Лазер на красителе. Вариант 2.

Этот лазер вместо камеры накачки использует одну коаксиальную лампу-вспышку. На таких лампах в 1966 году впервые был запущен лазер на красителе с ламповой накачкой одновременно Сорокиным в США и Шефером в Германии. Изготовить коаксиальную лампу-вспышку не так уж сложно, к тому же экономится время на трудоемкое изготовление эллиптической камеры.

 

 

Схема самодельной коаксиальной лампы-вспышки

 

Лампа-вспышка состоит из двух кварцевых трубочек, одна из которых вставлена в другую. Трубки вставляются в корпус электрода и герметизируются силиконовыми кольцами и фторопластовой лентой. Кроме того, корпуса электродов служат для подачи раствора красителя в одну из трубок, а также откачки воздуха из другой трубки. Раствор красителя протекает через внутреннюю трубку. Воздух откачивается из пространства между трубками. На корпусах электродов размещаются также зеркала резонатора с возможностью регулировки положения. Чтобы как можно больше света сконцентрировать на растворе красителя внешняя трубка обворачивается алюминиевой фольгой.

По изложенной выше схеме лампа-вспышка была изготовлена из дюраля, кварца и нержавеющей стали. Внешняя трубка имеет диаметр 16 мм и толщину стенки 1 мм, а внутренняя трубка имеет диаметр 7,5 мм и толщину стенки 2 мм. Длина разрядного промежутка равна 135 мм.

 

Самодельная коаксиальная лампа-вспашка

 

Через лампу разряжается конденсатор емкостью 0,8 мкФ, рассчитанный на максимальное напряжение 16 кВ. Рабочее давление в лампе равно 20 мБар, а зарядное напряжение равно 10 кВ. Разряд в лампе поджигается высоковольтным импульсом, подаваемым на алюминиевую фольгу, которой обернута внешняя трубка лампы. Сигнал светового импульса принимался на быстрый фотодиод и регистрировался осциллографом типа Tektronix 464 с функцией памяти. Световой импульс имеет ширину 13 мксек и длительность по фронту менее 500 нсек.

 

 

 








 

Схема блока питания лампы-вспышки

 

Логика работы блока питания лазера очевидна. Высокое напряжение генерируется высоковольтным трансформатором на 6 кВ, взятым из фотокопира, а затем увеличивается в три раза умножителем напряжения. Напряжение зарядки фиксируется на экране монитора, подключенного к блоку питания через делитель напряжения ( 1000:1 ). Низкоиндуктивный накопительный конденсатор французской фирмы имеет емкость 0,8 мкФ и рабочее напряжение 16 кВ. Таким образом, максимальная энергия составляет 102 Дж. Напряжение поджога лампы-вспышки ( 30 кВ ) генерируется разрядом триггер-конденсатора ( два последовательно соединенных конденсатора ) на импульсный трансформатор. Триггер-конденсатор заряжается схемой удвоения напряжения через сетевой трансформатор примерно до 600 В. Этот же трансформатор дает напряжение 15 В для питания насоса прокачки красителя.

 

Лампа-вспышка. Вариант 2.

 

Поскольку изложенная выше конструкция лампы-вспышки имеет некоторый недостаток, была изготовлена лампа-вспышка новой конструкции. В прежней лампе раствор красителя имел непосредственный контакт с высоковольтными электродами, что приводило к неполной зарядке конденсатора до рабочего напряжения ( раствор красителя имеет слабую электропроводность ). В новой конструкции лампы-вспышки это предотвращается использованием фторопластового ( тефлон ) корпуса. Также была переделана и упрощена герметизация лампы.

 

 

Улучшенная схема коаксиальной лампы-вспышки

 

 

 

На фото- конструкция лазера на красителе, смонтированная на дюралевом п-образном профиле. На заднем плане можно видеть накопительный конденсатор ( энергия = 100 Дж ). На переднем плане- коаксиальная лампа-вспышка, а справа в верху- управляемый искровой разрядник тригатрон. Для обеспечения низкой индуктивности разрядной цепи конденсатор, лампа-вспышка и искровой разрядник монтируются как можно ближе друг к другу с помощью дюралевых полосок толщиной 2 мм. Внутренняя кварцевая трубка лампы-вспышки длиной 160 мм, т.е. кювета с красителем имеет внутренний диаметр 4 мм и толщину стенки 1 мм. Внешняя трубка той же толщины в 1 мм имеет длину 125 мм и внутренний диаметр 8 мм. Длина внешней трубки примерно равна длине области накачки красителя.

 

 

На фото- вид на конструкцию лазера с нижней стороны. Слева-направо: насос прокачки красителя, строчный трансформатор для генерации поджигающего импульса и соответствующие конденсаторы. Остальные элементы припаяны на небольших монтажных платах. Небольшой сетевой трансформатор дает напряжение питания для движка насоса прокачки красителя и напряжение для схемы поджога разряда.

Принципиальная схема блока питания лазера приведена на рисунке ниже.

 

 

Оптика лазера

Резонатор лазера состоит из двух плоскопараллельных зеркал. Одно из зеркал имеет алюминиевое покрытие, напыленное на стеклянную подложку, а другое- диэлектрическое зеркало, спектральная характеристика которого приведена на рисунке ниже.

 

В требуемой области спектра ( Родамин В l ~ 600 нм ) зеркало имеет коэффициент отражения ~ 90%.

 

Работа лазера

 

На фото- импульс тока на лампе-вспышке при давлении воздуха в лампе ~ 2 мБар.

 

На фото- лазерный импульс, полученный на Родамине 6 Ж при зарядном напряжении конденсатора 14 кВ. Как показывает осциллограмма лазерный импульс длительностью ~ 1 мксек следует практически сразу за импульсом тока в лампе-вспышке.

 

 

На фото слева - лазерный пучок на поверхности стиропоровой пластинки. Диаметр светового пятна равен примерно 5 мм, что несколько больше диаметра кюветы с красителем.

На фото справа - желтое световое пятно лазерного пучка, при давлении воздуха в лампе-вспышке 5 мБар и рабочем напряжении на конденсаторе 12 кВ.

При этом лазер работал в режиме ,, сверхизлучения ,, т.е. без резонатора на одном лишь 100%- зеркале. Энергия импульса при зарядном напряжении 14 кВ равна примерно 30 мДж, что вполне достаточно для испарения серебряного слоя с поверхности фотопленки. Высокое усиление лазера позволило бы получить значительно большую выходную мощность при использовании второго зеркала ( выходное ), имеющего даже небольшой коэффициент отражения.

 

  

На фото- общий вид готового к работе лазера на красителе. Слева- баночка с раствором красителя Родамин 6Ж в концентрации 10^-4 моль. Для прокачки красителя служит топливный насос, купленный в магазине запчастей для радиоуправляемых моделей. Трубки, соединяющие резервуар с красителем, насос и кювету, являются обрезками силиконового шланга. Слева от кюветы с красителем- 100% зеркало, а справа- выходное зеркало, закрепленное на юстируемый держатель. На заднем плане справа- высоковольтный трансформатор с элементами умножителя напряжения для зарядки накопительного конденсатора до 16 кВ. Высокое напряжение подается нажатием на зеленую кнопку, а поджог разряда в лампе-вспышке производится нажатием на красную кнопку. Телефонные разъемы черного и желтого цвета служат для подключения вольтметра с целью измерения напряжения зарядки накопительного конденсатора.

К сожалению, шестеренчатый насос прокачки красителя, купленный в магазине запчастей для моделирования, не оправдал надежд. После непродолжительной работы с метанолом мотор заглох, вероятно, из-за растворения пластика корпуса насоса в метаноле. После того, как были угроблены два насоса, был изготовлен самодельный циркулярный насос прокачки красителя.

 

Самодельный насос для прокачки красителя

 

Элементы конструкции насоса выполнены из нейлона, фторопласта и нержавеющей стали. Поскольку циркулярный насос не способен засасывать жидкость, он был помещен в банку с раствором красителя.