Rubínový impulzní laser

Takže, jak jsem slíbil v návštvní knize, napíšu pár slov o mém, bohužel stále nedokončeném, rubínovém laseru. Ale nejdříve trochu odbočím.
První myšlenka na jeho stavbu byla hned pár dní/týdnů poté, co jsem se o lasery začal zajímat. Jenže jsem neměl možnost ho postavit, ať už kvuli tomu, že je zde rubínová tyčinka prakticky nedostupná, a také jsem neměl patřičné finance. A ještě jsem né zcela věděl, co vše je potřeba. Postupem času jsem toho hodně zjistil (neodvažuji se říci, že vše), a s přibývajícím věkem, se mi otvíraly nové možnosti. Před rokem a půl, krátce po mých 18tých narozeninách jsem si zařídil účet na eBay a PayPal a tudíž jsem mohl nakupovat zboží po celém světě. První věc, kterou jsem koupil, byla rubínový tyčinka o průměru 3,3 a délce cca 75milimetrů. Stála mě tehdy asi $100, dnes se dá pořídit i levněji. Není na povrchu vyleštěná a čela také ne. Že není plášť vyleštěný by nevadilo, ale čela vyleštěna být musí. Tak jsem zašel do obchodu, kde se prodávají drahé kameny a poprosil je, jestli by mi mohli čela vyleštit. Za 2 dny jsem si šel rubínek vyzvednout :)
Pak jsem potřeboval odraznou dutinu. Nejdříve mě napadlo si jí vyrobit, i jsem na to koupil materiál, jenže mi chyběl strojový park a tak zbývaly dvě možnosti - buď si ji vyrobím ve škole na soustruhu a pak, kvuli "drsnosti", dojedu nožem na frézce, nebo výrobu někomu zadám. Ani na jedno však nedošlo, protože jsem objevil přesně to co jsem hledal. Odraznou komoru ve tvaru kvádru, dlouhá cca 150mm, s vnitřní odrazivou dutinou kruhového tvaru, materiál dural (ale tvrdý skoro jak železo). Vyleštěná do dokonalé odrazivosti. Ale byl v tom jeden háček - prodejce měl u této komůrky napsané, že posílá jenom po Spojených státech. Ovšem nelenil jsem a prodejci napsal, jestli by mi ji mohl poslat sem, do České republiky. Zanedlouho mi kladně odpověděl, ale cena poštovného mě zarazila do křesla - $50. Samotná komůrka pak směšných $15. Vzhledem k tomu, že je toto zboží v této zemi bohužel nedostupné, nezbývala mi jiná možnost, než ji koupit.
Další věc, která byla na laser potřeba, byla vhodná zrcadla. Dříve jsem se s nimi nijak nezabýval, prostě jsem tam plácnul, co dům dal (taky to ovšem podle toho dopadalo). Opět na eBay jsem prohledal zrcadla vhodné pro lasery, ale primárně určené pro rubínový laser tam nebylo. Našel jsem tedy taková, která by se dala použít, a opět jsem napsal prodejci, aby mi moji teorii potvrdil. Jednalo se o HR (high reflection - plně odrazivé zrcadlo) a o OC (output coupler - výstupní) určené na Ti:Safírový laser (700-1000nm). Prodejce se ozval, potvrdil že budou pro rubínový laser použitelná, a tak jsem je bral. Obě zrcadla mají shodný průměr, a to přesně 1/2" (12,7 mm). Ač se to může zdát divné, tyto 2 zrcadla byla nejdražší položkou na celém laseru. Dohromady stála $148 !!! Obrázky jsou v galerii.
Nakonec ještě vyvstala otázka, čím rubínek budit. Koupil jsem, jak jinak, než na eBay, ruské armádní, xenonové výbojky IFK120, každá schopná vyzářit energii 120J. 10kusů za $10 byla férová cena.
Ale teď už k samotné stavbě. Jako základnu jsem si zvolil duralový profil 100x40x3mm o délce 30cm. Jelikož rubínek má jenom cca 75mm a komůrka 150mm, bylo potřeba ji zkrátit. Ovšem nechtělo se mi ji řezat pilkou na kov, jelikož nikdy neudělam kolmý řez. Tímto bych chtěl poděkovat panu Alešovi Procháskovi, že mi komůrku strojní pilou rozřízl a poté na obráběcím centru ofrézoval na mnou požadový rozměr. Na čela komůrky jsem z takového plastu (nevím, jak se jmenuje) uřízl obdélníky, do osy vyvrtal díry na rubínek, a do jednoho čela pak 4+2 díry na výbojky (použil jsem 2 výbojky což se neukázalo jako nejvhodnější). Vnitřní strany obdélníků jsem polepil hliníkovou lepící páskou, abych získlaly co největší odrazivost. Mohl jsem sice použít dural, ten vyleštit, ale potřeboval jsem, aby alespoň jedno čelo bylo kvuli výbojkám nevodivé. Na čelo jsem přilepil chemoprénem kousky elektřikářské svorkovnice, ve kterých jsou uchyceny výbojky. Špatně se to popisuje, fotky řeknou více.
Jako další bylo na řadě přidělání zrcadel a seřiditelné držáky. Jelikož HR zrcadlo je kulové s ohniskem 100mm, umístil jsem ho od čela krystalu asi 90mm, aby odražený paprsek směřoval do krystalu, ale ne pouze na jeho čelo. Jak jsem držáky vyráběl, popisovat nebudu, jelikož je to jasné z obrázků. Možná se někdo ptá, na co jsou tam ty 3 šrouby, na kterých jsou pružinky. Odpověď je jednoduchá - jsou na jemné nastavení zrcadel, aby se ustavila přesně do osy "laserového krystalu" - v mém případě rubínku. Mnou použité šroubky jsou M4. Ideální by bylo mít šrouby s jemnějším stoupáním, než mají klasické M4 (ty mají 0,7mm/ot). Důvod je jednoduchý - zrcadla se dají přesněji nastavit, ale i se šrouby M4 to jde celkem dobře. Zrcadla jsem do držáčků vlepil na 3 místech vteřinovým lepidlem. Jak ale nastavit zrcadla přesně do osy krystalu ? Kamarád Tac mi poradil, jak toho jednoduše, celkem přesně a elegantně dosáhnout. Jedná se o soustřel rezonátoru. Stačí k tomu alespoň 3 metry volného prostoru, laserové ukazovátko za 20Kč od Vietnamců, a kus papíru. Beru situaci, že už všechno mám poskládáno a sestaveno, pouze výstupní zrcadlo není osazeno. Na jeden konec volného prostoru (nejlepší je rovná podlaha v pokoji) se umístí laserové ukazovátko, nebo jakýkoliv jiný laser (kolem něj kus papíru, alespoň 15 cm na všechny strany) do osy krystalu (ten je vyndaný), na druhý konec budoucí laser tak, aby paprsek procházek otvory na laserový krystal a dopadlo až na (zadní) HR zrcadlo. Teď už jenom stačí hýbat šrouby na držáku zrcadla a dostat odražený paprsek pokud možno zpět do laseru. Tímto je zaručeno téměř dokonalé nastavení zrcadla. Přední zrcadlo se nastaví obdobně (ovšem pokud možno nehýbejte s celým, budoucím laserem, jinak budete mít přední, výstupní zrcadlo extentricky a tak klesne účinnost.
Zbývá už jenom udělat nutnou elektriku, respektive zdroj pro výbojky a jejich zapalování. Jelikož jsem chtěl co nejdříve svítit, nic složitého jsem nevymýšlel. Vzal jsem kondenzátor s dostatečnou energií na dostatečné napětí (2200uF/500V), ten jsem napájel přes dva 100W/10W odpory usměrněnou sítí. Na zapalování jsem použil zapalovací transformátor ZTR32 z GMelectronic, do jehož primární strany se tlačítkem (ano, vím, opalujou se mu kontakty, lepší by byl tyristor, ale byl jsem nedočkavý) vybije 1uF kondenzátor napájený z odporovýho děliče z hlavního ("výbojkového") kondenzátoru. Tím vznikne na sekundáru (POZOR! Galvanicky spojený z primárem a tudíž se sítí ! ) VN impulz, který zapálí výbojky (paralelně zapojené) a hlavní kondenzátor se vybije, výbojky vyzáří velké množství světla, které vybudí rubín a ten přejde do stavu stimulované emise. Více teorie zde.
To je ke stavbě asi tak vše, hodně se dá odečíst z fotek. Na závěr bych chtěl dodat, že mnou použité 2 výbojky IFK120 nedokážou dostatečně vybudit rubínek do stavu stimulované emise, takže z něho sice něco vychází, ale laserové světlo to bohužel není. Vychází z něj kužel světla růžové barvy s vrcholovým úhlem cca 30°. Do budoucna chci výbojky nahradit typem FT 218 (energie 250J ! ), ty se však už bohožel nevyrábějí, a tak bych Vás chtěl poprosit, jestli náhodou někdo nemáte pár kusů na prodej (ozvěte se mi prosím na email nebo ICQ). Jestli je seženu, už by neměl být problém s nedostatečným buzením. Poté bych udělal aktualizaci tohoto článku. Ale teď už nějaké ty fotky.



   

Detailní fotky zrcadel a odrazné, ještě nerozříznuté, komůrky, najdete v galerii.

18.9.2009 Přišel jsem na to, že můj neúspěch nejspíš není v nedostatečném buzením. Obávám se, že mám nevhodný rubínový krystal. Dřív jsem to bohužel nevěděl, teď už to vím. Rubín pro lasery má mít menší hmotnostní koncentraci chromu, než kameny, které se vsazují do šperků. Z toho se odvíjí i jeho zabarvení. Rubínový krystal pro lasery má mít hmotnostní koncentraci chromu kolem 0,05%, zbarvení růžové ! Narozdíl od "šperkařských" rubínů, kde čím temnější červená barva (nejlepší je barva holubí krve), tím dražší a lepší. Rubín má zde obsah chromu i více než 0,5% hmotnostních.
Mě se však podařilo vhodný rubín sehnat, je prý vyndaný z laseru, na jedné straně má ploché čelo, na druhé je vybroušen koutový odražeč (2 roviny, navzájem na sebe kolmé odrazí paprsek stejným směrem, jako na odražeč dopadl), tudíž odpadá plně odrazné zrcadlo. Za krystal děkuji opět panu Alešovi Procháskovi, který mi ho věnoval. Kdybych tento krystal sehnal dříve, ušetřil jsem za HR zrcadlo. Nicméně takhle vybroušený krystal je celkem unikátní, takže jsem v to ani nemohl doufat. Holt mám zrcadlo na někdy příště. Teď dělám držáky na krystal. Zkusím použít opět 2 výbojky IFK120, stejnou komůrku a stejné výstupní zrcadlo.
A tady už fotky nového krystalu (rozměry 8x65 mm).

   

15.12.10 Takže přeci jen jsem s výbojkami IFK120 neuspěl. Rozhodl jsem se tedy sehnat novou, dostatečně výkonnou lampu, přesněji xenonovou výbojku. Stále jsem prohledával české weby, e-shopy, eBay, ale stále nic. Až jednoho dne se konečně ta správná výbojka objevila. A protože jsem čekal téměř rok, než se objeví, neváhal jsem a hned ji koupil; přišla za pár dnů. Teď už jsem si jistý, že laser bude fungovat. Správný krystal, dostatečně silná výbojka, dobré zrcadlo i odrazná komůrka. Jen co bude trochu čas, tak vymyslím nějaký jednoduchý "napájecí zdroj", udělám nová čela pro komůrku, zapojím, nastavím rezonátor a budu očekávat konečně laserové světlo tmavěčervené barvy, a to nemalé intenzity !
Ještě nějaké parametry výbojky : Energie 500J, napětí 1500V, zápalné napětí cca 15kV. Ekvivalentní délka lineární výbojky - 27cm ! Ale dost povídání, zde jsou fotky :

   

2.9.2012 Tak opět malá aktualizace. Rovnou říkám, že jsem nijak nepokročil, neměl jsem na to čas a ani motivaci. Ale poslední dobou se toho mnoho změnilo. V práci jsem se dozvěděl, že stavět laser s rubínkem opravdu nemá smysl, protože čeprací energie je opravdu moc velká a účinnost velmi malá, chlazení téměř nezbytné pro rozumný výsledek. Jediná výhoda je, že emitované světlo je viditelné.
Také jsem zjistil, že není až takový problém sehnat krystal (třeba i ten rubínový), ale největší problém je dosáhnout vybroušení čel v dokonalé rovnoběžnosti a optické kvalitě, ideálně λ/10 a lepší. Také by bylo vhodné čela opatřit antireflexní vrstvou (coating), aby nedocházelo k dalším ztrátám (může zároveň fungovat i jako polopropustné, výstupní zrcadlo!). A protože jak je z fotek patrné, můj krystal má trošku vyštípané čelo i domnělý koutový odražeč (ve skutečnosti jsou to Brewstery) a sehnat přebroušení krystalu v optické kvalitě by bylo neúnosně drahé, vývoj rubínového laseru ZASTAVUJI.
Avšak dostal jsem další krystaly, tentokrát bez vady a přímo od pána, který je světový odborník na jejich pěstovaní. Tímto mu ještě jednou veřejně děkuji.
Jedná se o krystaly Nd:Ce:YAG (yttrio-hlinitý granát dopovaný Neodymem a Cerem), barva žlutá. Čela jsou opatřeny antireflexní vrstvou. Krystal emituje na 1,064um, tedy už infračervená oblast. Výhodou těchto krystalů je, že jsou to 4-hladinové laserové stystémy, a mají tedy menší nároky na buzení. A jaký je tedy plán? Plán je zprovoznit ho asi v impulzním režimu (s rozumnou opakovací frekvencí) a následně pro začátek SHG (second harmonic generation - generace druhé harmonické). Tedy poloviční vlnové délka, 532nm. To samé, jako mají zelená laserová ukázovátka. Ale to je jen začátek, uvidím, jak se zadaří.
Dost bylo keců, přidávám fotografie všech mých laserových krystalů: