Самодельный лазер на парах хлорида меди

В одной из статей, посвященных моему лазеру на парах меди, на основе активного элемента УЛ-102 в комментариях был задан вопрос – а что же будет дальше? Дальше оставалось только найти способ сделать самостоятельно активный элемент лазера. И этот способ был найден. Об этом речь пойдет в сегодняшнем посте.


Признаться честно, мысли сделать такой лазер у меня возникли задолго до того, как у меня появились активные элементы УЛ102, ГЛ201 и удалось построить источник питания. О лазерах на парах металлов я читал давно, и мне было давно известно об их свойствах – огромном коэффициенте усиления, самой большой мощности и КПД для видимого излучения, но долгое время они были для меня недосягаемы. Оставалось лишь искать все больше и больше информации о них. И тут я натыкаюсь на сайт Sam’s Laser FAQ, центр, в котором систематизирована всевозможная информация как об обращении с серийно выпускающимися лазерами почти любых видов, так и масса руководств по самостоятельной сборке некоторых из них, которые сопровождаются чертежами и описаниями примеров собранных конструкций. Оттуда я узнал, что вовсе не обязательно использовать металлическую медь для получения генерации на её атомах. Вполне пригодны и её соли, такие как одновалентный хлорид, бромид или же иодид. А температура плавления солей вдвое ниже, чем температура плавления металлической меди. При этом в условиях вакуума уже при температуре плавления соли достаточно интенсивно испаряются, чтобы можно было осуществить возбуждение атома меди в импульсном газовом разряде. Принцип возбуждения активной среды остается таким же, как и для паров металлической меди, но с одним отличием – изначально в разряде нет атомов металлической меди. Чтобы их получить, а потом возбудить – нужно два следующих с малым интервалом электрических импульса малой длительности с крутым фронтом – при первом распадается молекула галогенида меди на атомы меди и галогена, второй импульс, следующий сразу после первого, возбуждает атомы меди.

«Сразу после первого» означает вполне конкретный интервал времени порядка 50-100 микросекунд. Если этот интервал больше – тогда атомы успеют обратно «слепиться» в молекулы и лазерного излучения не будет. Частота же повторения этих пакетов из двух импульсов может быть произвольной. На этом же Sam’s Laser FAQ предлагался следующий чертеж лазера на парах хлорида меди.

Тут предлагается разогревать лазерную трубку до рабочей температуры сторонним источником тепла (спиралью), а электрический разряд питать от простейшего высоковольтного источника, состоящего из трансформатора для неоновой рекламы и двух отдельных выпрямителей, заряжающих два отдельных конденсатора – первый для «диссоциирующего» импульса, второй для «генерационного». А коммутировать конденсаторы на трубку предлагалось вращающимся искровым разрядником, как в катушках Тесла. Расположением контактов и скоростью вращения определялась величина временного интервала между импульсами и частота повторения импульсов. В качестве буферного газа предлагается гелий, а оптического резонатора – плоская алюминированная стеклянная пластинка в качестве глухого зеркала и плоскопараллельное стекло без каких либо покрытий в качестве выходного. В ходе дальнейшего чтения обнаружилась ссылка на первоисточник – книгу Г.Г. Петраша «Лазеры на парах металлов и их галогенидов». В общем и целом описанная конструкция проста и рассчитана на использование сравнительно легкодоступных компонентов. Но меня лично она не устраивала. В первую очередь наличием шумного искрового разрядника и чисто механической сборкой трубки из отдельных деталей. Тогда я решил изучить первоисточник.

Данная книга легко доступна по запросу из гугла на русском языке, на сайте-сборнике трудов ФИАН. Также существует и английский перевод этой книги, который уже находится под тщательным надзором злобных копирастов, вымогающих деньги. Но нам-то он 100 лет не нужен 🙂

В книге-первоисточнике принцип работы лазера описан аналогично, но более подробно, даны подробные сравнения работы с разными буферными газами, даны примеры выполнения лазерных трубок, а ещё дано очень важное замечание – если частота следования импульсов превышает 8-10 кГц, то не нужны пакеты сдвоенных импульсов, такой режим работы называется режимом «регулярных импульсов», когда генерация излучения идет при каждом импульсе возбуждения, так как временной интервал заведомо меньше времени рекомбинации атомов в молекулы. Побочным следствием этого становится саморазогрев трубки (не нужен сторонний источник тепла). В качестве буферного газа наилучшим был признан неон, но указывалась работоспособность лазера с гелием, и даже аргоном. Для «рядового» самодельщика описанное в первоисточнике требует неприемлимых затрат на быстродействующий водородный тиратрон, малоиндуктивные конденсаторы, мощный высоковольтный трансформатор, неон и тому подобные комплектующие. Кроме того, там все варианты трубок предлагалось выполнять путем сварки из кварцевого стекла с впаянными электродами, которыми служили отрезки от импульсных ламп серии ИФП. Но это не было помехой для меня, так как в отличие от ближнегодальнего зарубежья такие детали дешевы и доступны, если поискать. Вот они, отличия плановой и рыночной экономик…

Тогда был уже теперь далёкий 2015 год, и я заказал знакомому стеклодуву изготовление лазерной трубки вот такой схематической конструкции.

Лазерная трубка состоит из корпуса 1 с электродами от импульсных ламп 2. В середине корпуса сделаны отростки 3, предназначенные для рабочего вещества лазера – хлорида или бромида меди. Отростки нужны, чтобы рабочее вещество не перекрывало просвет трубки. К торцам лазерной трубки приварены окна 5 для выхода излучения. Чтобы связывать свободный галоген, который образуется при разряде, полости электродов забиты медной стружкой.

Параллельно идею постройки этого лазера я обсуждал с автором сайта laserkids.sourceforge.net Yun’ом Sothory. Он впоследствии также заинтересовался этим проектом и решил его воплотить по-своему, использовав самый примитивный подход, близкий к описанному на Sam’s Laser FAQ. С его работой можно ознакомиться здесь.

Тем временем стала готова лазерная трубка для моего лазера на хлориде меди, конструкция которой повторяет показанную на рисунке из книги. Внутренний диаметр трубки составляет 12 мм, длина разряда 40 см, трубка содержит 3 отростка и электроды от ламп типа ИФП800. Над каждым из отростков и электродов находятся штенгели для засыпки рабочего вещества, а также для откачки и напуска газа.

Буквально через пару недель, как была сделана эта трубка, в мои руки попадает активный элемент на парах меди УЛ-102. И тогда эта трубка была отложена в очень долгий ящик. В ходе работы с УЛ102 появился уже знакомый Вам источник питания для лазеров на парах меди.

После того, как я получил точно работающий источник питания с заведомо подходящими параметрами, было решено вернуться к самодельной лазерной трубке. После заполнения рабочим веществом и неоном до давления 10 мм рт. ст. Трубка стала выглядеть так. Был использован одновалентный хлорид меди, желтоватый цвет ему придают примеси. На всякий случай на отростки я намотал нихромовую проволоку для подогрева, на случай если он понадобится.

Полости в электродных узлах я забил медной стружкой.

Отросток с хлоридом меди крупным планом.

С самого же начала экспериментов выяснилось, что нихромовая проволока не нужна. Мало того что подогрев не требовался, так ещё и шла очень сильная емкостная утечка на неё. Делать эту трубку отпаянной также было опрометчивым решением – в один момент образовалось много хлора, настолько много, что разряд с трудом поджигался и был нестабильным. Хлор выделялся во внутреннее пространство, а на стенках тем временем оседала медь, как распыленная с электродов, так и та, что образовалась в процессе распада хлорида. Да и потом в какой-то момент трубка треснула от случайного удара. Её пришлось переделывать, в результате чего лишилась одного из отростков и уменьшилась в длине.

В итоге эта трубка стала испытываться в проточном режиме.

С одного штенгеля она откачивалась насосом 3НВР1Д, со второго шло натекание неона через инсулиновую иглу. Давление устанавливалось порядка 10-15 мм рт. ст. В проточном режиме сразу дела пошли лучше – приток свежего газа сразу вытеснял как примеси вылетевшие из хлорида меди, так и его продукты распада. Разряд оставался стабильным. Частоту повторения импульсов я поддерживал на уровне 15 кГц, а среднюю мощность, входящую в разряд на уровне 1-1.2 кВт. Для снижения требуемой мощности и выравнивания температурного поля рабочая область трубки теплоизолировалась керамической ватой.

Трубка во время разогрева.

По мере разогрева цвет разряда меняется с неоново-оранжевого на целую гамму цветов, в которой видно и свечение неона, и голубой и зеленоватый цвета.

Вскоре после этого началась генерация в режиме сверхсветимости. Я забыл упомянуть, что в этих экспериментах я не использовал никакого оптического резонатора.

По мере дальнейшего прогрева мощность увеличивалась, и стал виден собственно, лазерный пучок. По началу, луч выходил с обоих концов трубки, но окно со стороны штенгеля откачки газа стало быстро запыляться сконденсировавшимся хлоридом меди и прочей грязью, что привело к полной непрозрачности окна. Окно же со стороны напуска газа оставалось чистым.

Для удобства фотографирования отражал пучок зеркалом в сторону.

После выключения разряда кварцевая трубка вместе с теплоизоляцией были явно раскалены докрасна. Это свидетельствует о том, что оптимальная температура составила не менее 700 градусов.

Выходную мощность оценить было трудно, так как она не была постоянной, а зависела от подбора электрического режима. С перегревом мощность сначала уменьшалась, а потом и вовсе генерация пропадала. Но в максимуме я бы оценил мощность не меньше чем в 100-200 мВт по своим субъективным ощущениям, это при том, что отсутствует оптический резонатор. Прибора для измерения мощности, к сожалению, в наличии нет. Для сравнения, достигнутая Yun’oм Sothory мощность излучения на 2 порядка меньше – 2 мВт, не смотря на достаточно приличную энергию импульса. А всё дело в частоте повторения. Впрочем, и мою конструкцию ещё есть куда совершенствовать – нужно переходить к большим объемам активной среды и оптическому резонатору, тогда и несколько Ватт не предел. Но уже как-нибудь потом.

Использованные источники:

  • Г. Г. Петраш Лазеры на парах металлов и их галогенидов. Труды ФИАН, т. 181, 1987
  • www.repairfaq.org/sam/laserccb.htm#ccbtoc
  • Оставить комментарий