Мощный рубиновый лазер
Для изготовления действительно мощного рубинового лазера используется камера накачки с двумя импульсными лампами при плотной компоновке. Обе лампы и рубиновый стержень заключены в корпус из белой керамики.
Лазерная головка монтируется на прочной дюралевой плите толщиной 10 мм.
Помимо охлаждаемой водой камеры накачки с простым теплообменником и резервуаром с водой большую часть места занимает схема поджога разряда. Поскольку при наличии водяного охлаждения невозможно применить схему параллельного поджога разряда используется более трудоемкая по изготовлению схема последовательного поджога. Эта схема представляет собой небольшой Тесла-трансформатор, который питается от катушки зажигания, на первичную обмотку которой разряжается конденсатор, заряженный до 600 В. На плите лазерной головки монтируются и зеркала резонатора, закрепленные на юстируемых держателях. В качестве 100%- зеркала используется диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения > 99%, а выходное зеркало имеет коэффициент отражения ~ 10%.
В корпусе блока питания размещаются накопительные конденсаторы, сетевой высоковольтный трансформатор с выпрямителем на выходе, элементы схемы поджога разряда, а также другие вспомогательные детали.
Большую часть места занимают накопительные электролитические конденсаторы. Банк накопительных конденсаторов составлен из двух рядов по пять конденсаторов в каждом. Каждый конденсатор имеет 3000 мкФ на рабочее напряжение 350 В. Таким образом, банк конденсаторов имеет емкость 2450 мкФ и рабочее напряжение 1750 В, что дает накопленную энергию 3675 Дж. Трансформатор тока, подключенный в цепь разряда лампы, дает на нагрузке в 50 Ом сигнал импульса поджога разряда. Этот сигнал, имеющий амплитуду 15 В, можно использовать для подачи на вход осциллографа или другого измерительного прибора.
Схема блока питания лазера
Для измерения выходной энергии лазерного луча использовался пироэлектрический датчик. Порог лазерной генерации достигается при энергии накачки 2000 Дж ( ~ 1,3 кВ ). Выходная энергия луча растет пропорционально энергии лампы-вспышки и достигает значения 3,5 Дж.
Осциллограмма показывает сигнал лазерного импульса, имеющего типичные пички.
Лазерный импульс имеет длительность 1,5 мсек и следует через миллисекунду после импульса накачки.
Как обычно, лазерный луч можно сделать видимым при задымленной атмосфере.
Луч рубинового лазера имеет разрушительную силу. Фото демонстрирует действие сфокусированного луча на лезвие безопасной бритвы.
В фокальной точке сталь расплавляется и испаряется, образуя в лезвие дырку. Испаряемый материал образует плазменный шар и сноп искр.
Также впечатляющий эффект вызывает конусообразное пламя, образованное испаряемыми частичками картона, при размещении на пути не сфокусированного луча картона черного цвета.
С этим рубиновым лазером была предпринята успешная попытка осуществить работу лазера в режиме гигантского импульса. В качестве насыщающегося абсорбера использовался раствор красителя малахитовый зеленый в метаноле.
Кювета с раствором красителя. Вопреки своему названию раствор красителя малахитовый зеленый в метаноле имеет синий цвет.
Кривая поглощения этого красителя пересекает линию генерации рубинового лазера на волне 694 нм. Но лучше использовать более дорогой краситель криптоцианин, имеющий максимум поглощения на волне 700 нм.
Осциллограмма при нормальной работе лазера. Наблюдается множество небольших по амплитуде импульсов.
Осциллограмма в режиме модуляции добротности. Наблюдается несколько импульсов, имеющих большую амплитуду.
При фокусировке луча рубинового лазера, работающего в режиме гигантского импульса, на металлическую поверхность, в воздухе возникала искра, другими словами, лазерный пробой воздуха. Это явление объясняется конечным значением диэлектрической прочности воздуха, который в интенсивном электромагнитном поле становится проводником, и со смачным треском в воздухе образуется искра.
Лазерный пробой воздуха
К сожалению, плотности мощности лазерного луча не хватало для образования пробоя воздуха в свободном пространстве, от чего ухудшалась повторяемость явления, и приходилось применять различные металлические поверхности для наблюдения воздушной искры. Даже небольшое изменение концентрации раствора красителя или ухудшение усиления в рубине ( например, из-за нагрева стержня ) приводило к отрицательному результату.
Весьма интересный эксперимент можно провести с лазерным лучом красного цвета, имеющим достаточно высокую мощность.
Воздушный шарик зеленого цвета помещается внутрь воздушного шарика белого цвета, а затем частично надувается и подвязывается. Шарик белого цвета надувается в полной мере. В результате этого получаются два надутых шарика, один из которых ( зеленый ) находится внутри другого ( белый ). Если теперь выстрелить лазером по этим шарикам, то белый шарик останется целым, а зеленый лопнет вследствие высокого поглощения в нем света и разрушительного нагрева. Таким образом, внешний шарик останется невредимым, внутренний лопнет.
Эксперимент с шариками