FAQ по Твердотельным лазерам с ламповой накачкой

Небольшой FAQ по твердотельным импульсным лазерам. Ориентирован на пользователей, собирающихся строить тт лазер в условиях, приближенных к наколеночным/домашним.
Данный FAQ не стоит воспринимать как истина в последней инстанции, т.к. основан на личном опыте пользователей нашего форума.

Q:Как устроен твердотельный лазер с ламповой накачкой?
А: ТТ лазер устроен так: Активный элемент (АЭ) размещен внутри резонатора, состоящего в самом простом случае из 2х плоских параллельных зеркал. Одно из зеркал отражает более 99% другое 10-80% (именно из этого зеркала и вырывается лазерный луч). Сам по себе АЭ генерировать конечно же не будет. К нему нужно подвести энергию (этот процесс называется НАКАЧКА). Причем существует некое пороговое значение энергии, при котором начинается генерация лазерного излучения. Накачка обычно осуществляется специальной лампой. Зачастую лампу и АЭ размещают в отдельном модуле, который называется КВАНТРОН. В нем кроме лампы и АЭ содержится отражатель, который спроектирован так, чтобы передать максимальную энергию от лампы к АЭ. Также в квантроне зачастую имеются специальные каналы, через которые прокачивается вода для охлаждения элементов лазера.

Q:Что такое активный элемент?
A:АЭ - можно сказать "сердце " лазера. Именно в этой его части идет генерация лазерного излучения. Видов их множество, отличаются веществами, из которых изготовлены, размерами и формой.Причем формы втречаются самые разнообразные - цилиндр, параллелепипед, диск. Сейчас чаще всего (и дешевле) можно найти АЭ из кристаллов иттрий люминиевого граната(ИАГ) с неодимом, рубина и неодимового стекла. по форме это обычно стержень диаметром 4-20мм с параллельными или скошенными полированными торцами, длиной 40-300мм. Иногда имеют на концах обработанные цилиндрические участки служащие для крепления.

Q: Какие бывают АЭ?
А:Чаще всего используют три материала для изготовления активных элементов, 99% что именно что то из этого вам и попадется.
1. Гранат, АИГ, YAG, аллюмо-итриемый гранат - легированый неодимом. Такой АЭ делают из кристалла. Характеризуется высокой теплопроводностью. Применятеся как в импульсных так и непрерывных лазерах.
2. Ортоалюиминат иттрия, YAP - легированый неодимом. Тоже кристаллический АЭ, более дешевый чем гранат.
3. Специальный сорт оптического стекла, легированного неодимом. Стекла бывают фосфатные, и силикатные, более эффективны фосфатные стекла, но обладают меньшей механической и термической прочностью. Используются только в импульсных лазерах. Обладают низкой теплопроводностью.

Q: Как узнать из чего сделан АЭ?
У стеклянных АЭ имеется утолщение на концах, служащее для крепления. Поверхность неровная, бугристая.
У АЭ сделанных из кристаллов ИАГ или ортоалюмината толщина стержня одинаковая по всей длине, поверхность гладкая или матовая.
Как отличить гранат от ортоалюмината? Берем в руки АЭ, и смотрим сквозь него на ЖК монитор, на белый фон. Медленно вращаем стержень вокруг оси. Если меняется цветность, от сиреневого до зеленоватого во время вращения, значит у нас ортоалюминат, если изменений нет, то есть только сиреневый цвет, значит у нас гранат.

Q: чем отличаются АЭ с торцами, перпендикулярными оси, срезанными под небольним углом и под углом Брюстера? Все ли они будут работать в обычном плоскопараллельном резонаторе?

Тут всё просто. Когда поняли, что выходная энергия лазера на твердом теле увеличивается пропорционально его размеру, то начали увеличивать длину АЭ. Всё было круто, но очень скоро столкнулись с проблемой: стержень начинал генерить на отражениях от плоскопараллельных торцов. То есть при большой длине усиление за один проход было таким большим, что хватало тех пяти процентов отражения от торца, чтобы вызвать генерацию. Таким образом, лазер возбуждался без участия резонатора, что было абсолютно недопустимо, особенно в случае его работы как усилителя. Тогда предложили скашивать торцы под небольшим углом к оси АЭ.
Это не был угол Брюстера, так как в данном случае преследовали иную цель, нежели устранение френелевских потерь на торцах. К Брюстеру кстати прибегают только в кристаллах, ито не во всех, только там, где абсолютный показатель преломления очень высок и френевские потери будут высоки.

В общем, скашивание под небольшим углом (в стёклах, это касается длинных АЭ с большим усилением за проход) - для устранения паразитной генерации на торцах.
Скашивание под Брюстером (обычно кристаллы) - для устранения френелевских потерь там, где показатель преломления материала АЭ слишком высок.

Q:Какие бывают АЭ по типу использования?
Стержни бывают:
1. генераторные - с плоскими взаимно-параллельными торцами. Хороши в не слишком мощных генераторах, где дополнительная селекция мод не играет роли/ приветствуется. Торцы обычно просветлены. Плюс - нет заморочек при юстировке.
2. усилительные - торцы скошены на небольшой (примерно 5 градусов) угол относительно оси. Применяются в простых усилителях. Торцы опять же просветлены. Плюс - простейшая, но эффективная развязка от обратного блика.
3. срезанные под Брюстером. Специфические приложения, когда важно получить излучение с гарантированной линейной поляризацией + всё, что связано с синхронзацией мод, где крайне нежелательна селекция по спектру мод. Не просветляются. Имеют очевидный минус - дополнительный геморой при юстировке.
Такие АЭ во многих случаях суют в неустойчивый телескопический резонатор. А как раз такой тип резонаторов очень чувствителен к сходящейся волне. Для того, чтобы предотвратить появление этой самой неблагоприятной волны в результате даже малого отражения от просветлённого стержня торец просто наклоняют на небольшой (порядка 5 градусов) угол по отношению к оси стержня/ резонатора. Смотрите подробности у Ю.А. Ананьева.


Q:Где можно достать АЭ?
А: Проше всего нйти АЭ из ИАГ:ND и стекла с примесью неодима на интеренет-аукционе Ebay. Также частенько продаются на нашем форуме в разделе купли-продажи.

Q: Какие длины волн можно получить?
А: 1.06мкм - стекла и гранаты с легированием неодимом (Nd).
~1,062 мкм Силикатные стёкла
~1,054 мкм Фосфатные стёкла
1.064нм Алюмо-иттриевый гранат, вандат иттрия
2,94 мкм гранаты с эрбиевым легированием.
1,53-1,56 мкм волокно с эрбиевым легированием.
694.3 нм можно получить, использую в качестве АЭ рубин.

Q:Какие лампы используются для накачки твердотельных лазеров?
А: Для накачки тт лазеров чаще всего используют импульсные ксеноновые лампы с прямым телом свечения. Из отечественных чаще всего можно найти лампы серий ИНП, ИФП(П) а также дуговые непрерывные криптоновые лампы серии ДНП.

Q:Какая лампа подходит моему стержню?
А:Любая ксеноновая импульсная лампа с длиной разрядного промежутка, равной длине активной части АЭ.
Можно использовать лампу с длиной разрядного промежутка превышающего размер активной части АЭ, либо немного меньше.Чем ближе длина разрядного промежутка лампы к длине активной части АЭ тем лучше.
Отечественные лампы имеют маркировку типа ИНП-Д/ДЛ, где Д- диаметр разрядного канала, ДЛ - его длина. ИНП-6/120 соответственно имеет диаметр разрядного промежутка 6мм и длину 120.
Лампы серии ИФП маркируются иначе. Численный индекс означает энергию, которую можно вкачать в лампу. Например ИФП-5000 позволяет использовать батарею конденсаторов с запасенной энергией 5кдж. Габариты этих ламп указаны в паспотах.

Q:Галогеновыми лампами можно накачать?
А: Довольно часто в сети можно встретить упоминание о накачке галогеновыми лампами. Реальных устройств я не наблюдал. Вполне возможно что таковые существуют, но там далеко не все так просто, как кажется на первый взгляд.

Q:Можно ли накачать лазер фотовспышкой?
А: В теории, фотовспышка мало чем отличается от бп импульсой лампы. Там также есть устройство заряда, конденсатор и устройство поджига. Видов фотовспышек много, думаю что некоторые из них можно приспособить для питания ТТ лазера.

Q:Какие нужны зеркала для резонатора?
А: Требуется два плоских диэлектрических зеркала - глухое, оно же заднее, в западной литературе HR (High reflective - высокого отражения), и полупрозрачное, иногда называют выходное или зеркало обратной связи. Собственно служит для создания замкнутого контура то есть резонатора, ну и вывода части излучения во внешнюю среду. В ТТ лазерах используются зеркала с пропусканием 20-80%
Для любительских целей сойдет любое. Пропускание зеркала зависит от режима работы, (импульсный, непрерывный, параметров АЭ, ламп, энергии накачки, погоды на марсе и много чего еще) При не оптимальном коэффициенте пропускания, падает КПД лазера.

Q:где достать зеркала для резонатора?
А: Их можно скрутить с любой установки твердотельного лазера на длину волны 1064нм,
Как вариант поиск на ebay.com yandex.ру Или заказать через Сергея тут на форуме.

Q:А самодельные зеркала реально или нет?
А: Увы и ах, точно так же как с зеркалами для гелий неона.
Самому сделать нормальные зеркала практически невозможно. Требуются специальные диэлектрические покрытия именно на длину волны 1064нм и выдерживающие определенную мощность излучения.

Q:Как устроен простейший БП импульсной лампы?
А: Простейший БП имеет накопитель энергии в виде конденсатора или батареи конденсаторов на нужную энергию, устройство его зарядки ,например от сети 220в и устройства поджига лампы. Существует множество способов поджига ламп, но в домашних условиях лучше использовать последовательный или параллельный поджиг. Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки.

Q:Какие конденсаторы лучше всего использовать в БП импульсной лампы накачки?
А: Конденсаторы можно использовать практически любые. Можно использовать электролитические конденсаторы, пленочные, с комбинированным диэлектриком. Желательно применять специальные импульсные конденсаторы.
Электролитические конденсаторы - Легкодоступны, компактны. Имеют низкий запас прочности (легче выводятся из строя). Низкое допустимое напряжение. Лучше использовать конденсаторы разработанные специально для фотовспышек(PhotoFlash),но они довольно дорогие.
Пленочные конденсаторы - хорошо работают в импульсных режимах, могут работать на больших напряжениях. Сложно набрать батарею на большую энергию, занимают довольно много места. (из отечественных К78-41, -42, -45)
Конденсаторы с комбинированным диэлектриком - используются в большинстве промышленных БП лазеров. То, что доктор прописал. Громоздки. Могут содержать ядовитые вещества ,например ПХБ, PCB англ. Отлично подойдут К75-17, -40, -80, -99, -100, -101

Q:Возможно ли использовать для накачки вместо лампы, полупроводниковый лазер/LED?
А: Да, возможно. Лазеры этого типа называются DPSS и обсуждаются в соответствующей теме.

Q: Какие мощности можно получить ?
А: В импульсных режимах возможно получить мощности, измеряемые в МЕГА ,ГИГа и ТЕРА ваттах.
В непрерывном режиме скромнее - до нескольких киловатт.


Q: Каков типичный КПД лазера с накачкой лампами? Какую энергию импульса или мощность в непрерывном режиме можно получить?
Порядок величины - 1%. Например, для импульсного квантрона К-107 приводится выходная энергия 3 Дж при энергии накачки 300 Дж. Однако, в домашних условиях с абы как съюстированным резонатором, неподходящим и частично прогоревшим выходным зеркалом лазер на нём выдаёт только 2,5 при 500 Дж накачки. Для непрерывного К-301Б в многомодовом режиме указана выходная мощность до 130 Вт при накачке порядка 4 кВт.

Q: Можно ли получить непрерывный режим на ТТ лазерах?
А: Можно, используя активный элемент изготовленный из ИАГ. Большинство стеклянных АЭ для этих целей непригодны, в виду малой теплопроводности и термической прочности.

Q: Чем их качают для непрерывного режима?
А: Качается дуговыми лампами, типа ДНП, Требуется очень хорошее активное охлаждение. БП тоже не прост для изготовления.
Так же существуют ТТ лазеры с накачкой линейками ЛД 808нм. Это совсем не бюджетный вариант, и дома повторить практически невозможно. Ограничения - стоимость линеек, и БП

Q: Переносной вариант изготовить реально?
А: В зависимости от поставленых целей. Если нужем мощщный испепелятор - однозначно нет. Не в домашних условиях, и не с нашей зарплатой . Да и технологический уровень пока не тот...
Маленький ламповый твердотельник как игрушку вполне можно сделать. Взять хоть тот же популярный SSY-1.

Q: Существуют ли титан-сапфировые лазеры?
A: Да, существуют. Активная среда титан-сапфирового лазера традиционно выполняется в виде короткого (2—10 мм) стержня из монокристалла сапфира (Al2O3, он же корунд) с примесью ионов Ti3+.
Для накачки титан-сапфирового лазера применяют другой лазер, излучающий в зелёном диапазоне спектра. Таким лазером наиболее часто является непрерывный Nd:YAG / Nd:YVO4 лазер с диодной накачкой и внутрирезонаторным удвоением частоты. Также для цели накачки титан-сапфирового лазера могут использоваться лазеры на основе Yb (твердотельные и волоконные) с удвоением частоты, ранее накачка титан-сапфировых лазеров осуществлялась излучением сине-зелёных линий аргоновых лазеров.