Автор Тема: Лазер из двух алюминиевых труб  (Прочитано 13686 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
TruCoax - родственник быстропроточного Truflow. В нем та же рабочая среда С02, длина волны излучения /,=10,6 мкм такая же, и работает он в непрерывном и импульсном режимах генерации, и выходной луч имеет расхождение, близкое к дифракционному.  У TruCoax выходная мощность или 1000, или 2000 Вт. Газ внутри резонатора не циркулирует, а остается неподвижным, что при маленьком объеме с большой площадью поверхности позволяет эффективно отводить тепло. Именно поэтому источник построен как замкнутая система - для работы необходимо только электрическое подключение. Баллон с газом С02 необходимо заменять через год или два. Сам резонатор состоит из двух алюминиевых труб, вставленных одна в другую. Они выполняют роль двух электродов. Лазерный луч генерируется между трубами, а его отражение происходит на зеркалах, расположенных в торце. Благодаря такой конструкции лазерный луч при многократных отражениях остается параллельным даже при тепловой деформации труб, появляющейся из-за нагревания.
Взято отсюда: http://www.photonics.su/files/article_pdf/2/article_2494_370.pdf
Кто нибудь, плиз, ткните пальчиком туда, где можно поподробнее узнать как эта конструкция устроена!
С уважением, ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #1 : 20 Март 2013, 14:42:28 »
А, эти...

Устройство точно такое же, как у любого другого отпаянного CO2-лазера, но стекло трубки в основном заменено металлом, играющим одновременно роль электродов. Обычно у лазера электроды находятся по концам трубки, а у этого один электрод в центре, а другой - сама трубка. Все просто.

В остальном см. любую литературу по конструкциям лазеров, например Айхлера или Звелто.

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #2 : 20 Март 2013, 14:54:27 »
Спасибо. Мне непонятно где, в каком месте происходит разряд. В случае стеклянной (кварцевой) трубки, полагаю, разряд происходит на торцах, там кольцевые электроды. А фразу  "Лазерный луч генерируется между трубами" можно понять двояко. Либо разряд происходит между трубами в радиальном направлении (тогда как луч попадает на зеркала?), или разряд происходит вдоль оси трубок (как при обычной компоновке), при условии, что вся поверхность трубок покрыта изолятором кроме тех участков, которые возле зеркал и служат в качестве кольцевых электродов. Хорошо бы на эскизик посмотреть...
ВВ.

Оффлайн nerv

  • не ругайтесь на опечатки, кнопки же такие маааленькие!!!
  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 264
  • Репутация: +27/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #3 : 20 Март 2013, 18:33:10 »
Спасибо. Мне непонятно где, в каком месте происходит разряд. В случае стеклянной (кварцевой) трубки, полагаю, разряд происходит на торцах, там кольцевые электроды. А фразу  "Лазерный луч генерируется между трубами" можно понять двояко. Либо разряд происходит между трубами в радиальном направлении (тогда как луч попадает на зеркала?), или разряд происходит вдоль оси трубок (как при обычной компоновке), при условии, что вся поверхность трубок покрыта изолятором кроме тех участков, которые возле зеркал и служат в качестве кольцевых электродов. Хорошо бы на эскизик посмотреть...
ВВ.
Разряд происходит в объеме, а не на торцах. Л. луч генерируется в объеме между труб. Направление разряда никак не связано с направлением луча.
Вот и эскизик. Вроде все должно быть понятно.
Ну и напоследок вопрос - как добиться равномерного объмного разряда между электродами в этой конструкции?
« Последнее редактирование: 20 Март 2013, 18:55:48 от nerv »

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #4 : 20 Март 2013, 22:16:29 »
Да, картинка верная. Генерация действительно идет на кольцевой моде, что, впрочем, фокусировке луча не мешает.

Равномерности разряда добиваются, скорее всего, введением искусственной НЕравномерности. Какое-нибудь рифление на внутренних поверхностях трубок, чтобы вместо одного большого разряда создавалось много маленьких, заполняющих почти все пространство. Сила тока в каждом из разрядов близка к насыщению, поэтому ни один из них не может оттянуть весь ток на себя (отрицательная обратная связь).

Идею очень хорошо иллюстрирует любительский азотный/многогазовый лазер Дианы Найзиус (http://www.diane-neisius.de/):



Здесь вместо традиционных двух параллельных линеек использованы мелкие электроды в шахматном порядке.

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #5 : 21 Март 2013, 10:38:28 »
Благодарю за ликбез!
Если не затруднит, еще один ответ, плиз.
Зависит ли мощность излучения лазера от плотности электрического разряда?  Поясню: например, в плазматронах применяется такой метод: разряд для повышения мощности факела, обжимается рабочим газом подаваемым тангенциально или разряд обжимается магнитным полем. Шнур разряда уменьшает свое сечение, при этом ток остается прежним. Соответственно плотность тока в шнуре возрастает, а температура повышается (тысяч до 50-ти Цельсия) сила света возрастает многократно.
Так вот, разряд в трубке газового лазера можно аналогично обжать (магнитным полем) до тонкого шнура по оси трубки. Концентрация фотонов на единицу площади в шнуре резко повысится... Или я не прав?
ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #6 : 21 Март 2013, 14:18:53 »
С лазером все хитро.

У любой лазерной среды есть два параметра - порог лазерной генерации (при которой генерация вообще начинается) и предел мощности (энергии). Мощность/энергия зависит в первую очередь от количества атомов вещества, задействованных в генерации (бухгалтерия: 1 накачанный (возбужденный) атом способен излучить 1 фотон). У большинства газовых лазеров именно объем (точнее, масса) газа лимитирует мощность.

Пороговая энергия генерации определяется обратной связью (количеством прохождений одного фотона через рабочее тело лазера, т.е. качеством зеркал и потерями) и свойствами среды (сечением взаимодействия). Лазер начинает генерировать тогда, когда вероятность столкновения фотона с накачанным атомом становится выше, чем вероятность его поглощения или ухода из резонатора. Можно показать, что порог генерации пропорционален площади сечения (т.е. чем тоньше лазер, тем легче заставить его работать), но от длины не зависит (чем длиннее лазер, тем меньше может быть процент накачанных (возбужденных) атомов для той же вероятность столкновения).

Еще один важный фактор газовых лазеров - время релаксации атома после излучения фотона (т.е. промежуток времени от акта излучения фотона до возможности повторной накачки того же атома). Тут хитрость: вероятность релаксации в газе очень мала, но она велика на СТЕНКАХ трубки, т.к. для этого требуется трехчастичное взаимодействие. И второй фактор - время жизни возбужденного состояния (т.е. шансы атома "дотерпеть" до момента, когда его ударит фотон).

Собираем все вместе. Сжатие шнура разряда - отчасти хорошо (плотность ГАЗА повышается, плотность ТОКА роли не играет). Повышение температуры - плохо (время жизни возбужденного состояния падает, отсюда и яркое свечение). Повышение плотности тока - нейтрально или плохо (начинают возбуждаться нелазерные уровни). Удаление разряда от стенок - плохо ("отравление" зоны разряда "уставшими" атомами, не имеющими шансов на релаксацию). Поступление свежего газа (если обдувать) - хорошо. Все вместе - скорее плохо, чем хорошо, но вообще зависит от ситуации.

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #7 : 21 Март 2013, 15:06:52 »
В таком случае несколько условий для успешной генерации:
Разряд должен занимать возможно больший объем в активной среде.
Сечение разряда чем больше - тем лучше.
Чем ниже температура разряда (и корпуса) - тем лучше.
И, разумеется, чем меньше потери в виде "ушедших в сторону" фотонов - тем лучше.
Что я упустил?
Сорри, что я терзаю такими вопросами, в доступной литературе, в таком ключе ответы сложно отыскать...
ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #8 : 21 Март 2013, 16:22:43 »
В таком случае несколько условий для успешной генерации:
Разряд должен занимать возможно больший объем в активной среде.

Возможно больший объем, но необязательно возможно больший процент объема. В гелий-неоновых лазерах, например, делают большой резервуар с "запасным" газом, чтобы газ в разряде постоянно заменялся свежим и успевал релаксировать.

Сечение разряда чем больше - тем лучше.

Нет. Скорее даже наоборот. Больше сечение - больше порог генерации, труднее накачивать. Больше сечение - толще луч, хуже модовая структура луча, труднее фокусировать. Поэтому мощность обычно стараются получать за счет наращивания длины трубки (вдоль луча), не увеличивая толщину самого луча. Но всему есть предел, поэтому на очень больших мощностях и диаметр увеличивают тоже.

При продольной накачке существует оптимальный диаметр (рассчитывается), при котором КПД лазера наивысший. Для накачки поперечным разрядом я таких формул не знаю.

Чем ниже температура разряда (и корпуса) - тем лучше.

Как правило да. Формально лазер работает при "отрицательной" температуре, термодинамическая температура его луча довольно низка (луч очень упорядочен). Высокая температура вносит беспорядок. Имеется в виду в первую очередь температура среды, разряда в плазме и т.д. - чем холоднее, тем лучше.

И, разумеется, чем меньше потери в виде "ушедших в сторону" фотонов - тем лучше.

Спорно. С одной стороны, это конечно КПД, но с другой стороны ушедшие в сторону фотоны - это брак, фотоны неправильной длины волны и фазы, которые испортят когерентность луча и затруднят его фокусировку. Поэтому во многих лазерах стараются их как можно быстрее вывести из игры. Этому способствует как раз тонкий длинный канал - если фотон пошел не туда, он вылетит из канала сразу и не успеет "нахулиганить" по дороге - разрядить на свое усиление несколько атомов. В толстом канале "неправильные" фотоны успевают провзаимодействовать и оттянуть на себя часть полезной энергии. Чем раньше "брак" будет удален, тем лучше.

В лазерах высокой когерентности (жидкостных и т.д.) используют не просто два зеркала, а сложную систему зеркал и фильтров, которая не дает шансов "бракованным" фотонам. В лазерах для резки и сварки очень высокая когерентность обычно не требуется, поэтому естественное удаление неудачных фотонов через края вполне достаточно.

Чтобы "процент брака" был невелик, лазеры обычно стараются конструировать с наименьшей возможной мощностью накачки (исходя из желаемой мощности лазера и порога, разумеется). Тогда лазер излучает довольно мало фотонов спонтанно, большая часть фотонов будет результатом усиления (вынужденного излучения). "Перекачанный" лазер помимо собственно лазерного луча начинает испускать много мусора, в конечном итоге на выход не попадающего. Очень показательный пример - органические красители, которые при слишком мощной накачке начинают испускать огромное количество паразитных лучей во все стороны (в роли зеркал могут выступать, например, блестящие стенки кюветы красителя). Разумеется, эти лучи уносят с собой всю энергию, и основному лучу почти ничего не остается.


Сорри, что я терзаю такими вопросами, в доступной литературе, в таком ключе ответы сложно отыскать...
ВВ.
Для того и существует этот форум :)

Оффлайн nerv

  • не ругайтесь на опечатки, кнопки же такие маааленькие!!!
  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 264
  • Репутация: +27/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #9 : 21 Март 2013, 22:12:25 »
Картинка с сайта Дианы Найзиус настолько плохого качества, что разобрать что к чему практически невозможно. Куски шпилек с гайками - электроды?

Фактически коаксиальный лазер описанной конструкции, это л. с поперечным разрядом, но свернутый в "трубочку".
Из всего вышесказанного можно сделать несколько замечаний к конструкции такого лазера:
Диаметры трубок близки, для увеличения общей площади теплоотвода и уменьшения необходимого напряжения питания лазера. Охлаждение можно осуществлять протоком жидкости через внутреннюю трубку и обдувом, либо омыванием внешней трубки.
Трубки НЕ зеркальные, не полированные, для предотвращения возникновения генерации в поперечном направлении.
Для создания неравномерности эл. поля можно попробовать применить перфорацию в "домашней" конструкции, либо напыление(нанесение) на один из электродов НЕ сплошного слоя диэлектрика.
Из проблем мне пока видится след.: концентричное закрепление электродов без ухудшения пучка. Либо как-то кепить трубки к прозрачным окнам/зеркалам, либо что-то еще.

Про кучу маленьких разрядов Месяц писал что это ухудшает качество пучка и КПД. Вернее не "разряды", а стримеры.

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #10 : 22 Март 2013, 08:42:12 »
Интересно, а на сколько (пусть теоретически) могут быть близки диаметры трубок? Какая минимальная длина трубок может в таком случае быть? Что ее ограничивает? Какой диаметр внешней трубки в пределах разумного?
По поводу охлаждения трубок... В случае такой конструкции возникает масса вариантов от банального оребрения обеих трубок и их обдува (омывания) до применения тепловых труб. Незеркальность поверхности трубок, аналогично, несколько вариантов: пескоструйная обработка, обработка по технологии ДИМЕТ, химобработка... Т.е. это совершенно не проблема. Далее, концентричное закрепление трубок: в такой конструкции центральная часть зеркал не используется, поэтому можно выполнить зеркала с монтажными отверстиями по центру и через эти отверстия стянуть (утрирую) всю конструкцию болтом. Можно без отверстий, поместить всю конструкцию в корпус, алюминиевый кирпич в котором расточено отверстие (канал) который выполняет функцию внешней трубки, а внутреннюю трубку подпереть глухим зеркалом, которое поджать, например, кольцевой гайкой. Да здесь масса вариантов. И еще одна деталь, мех обработка на станке, который не потерял точность, позволит сразу, при изготовлении, получить высокую точность перпендикулярности и параллельности, что позволит отказаться от подстроечных узлов положения зеркал.
ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #11 : 22 Март 2013, 12:44:44 »
Картинка с сайта Дианы Найзиус настолько плохого качества, что разобрать что к чему практически невозможно. Куски шпилек с гайками - электроды?

Да. Это трубка из оргстекла, в которой просверлены дырки по бокам и вставлены электроды (обычные винты). Получается чередование полюсов "плюс-минус-плюс-минус" по всей длине трубки.

К сожалению, сайт Дианы очень старый, фотографии соответствующие (это снято лет 10 назад на веб-камеру того времени). Где-то там же есть отсканированный чертеж, можно по нему ориентироваться.

либо напыление(нанесение) на один из электродов НЕ сплошного слоя диэлектрика.
Диэлектрик сгорит. Возможные варианты:
1) труба из термостойкого теплопроводящего диэлектрика вроде керамики, насверлить дырочек и снаружи надеть металлическую трубу.
2) металлическая труба, снаружи постучать кернером, чтобы получились "шипы" внутрь.
В обоих случаях сначала потребуется расчет количества и размеров неоднородностей.

либо напыление(нанесение) на один из электродов НЕ сплошного слоя диэлектрика.
Из проблем мне пока видится след.: концентричное закрепление электродов без ухудшения пучка. Либо как-то кепить трубки к прозрачным окнам/зеркалам, либо что-то еще.[/quote]
В середине может быть и стержень. Пропустить через отверстия в окнах, конечно.

Про кучу маленьких разрядов Месяц писал что это ухудшает качество пучка и КПД. Вернее не "разряды", а стримеры.
Тут уж выбирать - либо высокое качество, либо малые габариты при большой мощности. Вообще в нормальных условиях разряд будет один сплошной с делением на что-то стримероподобное только около поверхности внешнего электрода (там все равно нет генерации). Отдельные стримеры будут образовываться только местно и только в случае сильных неоднородностей, т.е. в нештатной ситуации.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #12 : 22 Март 2013, 13:06:36 »
Интересно, а на сколько (пусть теоретически) могут быть близки диаметры трубок? Какая минимальная длина трубок может в таком случае быть? Что ее ограничивает? Какой диаметр внешней трубки в пределах разумного?

Общий объем ограничен мощностью лазера; "1 молекула = 1 фотон", отсюда определяется необходимое количество вещества в луче. (Т.е. если хотим сохранить мощность, объем надо сохранять примерно постоянным). Если хочется сделать очень маленький объем, придется хитрить с составом газа (временем жизни состояний). В лазерах на жидкостях и твердых телах проблемы нет, там можно микронные размеры делать.

Что касается диаметра, то тут ограничение не физическое. Маленький лазер не имеет смысла делать коаксиальным, простая конструкция со стеклянной трубкой и электродами на концах при маленьких размерах гораздо проще и эффективнее. Смысл коаксиальной конструкции в первую очередь в уменьшении рабочего напряжения, т.к. на большой мощности легче получить большой ток, нежели большое напряжение. Пока нет трудностей с блоком питания нужной мощности, проще делать "классическую" схему.

Какая собственно задача стоит?

По поводу охлаждения трубок... В случае такой конструкции возникает масса вариантов от банального оребрения обеих трубок и их обдува (омывания) до применения тепловых труб.
Оребрение, конечно. Точнее вообще не труба, а массивный алюминиевый блок с круглым каналом внутри. Отсюда, кстати, следует, что внешняя труба будет заземлена.

Незеркальность поверхности трубок, аналогично, несколько вариантов: пескоструйная обработка, обработка по технологии ДИМЕТ, химобработка... Т.е. это совершенно не проблема.
Незеркальность вообще не проблема, она автоматически получится от необходимой для стабильного разряда "неровной" геометрии.

И на самом деле усиления на боковых переотражениях можно почти не бояться, коэффициент отражения трубок на 10.6 мкм все равно мал, расстояние мало, усиление мало. Вообще если длина лазера велика по сравнению с диаметром, никаких проблем не возникнет.

Далее, концентричное закрепление трубок: в такой конструкции центральная часть зеркал не используется, поэтому можно выполнить зеркала с монтажными отверстиями по центру и через эти отверстия стянуть (утрирую) всю конструкцию болтом.

Здесь главная трудность - материал зеркал и изоляция. Непосредственно зеркала без окон скорее всего использовать не получится, зеркала для CO2 обычно металлические и проводят ток. Окна тоже сложно - германий слишком хорошо проводит ток, сульфид цинка или хлорид натрия, значит. Оба хрупкие и обработке поддаются плохо. Стекло непрозрачно для 10.6 мкм. При работе зеркала будут сильно нагреваться от излучения лазера и потому быстро изнашиваться ("выгорать"), лучше предусмотреть возможность замены зеркал. Интенсивность излучения внутри трубки лазера всегда в разы выше, чем интенсивность выходящего луча, это надо помнить.

И еще одна деталь, мех обработка на станке, который не потерял точность, позволит сразу, при изготовлении, получить высокую точность перпендикулярности и параллельности, что позволит отказаться от подстроечных узлов положения зеркал.
Часто так и делают. Еще очень часто зеркала настраивают за счет деформации конструкции - например, у He-Ne-лазеров. Требуемая точность установки зеркал CO2-лазера невелика.

Вообще в конструкциях-монолитах основной вклад в расстройку зеркал вносит тепловое расширение деталей. Неравномерность нагрева.

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #13 : 22 Март 2013, 13:52:51 »
Задача стоит в потребности поэкспериментировать... с пользой для дела. Эксплуатируем двухкиловаттный станок лазерной резки фирмы ТРУМПФ. Есть некоторые запчасти. Для меня проще изготовить лазер из металла, чем из стекла. Да и прочнее будет. Далее, описываются конструкции плоских лазеров, у которых диаметр много больше длинны. Упоминаются лазеры высокого давления (углекислота накачана до 25 атмосфер) и т.п. Так вот эти особенности, с моей точки зрения, весьма здорово могут быть выполнены  в обсуждаемом конструктиве.
Кстати, как ведет себя фторопласт внутри СО2 лазера? Если применить его в качестве изоляторов трубок от зеркал? Да, и еще вопрос: а почему именно алюминиевые трубки? Другой металл не подойдет? Медь, титан, нержавейка, латунь, бронза...?
ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #14 : 22 Март 2013, 14:21:01 »
Задача стоит в потребности поэкспериментировать... с пользой для дела. Эксплуатируем двухкиловаттный станок лазерной резки фирмы ТРУМПФ. Есть некоторые запчасти. Для меня проще изготовить лазер из металла, чем из стекла. Да и прочнее будет. Далее, описываются конструкции плоских лазеров, у которых диаметр много больше длинны. Упоминаются лазеры высокого давления (углекислота накачана до 25 атмосфер) и т.п. Так вот эти особенности, с моей точки зрения, весьма здорово могут быть выполнены  в обсуждаемом конструктиве.

Трубка не обязана быть стеклянной, лишь бы ток не проводила... Любители из чего попало делали, даже из водопроводных пластиковых труб. (А электроды на концах - металлические фиттинги, тоже водопроводные). Правда, работает недолго, тепло не держит.

Плоские лазеры делаются чаще твердотельными или жидкостными и между зеркалами у них есть еще и линзы, обеспечивающие форму луча. Дело в разнице плотностей твердого тела и газа: атомов в твердом теле так много, что мощность ограничивается не их количеством, а отводом тепла. В газе этих проблем нет, там противоположная проблема - в газе мало атомов и вообще газ очень прозрачный, вероятность столкновения фотона с атомом невелика, поэтому каждый фотон должен пройти довольно большой путь. Поскольку при каждом отражении от зеркал часть фотонов теряется, большой путь легче получить длиной трубки, нежели числом проходов.

Для газа надо считать усиление на единицу длины.

Кстати, как ведет себя фторопласт внутри СО2 лазера? Если применить его в качестве изоляторов трубок от зеркал?
Может и работать, а вообще температура на грани фола. И коэффициент температурного расширения не способствует стыку фторопласта с металлом. Но в принципе материал хороший.

Да, и еще вопрос: а почему именно алюминиевые трубки? Другой металл не подойдет? Медь, титан, нержавейка, латунь, бронза...?
Подойдет любой металл. Алюминий просто легкий, хорошо проводит тепло и относительно дешевый. Медь, латунь, бронза тяжелее и дороже. Нержавейка тепло плохо проводит и тяжело обрабатывается. (Кто-то умный когда-то сказал, что если ввести для инженеров обязательный практикум по обработке нержавейки на станке, количество деталей из нержавейки в технике резко сократится).
« Последнее редактирование: 22 Март 2013, 16:56:13 от Gall »

Оффлайн nerv

  • не ругайтесь на опечатки, кнопки же такие маааленькие!!!
  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 264
  • Репутация: +27/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #15 : 22 Март 2013, 19:50:10 »
Идея изготовить корпус-катод из цельной болванки мне кажется очень сомнительной, если честно. Просверлить отверстие в заготовке длиной 1000 и более мм.... На пушечном заводе можно  :D
Насчет диэлектрика и его обгорания - спорный вопрос. Диэлектрики всякие есть. Можно оксидировать ту же алюминиевую трубку. Или как вариант "домашней" конструкции - обмотать ее тонкой проволокой виток к витку. Размер неравномерноестей можно подобрать диаметром проволоки или шагом намотки. В общем надобно поэкспериментировать.
А из плюсов такого лазера мне видится вот еще что: Он будет заметно прочнее своего стеклянного аналога :)

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #16 : 22 Март 2013, 20:26:33 »
Во всех металлических конструкциях очень уязвимы герметичные вводы, так что вопрос прочности спорный. Спаи ковар-стекло очень надежны и не натекают. Хрупкость - да.

Болванка не обязана быть цельной. Можно сложить из двух половинок с полукруглым вырезом, тогда делается фрезой.

Тонкий слой диэлектрика по краям в любом случае будет отслаиваться из-за градиентов температуры в разряде. Слой диэлектрика должен быть таким, чтобы он мог сохранять жесткость независимо от наличия или отсутствия алюминиевой трубы.

Оффлайн nerv

  • не ругайтесь на опечатки, кнопки же такие маааленькие!!!
  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 264
  • Репутация: +27/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #17 : 22 Март 2013, 20:52:35 »
Окна можно крепить фланцами через вакуумную резину, тогда все это дело можно вынести за пределы "горячей зоны"

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #18 : 22 Март 2013, 21:35:10 »
Тогда непонятно, на чем центральный электрод держаться будет.

Оффлайн Охотник

  • Постоялец
  • ***
  • Сообщений: 140
  • Репутация: +13/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #19 : 22 Март 2013, 21:50:03 »
на алюмишке можно нарастить пленку оксида методом микродугового оксидирования-чем не диэлектрик :smile:

Оффлайн nerv

  • не ругайтесь на опечатки, кнопки же такие маааленькие!!!
  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 264
  • Репутация: +27/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #20 : 22 Март 2013, 23:42:45 »
Есть идеи по поводу крепления, расскажу чуть позже.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #21 : 22 Март 2013, 23:59:53 »
на алюмишке можно нарастить пленку оксида методом микродугового оксидирования-чем не диэлектрик :smile:
Не осыпется от перепадов температуры? Они там большие, а коэффициенты расширения корунда и алюминия уж очень сильно разные.

Оффлайн nerv

  • не ругайтесь на опечатки, кнопки же такие маааленькие!!!
  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 264
  • Репутация: +27/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #22 : 23 Март 2013, 00:37:56 »
А попробуйте нагреть и охладить оксидированную алюмишку. Обсыплется?
Сколько ни пробовал, не обсыпается. Может что-то неправильно делал :)

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #23 : 23 Март 2013, 03:16:53 »
на алюмишке можно нарастить пленку оксида методом микродугового оксидирования-чем не диэлектрик :smile:
А какое напряжение может выдержать этот слой?
По поводу позиционирования центрального электрода тоже идеи есть, но пока послушаю более мудрых... Кстати, какие условия требуется соблюсти одновременно чтобы изготовить лазер  наименьших габаритов при наибольшей мощности? Ну, например, повысить давление газа до 25 атмосфер, возможно, обеспечить его прокачку, увеличить диаметр, уменьшив при этом его длину, применить поперечный разряд вместо продольного, прокачку выполнить тангенциальной подачей, внутренний электрод (трубку) выполнить в виде тепловой трубы... Все это достаточно просто реализуется если внешний электрод (корпус) и внутренний выполнить из металла.
Да, еще момент. Внешняя (да и внутренняя) труба обязательно должна быть круглого сечения? Если применить квадратные то объем газа будет побольше, при практически одинаковых габаритах.
ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #24 : 23 Март 2013, 11:30:06 »
А попробуйте нагреть и охладить оксидированную алюмишку. Обсыплется?
Сколько ни пробовал, не обсыпается. Может что-то неправильно делал :)
Сплошной не обсыплется, конечно. А вот с дырками, да при разряде через дырку - очень даже, на краях дырок будет большой градиент температур, алюминий будет вспучиваться и создавать трещинки от краев отверстия. К тому же у оксидированного алюминия тонкий слой оксида, который достаточной изоляции не дает.

Цитировать
А какое напряжение может выдержать этот слой?
От толщины зависит, но если по обычной технологии делать - пробьет.

Цитировать
Кстати, какие условия требуется соблюсти одновременно чтобы изготовить лазер  наименьших габаритов при наибольшей мощности? Ну, например, повысить давление газа до 25 атмосфер
Точнее: сделать, чтобы количество вещества в рабочей области было достаточно большим. Самый простой вариант, конечно - использовать лазер другого типа, твердотельный. Для газа - повышать давление или увеличивать рабочую область.

Цитировать
применить поперечный разряд вместо продольного
При достаточно малых габаритах продольный тоже можно. Поперечный разряд устраивают, потому что короткий разряд сделать легче, чем длинный. В очень маленьком лазере, возможно, придется разряд делать именно продольным, иначе появится проблема выгорания (травления) электродов при большом токе.

Цитировать
Внешняя (да и внутренняя) труба обязательно должна быть круглого сечения? Если применить квадратные то объем газа будет побольше, при практически одинаковых габаритах.
Полезный объем газа значительно уменьшится. Разряд в квадратной трубке никогда не займет всю трубку. Да и луч желательно делать круглым - некруглый луч растеряет мощность на этапе фокусировки. В квадратной трубке разряд вообще пойдет только в самых узких местах.

Лучше рассмотреть конструкции с другим расположением электродов - не коаксиально. Лазеру все равно, в каком направлении идет ток, при условии, что ток идет через весь полезный объем.

Тут такое замечание. Для технологических процессов обычно есть хорошая альтернатива увеличению мощности лазера - уменьшение диаметра пятна фокусировки. Чем тоньше луч, тем больше плотность энергии в луче, тем выше температура даже при той же мощности. Поэтому имеет смысл делать луч достаточно когерентным, и вряд ли стоит повышать мощность за счет ухудшения структуры луча.


Оффлайн nerv

  • не ругайтесь на опечатки, кнопки же такие маааленькие!!!
  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 264
  • Репутация: +27/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #25 : 23 Март 2013, 16:31:48 »
По последнему пункту совершенно согласен. Тем более малое пятно дает более высокое качество обработки.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #26 : 23 Март 2013, 18:38:42 »
И на самом деле еще одна альтернатива есть - переход от тепловой обработки (нагрева-плавления-испарения лучом) к лазерному травлению и лазерной абляции (химическая реакция, вызванная электромагнитным полем луча). Это происходит, если мощность очень велика (МВт-ГВт) при очень коротком импульсе (и это тот редкий случай, когда в импульсе играет роль не только энергия импульса, но и пиковая мощность). Средняя мощность для этого нужна меньше, чем при "прожигании" лазером, и может быть даже меньше 1 Вт.

Оффлайн nerv

  • не ругайтесь на опечатки, кнопки же такие маааленькие!!!
  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 264
  • Репутация: +27/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #27 : 24 Март 2013, 02:39:42 »
С травлением тоже не все просто. Лазер-то упрощается, а вот остальное добавляется. В итоге сложность всей установки если и меняется, то в большую сторону.
Обработку больших объемов материала абляционным методом сложно представляю, если честно. И средняя мощность нужна тоже очень немаленькая. Для испарения материала нужна энергия. Для большого объема - много энергии. Иначе скорость обработки будет очень маленькая, либо это все будет пригодно только для микромасштабов.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #28 : 24 Март 2013, 13:47:50 »
Верно. Опять же, при обработке очень больших заготовок лазер теряет свои преимущества перед традиционным резанием. Так что от задачи зависит. Очень мощных резаков делают, наверное, не потому что не получается, а потому что грубо резать большую заготовку можно и ленточной пилой, а для точной резки и меньшей мощности хватает. Отвод тепла, к тому же.

Абляцией на воздухе, кстати, очень хорошо рисунки наносить. На ювелирку особенно.

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #29 : 25 Март 2013, 00:13:51 »
А какой ток предпочтителен у разряда? Постоянка? Переменка? Пульсируюущий? Я понимаю, "задача" питающего разряд тока, вызвать свечение? Т.е. поток фотонов?
Для корпуса лазера из металла принципиально не подходит продольный разряд. Тяжело заизолировать вдоль, полтора метра трубы от изначально необходимого для пробоя такой длины высокого напряжения. Потому остается поперечный разряд, а раз так, то необходим либо центральный электрод, либо что-то вроде прямоугольной трубы у которой противоположные стенки из диэлектрика...
ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #30 : 25 Март 2013, 14:17:19 »
А какой ток предпочтителен у разряда? Постоянка? Переменка? Пульсируюущий? Я понимаю, "задача" питающего разряд тока, вызвать свечение? Т.е. поток фотонов?
Лазер работает только тогда, когда через разряд идет ток. Если ток будет переменным или пульсирующим, лазер будет мигать.

Если электроды разные (а они разные), тогда анод и катод оказываются вполне определенными из их геометрии, и ток делают постоянным. Ну или импульсным, если хотят импульсы.

Задача разряда - загнать атомы на метастабильный энергетический уровень. Тогда проходящий через газ свет начнет вызывать излучение более сильного света. разряд при этом светится, но не всякое свечение разряда соответствует лазерному усилению (вынужденному излучению). Если нужные условия созданы, то добавление зеркал вызовет лазерную генерацию (как у электрического усилителя, если его выход соединить со входом).

Для корпуса лазера из металла принципиально не подходит продольный разряд. Тяжело заизолировать вдоль, полтора метра трубы от изначально необходимого для пробоя такой длины высокого напряжения. Потому остается поперечный разряд, а раз так, то необходим либо центральный электрод, либо что-то вроде прямоугольной трубы у которой противоположные стенки из диэлектрика...
Обычно делают именно стенки из диэлектрика. Уникальность конструкции TRUMPF именно в том, что они от этого отказались. И вопрос длины - если полтора метра, то конечно поперечный разряд проще, но если лазер в виде "блина" маленькой длины (не уверен, что это возможно на CO2), тогда проще продольный.

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #31 : 26 Март 2013, 12:15:28 »
Еще вопрос. В описаниях работы лазеров встречается "режим сверхсвечения". Что из себя представляет этот режим, можно ли его использовать в технологии, например, резки?
ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #32 : 26 Март 2013, 13:56:52 »
Это вредный режим. Лазер, свалившийся в сверхсвечение (суперлюминесценцию), нормально работать не будет.

Суть: нормально работающий лазер усиливает собственное излучение, отразившееся от зеркал. В режиме сверхсвечения лазер усиливает какое попало излучение (то, которое обычно уходит в стороны). В результате вместо одного мощного луча получается несколько тысяч слабых, идущих из трубки во все стороны как попало.

Суперлюминесценция происходит при "перекачивании" лазера, т.е. если мощность накачки слишком велика и лазер не может ее "переварить". Порог зависит от соотношения длины и диаметра трубки; трубка большого диаметра суперлюминесцирует легче.


Режим сверхсвечения - это режим, когда усиление уходящих "в стороны" фотонов почти такое же, как усиление идущих "вдоль".
« Последнее редактирование: 26 Март 2013, 14:02:17 от Gall »

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #33 : 28 Март 2013, 12:56:32 »
Уважаемый  Gall, в каких случаях в лазерах используют проходное или полупрозрачное зеркало, а в каких отверстия (окна) вместо него. Что предпочтительнее и что это дает?
С уважением, ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #34 : 28 Март 2013, 14:19:03 »
Полупрозрачное зеркало используют всегда, когда это технически возможно. В зависимости от типа лазера коэффициент отражения может составлять от 10 до 99 процентов (у маломощных лазеров выше).

Отверстие - "запасной вариант", используется при невозможности сделать полупрозрачное зеркало. С точки зрения физики оно хуже: вероятность выхода фотона начинает зависеть от направления его распространения, усложняется селекция мод, падает когерентность. Используется в лазерах очень большой мощности, например, когда зеркало требует водяного охлаждения, или если из-за экзотической длины волны не удается подобрать материал для полупрозрачного зеркала. Может использоваться как "дешевый" вариант для лазера, от которого высокое качество луча не требуется.

Существуют и другие варианты; например, в зеленых лазерных указках применяются два глухих для 1064 нм зеркала, а вывод излучения происходит за счет его преобразования в 532 нм (зеркала прозрачны для 532 нм).
« Последнее редактирование: 28 Март 2013, 14:21:29 от Gall »

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #35 : 30 Март 2013, 01:59:21 »
А еще по поводу зеркал. Встречаются описания, например, рубиновых лазеров, у которых торцы стержня служат зеркалами, или в другом варианте зеркала выносные. Т.е. находятся на некотором расстоянии от торцов стержня. Что предпочтительнее?
ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #36 : 30 Март 2013, 10:48:31 »
Зависит от требований к конструкции.

Встроенные зеркала дешевле, конструкция проще и надежнее, но изготовление сложнее, юстировка невозможна. Обычно когерентность луча такого лазера хуже. Встроенные зеркала применяются в дешевых полупроводниковых лазерах, зеленых лазерных указках на Nd:YVO4 и в маленьких гелий-неоновых трубках.

Внешние зеркала допускают более точную юстировку и добавление вспомогательных оптических элементов между зеркалом и стержнем, например эталонов Фабри-Перо. Так делаются лазеры более высокой когерентности, а также с модулированной добротностью. Возможна замена одного из зеркал на дифракционную решетку или призму Литтрова. Внешние зеркала применяются в лабораторных лазерах.

Есть более сложные конструкции. Например, может использоваться система из четырех зеркал с кольцевой траекторией луча. Она характерна для жидкостных лазеров. Тогда зеркала обычно тоже внешние. Еще бывают мощные CO2-лазеры, в которых ради экономии места трубка "разрезана и сложена", тогда между отдельными фрагментами трубки зеркала чаще тоже внешние.

Главное преимущество внешних зеркал - возможность замены этих зеркал и модернизации уже готового лазера.
« Последнее редактирование: 30 Март 2013, 10:50:20 от Gall »

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #37 : 31 Март 2013, 09:38:25 »
Лазер работает только тогда, когда через разряд идет ток. Если ток будет переменным или пульсирующим, лазер будет мигать.
Вопрос не праздный. Присмотрелся к имеющемуся лазеру ТРУМПФ продольному, 2 квт. У него нет внутренних электродов, только снаружи кварцевых трубок. К ним подводится ВЧ, мегагерцы. Схему, правда, не смотрел (надо будет глянуть). Т.е. получается емкостное возбуждение активной среды. Если на эти внешние электроды просто подать высокое напряжение постоянного тока, то полагаю, свечение не возникнет. А вот если ВЧ, то возникнет. Более перспективный вариант, по моему мнению, импульсное постоянное напряжение высокой частоты.  Достаточно прогуляться по сайтам Тесла и Качеро строителей. Простой качер состоит из нескольких деталей. А в их полях светится почти все. Интуиция подсказывает, что изюминка процесса кроется как раз в характере разряда. Упрощенно рассуждая, мы должны "закинуть" атомы (электроны) среды на более высокий энергетический уровень. "Скатываясь" оттуда они должны породить фотоны. Энергией накачки "скатившиеся" атомы (электроны) должны быть снова заброшены на высокий энергетический уровень. Налицо колебательный процесс. Ну, а уж коли таковой имеется, то, само собой, напрашивается использование резонанса.
ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #38 : 31 Март 2013, 15:09:09 »
Вопрос не праздный. Присмотрелся к имеющемуся лазеру ТРУМПФ продольному, 2 квт. У него нет внутренних электродов, только снаружи кварцевых трубок. К ним подводится ВЧ, мегагерцы. Схему, правда, не смотрел (надо будет глянуть). Т.е. получается емкостное возбуждение активной среды. Если на эти внешние электроды просто подать высокое напряжение постоянного тока, то полагаю, свечение не возникнет. А вот если ВЧ, то возникнет.

Да, существует такой способ возбуждения. В нем используется не просто переменный ток, а действительно высокая частота, микроволновое излучение. На таких высоких частотах время жизни возбужденного состояния оказывается больше периода колебаний, и лазер работает как при непрерывной накачке. Преимущество - нет электродов, подверженных износу. Недостаток - сложность и КПД.

По сути своей это промежуточный вариант между прямой накачкой электрическим разрядом и оптической накачкой от лампы (как в твердотельных лазерах). Уже не ток, но еще не свет.

Цитировать
Более перспективный вариант, по моему мнению, импульсное постоянное напряжение высокой частоты.  Достаточно прогуляться по сайтам Тесла и Качеро строителей. Простой качер состоит из нескольких деталей. А в их полях светится почти все. Интуиция подсказывает, что изюминка процесса кроется как раз в характере разряда. Упрощенно рассуждая, мы должны "закинуть" атомы (электроны) среды на более высокий энергетический уровень. "Скатываясь" оттуда они должны породить фотоны. Энергией накачки "скатившиеся" атомы (электроны) должны быть снова заброшены на высокий энергетический уровень. Налицо колебательный процесс. Ну, а уж коли таковой имеется, то, само собой, напрашивается использование резонанса.


Не совсем так. Дело в том, что есть процесс спонтанного излучения (просто свечение) и есть излучение лазерное (вынужденное, усиливаемое). Спонтанное излучение возникает просто: забрасываем электроны на верхний уровень, они падают вниз и излучают фотон. Это происходит как попало, и при этом получается простой некогерентный свет.

Для лазерного излучения нужны особые уровни - верхний должен быть метастабильным, а нижний - чуть выше основного. Причем всех уровней, задействованных в процессе, должно быть по возможности четыре. Сначала электроны попадают на самый верхний уровень. Этот уровень никогда не может быть устойчивым (если на него электрон можно забросить, то с него электрон легко и сбросить). Поэтому чуть ниже есть второй уровень - метастабильный. Электроны, падающие с верхнего уровня сразу после накачки, "застревают" на нем на достаточно большое время (микросекунды). Это важно! Электроны не должны дальше падать сами по себе, они должны именно дождаться фотона, чтобы могло произойти ВЫНУЖДЕННОЕ излучение (т.е. усиление). А дальше - еще интереснее. Если мы хотим, чтобы лазер работал в непрерывном режиме, то электроны не должны при излучении падать прямо на самый нижний уровень! Нужен еще четвертый уровень, промежуточный. На нем электроны не задерживаются, а сразу проваливаются вниз.

Четвертый уровень придется пояснить. Дело в том, что процесс излучения и процесс поглощения симметричны. Если электрон падает вниз и излучает фотон, то при наличии электрона внизу точно такой же фотон поглотится. Это значит, что если электроны с метастабильного уровня будут попадать прямо на основной, то лазер будет поглощать собственное излучение! Ведь на метастабильном уровне образуется пустота, на основном электронов всегда много, а значит, возможно поглощение фотона и переход электрона обратно вверх. Это вредный процесс. Поэтому реальные лазеры работают обычно на 4 уровнях.

Есть исключения. Классический рубиновый лазер - трехуровневый. Поэтому он может работать только в коротком импульсе и с плохим КПД (он очень быстро перестает усиливать и начинает поглощать собственный свет). Азотный лазер вообще двухуровневый. Поэтому он работает в еще более коротком импульсе, имеет плохой КПД и отвратительную когерентность - свет успевает пройти через резонатор только один раз, и фильтрации от "грязи" толком не происходит. Эти типы лазеров широкого применения не нашли.



Вот классическая картинка уровней гранатового лазера. Накачка забрасывает электроны сразу на несколько разных верхних уровней, причем широких. Электроны с них почти сразу переходят на 4F3/2, это метастабильный уровень. Под действием фотона происходит излучение еще одного фотона (переход на 4F11/2). Это и есть лазерный переход. Потом электроны возвращаются на основное состояние 4T9/2. Если бы не было промежуточных уровней и переходов, излучение либо не было бы лазерным, либо поглощалось бы самим же лазером обратно.

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #39 : 31 Март 2013, 17:05:34 »
М-да... Картина намного сложнее чем представлялась.
А имеются ли, какие нибудь признаки или параметры среды, которые позволи ли бы судить о том, на каком уровне находится основная масса электронов? Сопротивление, емкость, ток, напряжение, частота, форма кривой, ну и т.п.?
ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #40 : 31 Март 2013, 21:08:47 »
Очевидных - нет. Поддаются расчету, но расчет сложный (такие расчеты - узкая специализация у физиков). Но спасает то, что в действительности в веществах разных энергетических уровней чуть менее чем до фига, поэтому подходящие находятся очень часто, вплоть до того, что даже на бактериях можно сделать лазер. Простой критерий - вещества, способные к флюоресценции на каких-то длинах волн, чаще всего где-то в области тех же длин волн имеют лазерный переход. Но не всегда.

Есть несколько основных способов сделать лазер. Самый простой - взять атомы с подходящими уровнями, обычно это 3d-элемент (хром) или 4f-элемент (неодим, эрбий) и поместить в виде маленькой примеси либо в прозрачное твердое вещество (корунд, гранат, стекло), либо в раствор. Корунд с хромом имеет красный цвет и называется "рубин" - и это было первое вещество, которое пришло в голову физикам. Кстати, лазерный рубин не красный, а бледно-розовый, почти прозрачный: хрома не должно быть много. Накачивать такой лазер придется светом - лампой или другим лазером.

Подходящие атомы можно взять в виде газа (неон, аргон) или испарить вещество (медь, кадмий, ртуть, золото). Тогда можно использовать накачку электрическим разрядом. Опять же, вещества должно быть мало, и опять требуется нейтральный "заполнитель" (он же - среда для электрического разряда), обычно это гелий. Так получаются гелий-неоновый лазер, гелий-кадмиевый лазер, лазеры на парАх меди, золота, ртути, свинца. Иногда удается обойтись одним чистым газом, не смесью (аргоновый лазер).

Можно взять не атом, а молекулу, причем использовать и колебательные энергетические уровни тоже. CO2 подойдет. Опять же в смеси с гелием. Можно использовать накачку не электрическим разрядом, а за счет химической реакции (лазер на HF) или же за счет электрического разряда вызывать обратимую реакцию (лазер на эксимере XeF).

Можно взять сложную органическую молекулу, у которой уровни можно делать очень разными на выбор. К сожалению, они будут довольно широкими и короткоживущими, поэтому очень большую мощность не получить, зато длину волны можно сделать любой и даже регулируемой. Это лазеры на органических красителях. Обычно краситель используется в виде спиртового раствора и одновременно является охлаждающей жидкостью.

Можно особыми способами сделать в кристалле полупроводника желаемую схему уровней. Это все полупроводниковые диодные лазеры. Даже если такой лазер получается плохим, его можно использовать для накачки другого лазера вместо мощной лампы. При лазерной накачке возбуждаются не какие попало уровни, а избирательно только один нужный уровень, поэтому КПД получается намного выше.
« Последнее редактирование: 31 Март 2013, 21:16:04 от Gall »

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #41 : 31 Март 2013, 23:47:32 »


Чисто для иллюстрации - как выглядит результат расчета структуры энергетических уровней в каком-то кристалле. Не знаю, что это за вещество - просто случайная картинка из Интернета, даже не имеющая к лазерам отношения. График справа, перевернутый на бок - плотность энергетических уровней (из нее можно получить заселенность, зная температуру). График слева - собственно уровни; мы привыкли рисовать их прямыми горизонтальными черточками, но в кристалле энергия уровней начинает зависеть от направления движения электрона/фотона/чего-то_еще по отношению к решетке кристалла (от импульса, говорят физики), поэтому по оси абсцисс отложено это самое направление импульса. Буквами отмечены характерные направления, Г - это "центр", "ноль", а остальные точки - см. ссылку ниже. Мы движемся из точки в точку и строим график, как при этом меняется энергия.

Обозначения точек зоны Бриллюэна (картинка)
« Последнее редактирование: 31 Март 2013, 23:50:01 от Gall »

Оффлайн вв-21

  • Новичок
  • *
  • Сообщений: 23
  • Репутация: +0/-0
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #42 : 01 Апрель 2013, 07:42:12 »
Понятно... Но, расчет расчетом, а каким образом конструктор, пользователь, узнает, что атомы(молекулы, электроны) достигли и находятся на требуемом уровне? И как это достигается физически? Меняется частота импульсов, уровень напряжения, тока, состав газовой среды? Рачет ведь не всегда совпадает с реальностью. Поясню мысль: допустим, мощность излучения растет до определенного предела в зависимости от концентрации гелия в лазере. В таком случае элементарная автоматическая следящая цепочка с обратной связью будет поддерживать максимум мощности излучения за счет регулировки подачи гелия. Я упрощенно, разумеется.
ВВ.

Оффлайн Gall

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2737
  • Репутация: +172/-0
    • Sam's Laser FAQ на русском
Re: Лазер из двух алюминиевых труб
« Ответ #43 : 01 Апрель 2013, 12:33:53 »
В физике расчет совпадает с реальностью с огромной точностью. Задача инженера - сделать лазер в точности так, как рассчитано, а задача физика - сделать расчет в точности по данной конструкции, без упрощений.

О том, соответствует ли расчет реальности, можно судить по измерениям характеристик лазера. Характеристики расчет тоже дает. Если все сходится, значит, расчет верен.

 



SimplePortal 2.3.3 © 2008-2010, SimplePortal