Простой и удобный лазер с высоким КПД

Если у вас есть статья, заметка или обзор, которыми вы хотите поделиться с аудиторией нашего сайта, присылайте информацию на: aleksandr.belozerov@gmail.com. За статьи платим деньги!

Лазер давно стал удобным инструментом, используемым в химии, биологии, медицине, машиностроении, науке, военном деле.

По мере развития лазерных технологий рос интерес к техническим и экономическим характеристикам лазеров. Высокий КПД лазера приобрел принципиальное значение в связи с исследованиями в области термоядерного синтеза как источника дешевой и экологически чистой энергии. Термоядерный синтез происходит в плотной плазме, нагретой до сотни миллионов градусов. Одним из перспективных способов нагревания плазмы является фокусировка мощного лазерного импульса на плазменную мишень. Ясно, что энергия термоядерного синтеза должна существенно превосходить затраты энергии на создание плазмы, в которой будут происходить термоядерные реакции. Иначе никакой экономической выгоды такой процесс не даст. Поиски конструктивного решения, которое обеспечит высокий КПД лазера и приемлемые эксплуатационные характеристики выявили отличительные особенности, описанные ниже.

При создании первых лазеров было важно показать принципиальную возможность усиления светового луча в среде с инверсной заселенностью энергетических уровней и возможность создания среды с инверсной заселенностью. Термин «инверсная заселенность» означает, что в энергетическом спектре атома возникает пара энергетических уровней в которой число электронов на верхнем уровне больше чем на нижнем. В этом случае проходящее излучение сталкивает электроны с верхнего уровня на нижний и электроны отдают свою энергию в виде новых фотонов. Инверсная заселенность достигается по-разному: в химических процессах, в газовом разряде, за счет мощного облучения и др.

Предлагаемое устройство отличается от известных аналогов двумя особенностями.

Первая особенность состоит в том, что лампа накачки размещена не снаружи рабочего тела, а внутри него. (Рис.1)

Лазер с осевой накачкой
Рис.1 Лазер с осевой накачкой

Это позволило нанести отражающее покрытие непосредственно на боковую поверхность рабочего тела (неодимовое стекло). Указанная особенность повысила эффективность сбора света от лампы накачки примерно в 4 раза.

Для сравнения на рис. 2 показана схема накачки с четырьмя лампами.

Лазер с внешними лампами
Рис.2 Схема накачки лазера с внешним расположением ламп

Эффективность собирания света на рабочее тело снижена в такой схеме из-за того, что лучи в секторе с углом α вообще не фокусируются на рабочее тело, кроме того лучи, идущие под небольшим углом к оси лампы, не попадают на рабочее тело, кроме того, изображение лампы в области рабочего тела превышает размер рабочего тела. Вспомним, что только лучи от точечного источника собираются в противоположном фокусе эллипсоида. Наконец многократное отражение с частичным рассеянием от стенок лампы, от зеркала и от поверхности рабочего тела тоже снижает эффективность сбора света.

В предложенной схеме практически все лучи заперты внутри отражателя. В результате уменьшения числа необходимых ламп накачки уменьшился объем и вес батареи конденсаторов в 4 раза. Кроме того, сам генератор стал проще дешевле и компактнее.

Вторая особенность относится к устройству резонатора. Обычный резонатор состоит из двух параллельных зеркал, одно из которых является полупрозрачным, а другое непрозрачным. В данном устройстве непрозрачное зеркало заменено на уголковый отражатель в виде стеклянной призмы с наклонной входной гранью. Наклон входной грани позволяет располагать эту грань под углом Брюстера (; — коэффициент преломления стекла) к оси лазера (рис.3).

Угол Брюстера
Рис.3 Призма для луча, входящего под углом Брюстера

В этом случае излучение лазера поляризовано и не отражается от входной грани призмы. Основное преимущество применения указанной призмы состоит в том, что отраженный луч строго параллелен падающему лучу. Резонатор всегда остается настроенным. В то же время обычный резонатор с параллельными зеркалами требует трудоемкой точной настройки (юстировки). Отражающее покрытие зеркала легко повредить. Призма не имеет отражающего покрытия. Луч испытывает полное внутреннее отражение.

Интересно отметить и конструкцию юстировочного механизма. (рис. 4)

Юстировочный механизм
Рис. 4 Юстировочный механизм

Механизм состоит из трех панелей (выделены цветом), соединенных гибкими элементами (черные). Первая и вторая панели соединены по нижним горизонтальным торцам. Вторая и третья панели соединены по левым вертикальным торцам. Такая конструкция дает две степени свободы для малых поворотов первой панели относительно третьей панели вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Для прецизионного поворота каждая пара панелей соединена дифференциальным винтом. Половина винта имеет резьбу, например, М4, а вторая половина винта – резьбу М5 Шаг этих резьб отличается на ~ 100мкм. Одна часть винта входит в резьбовое отверстие в одной панели, а другая в резьбовое отверстие в другой панели.

Поворот головки винта на целый оборот изменит расстояние между панелями всего на 100 мкм. Кроме того, гибкие элементы поджимают панели друг к другу и полностью исключают люфт. Одна из крайних панелей жестко закрепляется на оптической скамье, на другой крайней панели закрепляется зеркало или призма.  Юстировка осуществляется комфортно и навсегда.

Перечисленные особенности делают лазер особенно удобным в полевых условиях.

Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них