Неодимовый лазер с ламповой накачкой
Структура энергетических уровней иона неодима благоприятна для получения лазерной генерации в инфракрасной области спектра, что сделало неодимовый лазер самым распространенным из твердотельных лазеров. Как самый большой и мощный NOVA- лазер тераваттной мощности, занимающий по площади помещение спортивного стадиона, так и самый крошечный зеленый DPSS-лазер от лазерной указки имеют в качестве активного вещества ион неодима. Особенно хорош для изготовления неодимовый ИАГ (иттрий-алюминиевый гранат )-лазер, имеющий высокий коэффициент усиления, относительно высокий КПД и простую конструкцию. ИАГ-лазер может работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В зависимости от режима работы в качестве источника накачки можно использовать полупроводниковый лазер, сверхяркие светодиоды, криптоновые дуговые лампы или галогеновые лампы, а также ксеноновые импульсные лампы. После того, как на рынке Ebay ( где ж еще ) был недорого выставлен на продажу небольшой кристалл ИАГ, я не смог устоять перед искушением приобрести его и изготовить небольшой лазер.
Лазерная головка
Кристалл ИАГ имел размеры 5 х 60 мм и хорошо подходил для самодельной эллиптической камеры накачки.
Лазерная головка самодельного неодимового лазера
Все элементы конструкции монтируются на прочной дюралевой плите. Слева- держатель 100% зеркала (зеркальный алюминиевый слой на стеклянной подложке ). В середине- раскрытая камера накачки с ИАГ-стержнем. Позади камеры накачки- элементы схемы поджога разряда в лампе-вспышке. Справа от камеры накачки- регулируемый держатель кристалла удваивающего частоту световой волны. И у правого края- держатель выходного зеркала, в качестве которого использовано зеркало от рубинового лазера. На длине волны 1064 нм ( неодимовый лазер ) это зеркало имеет коэффициент отражения ~ 40%.
Блок питания лазера
Блок питания имеет простую схему. Сетевой трансформатор через удвоитель напряжения заряжает накопительный конденсатор емкостью 30 мкФ до напряжения 6 кВ, что дает энергию 540 Дж. Зарядное напряжение и регулируемое установочное напряжение поступают на вход компаратора, который управляет работой реле зарядки, фиксируя зарядное напряжение на должном уровне. Управление работой лампы-вспышки происходит как обычно разрядом конденсатора через тиристор. Создаваемый импульс высокого напряжения на катушке зажигания подается на тесла-трансформатор, который и инициирует разряд в лампе-вспышке через последовательную схему поджога разряда как в схеме >>> мощного рубинового лазера <<<.
Схема блока питания неодимового лазера показана >>> здесь <<<.
Блок питания со снятой крышкой
Передняя панель блока питания
Работа лазера
Измерения параметров светового импульса лампы-вспышки, регистрируемые фотоэлементом, показали наличие двойного импульса. Двойной импульс свидетельствует о плохом сопряжении лампы-вспышки с зарядным дросселем и накопительным конденсатором. Это значит, что кривая зарядки конденсатора имеет вид затухающих колебаний, и небольшая отрицательная полуволна вызывает появление второго светового импульса.
Осциллограмма сигнала светового импульса лампы-вспышки
Для оптимального сопряжения требуется либо увеличить емкость и уменьшить индуктивность, либо использовать лампу-вспышку с большим сопротивлением, т.е. меньшим внутренним диаметром. Соответствующий конденсатор или лампу-вспышку найти не удалось, зато можно изменить индуктивность. Однако и в этом случае не все так просто, ибо дроссель одновременно служит катушкой, генерирующей импульс поджога и нельзя без последствий изменять в ней число витков. Кроме того, малая индуктивность катушки повышает ток в лампе, что сокращает ее срок службы.
По компьютерной программе-эмуляторе работы электрической схемы были найдены значение индуктивности 20 мкГн, и при зарядном напряжении 5 кВ ток лампы составил чуть больше 4 кА. Для хорошего сопряжения нужно было бы уменьшить индуктивность до 8 мкГн, что увеличило бы ток в лампе до 8 кА.
Удвоение частоты
Генерируемая лазером волна 1064 нм не очень интересна экспериментатору, т.к. лазерный луч при такой длине волны находится в ближней инфракрасной области спектра и невидим. Однако, так же как и в области высоких частот и области микроволн к свету применим принцип генерации гармоник. В СВЧ области для этих целей применяют диоды или другие нелинейные элементы, а в оптическом диапазоне применяют материалы, имеющие нелинейные оптические свойства. В принципе любой материал в сильном силовом поле проявляет нелинейные свойства, но для видимой и ближайшей инфракрасной области спектра используют такие кристаллы как КDP ( дигидрофосфат калия), КТР (калия титанат-фосфат ), ниобат лития или ниобат калия. Чаще всего применяется, прежде всего, КТР с его высоким коэффициентом нелинейности и особо хорошими оптическими свойствами. Этот кристалл можно найти практически в любой ,,зеленой,, лазерной указке. Именно из такой лазерной указки был демонтирован кристалл КТР.
Кристалл КТР, демонтированный из лазерной указки
КПД частотного преобразования резко возрастает с увеличением интенсивности падающего на кристалл излучения, отчего частотный удвоитель часто помещают непосредственно в лазерный резонатор, где интенсивность излучения максимальна.
Конечно же, в моих экспериментах не удалось достичь хороших результатов, т.к. выходное зеркало резонатора имело незначительный коэффициент отражения, и мощность излучения внутри резонатора не сильно отличалась от мощности луча за пределами резонатора. Более успешной была схема расположения оптических элементов, показанная на рисунке ниже.
Схема удвоения частоты луча неодимового лазера
Инфракрасный луч, выходящий из резонатора, был сфокусирован линзой на кристалл КТР, а затем вторая линза преобразовывала расходящийся пучок в параллельный. Высокая напряженность поля в фокусе линзы повышала КПД преобразования, который однако был порядка одного процента. И все же такой лазер можно использовать для демонстрации принципа генерации гармоник.
