Тема: Стабилизированный He-Ne-лазер - DIY

[Gall]

Проект позаимствован у Сэма, собираюсь осуществить. Пока только теория.

Стабилизированный гелий-неоновый лазер делается из обычной недорогой "голой" гелий-неоновой трубки. У меня есть старая трубка от сканера штрих-кода фирмы "Uniphase" и блок питания к ней, собираюсь использовать ее (ибо лежит без дела, других причин нет). Стабилизация основана на точном регулировании расстояния между зеркалами трубки, что делается за счет ее нагревания.

Обратная связь на нагреватель берется с фотодиодов (собираюсь использовать OPT101P). Измеряется соотношение поляризаций мод, генерируемых трубкой. Чаще всего получаются две ортогонально поляризованных моды просто в силу конструктивных особенностей (мне обычно нужна одна мода, лишнюю отрежу потом, но можно не отрезать). Сам сигнал очень удобно брать с утечки через заднее зеркало лазера - там как раз слабенький луч, достаточный для фотодиодов. Его надо разделить по поляризациям, для этого я поставлю кубик от DVD (дешево и сердито). Идею включения фотодиодов возьму от ЛГН-303, только вместо ОУ использую встроенные цепи OPT101P и ее же калиброванные резисторы. Как буду регулировать нагреватель и какой будет нагреватель, пока не знаю.

Не очень знаю, как лучше сделать нагреватель. Мотать нихром на трубку не хочу. Еще не очень знаю, как сделать корпус. Возможно, использую толстую алюминиевую трубку (может быть прямоугольную из "Оби"). Остальное вроде очевидно. Ну и придется фрезеровать детальки для крепления делительного кубика и фотодиодов и, наверное, анодировать их в черный цвет.

[donavi]

Так получается весь секрет стабилизации это нагревание трубки.
Мне не совсем понятно как именно будет фотодиод регулировать нагреватель. С луча фотодиодом снимается его мощность и в это время подается регулируемое контроллером напряжение на нагреватель.
А как тогда такие мелочи, как скорость реагирования нагревателя?

Собственно я присмотрелся к своему китайскому лазеру так в действительности он оказался американцем производства JDS Uniphase 1122р.
В нем весьма интересно реализована функция стабилизации за счет уникальной конструкции закрытого катода который быстро и равномерно распределяет тепло по всей трубки.
Это как раз и был тот таинственный звук когда я трубку верх вниз перемещал  я сперва подумал что трубка разбита а это всего лишь навороты в трубке 
Жалко что не удалось разобрать, уж очень хотелось на конструкцию катода посмотреть 
Да и мШЭИ с него получить не удалось в приемнике нет не каких интерферирующих звуков. ну бп конечно слышно но в основном все Чисто.

Вот мне интересно что теперь с этим чудом делать. куда можно применить стабилизированный лазер.
1 голограммы
2 Раман-спектрометр?
3 ?
Да и цена данного нового лазера 800$   жалко как то, теперь будет у меня пылится на полке, все же хотел что то сделать с него.

[Gall]

Так получается весь секрет стабилизации это нагревание трубки.
Мне не совсем понятно как именно будет фотодиод регулировать нагреватель. С луча фотодиодом снимается его мощность и в это время подается регулируемое контроллером напряжение на нагреватель.
А как тогда такие мелочи, как скорость реагирования нагревателя?

Не совсем нагревание. Принцип работы очень похож на термостат, но нам важна не температура, а особый состав излучения лазера.

Принцип работы. Луч лазера подаем через делительный кубик на два фотодиода. (Удобно использовать "паразитный" луч, который утекает через заднее зеркало - все равно он никуда больше не используется). Наша цель - сделать, чтобы освещенность фотодиодов была в определенном соотношении (например, просто одинакова). Когда мы видим отличие от "идеального" соотношения в одну сторону, мы увеличиваем нагрев, а когда отклоняется в другую сторону - наоборот, уменьшаем. Если нагреватель достаточно быстр и если нету никаких сильных внешних помех вроде обратного отражения луча в лазер или тряски, скачки мод в лазере прекращаются и начинается ровная генерация на заданных модах.

Схема управления нагревателем совершенно классическая, почти как термостат, только вместо датчика температуры фотодиоды. Нагреватель включаем через транзистор, на базу транзистора подаем выход усилителя с фотодиодов. В принципе ничего сложного.

Это самый простой способ активной стабилизации. Есть более сложные. Например, можно перемещать зеркало не за счет нагрева, а пьезоприводом. Такие схемы работают лучше, но они намного сложнее. Зато они обеспечивают стабильность лазера иногда вплоть до 2 Гц.

Недостаток схемы с фотодиодами в том, что она не может нормально работать при обратном отражении. В лазере ЛГН-304М на выходе добавили специальное защитное стеклышко, препятствующее попаданию луча обратно в лазер. В ЛГН-303 такого стеклышка еще нет, поэтому при обратном отражнии лазер превращается в обычный, нестабилизированный.

Собственно я присмотрелся к своему китайскому лазеру так в действительности он оказался американцем производства JDS Uniphase 1122р.
В нем весьма интересно реализована функция стабилизации за счет уникальной конструкции закрытого катода который быстро и равномерно распределяет тепло по всей трубки.

Это пассивная стабилизация. Она уменьшает флуктуации плазмы, плавание зеркал и скачки мод. Обычно она считается недостаточной.

Это как раз и был тот таинственный звук когда я трубку верх вниз перемещал  я сперва подумал что трубка разбита а это всего лишь навороты в трубке 
Жалко что не удалось разобрать, уж очень хотелось на конструкцию катода посмотреть 

Даже в разобранном виде не будет видно. Катод там снаружи, как у всех лазеров, просто более массивный. У обычных лазеров там тонкая фольга, а тут, скорее всего, довольно толстая труба. У современных лазеров резервуар для рекомбинации ионов всегда делают снаружи коаксиально с капилляром разряда, в нем же катод, и устройства потому не видно. У старых лазеров катодный резервуар часто торчал сбоку пузырем. Очень неудобно, занимает много места и очень легко разбить нечаянно. Зато устройство видно.
 

Да и мШЭИ с него получить не удалось в приемнике нет не каких интерферирующих звуков. ну бп конечно слышно но в основном все Чисто.

Потому и не удалось, и потому в очередной раз подтверждается, что "мШЭИ" есть не что иное как интермодуляция блока питания с флуктуациями плазмы. Те 400-500 кГц, на которые настраивается радиоприемник - это гармоника блока питания, а звук возникает из-за продольных колебаний в трубке лазера. У лазера с пассивной стабилизацией таких колебаний нет, потому ничего не слышно. У ЛГН-303 таких колебаний в норме тоже вроде бы нет, но при посторонней подсветке фотодиода стабилизация работать перестает, и начинаются обычные для всех лазеров эффекты в плазме. Для лазера длиной 20-30 см должна быть частота около 3 кГц на множестве несущих частот, кратных примерно 30-40 кГц (в зависимости от типа БП), что в общем-то и слышно.

(Природу таких явлений, как "мШЭИ", нужно исследовать за счет сравнения их свойств с расчетами по формулам. Если свойства совпадают с расчетом, значит, это оно и есть. Я уже говорил, что мне очень не нравится термин "ШЭИ", потому что излучение вполне узкополосное - он не отражает суть.)

Вот мне интересно что теперь с этим чудом делать. куда можно применить стабилизированный лазер.
1 голограммы
2 Раман-спектрометр?
3 ?
Да и цена данного нового лазера 800$   жалко как то, теперь будет у меня пылится на полке, все же хотел что то сделать с него.

Ну во-первых любой хороший лазер всегда можно продать, и его оторвут с руками. Но сделать с ним можно много всего.

Стабилизация нужна вот для чего. Мы знаем, что гелий-неоновый лазер должен давать 632.8 нм, но на самом деле его частота может быть не очень постоянной. Разные моды лазера отличаются примерно на 0.5 ГГц и могут чуть-чуть меняться со временем. У стабилизированного лазера они НЕ меняются и их частоты очень постоянны (причем часто есть ровно ОДНА мода). Ну и замечательно, потому что теперь можно использовать постоянство его частоты для ТОЧНЫХ измерений.

1. Голография. Тут есть собственно изобразительные голограммы, но есть еще и голографическая интерферометрия. Это точное измерение размеров (точнее, изменений размеров) предметов. Достижимая точность 50 нм и выше. Таким способом можно очень точно измерять какие-нибудь перемещения.

1а. Голографический микроскоп. По интерференции света на очень маленьком предмете можно вычислить форму этого предмета. Простейший школьный опыт - дифракция и интерференция на волосе (натянуть волос поперек луча лазера), и из этого можно вычислить диаметр волоса.

2. Спектроскопия - не только Раман, а вообще всякая. Тут точный стабильный лазер не будет лишним. Спектры используются для двух задач. В простейшем случае - определить неизвестное вещество или наличие примесей. В более сложном случае вещество известно, примесей в нем нет, а исследуются особенности этого вещества - например, точно измеряются длины каких-то там химических связей.

3. Интерферометрия, не голографическая. То есть просто очень точные измерения. Например, можно измерить показатель преломления воздуха, т.е. увидеть маленькую разницу между скоростью света в воздухе и в вакууме! Или можно измерить скорость движения Земли по орбите и даже увидеть ее маленькие изменения. Оптические измерения - самые точные из всех измерений, которые вообще можно сделать без каких-то там адронных коллайдеров.

Это список исчерпывающий, но только потому, что все его три пункта очень широкие (и даже перекрывающиеся). Экспериментов, которые можно сделать - тысячи.

Вообще вся современная наука построена на ТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ. Имеется формула. Можно что-то измерить и можно это же вычислить по формуле. Если результат сходится (с учетом погрешности!), значит, никаких новых физических явлений тут нет. Но иногда бывает, что формула дает один результат, а прибор показывает другой. Это значит, что есть какое-то неучтенное физическое явление. И может оказаться, что оно неизвестно науке! Шансов найти новый физический эффект нету почти совсем, но зато есть хорошие шансы найти новые свойства не очень хорошо изученных веществ. Или же измерить старые и известные свойства, но на пару знаков точнее, чем они указаны в справочнике. (И издать потом свой собственный справочник, более точный, чем все остальные).

Сэм написал очень любопытную подборку того, что вообще делают с лазерами. Вот она:
http://laserfaq.ru/sam/laserexp.htm
http://laserfaq.ru/sam/laserlia.htm
http://laserfaq.ru/sam/laserioi.htm

[barbucha]

3. можно измерить показатель преломления воздуха, т.е. увидеть маленькую разницу между скоростью света в воздухе и в вакууме!

могли бы вы сказать как это сделать

[Gall]

Самый простой способ такой. (Строго говоря, он получается даже с нелазерным источником света, но с лазером, тем более со стабилизированным - намного лучше, надежнее, точнее).

Луч разделяем на два (неважно как - зеркалом, призмой и т.д.), пускаем параллельно и потом собираем обратно в один луч. Например так:

(Эта схема называется "интерферометр Жамена").

Оба луча пропускаем через одинаковые трубки известной длины. В одной трубке просто воздух. Вторая трубка подключена к насосу. Изначально давление в трубках одинаково, потом мы начинаем постепенно откачивать воздух из одной трубки (и следим за давлением). По мере откачивания, т.е. по мере того, как содержимое трубки постепенно приближается к вакууму, показатель преломления тоже уменьшается, приближаясь к показателю преломления вакуума. При этом изменяется разность хода лучей, и на выходе получается то увеличение яркости, то уменьшение из-за интерференции. (Если смотреть глазом, то видны ползущие полосы, а "выход" - это центр, через который проходит то темная полоса, то светлая). Считаем, сколько раз это произошло - определяем, на сколько длин волн изменилась разность хода. Зная длину волны света, вычисляем разность хода. Зная разность хода и длину трубок, вычисляем разность показателей преломления в трубке с воздухом и в откачиваемой трубке. Откачивать до глубокого вакуума необязательно, вместо этого можно измерить остаточное давление и учесть его. Можно даже поступить наоборот - не откачивать, а закачивать воздух в трубку и смотреть, как показатель преломления увеличивается с давлением.

Тот же самый метод работает для любых других газов. В этом случае в одной трубке исследуемый газ, а в другой вакуум или другой газ с заранее известным показателем преломления (можно воздух).

[barbucha]

имелось в виду сделать на открытом воздухе.
Слышал что делают на основе лазера проверку загрязнения атмосферы и подсчет пылинок в воздухе в помещении.

например сделать лазерный прожектор и облучать им комнату в которой есть разные газы или объект излучающий тепло. Около него воздух может менять свои параметры.
И это фиксировать камерой которая фотографирует поляризацию или сравнивать луч с эталонным лучем. Можно ли тогда получить картину облака газа или что-то типа тепловизора?

Реально ли сделать прибор на основе лазера показывающий состояние ионосферы например озоновые дыры?

[Gall]

имелось в виду сделать на открытом воздухе.
Слышал что делают на основе лазера проверку загрязнения атмосферы и подсчет пылинок в воздухе в помещении.

На открытом воздухе принцип тот же: надо один луч пустить через воздух, а второй - неважно как, но через вещество с известным показателем преломления. Через вакуум, через чистый воздух или другой газ, через оптоволокно - в общем, любым способом, лишь бы не через НАШ воздух. Тогда можно будет сравнить показатели преломления.

Загрязнение лазером измерить еще проще: определить степень прозрачности воздуха. Допустим, ставим лазер и фотодиод перед ним. Измеряем интенсивность. Затем отодвигаем фотодиод на расстояние 10 метров и снова измеряем. В вакууме яркость луча на 10 метров осталась бы той же, что и прямо перед лазером. В воздухе она станет меньше отчасти за счет рассеяния на самом воздухе и отчасти от грязи. Измеряем, насколько меньше, и тем самым узнаем степень загрязнения.

Импульсным лазером (как в дальномере) можно измерять расстояния. Загрязнение воздуха так тоже можно измерить: прибор покажет расстояние до пылинок.

Размеры пылинок можно (и очень легко) определить по дифракции лазера на них. Простой опыт, получается с любым лазером, даже с указкой из газетного киоска: измерить диаметр волоса. Пересечь волосом луч лазера, на стене появятся полосы. По расстоянию между полосами и расстоянию до стены вычисляется диаметр волоса. Пыль, случайно попавшая в луч, дает такую же картину.

например сделать лазерный прожектор и облучать им комнату в которой есть разные газы или объект излучающий тепло. Около него воздух может менять свои параметры.
И это фиксировать камерой которая фотографирует поляризацию или сравнивать луч с эталонным лучем. Можно ли тогда получить картину облака газа или что-то типа тепловизора?

В такой конструкции не удастся увидеть изменение параметров воздуха. Облучать "прожектором" нельзя - луч пойдет по непредсказуемому пути неизвестной длины. Все работающие конструкции пускают лазер по прямой, причем источник и приемник находятся на точно известном расстоянии (обычно на оптической скамье).

Если позволить лазеру отражаться от предмета, можно измерить его скорость и расстояние до него. В некоторой степени это работает для измерения скорости воздушных потоков в верхних слоях атмосферы. Для этого обычно требуются довольно экзотические лазеры, например желтый 589 нм.

Реально ли сделать прибор на основе лазера показывающий состояние ионосферы например озоновые дыры?

Да. И это делается.

[donavi]

Интересно какова же мощность данного лазера.
У меня до сих пор мечты достать лазерным лучом до луны
На луне якобы еще и зеркала установлены астронавтами и так измеряли раньше расстояние до луны.
Но Сейчас вроде бы зеркала уже запылились и измерять что либо не удается или их там вообще никогда не было 

[Gall]

Этот скорее всего еще и импульсный в момент импульса, могут быть и киловатты.
Лазером до Луны достать не так и сложно Но для этого надо отказаться от ТОНКОГО луча. Луч надо расширить телескопом, причем чем больше диаметр - тем лучше. А вот мощность может быть совсем маленькой. Но лазер должен быть с хорошим лучом, TEM00 обязательно, когерентность приветствуется. Гелий-неоновый, или зеленая указка, но не синий и не красный "супермощный". Тогда у луча есть шансы сфокусироваться.

Как это делать. Надо иметь два телескопа, оба навести на одну и ту же точку Луны в ТЕМНОЙ ее части (т.е. в полнолуние не пробовать, первая или последня четверть или даже новолуние - идеальное время). Потом через один смотреть, а через второй светить (лазер прикрепить примерно так, как крепят камеру). Если оба телескопа достаточно хорошие, то лазер удастся сфокусировать на Луне в пятно несколько километров диаметром, и это вполне видно. Светофильтр на телескопе того же цвета, что и лазер, поможет увидеть.

По теории - почему так, а не иначе - см. оптику гауссовых пучков.

--

Я только что побаловался с лазером, который будет у меня под переделку. А именно, посмотрел, как у него поляризация меняется. Смотрел совсем тупо, просто через поляризатор от фотоаппарата луч пропустил, попутно еще и с котом этим лучом играл. (Кот совсем зажрался, на указку уже не согласен, подавай He-Ne. На звук выключателя лазера из другой комнаты прибегает. Скоро, видимо, будет одномодовый требовать - буду по коту когерентность проверять ) Оказалось - поляризация плывет довольно медленно, то вертикальная, то горизонтальная, с периодом секунд 10 друг друга сменяют с прогревом лазера. Моды не определял, да и незачем - лучше уже в собранной конструкции разберусь, какая где мода. Главное, что эта трубка способна к обеим поляризациям и способна их менять с прогревом. Живем!

[donavi]

У меня имеются два лазерных модуля на 532nm 50mw и другой на 650nm 100mw.
Если у меня шансы с ними добраться до луны?
А еще видел китайский лазер на 532nm 10000mw стоит ли его покупать, будет ли у него больше шансов чем у моих 50mw.
Еще не совсем понятно чем плох узкий луч, он что типа рассеивается и теряется на больших километрах?
Насколько я понял играясь с коллиматором лазера чем тоньше удалось сфокусировать точку чем дальше получается достать лазерным лучом.

[Gall]

У меня имеются два лазерных модуля на 532nm 50mw и другой на 650nm 100mw.
Если у меня шансы с ними добраться до луны?

Да, с 50-милливаттным. Со 100-милливатным не получится. Я не видел ни одного красного модуля мощностью больше 3 мВт, у которого был бы чистый луч, а не зоопарк десятков мод. Думаю, ваш не исключение.

Мощность лазера вообще не играет тут никакой роли. 1 мВт тоже достает до Луны. Важна только расходимость, а она определяется качеством луча. На маленьких расстояниях разница незаметна, а на 384 тысячах километров проблемы с фокусировкой станут совершенно явными. Китайцы врут насчет связи мощности с расстоянием, на которое бьет лазер. На самом деле хорошие маломощные лазеры бьют гораздо дальше, чем плохие мощные. Мощность нужна постольку, поскольку слабый луч трудно увидеть. Возможное решение проблемы тут - модуляция луча (отличить луч от фона по мерцанию).

Можно использовать импульсный лазер с модулированной добротностью. Тем самым не просто достать до Луны, но и измерить расстояние до нее. Отраженный импульс вернется от Луны примерно через 2 секунды. Мощность такого лазера очень велика, проблем с наблюдением не будет.

А еще видел китайский лазер на 532nm 10000mw стоит ли его покупать, будет ли у него больше шансов чем у моих 50mw.

Не стоит хотя бы потому, что с мощностью ЗАВЕДОМО наврали. Самый мощный DPSS-лазер, который я видел, имел мощность 3000 мВт и стоил около 3000 долларов. В каталогах есть модули и на 10 Вт, но цены начинаются от 11000 евро за модуль. Если действительно нужны мощности в 10 Вт и выше, нужно использовать аргоновые лазеры или лазеры на парах меди, но не DPSS. При таких мощностях они значительно дешевле - "всего-навсего" 5-6 тысяч евро за новый, около 1000 евро за б/у без доставки. (Ну и вообще с такими мощностями без нужды лучше не связываться, потому что они, например, могут расплавить некачественную линзу в плохо продуманной установке).

Еще не совсем понятно чем плох узкий луч, он что типа рассеивается и теряется на больших километрах?

Луч, тонкий в одном месте, за этим местом сразу резко разойдется, как конус.
Луч, толстый всюду, будет иметь примерно одинаковую толщину по всей своей длине.
Если мы хотим добить лучом как можно дальше, нам надо сделать луч как можно толще.
Нельзя сделать самое тонкое место луча толще, чем отверстие, из которого луч выходит. Но можно заменить маленькое отверстие лазера на большое отверстие телескопа.

Насколько я понял играясь с коллиматором лазера чем тоньше удалось сфокусировать точку чем дальше получается достать лазерным лучом.

Вовсе нет. Луч лазера подчиняется законам гауссовых пучков, а они очень своеобразны. Луч дифрагирует на самом себе. Коротко: угол, под которым расходится луч, напрямую связан с толщиной луча в самом тонком месте, причем чем толще это место, тем ближе луч к цилиндру.

(На самом деле, конечно, любой луч подчиняется этим законам, не только лазерный. Но только на лазере эти законы становятся главными. Любой другой луч рассеивается гораздо раньше по совсем другим причинам.)

На пальцах - так. Представьте себе струю воды из садового распылителя. Если отверстие большое, струя будет толстой, но зато будет почти цилиндрической. Если отверстие маленькое, получится широкий расходящийся конус. Лазер отличается от распылителя тем, что у него самое тонкое место не обязано быть отверстием лазера, оно может быть и посередине между лазером и целью. Но суть не меняется: чем острее фокус, тем шире конус.

Вот картинка, которая очень хорошо все объясняет:

Здесь неважно, идет ли луч слева направо или справа налево.

Расстояние до Луны очень большое, поэтому луч должен быть как можно толще. Разумеется, нельзя делать луч 1 мм диаметром, как у обычного лазера. Надо расширить его до 10 см, а еще лучше до 1 метра толщины. Для этого нужен телескоп.

Вот задача из учебника Звелто "Принципы лазеров":

Пусть гауссов пучок TEM00, генерируемый рубиновым лазером (694,3 нм), проходит через телескоп диаметром 1 метр, качество которого определяется дифракцией, и освещает участок на поверхности Луны. Предполагая, что расстояние от Земли до Луны равно 384000 км и воспользовавшись соотношением для диаметра объектива телескопа и размеров пятна пучка D=2,25w01, вычислите размер пятна пучка на Луне. (Искажениями пучка в атмосфере пренебречь).

Ответ задачи давать не буду (вдруг решить захочется ), но покажу несколько других примеров. Телескоп Крымской обсерватории диаметром 2.5 метра при длине волны 550 нм создал на Луне пятно диаметром 90 метров. Луч диаметром 1 см по пути до Луны разойдется до диаметра 23 км. Луч диаметром 1 мм от "обычного" лазера вообще размажется по 300-километровому пятну. Любительский телескоп диаметром 10 см может претендовать на пятно примерно 2 км диаметром. Это очень малая освещенность, но с хорошим телескопом с фильтрами и с длительной выдержкой есть шансы ее сфотографировать.

Никакой луч нельзя сфокусировать на расстоянии, большем, чем пи*w2/2лямбда, где w - диаметр луча, лямбда - длина волны. Это значит, что никаким способом нельзя с Земли получить на Луне пятно меньше 11 метров диаметром (при 532 нм).

[barbucha]

может ли лидар сделать фото ионосферы например квадрат 1 км на 1 км
где различными цветами будет показано состояние ионосферы?

[Gall]

А почему бы и нет. Даже если нельзя снять сразу, всегда можно просканировать точка за точкой.

[barbucha]

а определить химический состав который остается после пролета самолета в виде белой полосы?

[Gall]

Тяжко поймать обратно отраженный от этой полосы луч. Проще аэростат с приборами запустить. Хотя состав как раз белой полосы известен - это вода. Причем в основном та вода, которая уже содержалась в воздухе. Такой след может оставить любой быстро движущийся объект, ему даже необязательно иметь двигатели.