Если сделать в гугле запрос «самодельный лазер», то именно азотный всплывает первым, со множеством примеров конструкций:
Рассмотрим принцип его работы и конструкцию подробнее.
Азотный лазер – типичный представитель молекулярных газовых лазеров, который работает на электронных переходах в молекуле азота. Его главное свойство – это интенсивная генерация в ультрафиолетовом диапазоне, с основной длиной волны равной 337.1 нм. Свойства азота как рабочей среды делают генерацию возможной только в импульсном режиме, поскольку переходы являются самоограниченными, т.е. длительность существования инверсии населённости на таких переходах ограничена накоплением частиц на нижнем уровне; она не больше времени жизни частиц на верхнем рабочем уровне. Время жизни верхнего уровня у азота порядка 40 наносекунд, поэтому излучаемый лазерный импульс тоже очень короткий, порядка единиц-десятков наносекунд. Это накладывает специфические требования к электрическому импульсу возбуждения – он также должен быть коротким с крутым фронтом, чтобы успеть перевести большое количество молекул в возбужденное состояние за время жизни верхнего уровня.
При этом, у азота, как активной среды, очень высокий коэффициент усиления, настолько высокий, что не нужны зеркала – он вполне может работать в режиме сверхсветимости, когда усиление излучения происходит за один проход. А ещё, он может работать в широком интервале давлений вплоть до атмосферного. И, как выяснилось, кислород воздуха не мешает, хотя и снижает максимально достижимую мощность генерации. Таким образом, для самодельщика вырисовывается довольно привлекательная картина: рабочая среда предельно доступна, возня с вакуумом и газами не нужна, дефицитные материалы не нужны. Даже зеркала оптического резонатора не нужны. Нужно только немного повозиться с высоким напряжением. Рассмотрим подробнее устройство азотного лазера, который предлагается для самостоятельного изготовления.
Исходя из требования к импульсу возбуждения, как правило, вырисовывается схема накачки лазера основанная на генераторе Блюмляйна, который состоит из двух плоских конденсаторов, которые можно сформировать из нескольких слоев алюминиевой или медной фольги и диэлектрической пленки. Коммутатором в этом устройстве служит простейший искровой разрядник из двух винтов с закругленными головками. Казалось бы, где же сам лазер? А процесс генерации лазерного излучения происходит практически незаметно – в зазоре между двух металлических линеек, в котором горит импульсный разряд. Линейки укреплены на противоположных краях плоских конденсаторов С1 и С2. Разряд горит поперек оси линеек, а лазерное излучение выходит вдоль, соответственно получается газовый лазер с поперечным разрядом. Чтобы не загорался разряд в момент зарядки конденсаторов – параллельно лазерному зазору включен небольшой дроссель, который закорачивает зазор по постоянному току. Стоит подать высокое (порядка 10-15 кВ) напряжение как показано на схеме – и лазер заработает. В качестве источника ВН подходит любое подходящее средство – электрошокер, блок питания от ионизатора воздуха, электрофорная машина, источник ВН от ЭЛТ-телевизора или монитора. Поскольку он работает без зеркал, то излучение выходит с обоих концов линеек. Так как он излучает в ультрафиолете – это позволяет хорошо познакомиться с люминесценцией различных предметов и материалов. А ещё такой лазер довольно удобен для накачки лазера на красителях – просто добавь
По этой же причине, а также, поскольку энергия импульса очень мала (десятки микроджоулей), то его излучение сравнительно безопасно для глаз, так как поглощается роговицей и не достигает сетчатки. Хотя, смотреть прямо в луч все равно не следует – ультрафиолетовые ожоги роговицы вещь довольно неприятная.
Таким образом, эта схема делает «порог вхождения» в мир лазерной техники очень низким, такой лазер был построен бесчисленным количеством людей.
Есть конструкции пострашнее. Зелёное пятно на первой фотографии – люминесценция «мишени» для излучения.
Есть более обстоятельные и аккуратные, как например эта.
Да такой лазер можно собрать вообще меньше чем за 2 минуты! Если конечно все исходные материалы подготовлены, а конструкция отработана, т.е. рука уже набита.
Доступность и простота конструкции такого лазера позволяет экономить немало средств в западных университетских лабораториях, если к нему не предъявляют особых требований по выходным параметрам.
Тем не менее, для гарантии успешной работы такого лазера есть несколько нюансов, которые нужно соблюдать. Самый главный из них в том, что края линеек-электродов должны быть максимально гладкими и иметь скругленные края, чтобы у разряда не было возможности собраться в одну искру, загоревшуюся с какого-то острия. Второй – правильный выбор изоляционной плёнки для плоских конденсаторов, чтобы получалась максимально возможная емкость при максимально возможной электропрочности. Третий – правильный выбор зазора между электродами, который должен быть выдержан точно по всей длине и быть не большим 2-3 мм. Именно тогда через лазерный разряд будет получен максимально короткий фронт тока. Допуски по последним двум нюансам можно облегчить, если снизить давление рабочего газа до 100-200 мм рт. ст., и если подать чистый азот вместо воздуха, но это автоматически означает появление пусть и примитивной, но вакуумной системы, и заключение электродов в мало-мальски герметичный объем. В такой конфигурации расстояние между электродами можно увеличить, а требования к крутизне фронта тока несколько снижаются – плоские конденсаторы можно заменить компактными керамическими. Но такая конструкция тоже имеет право на существование.
К примеру, самодельные лазеры с продувкой азота от Джаррода Кинси.
Здесь из-за обилия разных предметов на его столе сам лазер рассмотреть довольно сложно.
Азотный лазер поперечного разряда с пониженным давлением, где плоские конденсаторы заменены керамическими. Конструкция Томаса Раппа.
Если кого интересует очень тщательное и подробное руководство по постройке такого лазера с описанием всех неочевидных нюансов, то стоит заглянуть опять на сайт Yun’a Sothory.
А еще есть довольно популярная легенда, что лазерный эффект при искровом разряде в протяженных воздушных промежутках мог быть обнаружен задолго до открытия принципов работы лазера как такового, в те времена когда только начинали осваивать электричество. Но это красивый фейк, как например вот этот рисунок. Что не отменяет правдивость его содержания.
Статья с описанием «лазера викторианских времен» находится здесь.
Теперь рассмотрим, какие в принципе бывают конструкции серийно выпускаемых азотных лазеров. На Западе абсолютно все встреченные мной азотные лазеры имеют поперечный разряд с накачкой от генератора Блюмляйна. Всё как в описанном самодельном лазере, только там добавлены удобные средства управления лазером, более продвинутые источники питания, вместо простейшего искрового разрядника – импульсный водородный тиратрон или управляемый искровой разрядник высокого давления, вместо больших плоских конденсаторов из пленки и фольги – много мелких керамических, а электроды между которыми происходит разряд расположены в закрытом объеме, в котором можно регулировать давление и вообще заправлять любой другой газ. Но принцип остается неизменным. У такой схемы есть следующие преимущества:
- Простота. Как сказано выше, во многих случаях вполне применима даже конструкция самодельного простейшего азотного лазера работающего на атмосферном воздухе, даже при вполне серьезной научной работе в лаборатории.
- Достаточно серьезная выходная энергия импульса – десятки миллиджоулей у крупных установок.
- Очень малая длительность импульса, в ряде случаев составляющая сотни пикосекунд.
- Сочетание предыдущих двух факторов позволяет достигнуть огромных импульсных мощностей – десятки-сотни мегаватт.
Вместе с этим есть и некоторые недостатки:
- Отвратительное качество пучка. Луч не круглый а продолговатой формы, с неравномерной интенсивностью по сечению. В ряде случаев это не критично, когда, к примеру, нужно накачивать лазер на красителях.
- Ограниченная частота повторения импульсов, обычно не более нескольких десятков Гц.
- Нестабильность энергии от импульса к импульсу.
- Некоторые конструкции требуют периодического обслуживания – смены рабочего газа, поддержания его давления, периодической чистки и полировки электродов.
Все упомянутые преимущества и недостатки полностью относятся и к самодельному азотному лазеру.
Посмотрим как выглядят азотные лазеры западных производителей и сравним их конструкцию с простейшей самодельной.
Малогабаритный азотный лазер фирмы Spectra-Physics и его лазерная камера с обвязкой. Эт лазер поперечного разряда с пониженным давлением.
Вместо плоских конденсаторов тут керамические, сверху – управляемый искровой разрядник. Лазерная камера заполнена азотом и запаяна.
Мощный азотный лазер, работающий на неосновном переходе в синей области спектра. Видно множество мелких керамических конденсаторов и блокирующий дроссель между электродами. Для получения генерации на иных длинах волн кроме 337.1 нм требуется добавка гелия к азоту.
Самая первая лазерная камера с поперечным разрядом, которая была сделана в 1973 году.
Лазерная установка фирмы Molectron.
Внутренности мощного лазера с поперечным разрядом, который при замене газовой смеси и оптики может работать как СО2 лазер или как эксимерный лазер.
Внешний вид электродов промышленно выпускаемого лазера с поперечным разрядом.
Лазерная камера для пикосекундных длительностей импульса.
Теперь, после всего сказанного выше, ко мне возникнет вполне резонный вопрос, не пробовал ли я повторять эту конструкцию. На самом деле, нет, не пробовал. На это были объективные причины. Если кратко – то мне нравится совершенно иной тип азотного лазера – лазер не поперечного, а продольного разряда! Но об этом в следующей части.
Использованные источники:
1. www.jarrodkinsey.org
2. www.rapp-instruments.de
3. www.spakbangbuzz.com
4. www.jonsinger.org
5. www.swissrocketman.fr
6. www.mylaser.ucoz.ru
7. www.laserkids.sourceforge.net
8. www.technology.niagarac.on.ca
Надеюсь, никого не забыл.
Комментарии (28)
jar_ohty
08.12.2018 17:47Насчет безопасности азотного лазера — тут не все так однозначно. Все-таки некоторая доля лазерного излучения до сетчатки доходит — во всяком случае, ее достаточно, чтобы его увидеть. Я, когда имел дело с азотным лазером, отчетливо видел его излучение, когда случайно получал бликом в глаз от стекол, люминесценцию которых в нем смотрел. Меня еще тогда удивило, что видимость излучения 337 нм не равна нулю.
Конечно, да — энергия измеряется микроджоулями. О тепловом действии на сетчатку (с учетом ослабления средами глаза) тут речи не идет. Но помним, что мощность в импульсе при всем при этом чудовищна? И что это УФ излучение, причем достаточно жесткое, чтобы оказать физиологическое действие.Laserbuilder Автор
08.12.2018 19:06Я не уверен, что то что мы видим (и я в том числе) в виде бликов от азотного лазера это именно восприятие сетчаткой. Более вероятно, что это люминесценция самих внутриглазных сред. В темноте ещё можно заметить свечение пылинок по пути луча в воздухе. Но это касается почти всех видов лазеров, даже инфракрасных при большой мощности.
jar_ohty
08.12.2018 19:16Не, люминесценция не образует изображения на сетчатке. Свечение внутренней среды глаза видно, как равномерный голубой туман. А я видел ясный, хоть и заметно расфокусированный, фиолетовый блик.
DistortNeo
09.12.2018 01:37+1Так вот же сегодня даже про это публикация была:
habr.com/post/432064
Да, часть излучения достигает сетчатки.
И да, колбочки имеют ненулевую чувствительность к ультрафиолетовому излучению.KonkovVladimir
09.12.2018 09:05Основная поясняющая картинка
Если монохроматором светить в глаз, то на 370-380нм вы увидите очень насыщенный фиолетовый цвет без примесей синего на выходной щели. На <360нм вы уже не увидите источника света, но возникнет ощущение «равномерного голубого тумана» возникающего как бы внутри глаза. На его фоне вы все еще продолжаете видеть наиболее яркие окружающие предметы.
<340нм не проверял.
da-nie
09.12.2018 09:55Но помним, что мощность в импульсе
Там свехлюминесценция, поэтому импульс не должен быть коротким. Вот если поставить резонатор, тогда да.jar_ohty
09.12.2018 18:14Он там не может быть длинным. Время жизни верхнего уровня в чистом азоте при пониженном давлении — около 40 нс, а на воздухе — вообще единицы наносекунд.
da-nie
09.12.2018 18:22Так минимальная длина импульса не ограничивается временем жизни уровня. Это излучение уже будет вынужденное, и поставив резонатор начнётся очень быстрый съём энергии с уменьшением длительности импульса. А с модулятором добротности импульс ещё больше уменьшится.
pae174
08.12.2018 19:17+1Развлекался этим в молодости в 80х. Всё получилось. Основная проблема была не как все это построить и запустить, а как включить лазер незаметно для
санитаровокружающих. Там искры во все стороны и треск стоял такой, как будто у нас короткое замыкание во всей проводке сразу и квартира сейчас сгорит на фиг. Ну и запахи весьма специфические. Кроме того с воздушным лазером там получилось не очень и мы начали добывать азот из разных странных веществ, некоторые из которых были токсичными. Люди при этом не пострадали, только соседские коты (но они сами виноваты — не фиг было лизать неизвестные порошки).
Я так думаю, что попытка повторить это в современной России сразу привела бы к знакомству со всякими там антитеррорестическими спецслужбами и центрами Э, которые понабижали бы по наводке соседей :-)
nomadmoon
09.12.2018 05:03А насколько имеет смысл для увеличения мощности его масштабировать в длину? Скажем километровой длины такой лазер будет вундервафлей?
Laserbuilder Автор
09.12.2018 11:13+1Масштабируется он до длины где-то в пару метров. Дальше выходная энергия остается постоянной, так как за время импульса свет успевает пробежать всего пару метров, и при расстоянии большем чем эта пара метров он не будет успевать снимать накопленную энергию накачки.
jar_ohty
09.12.2018 18:16А если организовать накачку бегущей волной? Чтобы по ходу распространения света шла и волна возбуждения?
pronvit
09.12.2018 10:04Как по мне, импульсный лазер невидимого диапазона — не самая интересная штука.
AquiHostStrider
09.12.2018 16:06Наоборот: невидимый диапазон — это не баг, а фича. Но очень шумная и недальнобойная установка действительно не особо интересна. А вот добить хотя бы до полукилометра и попробовать двумя лазерами пообщаться морзянкой в полевых условиях было бы прикольно.
batman12345
10.12.2018 09:56Каково применение в практических целях? Хотелось бы резать фанеру на ЧПУ
Gryphon88
10.12.2018 15:40Дешевле и спокойнее купить. КПД, сертификация, гарантия, цена владения… Кстати, чтобы резать фанеру, Вам понадобятся гальванозеркала, которые уж точно лучше купить.
Laserbuilder Автор
10.12.2018 19:17В данном случае никакого применения. Обычно это делается или как научный проект в институте или просто из любви к искусству.
KonkovVladimir
Газодинамический не пробовали делать?
Laserbuilder Автор
Нет, но думаю, всё ещё впереди.
da-nie
Гораздо интереснее лазер на свободных электронах. :)
isden
Ну еще скажите с ядерной накачкой O_o
da-nie
Нет, с ядерной не надо. А вот смотрите — тут уже кто-то запускал электронный микроскоп. Значит, технологии работы с пучком электронов и получение глубокого вакуума дома в принципе есть. Осталось собрать ондулятор и по сути лазер готов.
А для газодинамического лазера потребуется практически реактивный двигатель.
ianzag
> А для газодинамического лазера потребуется практически реактивный двигатель.
И тут на сцену выходит товарищ Негода. Стартуем! :)
isden
Я больше намекал на некоторую опасность самого процесса генерации на свободных электронах. Там все очень точно и аккуратно нужно, иначе можно засветить, например, рентгеном во все места.
da-nie
Но с другой стороны, там генерация, обычно, от жёсткого УФ до мягкого рентгена (делают, правда, иногда и жёсткий). Мягкий же рентген относительно безопасен — он даже через бумагу не проходит.