом таковы:
Растворитель - вода. Выраженной модуляции добротности не обнаружено.
Растворитель - изопропиловый спирт. Модуляция добротности есть, хотя и слабая. Чуть получше, чем с раствора бриллиантовой зелени.
Растворитель - глицерин. Модуляция добротности четко выраженная. Энергия в модулированном импульсе 20-50% от энергии свободной генерации. Однако, по осциллографу импульс с таким модулятором выглядит, как пачка из 20-50 импульсов с общей длительностью полторы микросекунды. Соответственно и "спецэффектов" тоже нет. Не удается получить искру в воздухе, не удается пробить неорганическое стекло в фокусе линзы и т.п. Глицерин для опытов брался медицинский. Использовался в аптечно-продажном состоянии. Никаких дополнительных осушек и очисток.
Растворитель - диметилсульфоксид. Не пугайтесь, это обычный аптечный "димексид" безо всяких дополнительных очисток и обработок. Модуляция добротности мощная. Легко добиться однократного импульса. При трех импульсах на осциллограмме суммарная под 30% от энергии свободной генерации.
"Спецэффекты" уже есть. До свободной искры в воздухе все еще не хватает, зато сфокусированным излучением уже бьет стекло. Повреждения примерно такие же, как от неодимового лазера с затвором на самофокусировке. Факел от луча на бумаге (и других предметах) приобрел характерный "электрический" цвет. Иногда удается наблюдать искру "дыму".
Было, однако, замечено, что от импульса к импульсу все сдувается: энергия в модулированном импульсе падает, а в фоновой свободной генерации растет. причем происходит это уже на второй-третий импульс. Тогда в кювету была добавлена капля уксусной эссенции (70%-ный раствор уксусной кислоты в воде). Качество модуляции не ухудшилось, зато появилась стабильность. Вот пятна на непроявленной фотопленке:
Все пятна получены "к ряду", т.е. пауза только на заряд накопительной емкости (12 сек). Шесть импульсов подряд - ограничивается перегревом балластных резисторов в блоке питания. После добавления уксуса в кювету затвор стал выдерживать как минимум три таких
серии.
ВЫВОДЫ: Насыщающиеся поглотители в виде раствора бриллиатнового зеленого в
изопропиловом спирте и раствора метиленовой сини в диметилсульфоксиде вполне способны вызывать модуляцию добротности рубинового
лазера. Для бриллиантового зеленого энергия, однако, поменьше, чем для модулятора на основе
самофокусировки. Возможно это связано с не самым удачным выбором растворителя или кислотности раствора. С другой стороны метиленовый синий дает результаты едва ли не лучше, чем затвор на основе восстановленного полного внутреннего отражения. Доступность материалов и простота конструкции
могут сделать эти затворы привлекательными. Причем если их использовать в схеме "MOPA"
(генератор с последующими усилительными каскадами), то нестрашно, если Ваш генератор выдает серию импульсов вместо одного. В любом случае в последующих усилителях
первый пик усилится и снимет энергию с усилителей, а последующие пики будут
подавлены.
7. Безопасность.
Твердотельные лазеры с модулированной добротностью очень опасны. Фактически
даже лучом, отраженным от какой-нибудь случайной стеклянной пластинки (всего
4% от полной энергии!) они способны нанести непоправимый ущерб зрению на
расстояниях в десятки метров!
Будьте предельно осторожны! Обязательно обзаведитесь защитными очками и
используйте их! Помните правило "циничного лазерщика": если приспичило
наблюдать действие лазерного излучения своими глазами - делайте это одним
глазом. Бойцы священных войн за безопасность раскритикуют это в пух и прах.
И с ними трудно не согласиться - лучше вообще не смотреть, спрятать луч за
бетонную стенку и закопать под землю. Но подумайте вот о чем: если несмотря
на все предупреждения кому-то все-таки приспичит посмотреть своими глазами
на лазерную искру или на действие лазерного луча, то, в случае катастрофы,
это позволит ему остаться одноглазым а не слепым.
Если пользуетесь правилом "циничного лазерщика", определитесь, какой глаз
у Вас будет в "группе риска" и всегда используйте только его. От малых
повреждений зрение имеет свойство деградировать постепенно. И лучше иметь
хотя бы один полностью зрячий глаз, чем два полузрячих.
И, наконец, НИКОГДА НЕ ЗАГЛЯДЫВАЙТЕ В ЛАЗЕРНЫЙ ПУЧОК! Ни в защитных очках,
ни, тем более, без них. При большой влетевшей в глаз энергии возможна потеря
зрения НА ОБА ГЛАЗА даже если поврежден был только один. Такие случаи известны.
- Н.И. Коротеев, И.Л. Шумай. Физика мощного лазерного излучения.
М., Наука, 1991, 312с. ISBN 5-02-014474-6
- В.М. Костюковб Н.Т. Максимова, З.И. Мыреева. Модуляция добротности
резонатора ИАГ:Nd лазера при самофокусировке в воде. Труды IV
всероссийской школы-семинара "Люминисценция и сопутствующие явления".
Иркутск 1998. Под ред. проф. Е.Ф. Мартынова изд-во Иркутского у-та
1999. - 290 с.
- В.И. Безродный, Ф.И. Ибрагимов, В.И. Кисленко и др. О механизме
модуляции добротности лазера посредством внутрирезонаторного
вынужденного рассеяния. Квантовая Электроника, 7, №3 (1980)
стр 664-666.
- А.Н. Рубинов, И.М. Корда, Е.А. Зенкевич. Динамика лазера с нелинейным
затвором на полном внутреннем отражении. Кваннтовая Электроника, 32
№4 (2002) с 319-323.
- Лазеры на красителях. под ред Ф.П. Шефера. М., Мир, 1976, 329 с.
<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА |
