Лазер из рубина своими руками
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 19.09.2024
Во второй половине 20 века неотъемлемой частью практически любой военной техники стали сложные оптикоэлектронные приборы. Естественно, стал вопрос, а какие меры воздействия можно применить против этой "ахиллесовой пяты" современной бронетехники с целью получения преимущества на поле боя?
Базой для комплекса послужила известная самоходная гаубица Мста-С. Ее шасси обладало достаточной грузоподъемностью. И без того немалая башня "Мсты" была увеличена для размещения в ней систем лазера. В задней ее части была установлена мощная вспомогательная силовая установка для питания прожорливой энергосистемы лазера. А в передней части установили собственно оптическую систему, состоящую из 12 объективов, которые на марше прикрывались бронекрышками.
Специально для сжатия был выращен искусственный кристалл рубина массой 30кг(!), который должен был стать основой лазера. Рубину придали форму цилиндрического стержня, концы которого отполировали и покрыли слоем серебра. Для освещения рубинового стержня применяли импульсные ксеноновые газоразрядные лампы-вспышки, через которые разряжаются батареи высоковольтных конденсаторов. Лампа-вспышка имеет форму спиральной трубки, обвивающейся вокруг рубинового стержня. Под действием импульса света в рубиновом стержне создаётся инверсная заселённость и благодаря наличию зеркал возбуждается лазерная генерация, длительность которой чуть меньше длительности вспышки накачивающей лампы (считанные миллисекунды).
В декабре 1990 года был построен рабочий прототип, который прошел испытания. Машина была признана в целом успешной. Более того, было даже рекомендовано принятие на вооружение. Однако, сложившаяся политическая и экономическая ситуация не позволила воплотить эти планы в жизнь. Машина, по понятным причинам, была очень дорогой и стала уже не нужной новой стране.
Всего было выпущено две экспериментальные машины. Единственный сохранившийся экземпляр находится в Военно-техническом музее в подмосковном селе Ивановское.
В США же эти наработки СССР послужили для выманивания у конгрессменов дополнительного финансирования на проекты лазерного вооружения.
По некоторым данным, в феврале 2017 года стало известно о подготовке для принятия на вооружение мобильного лазерного комплекса на основе разработок комплекса 1К17 "Сжатие". Так что пусть этот проект и не встал на вооружение, но сыграл роль в развитии отечественных лазерных технологий.
Оптический квантовый генератор состоит из двух основных частей: активной среды и резонатора.
В первых лазерах активной средой был кристалл рубина с примесью около 0,05% хрома (рис. 104). Этот основной элемент лазера обычно имеет форму цилиндра диаметром 0,4-2 см и длиной 3—20 см. Торцы цилиндра 3 и 4 строго параллельны, и на них нанесен слой серебра. Одна из зеркальных поверхностей частично прозрачна: 92% светового потока отражается от нее и около 8% пропускается ею.
Рубиновый стержень помещен внутри импульсной ксеноновой спиралевидной лампы 2, питаемой импульсами высокого напряжения от батареи конденсаторов электроемкостью до заряжаемой до напряжения в несколько тысяч вольт. При разряде через лампу конденсаторы батареи отдают энергию в сотни тысяч джоулей. Длительность вспышки составляет , а мощность лампы превышает 107 Вт. Лампа является источником возбуждающего излучения. Инверсная населенность уровней в рубине создается использованием трех уровней энергии атомов хрома.
Атомы хрома, поглощая излучение с длиной волны 560 нм, содержащееся в спектре ксеноновой лампы, переходят с основного уровня на возбужденный уровень Поглощение рубином излучения лампы с
другими длинами волн вызывает его нагревание. Для предохранения от теплового разрушения рубин охлаждается жидким азотом.
Время жизни атомов хрома на возбужденном уровне мало. Для перехода с уровня на основной оно составляет , а для перехода оно меньше с. Поэтому большая часть атомов, возбужденных на уровень совершает переходы на второй возбужденный уровень
Время жизни атома хрома на уровне сравнительно велико — порядка с. Этот уровень является метастабильным: Если мощность лампы-вспышки достаточно велика, то населенность метастабильного уровня окажется больше, чем населенность основного уровня. При достижении инверсной населенности уровней кристалл рубина становится активной средой.
Процесс перевода атомов из основного в возбужденное состояние называют накачкой. Соответственно используемую для этого импульсную ксеноновую лампу называют лампой накачки.
Достаточно одному атому хрома совершить спонтанный переход с метастабильного уровня на основной с испусканием фотона с частотой которой соответствует длина волны красного света 694,3 нм, как возникает лавина фотонов, вызванная индуцированным излучением атомов хрома, находящихся в метастабильном состоянии. Если направление вылета первичного фотона было перпендикулярно плоскости зеркал резонатора, то из полупрозрачного зеркала резонатора вырывается монохроматическое, когерентное и остронаправленное излучение с длиной волны 694,3 нм.
Процессы, протекающие в кристалле рубина, схематически представлены на рисунке V цветной вклейки.
Кристалл рубина изображен на этой вклейке прямоугольником; штриховкой слева обозначено зеркало; более редкой штриховкой справа обозначено частично прозрачное зеркало, являющееся и выходным окном для луча лазера. Атомы кристаллической решетки рубина на рисунке не показаны; кружками обозначены атомы хрома, распределенные внутри кристалла хаотически.
До воздействия света все атомы хрома в кристалле находятся в основном состоянии, они обозначены светлыми кружками (см. рис. V, а на цветной вклейке). Под воздействием фотонов света различной частоты, испускаемых лампой накачки, большинство атомов хрома переходит в возбужденное метастабильное состояние. Возбужденные атомы хрома обозначены темными кружками (см. рис. V, б на цветной вклейке).
Возбужденный атом хрома при переходе в основное состояние испускает фотон света. Все направления для спонтанного излучения фотонов равновероятны, и поэтому сначала большинство излученных фотонов покидает кристалл, вылетая из него по различным направлениям. Только фотоны, летящие вдоль оси
рубинового стержня, не могут быстро его покинуть, испытывая многократные отражения от зеркал на торцах кристалла (см. рис. V, в на цветной вклейке). Пролетая вблизи возбужденных атомов хрома, эти фотоны вызывают вынужденное излучение таких же фотонов, летящих в том же направлении. Этот процесс развивается лавинообразно, и за короткий интервал времени в него оказывается вовлеченной большая часть возбужденных атомов хрома: сквозь частично прозрачное зеркало на правом торце кристалла вырывается мощный пучок когерентного света (см. рис. V, г на цветной вклейке).
Описанный режим работы лазера называют режимом свободной генерации. Свободная генерация начинается после вспышки лампы накачки и длится около 1 мс. В этом режиме получены рекордные значения энергии излучения, достигающие 1000 Дж в импульсе при мощности около Вт.
КПД рубинового лазера невелик: он составляет всего около 1%. Столь низкий КПД обусловлен многими причинами. Основными из них являются следующие: не весь запас электрической энергии, накапливаемой в конденсаторе, превращается в световую энергию; лишь часть светового потока лампы накачки поглощается рубином.
Рубиновый лазер – твердотельный лазер, в активной среде которого для получения когерентных электромагнитных волн красного цвета используется искусственно выращенный розовый рубин.
Рубиновый лазер:
Рубиновый лазер – твердотельный лазер , в активной среде которого для получения когерентных электромагнитных волн красного цвета используется искусственно выращенный розовый рубин.
Рубиновый лазер был первым лазером , на котором была осуществлена генерация лазерного излучения. Он был изобретен в 1960 г.
Розовый рубин, применяемый в качестве активной среды, получают искусственно, путем выращивания из расплава смеси оксида алюминия (Al2O3) и небольшой части (порядка 0,05 %) оксида хрома (Cr2O3). Именно атомы хрома отвечают за генерацию электромагнитных волн. В природном рубине концентрация оксида хрома (Cr2O3) больше, поэтому он имеет красный цвет.
Длина волны рубинового лазера составляет 694,3 нм.
Рубиновый лазер работает в основном в импульсном режиме. При этом для его накачки используется ксеноновая лампа среднего давления (~ 500 мм р.ст.). Существует три импульсных режима его работы:
- – в режиме модуляции добротности его мощность в одиночном гигантском импульсе длительностью 10-20 нс составляет 10-50 МВт,
- – в режиме синхронизации мод пиковая мощность в импульсе длительностью около 10 пс равна нескольким гигаваттам,
- – в режиме длинного импульса длительностью от 0,3 до нескольких миллисекунд его мощность составляет нескольких джоулей .
При накачке ртутными лампами высокого давления рубиновый лазер может работать также и в непрерывном режиме. Однако в этом случае кристалл рубина необходимо охлаждать до низких температур.
В рубиновом лазере инверсия населенностей возбуждённых атомов хрома достигается с помощью импульсной газоразрядной лампы (либо ксеноновой лампы, либо ртутной лампы). В дальнейшем, ионы хрома, переходя из возбужденного состояния в основное, отдают квант электромагнитного излучения (фотон).
Конструктивно рубиновый лазер состоит из стержня рубина с диаметром от 3 до 25 мм и длиной до 20 см, используемого в качестве активной среды. Кристалл рубина с одной стороны полностью закрыт отражающим зеркалом, а с другой стороны – на выходе – полупрозрачным зеркалом. Для возбуждения используется импульсная газоразрядная лампа.
Рубиновый лазер применяется в косметологии – для удаления татуировок, в голографии, в научных экспериментах.
Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия (корунд), в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома ( ). Активными центрами являются ионы хрома . В лазерах обычно используется бледно-розовый рубин с содержанием хрома около 0,05% (приблизительно ионов в ). Кристалл имеет высокую механическую прочность и теплопроводность, легко выращивается до больших размеров без потери высокого оптического качества.
Схема энергетических уровней рубина представлена на рис. 3.3.
За счет взаимодействия атомов хрома с кристаллической решеткой образуются широкие энергетические зоны и , обеспечивающие поглощение рубина в диапазоне от 3000 до 6400 с максимумами в области 4100 и 5600 .
Рабочим переходом в рубине является переход между уровнями и . Состояние является метастабильным и имеет время жизни около . Переход между уровнями соответствует линиям и с длиной волны 6943 и 6929 . В этих линиях сосредоточено около 65 % общего потока люминесценции рубина. Лазерное излучение в рубиновом кристалле может быть получено как на линии ( 6943 ), так и на линии ( 6929 ). На практике же из-за более низких пороговых мощностей накачки и больших вероятностей перехода для линии лазеры работают в основном на длине волны 6943 .
Инверсия заселенности в рубине между уровнями - создается за счет использования трехуровневой системы. Уровни и объединены для удобства в один третий уровень (Рис. 3.3).
Возбуждение рубина (уровень 3) происходит за счет поглощения энергии от источника накачки с плотностью и перехода атомов хрома с первого ( ) состояния. Атомы хрома, оказавшись на 3 уровне, могут перейти на 1 уровень ( ) и на 2 й ( ). Со 2 го уровня атомы переходят в основное 1 состояние с излучением линий. За счет разницы во временах жизни уровней 3 и 2 ( ) на 2 уровне происходит накопление возбужденных атомов. Уравнения баланса для трехуровневой системы имеют вид:
,
где , и - концентрация атомов на уровнях 1, 2 и 3.
Из уравнения баланса можно определить концентрацию атомов на 1, 2 и 3 состояниях.
(3.2 )
( 3.3 )
( 3.4 )
Рис. 3.4 Зависимость концентрации атомов на уровнях от плотности накачки
Зависимость концентрации атомов на уровнях 1, 2 и 3 от плотности накачки можно представить графически (Рис. 3.4)
Анализ результатов расчета показывает, что при увеличении плотности накачки различие во временах жизни атомов на уровнях 2 и 3 приводит к перераспределению концентрации атомов между уровнями таким образом, что при плотности накачки на уровне 2 атомов становится больше, чем на уровне 1. Наблюдается инверсная заселенность.
Рис. 3.5 Схема возбуждения рубина в отражательных эллипсоидах.
(3.5)
Создаются условия для усиления индуцированного излучения.
( 3.6 )
( 3.7 )
Чем больше разница между и , тем при меньших плотностях накачки наступает инверсная заселенность.
Для возбуждения рубина чаще всего используются импульсные ксеноновые газоразрядные лампы. Большая эффективность накачки достигается за счет размещения ламп и кристаллов рубина в фокальной плоскости отраженных эллипсоидов (рис. 3.5 ).
Читайте также: