Laser à vapeur de manganèse fait maison

Dans cet article du 10e anniversaire, je décrirai ce qui est une conséquence logique, une continuation de mon industrie laser indépendante. Après avoir construit une source d'énergie adaptée au pompage des lasers à vapeur de métal pulsé et acquis de l'expérience avec des éléments actifs prêts à l'emploi de lasers à vapeur de cuivre et de ses composés, il ne restait plus qu'à fabriquer l'élément laser actif (ci-après - AE) de manière complètement indépendante, avec un nouveau support de travail.



Les exigences suivantes ont été imposées au choix d'un milieu de travail: rayonnement dans la zone visible, puissance atteignable relativement élevée, efficacité acceptable, accessibilité facile et faible coût, température de fonctionnement pas trop élevée.

La génération laser a été obtenue pour presque tous les éléments chimiques possibles, mais seules quelques unités remplissent les conditions ci-dessus. Curieusement, le meilleur choix est tout de même le cuivre et ses composés, mais pour moi, c'est déjà une étape largement dépassée. Il existe encore un certain nombre de métaux candidats qui ont une efficacité de génération de laser plus ou moins décente sous le régime d'excitation similaire à celui des lasers à vapeur de cuivre: baryum, strontium, manganèse, plomb, or. Le baryum et le strontium disparaissent immédiatement, car leurs lignes de génération se situent dans la gamme IR, qui est ennuyeuse et laide. Reste le manganèse, le plomb et l'or. L'or chute également en raison du coût élevé et de la température de fonctionnement trop élevée (1600+ degrés Celsius). Il ne restait que 2 candidats - le plomb et le manganèse.Les deux métaux sont bon marché et devraient être relativement abordables - le plomb peut être trouvé littéralement sous vos pieds, éviscérant une batterie ou un morceau de câble haute tension blindé sélectionné à la poubelle, le manganèse est largement utilisé en métallurgie ferreuse et est produit en volumes colossaux.

Le manganèse est capable de générer à une longueur d'onde de 534 nm (la ligne principale) et plusieurs autres lignes fortes en IR et environ 3-4 lignes vertes faibles. La puissance réalisable pour un AE de bonne facture et une alimentation soigneusement réglée dépasse 10 W au total pour toutes les lignes de rayonnement, la température de fonctionnement est de l'ordre de 1000-1100 degrés, ce qui est nettement inférieur à celui du cuivre. Le taux de répétition d'impulsion optimal varie en fonction d'autres conditions expérimentales et doit être sélectionné. Dans tous les cas, il s'inscrit dans la plage «standard» de 5-15 kHz. En plomb, la ligne de génération principale se situe à la limite de la plage IR de 722 nm et il y a une autre transition avec une longueur d'onde d'environ 405 nm, une puissance réalisable d'unités de W pour la ligne de 722 nm. Une caractéristique de cet environnement est un gain record de 600 dB / m.La température de fonctionnement est de 800 à 900 degrés et le chisi optimal selon diverses données de la littérature en dessous de 10 kHz. Le gaz tampon optimal pour les deux métaux est l'hélium, bien que l'argon puisse également être utilisé.

J'ai décidé d'arrêter mon choix sur le manganèse sur la base des données ci-dessus - l'efficacité de génération est nettement plus élevée, et la longueur d'onde est nettement plus agréable, très proche de la "référence" habituelle de 532 nm. Après cela, il a fallu déterminer la conception de l'élément actif. De nombreux documents sur les lasers au manganèse ont été trouvés dans des revues scientifiques comme «Quantum Electronics» et «Instruments for Scientific Research», qui sont disponibles sur Internet ou directement, comme dans le cas de CE ou via le hub (pour la version anglaise de PNI). À partir des articles examinés, il est devenu clair que la génération est possible pour presque n'importe quelle taille du canal de décharge et dans une gamme suffisamment large de conditions d'excitation, tandis que le mode d'excitation optimal et la pression du gaz tampon doivent être sélectionnés pour un AE spécifique. Après quoi j'ai dessiné un croquis de mon futur AE,sur la base des pièces disponibles, et a procédé à la fabrication.



Pour l'avenir, je dirai qu'il a été difficile de trouver du manganèse pour ce laser, et je décrirai toutes mes épreuves dans ce domaine dans un article séparé.

Ainsi, la base de l'élément actif du laser est un tube en céramique avec un diamètre intérieur de 14 mm et une longueur de 800 mm, qui est le canal de décharge. À l'aide de bagues en béton cellulaire, il est fixé dans un tube en quartz de grand diamètre. L'espace entre les parois des tubes est rempli d'isolation thermique. Comme première option pour une telle isolation thermique, j'ai décidé d'essayer d'utiliser un sable de corindon mince, comme dans les premiers lasers à vapeur de cuivre.







Après avoir assemblé le canal de décharge avec le boîtier et l'isolation thermique à haute température, un tel dispositif a été obtenu.





Aux extrémités du tubage extérieur, les assemblages d'électrodes sont fixés en raison des joints en caoutchouc pressés par les brides. Les assemblages d'électrodes sont des têtes de bride usinées en aluminium. Et pour leur fabrication, il a d'abord fallu couler les ébauches.



Après avoir tourné, ce sont les détails.





De l'intérieur des têtes, une anode en forme de tube de petit diamètre et une cathode conique sont vissées sur le fil. Les deux électrodes ont été usinées à partir d'un acier inoxydable non magnétique





Les têtes en aluminium sont équipées d'ailettes pour le refroidissement par air. Les miroirs résonateurs sont fixés aux extrémités des têtes d'électrodes par de petites brides. Les anneaux en caoutchouc entre les miroirs et la tête d'électrode agissent comme un joint sous vide. En même temps, ils assurent une certaine mobilité des miroirs pour leur alignement. Sur les côtés des têtes d'électrodes se trouvent des raccords pour le pompage et l'arrivée de gaz. Le dosage du gaz est effectué en utilisant la même aiguille à insuline collée dans l'un des raccords. Ainsi, une conception AE complètement coaxiale ressemblant à une conception d'usine a été obtenue. Les dimensions des pièces sont visibles sur les croquis que j'ai dessinés avant de tourner.





Après avoir fabriqué toutes les pièces, j'ai effectué un test d'assemblage de l'AE, qui a immédiatement révélé des "maladies infantiles". Ici, les électrodes elles-mêmes ne sont pas encore installées.







Tout d'abord, il fallait rejeter le sable comme isolant. Lors du premier pompage hors du tube, l'air enfermé dans les vides à l'intérieur du remblai a commencé à le desserrer, jetant de grandes quantités de sable dans les endroits où il ne devait pas être, y compris aspiré dans une pompe à vide, ce qui ne lui a pas profité. La solution a été trouvée pour remplacer le sable par de la laine de céramique. L'air laissait déjà le coton sans entrave pendant le pompage.



Une autre difficulté inattendue était l'extrême fragilité de l'ensemble de la structure. 2 procédures d'assemblage et de démontage sur 3 se sont terminées par l'écaillage du bord du tube de quartz au moment du serrage des brides des têtes d'électrodes, bien que la paroi du tube semble épaisse. Une solution à ce problème nécessiterait une modification radicale des têtes et une méthode de fixation, ce qui a jusqu'à présent été décidé de ne pas le faire, car la conception est expérimentale. Pendant le processus d'assemblage, j'ai ajouté un autre élément - un tube en aluminium autour de l'ensemble de l'AE, qui agit comme un chemin de courant inverse et réduit l'inductance parasite de l'AE. Pour que rien ne se brise sous le poids de cette pipe, il a ajouté un support de l'extrémité opposée.





Ainsi, l'AE était prêt pour le pompage d'essai et la première inclusion de la décharge en elle. Mais à ce stade, je n'avais pas assez de câble de connexion. Pour sa fabrication, j'ai utilisé le même type de câble coaxial que pour le laser à vapeur de cuivre et un connecteur similaire de LGI21, qui a dû être modifié. Après cela, il a été possible pour la première fois d'activer la décharge et d'essayer d'entrer dans le régime de température de fonctionnement au ralenti. Comme gaz de travail, j'ai utilisé de l'argon à une pression de l'ordre de 10 Torr. Un autre défaut est apparu ici - une grande quantité d'énergie de décharge a coulé à travers le support du conducteur de courant de retour vers le sol à travers la paroi du tuyau, ce qui l'a fait chauffer fortement et moins d'énergie que ce qui pourrait être fourni à la «décharge cible».





De plus, une isolation interne du canal de décharge n'était pas suffisante. J'ai dû démonter à nouveau l'AE et déplacer ce support dans la direction opposée, et remplir l'espace entre le boîtier en quartz et le conducteur de retour avec une isolation thermique supplémentaire de la même laine céramique. À la place du support métallique, où il était auparavant, installé un manchon de béton cellulaire. Ainsi, les fuites d'énergie et les pertes de chaleur ont été éliminées.





Lors de l'assemblage, le bord du tuyau était traditionnellement haché, ce qui a permis à chaque assemblage de raccourcir légèrement l'ensemble du laser AE. Finalement, j'ai réussi à l'assembler et j'ai pu commencer une formation à grande échelle sans substance de travail. L'objectif principal d'une telle formation est de permettre à l'AE de se réchauffer à la température de fonctionnement et au-dessus, de brûler complètement toutes les impuretés volatiles restantes qui regorgent littéralement à la fois du tube en céramique du canal de décharge et de l'isolation haute température interne, en particulier après que par inadvertance l'huile de la pompe à vide pénètre dans le tube. Pour éviter que cela ne se reproduise, j'ai mis un piège à huile sous la forme d'un Drexel classique rincant dans l'espace du tuyau d'aspiration. Curieusement, il n'y a pas de fuite de vide sur une section chimique conventionnelle. La couleur blanchâtre de la décharge indique la libération d'impuretés.La formation a dû être étendue à plusieurs heures, afin que toute l'huile restante s'évapore et brûle et que la décharge prenne une couleur bleu rosâtre normale, caractéristique de l'argon. Au cours de la formation, l'AE a pu être chauffé à la température de fonctionnement et le chauffage des têtes d'électrodes était modérément inattendu, malgré le fait que l'anode et la cathode étaient chauffées au rouge.
Processus de formation:





À la fin de la formation, la couleur de la décharge est devenue la couleur caractéristique de l'argon.



Le canal de décharge chauffait très vicieusement, comme les électrodes. La lueur est visible même à travers l'isolation thermique.





Après l'entraînement, le tube a été rempli d'argon à la pression atmosphérique, les raccords ont été fermés et il est resté sous cette forme.

En parallèle, je cherchais l'environnement de travail réel du laser - manganèse. Cela s'est avéré être des difficultés inattendues, tous les chimistes familiers ont fait un geste impuissant et ne savaient pas où se procurer le manganèse, les marchands Internet qui avaient du manganèse en vente, vendu uniquement en barils-wagons-navires, et sa pureté était loin d'être "laser" - 95% des principaux substances. Et aussi sur Internet, il y avait des gens uniques qui essayaient de vendre 200 grammes de manganèse à 99% au prix d'un kilogramme d'argent, et même avec la demande "attendez un mois jusqu'à ce qu'ils livrent d'Allemagne". Il n'y avait pas non plus de manganèse métallique dans le magasin de réactifs chimiques local, mais il y avait des sels de celui-ci, à partir desquels j'ai essayé d'obtenir moi-même du manganèse métallique. Plus d'informations à ce sujet dans l'article correspondant. Toutes mes tribulations ont soudainement pris finquand le petit roi du manganèse de haute pureté du créateur du site PeriodicTable est venu par la poste, dont il est très reconnaissant.



Après cela, il restait à fabriquer des bateaux en quartz pour la substance de travail et à les pousser dans le canal de décharge. Les bateaux devaient être commandés dans un atelier de soufflage de verre. Quand ils étaient prêts, j'ai séparé les petits morceaux du roi, les ai placés dans les bateaux, et les bateaux eux-mêmes ont facilement glissé dans le canal de décharge à travers les ouvertures des miroirs laser.



Ensuite, les miroirs ont été ramenés à l'endroit et les tests ont commencé.

Après que le tube laser a été pompé au vide maximum, j'ai aligné les miroirs, ils doivent être alignés sous vide, car sinon l'alignement échouera en raison de la déformation des joints. Soit dit en passant, j'ai oublié de dire que le miroir sourd aluminisé et la plaque de quartz plane parallèle comme fenêtre de sortie sont utilisés comme miroirs. Les miroirs ont été ajustés à l'aide du laser hélium-néon de l'école LGN-109.

Laser avant de commencer.



Système de gaz.



Ensuite, j'ai lancé un petit flux d'argon à une pression de 10 Torr. J'ai décidé «d'accélérer» le laser avec de l'argon, car il y avait pas mal d'hélium. À cette pression, la décharge s'enflamma facilement et le laser commença à se réchauffer. Il s'est réchauffé assez rapidement, et lorsque le canal de décharge a acquis une lueur orange foncé, un changement dans la couleur de la décharge du rose au turquoise est devenu perceptible.



Ensuite, une tache verte brillante est apparue au centre de la tache de la lueur de décharge, dans laquelle une ombre a été devinée des bateaux intégrés dans le canal de décharge, ce qui a partiellement bloqué l'ouverture lumineuse du canal. La génération a été reçue!



Après l'argon, l'hélium a été introduit dans l'AE, et l'argon a été coupé, ce qui a immédiatement augmenté la puissance de génération à plusieurs reprises, et en sélectionnant la pression d'hélium, il a atteint une puissance maximale. La sélection du mode de pompe (tension, ChSI) a permis de garder le régime thermique stationnaire du laser et un peu de regard sur le rayonnement. Un faisceau laser brillant, bien visible et vert vénéneux de forme irrégulière s'est déversé de la fenêtre de sortie à cause de bateaux bloquant l'ouverture.









Dans le même temps, il y a suffisamment de puissance pour carboniser le bois et le carton lors de la mise au point. En raison de la forme inutile du faisceau, il s'est plutôt focalisé. Étant donné qu'un faisceau mal focalisé était capable de carboniser le contreplaqué, j'estimerais sa puissance à une valeur d'environ 1 W, mais pas plus.









Après avoir joué suffisamment et pris une photo, j'ai éteint le laser et l'ai laissé refroidir. Après cette expérience, plusieurs conclusions ont pu être tirées. La principale conclusion - le placement de la substance de travail dans les bateaux - est une idée moyenne. L'ouverture lumineuse souffre beaucoup et jusqu'à 70% du potentiel reste non réalisé. Pas pour rien dans les lasers à vapeur de cuivre, le canal de décharge est constitué d'une section transversale variable avec des sections de plus grand diamètre. C'est précisément en eux que se trouve le fluide de travail, et l'ouverture du canal est limitée à des sections plus étroites du tube. Si possible, la différence de diamètre est aussi faible que possible. La création d'un «générateur de vapeur de fluide de travail» qui fonctionne bien est devenue une tâche non triviale distincte dans le développement des EI industriels, dont la solution a nécessité la fabrication d'un tas de prototypes différents. Dans mes conditions, il était plus facile de supporter la perte d'une partie du pouvoir,mais vous pouvez laisser les bateaux si vous le souhaitez. La deuxième surprise inattendue pour moi a été que lors du démontage du laser dans le canal de décharge, il ne restait plus que peu de bateaux. Il s'est avéré que le manganèse fondu dissout le quartz. Ainsi, plus vous avez besoin de vous débarrasser des bateaux. Mais si vous ne vous en débarrassez pas, faites-les au moins à partir d'un autre matériau, par exemple le leucosapphire. Il semble que ce soit la seule option pour des conditions aussi agressives. De manière caractéristique, il est facile d'obtenir une pièce adaptée - les brûleurs à lampe au sodium sont fabriqués à partir de leucosapphire. Eh bien, le montage des têtes d'électrodes doit être refait, car d'autres opérations de démontage-assemblage ont rendu le boîtier laser inutilisable. Pour le reste, je peux appeler ce laser à juste titre exclusif dans ma pratique, car aucune entreprise n'a produit de lasers au manganèse dans l'ex-URSS,ni dans le monde. Le laser au manganèse n'a jamais quitté les murs des laboratoires. Pourquoi je ne comprends pas. Peut-être parce que sa longueur d'onde est très proche de la norme 532 nm, obtenue à l'aide de lasers à semi-conducteurs et de doublage de fréquence, qui n'ont pas besoin d'une source d'alimentation haute tension complexe et d'un tube laser fragile avec une durée de vie limitée. Et là où une divergence de diffraction de rayonnement à haute puissance et également à des longueurs d'onde visibles est nécessaire - il existe déjà des lasers à vapeur de cuivre, dont l'efficacité est 5 fois plus élevée. Néanmoins, je dirais que le laser au manganèse est injustement oublié et pourrait très bien être disponible dans le commerce avant l'ère DPSS. De plus, le laser à vapeur de thallium, qui génère un rayonnement à une longueur d'onde de 535 nm, n'a pas quitté les murs des laboratoires. Mais non, je ne le ferai pas,car pourquoi travailler avec une substance extrêmement dangereuse et un pompage extrêmement complexe alors qu'il est beaucoup plus facile d'utiliser du manganèse avec une longueur d'onde de 534 nm? Mais j'ai essayé le plomb, mais il y aura également une note séparée sur cette expérience parallèle.

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