Рубиновый лазер. Вариант 1

Лазерная головка имеет эллиптический отражатель, на фокальных линиях которого размещены рубиновый стержень и лампа-вспышка типа FX-47C-6.5 фирмы EG&G. Лазерная головка оснащена полупроводниковым лазером для юстировки резонатора. Резонатор состоит из плоского диэлектрического зеркала 100% и плоского эталона Фабри-Перо в качестве выходного зеркала. Длина резонатора равна 400 мм.

Монтажная схема. Размеры лазерной головки: длина- 550 мм, ширина- 150 мм, высота- 160 мм.

Шкаф управления

Шкаф управления содержит силовую часть и схему управления. Размеры шкафа: высота- 75 см, ширина- 53 см, глубина- 50 см. Вес шкафа управления- около 80 кг.

Силовая часть размещена на трех полках. Сюда входит сетевой блок высоковольтного напряжения, банк конденсаторов, разрядная индуктивность, игнитронный коммутатор, блок питания схемы поджога разряда, а также вспомогательные элементы схемы блока питания.

Шкаф управления рубиновым лазером

Высоковольтный блок питания состоит из сетевого повышающего трансформатора ( 300 Вт, 2,5 кВ ), первичная обмотка которого подключается к сети через полупроводниковое реле. Вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и зарядный резистор заряжает банк конденсаторов ( 38 МР 40 мкФ х 2,5 кВ ) до требуемого напряжения. Игнитрон отделяет банк конденсаторов от цепи лампы-вспышки до момента выстрела. Управление игнитроном и лампой-вспышкой осуществляется схемой генератора высоковольтных импульсов на тиристоре и конденсаторе.

Передняя панель блока управления лазером

Блок управления управляет работой всего лазера, а именно зарядкой конденсаторов до установленного напряжения, включением игнитрона и поджогом разряда в лампе-вспышке, а также контролем цепи блокировки блока питания. Все функции управления осуществляет микроконтроллер PIC 18F84.

Порядок работы

Свечение сетевого выключателя ( крайний левый ) сигнализирует о подаче напряжения на блок питания электроники шкафа управления. После загрузки программы микроконтроллером ( в это время поочередно мигают красный и зеленый светодиоды ) зеленый светодиод имеет постоянное свечение, что говорит о готовности лазера к работе. Мерцающее свечение зеленого светодиода говорит о срабатывании цепи блокировки и приостановки процесса зарядки конденсаторов. Нажатие на красную кнопку приводит к подаче на банк конденсаторов напряжения, величина которого определяется поворотом ручки регулятора напряжения. Во время зарядки конденсаторов мигает красный светодиод, а величина напряжения показывается аналоговым вольтметром. После полной зарядки конденсаторов красный светодиод имеет постоянное свечение, что говорит о готовности к выстрелу. Нажатие на белую кнопку приводит к подаче напряжения на управляющий электрод игнитрона и, таким образом, к вспышке лампы.

На BNC-разъеме ( левый ) можно снять напряжение сигнала поджога разряда в лампе, который соответствует сигналу запуска игнитрона ( несколько миллисекунд до лазерного импульса ). Нажатие на зеленую кнопку приводит к разряду банка конденсаторов без вспышки лампы. Тумблер позволяет переключать работу шкафа управления лазером с ручного на дистанционный режим. В дистанционном режиме лазер может работать только при подаче внешнего сигнала поджога разряда, который подается через BNC-разъем ( правый ). Положение замкового выключателя в состоянии ,,замок,, приводит к подаче напряжения на конденсаторы и запуску лазера. Чтобы осуществить новый запуск лазера, следует повернуть замковый выключатель в положение ,,открыто,, и вновь повернуть его в положение ,,замок,, Такая цепь блокировки обеспечивает безопасность при работе со шкафом управления лазером и лазерной головкой. В положении замкового выключателя ,,открыто,, происходит разряд банка конденсаторов, что препятствует запуску лазера. При работе цепи блокировки мигает зеленый светодиод.

Дистанционный режим работы лазера

Внешнее управление запуском лазера осуществляется через разъем RC 232 ( 4780 Бод, 8 бит, один стоп-бит, без паритета, без протокола ).

Включение и готовность лазера к работе осуществляет программа ,, Ruby Laser 1/5.51 ,, Программа выполняет следующие команды:

Е- разряд банка конденсаторов ( действие этой команды аналогично нажатию на зеленую кнопку в ручном режиме )

L- заряд банка конденсаторов ( действие этой команды аналогично нажатию на красную кнопку в ручном режиме )

Т- выстрел лазера ( действие этой команды аналогично нажатию на белую кнопку в ручном режиме )

Q- отключение дистанционного режима работы лазера

Все команды должны указываться заглавными буквами. Программа запускается в среде Windows любой версии.

Некоторые характеристики лазера, полученные при холодном ( комнатная температура ) рубиновом стержне:

Зависимость выходной энергии лазера от напряжения на накопительных конденсаторах

Между выстрелами следует делать паузы в несколько минут для охлаждения рубинового стержня. Измерения сигнала светового импульса проводились быстрым фотоэлементом типа 922 ( RCA ). Рабочее напряжение на фотоэлементе составляло 500 В, а катодная нагрузка- резистор сопротивлением 50 Ом. Световой импульс ослаблялся нейтральным светофильтром NG 4 ( 3 мм ). Сигнал регистрировался на осциллографе типа Tektronix 464 с функцией памяти. Зарядное напряжение банка конденсаторов составляло 1,5 кВ.

Длительность импульса лампы-вспышки составила 2 мсек, а длительность последующего лазерного импульса- около 600 мксек. Лазерный импульс состоял из серии типичных для твердотельных лазеров пичков длительностью 2 мксек. Мощность светового импульса составила 2,5 кВт, причем мощность отдельных пичков доходила до 10 кВт.

Осциллограмма импульса лампы-вспышки

Осциллограмма лазерного импульса

Осциллограмма лазерных пичков

Для тестирования качества лазерного луча отлично подходит засвеченная и проявленная фотобумага. Черный слой серебра испаряется лазерным импульсом.

Пятно от прожога, полученное не сфокусированным лазерным лучом на расстоянии 1 м. от лазера. Зарядное напряжение составляло 1,8 кВ.

Дырка в стальном лезвии безопасной бритвы, полученная фокусировкой ( f= 30 мм ) лазерного луча при зарядном напряжении 1,8 кВ.

Гигантский импульс ( дистанционный режим работы лазера )

Размещением внутри лазерного резонатора кюветы с раствором-коммутатором можно получить генерацию гигантского импульса. При этом лазерный луч состоит не из отдельных пичков, а представляет собой короткий единый импульс ( 50 нсек ) высокой мощности.

Гигантский импульс рубинового лазера

Мощности сфокусированного луча вполне хватит для возникновения своеобразного ,,брейк-данса,, в воздухе, когда напряженность электромагнитного поля превысит диэлектрическую прочность воздуха, и возникнет искра. Это явление сопровождается звуковым эффектом как смачный резкий щелчок. Обычно в качестве оптического коммутатора используют такой краситель как криптоцианол, но его не просто достать. Однако хорошие результаты дают и спиртовые растворы таких красителей как метиленовый голубой и малахитовый зеленый. Оба этих красителя можно приобрести в зоомагазинах как кондиционер для аквариума.