Лазер на кислороде
Очень интересен лазер, работающий на трехкратно ионизированной молекуле кислорода. Помимо нескольких УФ-лазерных линий имеется сильный лазерный переход в желто-зеленой области спектра (559 нм). Эта линия выделяется сильным коэффициентом усиления в импульсном режиме работы лазера. В публикациях имеется сообщение о получении коэффициента усиления 4,6%/см в относительно короткой трубке (15 см). Зеркала аргонового лазера можно использовать и в лазере на кислороде, и даже зеркала He-Ne лазера имеют коэффициент отражения 50% на волне 559 нм. К тому же лазер на кислороде в отличие от других ионных лазерах работает в широком диапазоне давлений от 0,01 до 0,1 мБар. Необходимые для работы импульсы длительностью в сотни наносекунд и импульсы тока в сотни и тысячи ампер легко получить разрядом конденсатора. В общем-то, ионный лазер на кислороде многообещающий кандидат для самоделки, способный работать даже на обычном воздухе. К сожалению, первая попытка запустить лазер с трубкой длиной 30 см и внутренним диаметром 8 мм была неудачной.
В качестве зеркал использовались плоская пластинка с алюминиевым покрытием и плоское диэлектрическое выходное зеркало, имеющее коэффициент отражения 80÷90%. Лазер накачивался разрядом банка конденсаторов 3 х 2,7 нФ при зарядном напряжении 13÷20 кВ. Давление кислорода составляло 0,02÷0,1 мБар. При таких параметрах лазер должен был возбуждаться без проблем, но, к сожалению, не было и намека на лазерную генерацию. Возможно, настройка резонатора была слишком грубой, а потери в плоскопараллельном резонаторе велики. Дифракционные потери в плоскопараллельном резонаторе приближенно рассчитываются по формуле:
Здесь I - расстояние между зеркалами
а - радиус зеркала
l - длина волны света.
При I= 500 мм, а= 4 мм, l = 559 нм дифракционные потери составят около 1,7%. Однако это значение верно для идеально параллельных зеркал. Более драматичней ситуация с потерями будет в плохо настроенном резонаторе.
Для плоскопараллельного резонатора верна и другая формула:
Здесь I и а по-прежнему расстояние между зеркалами и радиус зеркала, а b - угол отклонения от параллельности.
При точности юстировки резонатора 0,1 ° потери в резонаторе составят 23%. Эти потери суммируются с потерями в зеркалах, и общие потери составят, по- крайней мере, около 40%, что, несмотря на высокое усиление, очень много для возбуждения лазерной генерации. Для дальнейших экспериментов следует позаботиться о приобретении подходящего вогнутого зеркала ( радиус кривизны = 50 см), т.к. юстировка конфокального резонатора намного менее критична. Кроме того, как показала осциллограмма, ток в разрядной трубке совершает сильные колебания.
Колебания тока в разрядной трубке.
Это говорит о том, что импеданс разряда не совпадает со схемой разрядной цепи.
Для избежания указанных выше проблем в дальнейших экспериментах была использована переделанная трубка от бывшего в употреблении He-Ne лазера. Купленная за 58 евро трубка лазера длиной около метра, имеющая на торцах окна Брюстера и внешнее зеркало, как нельзя лучше подходила для экспериментов. Исходный легкодоступный вакуумный штуцер трубки лазера был аккуратно спилен пилой с алмазным напылением, и вместо него эпоксидной смолой приклеена медная трубочка диаметром 6 мм. Чтобы избежать трещин в стеклянной трубке лазера от механических напряжений, медная трубочка фиксировалась на лазерной трубке бруском из оргстекла, который закреплялся на корпусе держателя зеркала резонатора. Теперь благодаря этой трубочке лазерная трубка может быть вновь откачена и заполнена газом.
На фото готовая к работе модифицированная трубка He-Ne лазера фирмы Siemens.
Справа от лазера - запорный вентиль вакуумной системы. С левой стороны - накопительная батарея конденсаторов ( каждый имеет 2,7 нФ х 40 кВ ) и импровизированная конструкция разрядника. Проблемой для такой длиной трубки лазера стало надежное возбуждение разряда в трубке, т.к. рабочее давление газа в трубке очень мало ( ~ 0,05 мБар ). Чтобы обойтись зарядным напряжением 25 кВ был использован поджог разряда от дополнительного высоковольтного источника напряжения. Для этих целей вокруг лазерной трубки был намотан провод ( на фото- провод желтого цвета , на который подавался импульс напряжением 10 кВ от катушки зажигания.
На фото - новый вариант крепления вакуумного штуцера лазерной трубки.
После откачки трубки лазера до давления ~0,05 мБар и подачи напряжения на блок питания лазера сразу возникла лазерная генерация на волне 559 нм в кислороде, регистрируемая как точка цвета зеленой травы на экране из бумаги.
Лазерная генерация в кислороде
На рисунке ниже показана схема блока питания лазера.
Однако запуск лазера был не надежным, т.к. лазерная генерация возникала не при каждом поджигающем импульсе. Трубка может заполняться и другими газами, и несмотря на зеркала He-Ne лазера, рассчитанные на волну 632 нм, наблюдалась лазерная генерация на нескольких линиях. Например, при заполнении трубки аргоном была получена лазерная генерация на волне 476 нм, при заполнении трубки ксеноном- оранжевая линия 597 нм и зеленая линия на волне 526 нм. При заполнении трубки воздухом или азотом при давлении около 5 мБар наблюдалась знакомая линия 337 нм УФ-диапазона в молекулярном азоте, хотя условия возбуждения не способствовали возникновению лазерной генерации ( высокое значение собственной индуктивности элементов конструкции и относительно долгий импульс возбуждения ). В противоположность обычному азотному лазеру здесь потребовалось наличие обоих зеркал резонатора, т.к. в режиме ,,сверхизлучения,, лазер не работал. К сожалению, через несколько дней эксплуатации лазера в трубке лазера все труднее было поджечь разряд при низком рабочем давлении газа. Возможно, это связано с разрушением электродов мощными импульсами тока, которые распыляют материал электродов. В конце концов, когда лазерная генерация была возможна лишь на азоте при давлении 5 мБар, лазер был разобран на ,,запчасти,, для других проектов.
|