Láser de vapor de manganeso casero

En este artículo del décimo aniversario, describiré lo que es una consecuencia lógica, una continuación de mi industria láser independiente. Después de construir una fuente de energía que sea adecuada para bombear láseres de vapor de metal pulsado y adquirir experiencia con elementos activos ya preparados de láseres de vapor de cobre y sus compuestos, solo quedó fabricar el elemento láser activo (en adelante, AE) de forma completamente independiente, con un nuevo medio de trabajo.



Se impusieron los siguientes requisitos a la elección del medio de trabajo: radiación en la región visible, potencia alcanzable relativamente alta, eficiencia aceptable, fácil accesibilidad y bajo costo, temperatura de funcionamiento no demasiado alta.

Se obtuvo la generación láser para casi todos los elementos químicos posibles, pero solo unas pocas unidades cumplen con las condiciones anteriores. Por extraño que parezca, la mejor opción es el mismo cobre y sus compuestos, pero para mí esto ya es una etapa en gran medida pasada. Todavía hay una cantidad de metales como candidatos que tienen una eficiencia de generación láser más o menos decente bajo el régimen de excitación similar al de los láseres de vapor de cobre: ​​bario, estroncio, manganeso, plomo, oro. El bario y el estroncio desaparecen inmediatamente, porque sus líneas de generación se encuentran en el rango IR, que es aburrido y feo. Restos de manganeso, plomo y oro. El oro también se cae debido al alto costo y la temperatura de trabajo demasiado alta (1600+ grados Celsius). Solo quedaban 2 candidatos: plomo y manganeso.Ambos metales son baratos y deberían ser relativamente asequibles: el plomo se puede encontrar literalmente debajo de sus pies, destripando una batería o un trozo de cable blindado de alto voltaje seleccionado en la basura, el manganeso se usa ampliamente en la metalurgia ferrosa y se produce en volúmenes colosales.

El manganeso es capaz de generar a una longitud de onda de 534 nm (la línea principal) y varias líneas más fuertes en IR y alrededor de 3-4 líneas verdes débiles. La potencia alcanzable para un AE bien hecho y una fuente de alimentación cuidadosamente ajustada excede los 10 W en total para todas las líneas de emisión, la temperatura de funcionamiento está en la región de 1000-1100 grados, que es significativamente menor que la del cobre. La tasa óptima de repetición de pulso varía según otras condiciones experimentales y debe seleccionarse. En cualquier caso, se ajusta al rango "estándar" de 5-15 kHz. En plomo, la línea de generación principal se encuentra en el límite con el rango IR de 722 nm y hay otra transición con una longitud de onda de aproximadamente 405 nm, una potencia alcanzable de las unidades W para la línea de 722 nm. Una característica de este entorno es una ganancia récord de 600 dB / m.La temperatura de funcionamiento es de 800-900 grados, y la temperatura óptima según diversos datos de la literatura por debajo de 10 kHz. El gas amortiguador óptimo para ambos metales es el helio, aunque también se puede usar argón.

Decidí dejar de elegir el manganeso en base a los datos anteriores: la eficiencia de generación es claramente mayor y la longitud de onda es claramente más agradable, muy cercana a la "referencia" habitual de 532 nm. Después de eso, fue necesario determinar el diseño del elemento activo. Se encontraron muchos materiales sobre láseres de manganeso en revistas científicas como "Quantum Electronics" y "Devices for Scientific Research", que están disponibles en Internet o directamente, como en el caso de CE o a través del hub (para la versión en inglés de PNI). A partir de los artículos revisados, quedó claro que la generación es posible con casi cualquier tamaño del canal de descarga y en un rango bastante amplio de condiciones de excitación, mientras que el modo de excitación óptimo y la presión del gas tampón deben seleccionarse para un AE específico. Después de lo cual dibujé un bosquejo de mi futuro AE,basado en las piezas disponibles, y procedió a la fabricación.



Mirando hacia el futuro, diré que fue inesperadamente difícil encontrar manganeso para este láser, y describiré todas mis pruebas en esta área en un artículo separado.

Entonces, la base del elemento activo del láser es un tubo cerámico con un diámetro interno de 14 mm y una longitud de 800 mm, que es el canal de descarga. Usando bujes hechos de hormigón celular, se fija en un tubo de cuarzo de gran diámetro. El espacio entre las paredes de los tubos está lleno de aislamiento térmico. Como la primera opción para tal aislamiento térmico, decidí intentar usar una fina arena de corindón, como en los primeros láseres de vapor de cobre.







Después de ensamblar el canal de descarga con la carcasa y el aislamiento térmico a alta temperatura, se obtuvo dicho dispositivo.





En los extremos de la carcasa exterior de la tubería, los conjuntos de electrodos se fijan debido a los sellos de goma apretados por las bridas. Los conjuntos de electrodos son cabezas de brida mecanizadas en aluminio. Y para su fabricación, primero fue necesario echar los espacios en blanco.



Después de girar, estos son los detalles.





Desde el interior de las cabezas, un ánodo en forma de tubo de pequeño diámetro y un cátodo en forma de cono se atornillan a la rosca. Ambos electrodos fueron mecanizados de acero inoxidable no magnético





Las cabezas de aluminio están equipadas con aletas para enfriar el aire. Los espejos de resonador están unidos a los extremos de las cabezas de los electrodos por pequeñas bridas. Los anillos de goma entre los espejos y la cabeza del electrodo actúan como un sello de vacío. Al mismo tiempo, proporcionan cierta movilidad de los espejos para su alineación. Desde los lados de los cabezales de los electrodos hay accesorios para el bombeo y la entrada de gas. La dosificación de gas se realiza usando la misma aguja de insulina pegada en uno de los accesorios. Por lo tanto, se obtuvo un diseño AE completamente coaxial que se asemeja a uno de fábrica. Las dimensiones de las partes se pueden ver en los bocetos que dibujé antes de girar.





Después de fabricar todas las piezas, realicé un ensamblaje de prueba del AE, que reveló de inmediato "enfermedades infantiles". Aquí, los electrodos en sí aún no están instalados.







En primer lugar, era necesario rechazar la arena como aislamiento. En el primer bombeo fuera del tubo, el aire encerrado en los vacíos dentro del relleno comenzó a aflojarse, arrojando grandes volúmenes de arena en aquellos lugares donde no debería estar, incluido el hecho de ser arrastrado a una bomba de vacío, que no lo benefició de ninguna manera. La solución se encontró como un reemplazo de arena con lana de cerámica. El aire ya estaba dejando el algodón sin obstáculos durante el bombeo.



Otra dificultad inesperada fue la extrema fragilidad de toda la estructura. 2 de los 3 procedimientos de montaje y desmontaje terminaron con el astillado del borde del tubo de cuarzo al momento de apretar las bridas de los cabezales de los electrodos, aunque la pared del tubo parecía ser gruesa. Una solución a este problema requeriría una alteración radical de las cabezas y un método de fijación, que hasta ahora se ha decidido no hacer, ya que el diseño es experimental. Durante el proceso de ensamblaje, agregué otro elemento: un tubo de aluminio alrededor de todo el AE, que actúa como una ruta de corriente inversa y reduce la inductancia parasitaria del AE. Para que nada se rompa bajo el peso de esta tubería, agregó soporte desde el extremo opuesto.





Por lo tanto, el AE estaba listo para el bombeo de prueba y la primera inclusión de la descarga en él. Pero en este punto no tenía suficiente cable de conexión. Para su fabricación, utilicé el mismo tipo de cable coaxial que para el láser de vapor de cobre y un conector similar de LGI21, que tuvo que modificarse. Después de eso, fue posible por primera vez encender la descarga y tratar de ingresar al régimen de temperatura de funcionamiento mientras está inactivo. Como gas de trabajo, utilicé argón a una presión del orden de 10 Torr. Aquí surgió otro defecto: una gran cantidad de energía de descarga fluyó hacia abajo a través del soporte del conductor de corriente de retorno al suelo a través de la pared de la tubería, lo que provocó que se calentara fuertemente y menos energía de la que podría entregarse a la "descarga objetivo".





Además, un aislamiento interno del canal de descarga no era suficiente. Tuve que desmontar el AE nuevamente y mover este soporte en la dirección opuesta, y llenar el espacio entre la caja de cuarzo y el conductor de retorno con aislamiento térmico adicional de la misma lana de cerámica. En lugar del soporte de metal, donde estaba antes, instaló una manga de hormigón celular. Por lo tanto, se eliminaron las fugas de energía y la pérdida de calor.





Al ensamblar, el borde de la tubería se cortaba tradicionalmente, como resultado de lo cual, con cada ensamblaje, todo el láser AE se acortaba ligeramente. Al final, logré armarlo y pude comenzar una capacitación a gran escala sin sustancia funcional. El objetivo principal de esta capacitación es permitir que el AE se caliente a la temperatura de funcionamiento y superior, para quemar por completo todos los restos de impurezas volátiles que están literalmente repletas tanto del tubo cerámico del canal de descarga como del aislamiento interno de alta temperatura, especialmente después de que accidentalmente el aceite de la bomba de vacío ingrese al tubo. Para evitar que esto vuelva a suceder, coloqué una trampa de aceite en forma de un Drexel clásico en el hueco en la manguera de vacío. Por extraño que parezca, no hay fugas de vacío en una sección química convencional. El color blanquecino de la descarga indica la liberación de impurezas.El entrenamiento tuvo que extenderse a varias horas, de modo que todo el aceite restante se evaporó y se quemó y la descarga adquirió un color azul rosado rosado normal, característico del argón. Durante el entrenamiento, el AE pudo calentarse a la temperatura de funcionamiento, y el calentamiento de los cabezales de los electrodos fue inesperadamente moderado, a pesar de que el ánodo y el cátodo estaban al rojo vivo.
Proceso de entrenamiento:





al final del entrenamiento, el color de la descarga se convirtió en el color característico del argón.



El canal de descarga se calentó muy viciosamente, como los electrodos. El brillo es visible incluso a través del aislamiento térmico.





Después del entrenamiento, el tubo se llenó de argón a presión atmosférica, los accesorios se cerraron y se mantuvo en esta forma.

Paralelamente, estaba buscando el entorno de trabajo real del láser: manganeso. Esto resultó ser dificultades inesperadas, todos los químicos familiares hicieron un gesto de impotencia y no sabían dónde obtener manganeso, los comerciantes de Internet que tenían manganeso a la venta, se vendían solo en barriles, y su pureza estaba lejos de ser "láser": el 95% de los principales sustancias Y también en Internet había personas únicas que intentaban vender 200 gramos de 99% de manganeso al precio de un kilogramo de plata, e incluso con la demanda "espere un mes hasta que lleguen desde Alemania". Tampoco había manganeso metálico en la tienda local de reactivos químicos, pero sí había sales de este, de las cuales intenté obtener yo mismo manganeso metálico. Más sobre esto estará en el artículo correspondiente. Todas mis tribulaciones terminaron repentinamentecuando un pequeño rey del manganeso de alta pureza vino del creador del sitio web PeriodicTable por correo, por lo cual está muy agradecido.



Después de eso, quedaba por hacer botes de cuarzo para la sustancia de trabajo y empujarlos hacia el canal de descarga. Los botes tuvieron que ser ordenados en un taller de soplado de vidrio. Cuando estuvieron listos, separé pequeñas piezas del rey, las coloqué en los botes, y los botes se deslizaron fácilmente en el canal de descarga a través de las aberturas de los espejos láser.



Luego los espejos fueron devueltos al lugar y comenzaron las pruebas.

Después de bombear el tubo láser al vacío máximo, alineé los espejos, deben alinearse al vacío, ya que de lo contrario la alineación fallará cuando se deforman los sellos. Por cierto, olvidé decir que el espejo sordo aluminizado y la placa de cuarzo plano paralelo como una ventana de salida se usan como espejos. Los espejos se ajustaron usando el láser de helio-neón de la escuela LGN-109.

Láser antes de comenzar.



Sistema de gas.



Luego lancé una pequeña corriente de argón a una presión de 10 Torr. Decidí "acelerar" el láser con argón, ya que había bastante helio. A esta presión, la descarga se encendió fácilmente y el láser comenzó a calentarse. Se calentó bastante rápido, y cuando el canal de descarga adquirió un brillo naranja oscuro, se notó un cambio en el color de descarga de rosa a turquesa.



Luego apareció un punto verde brillante en el centro del punto del resplandor de descarga, en el que se adivinó una sombra de los barcos incrustados en el canal de descarga, que bloqueó parcialmente la abertura de luz del canal. ¡La generación ha sido recibida!



Después del argón, se introdujo helio en el AE, y se cortó el argón, lo que inmediatamente aumentó la potencia de generación varias veces, y al seleccionar la presión de helio, alcanzó una potencia máxima. La selección del modo de bomba (voltaje, ChSI) permitió mantener el régimen térmico estacionario del láser y observar un poco la radiación. Un rayo láser verde brillante, bien visible y venenoso de forma irregular se vertió desde la ventana de salida debido a que los barcos bloquearon la abertura.









Al mismo tiempo, hay suficiente potencia para carbonizar madera y cartón al enfocar. Debido a la forma inútil de la viga, se enfocó bastante mal. Teniendo en cuenta que una viga mal enfocada fue capaz de carbonizar la madera contrachapada, estimaría su potencia en un valor de aproximadamente 1 W, pero no más.









Después de jugar lo suficiente y tomar una foto, apagué el láser y lo dejé enfriar. Después de este experimento, se pueden sacar varias conclusiones. La conclusión principal, la colocación de la sustancia de trabajo en los barcos, es una idea regular. La apertura de la luz sufre mucho y hasta el 70% del potencial permanece sin realizarse. No por nada en los láseres de vapor de cobre, el canal de descarga está hecho de una sección transversal variable con secciones de mayor diámetro. Precisamente en ellos se ubica el fluido de trabajo y la abertura del canal se limita a secciones más estrechas del tubo. Si es posible, la diferencia de diámetro se hace lo más pequeña posible. La creación de un "generador de vapor de fluido de trabajo" que funcione bien se ha convertido en una tarea separada y no trivial en el desarrollo de EA industriales, cuya solución requirió la fabricación de un montón de prototipos diferentes. En mis condiciones fue más fácil soportar la pérdida de parte del poder,pero puedes dejar los barcos si lo deseas. La segunda sorpresa inesperada para mí fue que al desmontar el láser en el canal de descarga, quedaba poco de los botes. Resultó que el manganeso fundido disuelve el cuarzo. Por lo tanto, cuanto más necesite deshacerse de los barcos. Pero si no se deshace, al menos hágalos de otro material, por ejemplo, leucosapphire. Parece que esta es la única opción para condiciones tan agresivas. Característicamente, es fácil obtener una pieza de trabajo adecuada: los quemadores de la lámpara de sodio están hechos de leucosapphire. Bueno, el montaje de los cabezales de los electrodos debe rehacerse, ya que las operaciones adicionales de desmontaje y montaje han dejado la carcasa del láser inutilizable. En cuanto al resto, puedo llamar a este láser exclusivamente justificable en mi práctica, ya que ni una sola empresa produjo láseres de manganeso en la antigua URSS,ni en el mundo El láser de manganeso nunca salió de las paredes de los laboratorios. Por qué? No lo entiendo. Quizás porque su longitud de onda es muy cercana a la estándar de 532 nm, que se obtienen utilizando láseres de estado sólido y duplicación de frecuencia, que no necesitan una fuente de alimentación de alto voltaje compleja y un tubo láser frágil con una vida limitada. Y donde se necesita la divergencia de difracción de radiación con alta potencia y también a longitudes de onda visibles, ya existen láseres de vapor de cobre, en los que la eficiencia es 5 veces mayor. Sin embargo, diría que el láser de manganeso es inmerecidamente olvidado y podría estar disponible comercialmente antes de la era DPSS. Además, el láser de vapor de talio, que genera radiación a una longitud de onda de 535 nm, no salió de las paredes de los laboratorios. Pero no, no lo haré,¿por qué trabajar con una sustancia extremadamente peligrosa y un bombeo extremadamente complejo cuando es mucho más fácil usar manganeso con una longitud de onda de 534 nm? Pero probé el plomo, pero también habrá una nota separada sobre este experimento paralelo.

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