Laser de vapor de manganês caseiro

Neste artigo do 10º aniversário, descreverei o que é uma consequência lógica, uma continuação da minha indústria independente de laser. Depois de construir uma fonte de energia adequada para bombear lasers de vapor de metal pulsado e ganhar experiência com elementos ativos prontos de lasers de vapor de cobre e seus compostos, restou apenas fabricar o elemento laser ativo (doravante - AE) de forma completamente independente, com um novo meio de trabalho.



Os seguintes requisitos foram impostos à escolha do meio de trabalho: radiação na região visível, potência alcançável relativamente alta, eficiência aceitável, fácil acessibilidade e baixo custo, temperatura operacional não muito alta.

A geração de laser foi obtida para quase todos os elementos químicos possíveis, mas apenas algumas unidades atendem às condições acima. Curiosamente, a melhor escolha é o mesmo cobre e seus compostos, mas para mim esse já é um estágio amplamente aprovado. Ainda existem vários metais candidatos que têm uma eficiência de geração a laser mais ou menos decente sob o regime de excitação semelhante ao dos lasers de vapor de cobre: ​​bário, estrôncio, manganês, chumbo e ouro. O bário e o estrôncio desaparecem imediatamente, porque suas linhas de geração estão na faixa de infravermelho, que é chata e feia. Permanece manganês, chumbo e ouro. O ouro também cai devido ao alto custo e à temperatura de trabalho muito alta (1600 + graus Celsius). Restavam apenas dois candidatos - chumbo e manganês.Ambos os metais são baratos e devem ser relativamente acessíveis - o chumbo pode ser encontrado literalmente sob seus pés, estripando uma bateria ou um pedaço de cabo de alta tensão blindado selecionado no lixo, o manganês é amplamente usado na metalurgia ferrosa e é produzido em volumes colossais.

O manganês é capaz de gerar a um comprimento de onda de 534 nm (a linha principal) e várias linhas mais fortes em infravermelho e cerca de 3-4 linhas verdes fracas. A potência alcançável para um AE bem fabricado e uma fonte de alimentação cuidadosamente ajustada excede 10 W no total para todas as linhas de emissão; a temperatura operacional está na região de 1000-1100 graus, o que é significativamente mais baixo que o do cobre. A taxa ideal de repetição do pulso varia dependendo de outras condições experimentais e deve ser selecionada. De qualquer forma, ele se encaixa na faixa "padrão" de 5 a 15 kHz. No chumbo, a linha de geração principal fica na fronteira com a faixa de IR de 722 nm e há outra transição com um comprimento de onda de cerca de 405 nm, uma potência alcançável de unidades de W para a linha de 722 nm. Uma característica desse ambiente é um ganho recorde de 600 dB / m.A temperatura de operação é de 800 a 900 graus, e o chisi ideal de acordo com vários dados da literatura abaixo de 10 kHz. O gás tampão ideal para ambos os metais é o hélio, embora o argônio também possa ser usado.

Decidi interromper minha escolha de manganês com base nos dados acima - a eficiência da geração é claramente mais alta e o comprimento de onda é claramente mais agradável, muito próximo da "referência" usual de 532 nm. Depois disso, foi necessário determinar o design do elemento ativo. Muitos materiais sobre lasers de manganês foram encontrados em revistas científicas como “Quantum Electronics” e “Instruments for Scientific Research”, disponíveis na Internet ou diretamente, como no caso da CE ou através do hub (para a versão em inglês do PNI). A partir dos artigos revisados, ficou claro que a geração é possível com quase qualquer tamanho do canal de descarga e em uma gama bastante ampla de condições de excitação, enquanto o modo de excitação ideal e a pressão do gás de buffer devem ser selecionados para um EA específico. Depois disso, desenhei um esboço do meu futuro EA,com base nas peças disponíveis e passou a fabricar.



Olhando para o futuro, direi que foi inesperadamente difícil encontrar manganês para este laser e descreverei todas as minhas provações nessa área em um artigo separado.

Portanto, a base do elemento ativo do laser é um tubo de cerâmica com um diâmetro interno de 14 mm e um comprimento de 800 mm, que é o canal de descarga. Utilizando buchas de concreto aerado, ele é fixado em um tubo de quartzo de grande diâmetro. O espaço entre as paredes dos tubos é preenchido com isolamento térmico. Como primeira opção para esse isolamento térmico, decidi tentar usar uma areia fina de corindo, como nos primeiros lasers de vapor de cobre.







Após a montagem do canal de descarga com o invólucro e o isolamento térmico de alta temperatura, esse dispositivo foi obtido.





Nas extremidades da carcaça externa do tubo, os conjuntos de eletrodos são fixos devido às vedações de borracha apertadas pelos flanges. Os conjuntos de eletrodos são cabeças de flange usinadas em alumínio. E para a sua fabricação, foi necessário primeiro lançar lingotes.



Depois de virar, esses são os detalhes.





Do interior das cabeças, um ânodo na forma de um tubo de pequeno diâmetro e um cátodo em forma de cone são parafusados ​​na rosca. Ambos os eletrodos foram usinados em aço inoxidável não magnético





As cabeças de alumínio são equipadas com aletas para resfriamento do ar. Os espelhos ressonadores são fixados às extremidades das cabeças dos eletrodos por pequenas flanges. Os anéis de borracha entre os espelhos e a cabeça do eletrodo atuam como um selo de vácuo. Ao mesmo tempo, eles fornecem alguma mobilidade dos espelhos para seu alinhamento. Dos lados nas cabeças dos eletrodos, existem acessórios para bombeamento e entrada de gás. A dosagem de gás é realizada usando a mesma agulha de insulina colada em um dos acessórios. Assim, foi obtido um projeto de EA totalmente coaxial, semelhante a um de fábrica. As dimensões das peças podem ser vistas nos esboços que desenhei antes de virar.





Depois de fabricar todas as peças, realizei uma montagem de teste do EA, que imediatamente revelou "doenças da infância". Aqui, os próprios eletrodos ainda não estão instalados.







Antes de tudo, era necessário rejeitar a areia como isolamento. No primeiro bombeamento para fora do tubo, o ar fechado nos vazios dentro do aterro começou a afrouxá-lo, jogando grandes quantidades de areia nos locais onde não deveria estar, inclusive arrastando-o para uma bomba de vácuo, o que não o beneficiava de forma alguma. A solução foi encontrada como um substituto para a areia com lã cerâmica. O ar já estava deixando o algodão sem impedimentos durante o bombeamento.



Outra dificuldade inesperada foi a extrema fragilidade de toda a estrutura. 2 dos procedimentos de montagem e desmontagem de 3 terminaram com lascar a borda do tubo de quartzo no momento do aperto das flanges das cabeças dos eletrodos, embora a parede do tubo parecesse espessa. Uma solução para esse problema exigiria uma alteração radical das cabeças e um método de fixação, que até agora foi decidido não fazer, uma vez que o design é experimental. Durante o processo de montagem, adicionei outro elemento - um tubo de alumínio ao redor de todo o EA, que atua como um caminho de corrente reversa e reduz a indutância parasitária do EA. Para que nada se partisse sob o peso desse cano, ele acrescentou apoio do lado oposto.





Assim, o EA estava pronto para o teste de bombeamento e a primeira inclusão da descarga nele. Mas neste momento eu não tinha cabo de conexão suficiente. Para sua fabricação, usei o mesmo tipo de cabo coaxial que o laser de vapor de cobre e um conector similar da LGI21, que teve que ser modificado. Depois disso, foi possível, pela primeira vez, ativar a descarga e tentar entrar no regime de temperatura operacional durante a marcha lenta. Como gás de trabalho, usei argônio a uma pressão da ordem de 10 Torr. Outra falha surgiu aqui - uma grande quantidade de energia de descarga fluiu através do suporte do condutor de corrente de retorno para o solo através da parede do tubo, fazendo com que ele esquentasse fortemente e menos energia do que poderia ser entregue à "descarga de destino".





Além disso, um isolamento interno do canal de descarga não era suficiente. Tive que desmontar o AE novamente e mover esse suporte na direção oposta e preencher o espaço entre a caixa de quartzo e o condutor de retorno com isolamento térmico adicional da mesma lã cerâmica. No lugar do suporte de metal, onde estava antes, instalou uma luva de concreto aerado. Assim, vazamento de energia e perda de calor foram eliminados.





Ao montar, a borda do tubo era tradicionalmente cortada, como resultado, a cada montagem, todo o laser AE era ligeiramente reduzido. No final, consegui montá-lo e pude iniciar um treinamento em grande escala sem substância de trabalho. O principal objetivo desse treinamento é permitir que o AE aqueça até a temperatura operacional e acima, queime completamente todas as impurezas voláteis restantes que estão literalmente cheias com o tubo de cerâmica do canal de descarga e o isolamento interno de alta temperatura, especialmente depois que o óleo da bomba de vácuo entra inadvertidamente no tubo. Para impedir que isso aconteça novamente, coloquei uma armadilha de óleo na forma de um Drexel clássico que flushing na abertura da mangueira de vácuo. Curiosamente, não há vazamento de vácuo em uma seção química convencional. A cor esbranquiçada da descarga indica a liberação de impurezas.O treinamento teve que ser prolongado por várias horas, para que todo o óleo restante evaporasse e queimasse e a descarga adquirisse uma cor azul-rosada normal, característica do argônio. Durante o treinamento, o EA conseguiu ser aquecido até a temperatura operacional e o aquecimento das cabeças dos eletrodos foi inesperadamente moderado, apesar do ânodo e do cátodo estarem em brasa.
Processo de treinamento:





Ao final do treinamento, a cor da descarga tornou-se a cor característica do argônio.



O canal de descarga aqueceu muito violentamente, como os eletrodos. O brilho é visível mesmo através de isolamento térmico.





Após o treinamento, o tubo foi preenchido com argônio à pressão atmosférica, os acessórios foram fechados e permaneceu nesta forma.

Paralelamente, eu estava procurando o ambiente de trabalho real do laser - manganês. Tratou-se de dificuldades inesperadas, todos os químicos familiares fizeram um gesto impotente e não sabiam onde conseguir manganês, comerciantes da Internet que vendiam manganês, vendidos apenas em barris e sua pureza estava longe de ser "laser" - 95% dos principais substâncias. E também na Internet havia pessoas únicas tentando vender 200 gramas de manganês a 99% ao preço de um quilograma de prata, e mesmo com a demanda "espere um mês até que eles entreguem da Alemanha". Também não havia manganês metálico na loja local de reagentes químicos, mas havia sais dele, dos quais tentei obter o manganês metálico. Mais sobre isso estará no artigo correspondente. Todas as minhas tribulações terminaram subitamentequando um pequeno rei de manganês de alta pureza veio do criador do site PeriodicTable por correio, pelo qual ele é muito grato.



Depois disso, restou fabricar barcos de quartzo para a substância de trabalho e empurrá-los para o canal de descarga. Os barcos tiveram que ser encomendados em uma oficina de sopro de vidro. Quando eles estavam prontos, eu separei pequenos pedaços do rei, coloquei-os nos barcos, e os próprios barcos deslizaram facilmente para o canal de descarga através das aberturas dos espelhos a laser.



Então os espelhos foram devolvidos ao local e os testes começaram.

Depois que o tubo do laser foi bombeado para o vácuo máximo, alinhei os espelhos, eles devem estar alinhados sob vácuo, pois, caso contrário, o alinhamento falhará quando as vedações forem deformadas. A propósito, eu esqueci de dizer que o espelho surdo aluminizado e a placa de quartzo plano paralelo como uma janela de saída são usados ​​como espelhos. Os espelhos foram ajustados usando o laser de hélio-escola LGN-109 da escola.

Laser antes de iniciar.



Sistema de gás.



Então eu lancei um pequeno fluxo de argônio a uma pressão de 10 Torr. Decidi "acelerar" o laser com argônio, pois havia bastante hélio. A essa pressão, a descarga se acendeu facilmente e o laser começou a aquecer. Ele aqueceu rapidamente, e quando o canal de descarga adquiriu um brilho laranja escuro, uma mudança na cor da descarga de rosa para turquesa se tornou perceptível.



Em seguida, um ponto verde brilhante apareceu no centro do local a partir do brilho de descarga, no qual uma sombra foi adivinhada pelos barcos embutidos no canal de descarga, que bloquearam parcialmente a abertura da luz do canal. Geração foi recebida!



Após o argônio, o hélio foi introduzido no AE, e o argônio foi desligado, o que aumentou imediatamente a potência de geração várias vezes e, ao selecionar a pressão de hélio, atingiu a potência máxima. A seleção do modo de bomba (tensão, ChSI) possibilitou manter o regime térmico estacionário do laser e dar uma pequena olhada na radiação. Um raio laser verde brilhante, bem visível e venenoso, de forma irregular, derramou da janela de saída devido a barcos bloqueando a abertura.









Ao mesmo tempo, há energia suficiente para carbonizar madeira e papelão ao focalizar. Devido à forma inútil do feixe, ele se concentrou pouco. Considerando que uma viga mal focada foi capaz de carbonizar madeira compensada, eu estimaria sua potência em um valor de cerca de 1 W, mas não mais.









Depois de jogar o suficiente e tirar uma foto, desliguei o laser e deixei esfriar. Após esse experimento, várias conclusões podem ser tiradas. A principal conclusão - a colocação da substância ativa em barcos - é uma idéia mais ou menos. A abertura da luz sofre muito e até 70% do potencial permanece não realizado. Não é à toa que nos lasers de vapor de cobre, o canal de descarga é feito de uma seção transversal variável com seções de diâmetro maior. É precisamente neles que o fluido de trabalho está localizado e a abertura do canal é limitada a seções mais estreitas do tubo. Se possível, a diferença de diâmetro é feita o menor possível. A criação de um "gerador de vapor de fluido de trabalho" que funcione bem tornou-se uma tarefa não trivial separada no desenvolvimento de EAs industriais, cuja solução exigiu a fabricação de vários protótipos diferentes. Nas minhas condições, era mais fácil suportar a perda de parte do poder,mas você pode deixar os barcos, se desejar. A segunda surpresa inesperada para mim foi que, ao desmontar o laser no canal de descarga, pouco restava dos barcos. Descobriu-se que o manganês fundido dissolve o quartzo. Assim, quanto mais você precisa se livrar dos barcos. Mas se você não se livrar, pelo menos faça-o com outro material, por exemplo, leucosafira. Parece que esta é a única opção para condições tão agressivas. Caracteristicamente, é fácil obter uma peça de trabalho adequada - os queimadores de lâmpadas de sódio são feitos de leucosafira. Bem, a montagem das cabeças dos eletrodos precisa ser refeita, pois outras operações de montagem de desmontagem tornaram a caixa do laser inutilizável. Quanto ao resto, posso chamar esse laser de justificável exclusivo em minha prática, já que nenhuma empresa produziu lasers de manganês na ex-URSS,nem no mundo. O laser de manganês nunca saiu das paredes dos laboratórios. Por que - eu não entendo. Talvez porque seu comprimento de onda seja muito próximo ao padrão de 532 nm, obtido com lasers de estado sólido e duplicação de frequência, que não precisam de uma fonte de alimentação de alta tensão complexa e de um tubo de laser frágil com vida útil limitada. E onde a divergência de difração de radiação com alta potência e também em comprimentos de onda visíveis é necessária - já existem lasers de vapor de cobre, nos quais a eficiência é 5 vezes maior. No entanto, eu diria que o laser de manganês é esquecido imerecidamente e poderia muito bem estar disponível comercialmente antes da era do DPSS. Além disso, o laser de vapor de tálio, que gera radiação no comprimento de onda de 535 nm, não saiu das paredes dos laboratórios. Mas não, eu não vou fazer isso,desde que trabalhar com uma substância extremamente altamente perigosa e um bombeamento extremamente complexo quando há muito mais fácil usar manganês com comprimento de onda de 534 nm? Mas tentei liderar, mas também haverá uma nota separada sobre esse experimento paralelo.

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