Лазеры

Название «лазер» происходит от английского «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — «Усиление света в результате вынужденного излучения». Лазер дает когерентный (строго согласованный), монохроматичный (одлной длины волны) и поляризованный луч. Принцип действия лазера можно описать только с помощью квантовой механики, но он достаточно прост и для объяснения «на пальцах».

Любой лазер состоит из рабочего тела, в котором происходит излучение. Рабочими телами лазеров служат самые разнообразные вещества — твердые тела, жидкости и газы. Для успешной работы лазера молекулы в используемом веществе должны иметь особые энергетические уровни, как изображено на рисунке.

Лазер накачивают ярким светом лампы или другого лазера, электрическим током, электронным пучком или химической реакцией. С помощью накачки электроны в веществе лазера перебрасываются с основного уровня на какой-либо верхний. Поскольку накачка продолжает действовать, электроны долго на этом уровне быть не могут и падают куда-то ниже по энергии. Если они упадут обратно на основное состояние, никакого излучения не получится. Поэтому в веществе, используемом для лазера, чуть ниже этого верхнего уровня должен находиться еще один, метастабильный (т.е. долгоживущий, на котором электроны задерживаются).

После действия накачки в лазере образуется так называемая инверсия заселенностей, при которой электронов на метастабильном уровне накапливается больше, чем на основном. Другое название этого явления — отрицательная термодинамическая температура электронов. Накопившиеся электроны время от времени самопроизвольно падают вниз (на рисунке обратно на основной уровень, но могут и на какой-то промежуточный — так происходит, например, в гелий-неоновом лазере, он четырехуровневый), излучая квант света (фотон). Пока это еще обычная люминесценция, но при определенных условиях она может превратиться в лазерное излучение.

Дело в том, что если сквозь атом, находящийся в метастабильном состоянии, пролетает фотон, длина волны которого такая же, как мог бы излучить сам атом, тот излучит точную копию пролетевшего фотона. Летящую точно в ту же сторону, с той же длиной волны и строго в той же фазе, то есть когерентного первому. Если сделать так, чтобы каждый фотон прошел через вещество большой путь, он соберет вокруг себя «себе подобных», и получится луч. Самый простой способ сделать так - просто сделать путь фотона длинным, изготовить рабочее тело в виде длинной и узкой палки. Но при этом будет много мешающих фотонов, излученных из разных мест, каждый даст свою часть луча. Гораздо лучше поместить рабочее тело в резонатор — например, между двух зеркал. Тогда фотоны будут много раз проходить сквозь рабочее тело, их будет становиться все больше и больше. Если одно из зеркал полупрозрачно, луч выйдет сквозь него. Еще с помощью зеркал можно устранить «негодные» фотоны - только те, которые идут строго перпендикулярно зеркалам, смогут вернуться в вещество. Остальные вылетят куда-то вбок и луча не создадут. С той же целью в резонатор могут вставляться разного рода фильтры, дифракционные решетки и интерферометры. А еще можно менять прозрачность зеркал или ставить поглотители в резонатор, а потом их убирать. Тогда лазер накопит энергию, а в момент убирания поглотителя «выстрелит» очень коротким и мощным лучом.

На самом деле он всегда расходится за счет разного рода неидеальностей, дифракции на краях и прочих проблем. Очень малая расходимость есть следствие когерентности. Все фотоны строго согласованы, поэтому идут в одну сторону.

Некоторые лазеры имеют изначально расходящийся луч, который можно собрать в нерасходящийся с помощью линзы. Это скорее исключение из правила, хотя самые распространенные лазеры как раз таковы.

Когерентными называется колебания, строго согласованные друг с другом по частоте и фазе. Когерентны, например, волны, исходящие от одного и того же источника (скажем, при падении камня в воду). Когерентны и радиоволны от нескольких антенн, подключенных к одному передатчику.

Когерентный свет невозможно получить от обычных источников, поскольку обычный свет излучается огромным количеством несвязанных атомов. Лазер — единственное устройство, позволяющее заставить много атомов действовать согласованно и излучать одинаковые волны.

Лазер не может выдавать строго согласованные фотоны бесконечно долго. Постепено он переходит с одного «вида продукции» на другой. Время, в течение которого вылетающие фотоны примерно одинаковы, называется временем когерентности, а расстояние, которое свет проходит за это время (то есть длина части луча, состоящей из одинаковых фотонов) — длиной когерентности. У плохих лазеров длина когерентности составляет несколько миллиметров. Хороший гелий-неоновый лазер дает пару метров.

По характеру излучения лазеры делятся на непрерывные, импульсные и квазинепрерывные (дающие такие частые импульсы, что их очень трудно отличить от непрерывного излучения). По веществу рабочего тела — на твердотельные, жидкостные и газовые. Среди твердотельных лазеров отдельно выделяют полупроводниковые.

Самый первый лазер (Теодор Майман, 1960 год) был твердотельным, на рубине (темно-красный луч, импульсный, длина волны 694 нанометра). Кристалл бледно-розового синтетического рубина, обточенный в виде круглой палки, освещался спиральной ксеноновой лампой-вспышкой. Сейчас лазер на рубине применяется относительно редко, его место заняли более удобные и дешевые конструкции.

Самодельный лазер на CO₂ прожигает картон. Фото из коллекции Сэмюэля Голдвассера.

Самым распространенным лазером до недавнего времени был (а в лабораториях является и сейчас) газовый лазер на смеси гелия и неона. Он дает непрерывный красный (даже почти оранжевый, 632 нм) луч небольшой мощности (несколько милливатт). Для резки материалов используют мощный лазер на углекислом газе CO₂, его луч невидим (непрерывный, 10.6 мкм, дальняя инфракрасная область, благодаря этому он режет даже стекло, которое для него совершенно непрозрачно) и очень мощен (несколько Вт). Еще для лазерной резки применяют твердотельные лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом (инфракрасный, 1064 нм, импульсный). Самый простой лазер для домашнего изготовления — газовый на азоте (ультрафиолетовый, невидимый, 337,1 нм). Из жидкостных наибольшее распространение получили лазеры на органических красителях — их можно перестраивать во всем диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового. Лампы накачки теперь делают прямыми, а зеркала твердотельных лазеров напыляют прямо на полированные торцы кристалла. Газовые лазеры накачивают электрическим разрядом.

Самыми распространенными сейчас стали полупроводниковые лазеры. В приводах CD используются инфракрасные, а в приводах DVD и лазерных указках - красные лазеры. Типичная длина волны такого красного лазера составляет 650 нм (может немного отличаться). Мощность лазеров CD, DVD и указок обычно около 1 мВт, а мощность пишущих лазеров в приводах может составлять до 200 мВт (очень опасно! Не пытайтесь просто так включить лазер от привода — можно навсегда потерять зрение!). Иногда встречаются зеленые и даже синие лазеры на полупроводниках. Зеленый чаще всего представляет собой миниатюрный лазер на ванадате иттрия с неодимом, накачиваемый 808-нанометровым полупроводниковым лазером, с кристаллами-удвоителями на основе дигидро- или титанилфосфата калия (KDP, KTP), но могут встречаться и просто полупроводниковые инфракрасные лазеры с удвоением. В синем тот же кристалл KTP удваивает частоту мощного красного полупроводниковго лазера. Мощные лазеры продает фирма Wicked Lasers (опять же, не покупайте их лазеры, если незнакомы с правилами безопасности! У них очень и очень опасная мощность. Были несчастные случаи.). Полупроводниковые лазеры имеют одну конструктивную особенность — маленькие зеркала. Из-за этого их луч сам по себе сильно расходится, и в параллельный его собирают линзой.

5 июля 2008 года, Владимирская область. Участники фестиваля техно-музыки «Аквамарин» получили тяжелые ожоги сетчатки глаза в результате нарушения техники безопасности при проведении лазерного шоу: лучи были направлены слишком низко и попадали на людей. Пострадало более 30 человек в возрасте от 16 до 30 лет, многие остались инвалидами на всю жизнь.

«Обычно лазерная пушка на таких концертах светит в небо, в этот раз шел сильный дождь, организаторам пришлось натянуть тент над танцполом, а пушка время от времени направлялась вниз — под тент. В результате в 50-70 метрах от лазерной установки по танцующим скользили ее лучи», — рассказал пострадавший Денис.

«Я хорошо запомнил момент вспышки, когда луч попал в глаза. У меня сразу появилось пятно вроде того, как бывает, когда долго смотришь на солнце. Я не придал этому значения, два дня работал и думал, что пройдет само. А на третий день решил по дороге на работу заехать в больницу. Меня осмотрели, тут же спросили, не с open-air ли я, и тут же госпитализировали, не дав даже за вещами домой съездить», — рассказал пациент офтальмологической клиники Дмитрий.

Врачи-офтальмологи подтвердили, что у всех пострадавших один и тот же диагноз — сильные ожоги сетчатки с рубцами. «У всех ожоги сетчатки, на ней видны рубцы. Потеря зрения в отдельных случаях составляет до 80%, и вернуть его уже не удастся», — пояснил один из врачей.

(По материалам http://www.kp.ru)

Хотя на первый взгляд луч лазера и не очень ярок, он таит в себе гораздо большую опасность, чем свет простой лампочки. Всему виной когерентность — луч очень мало расходится, способен проходить, не ослабевая, большие расстояния, при этом многократно отражаясь от случайных предметов, а в глазу собирается в микроскопическую точку, способную жечь.

По опасности лазеры делятся на несколько классов. Российская (советская) классификация слегка отличается от международной. Приведем здесь международную:

• Класс I — совершенно безопасный лазер, или же опасный лазер под надежной крышкой.
• Класс II — видимый лазер, опасный при длительном свечении в глаз. При случайных попаданиях в глаз обычно безопасен. Мощность обычно до 1 мВт.
• Класс IIa — опасный лазер, «тянущий» на 3-й класс, но закрепленный так, что попасть под него глазом трудно.
• Класс IIIa — видимый лазер, опасный при попадании в глаз, но глаз можно успеть закрыть. Обычно до 5 мВт.
• Класс IIIb — лазер, повреждающий глаза до того, как глаза успеешь закрыть (почти любой невидимый лазер, либо видимый большой мощности). Может обжигать кожу.
• Класс IV — лазер, у которого опасен даже рассеянный свет (тот, что идет из точки попадания луча на предмет). Высший класс опасности.

Защититься от лазера достаточно просто. Для этого нужно надеть очки. Защитные очки для работы с лазерами различаются по оптической плотности и длинам волн лазера, от которого они защищают. Все очки против лазеров делятся на три вида:

• Полной защиты — поглощают луч лазера полностью. Сквозь них луч совершенно не видно.
• Настроечные — ослабляют луч до безопасного уровня, но так, чтобы луч был еще виден. Используются для настройки лазерной техники.
• Очки пациента — надеваются во время лазерных процедур. Совершенно непрозрачные металлические чашечки. Здесь мы упоминаем их только для полноты картины.

Оптическая плотность показывает, во сколько раз очки ослабляют свет. Единица означает «в 10 раз». Соответственно, «оптическая плотность 3» означает ослабление в 1000 раз, а 6 — в миллион. Правильная оптическая плотность для видимого лазера такова, чтобы после очков от прямого попадания лазера осталась мощность, соответствующая классу II (максимум где-то 1 мВт). Для невидимого — чем больше, тем лучше.

Вместо очков можно использовать защитное стекло, отгораживающее людей от лазера. Важно лишь, чтобы луч никоим образом не мог это стекло обойти.

Если луч невидим, вместе с ним обычно пускают луч красной лазерной указки. Так и удобнее, и безопаснее.

От красного и некоторых инфракрасных лазеров защищают отечественные очки марки ЗН-22 С3-С22. Они похожи на очки сварщика, но имеют стекла голубого цвета. Купить из иногда можно в магазинах «Медтехника», стоят около 700 рублей. Недостаток - они резиновые, тяжелые и некрасивые.

Если повезет, можно купить и другие отечественные очки от лазеров. Но в продаже они бывают редко.

Большой ассортимент различных очков предлагает фирма NoIR (http://www.noirlaser.com/). Их очки со светофильтрами марок KRR и AL2 дешево продает Wicked Lasers (http://www.wickedlasers.com/). По непроверенной информации, раньше они продавали HEA и ARG под теми же названиями. Может и сейчас продают.

Легко купить очки можно на аукционе eBay (http://ebay.com/). Искать по ключевым словам «laser goggles».

Красные лазерные указки класса II продаются где угодно. Иногда на них бывает написан класс IIIa — пишут, видимо, от фонаря.

Лазерные модули (цилиндрик с лазером и торчащими проводами, на которые надо подать питание, обычно 3 вольта) можно купить в московском магазине «Чип и Дип», а иногда и в местных магазинах радиотоваров (в мастеркитовских наборах, например). Цена зависит от мощности и обычно составляет 200-400 рублей за 5 мВт. Чаще всего встречаются модули, формирующие обычный луч (точку), реже — линию (предназначены для сканеров штрих-кодов), иногда — крест. Встречаются зеленые. Можно купить мощный.

Готовые лазеры и компоненты продает http://www.lasercomponents.ru/.

Очень мощные лазеры можно купить у:

• http://www.wickedlasers.com/
• http://www.novalasers.com/
• http://www.laserglow.com/.

Цены достаточно стандартны - от $50 за зеленый лазер, от $500 за синий.

Мощный красный лазер можно достать из DVD-RW, а маломощный — из DVD-привода. Блок питания придется паять самостоятельно (такие лазеры очень капризны и легко сгорают). Линзу тоже придется приделывать самому.

В приводах CD лазеры инфракрасные.

В DVD- и DVD-RW-приводах два лазера. Инфракрасный и красный.

• Если лазер один и у него 4 вывода, это комбайн. Инфракрасный и красный лазеры в одном корпусе.
• Если один из лазеров в позолоченном металлическом корпусе, а другой — голый кристалл непонятно в чем, то металлический — красный.

Во всех остальных случаях придется включать и пробовать.

Смотрите через видео- или фотокамеру. Камере инфракрасный свет обычно кажется синим. Чем дешевле и хуже камера, тем четче она видит ИК. Остерегайтесь попадания ИК-луча в глаз. «Невидим» не значит «не ослепляет». Луч мощного ИК-лазера кажется слабым красным.

Про определение порядка выводов и про возможные схемы блоков питания можно прочитать в Sam's Laser FAQ. Придется паять и пользоваться радиотехническими приборами. Не радиолюбителю лучше не пробовать: все, чего добьетесь — сожжете лазер.

Лазер от DVD питается током, а не напряжением. Рабочий диапазон полупроводниковых лазеров узок, очень узок. У мощных лазеров он больше. Если параметры лазера неизвестны, разумным будет умышленно сжечь один лазер, чтобы прощупать его рабочий диапазон. Причина выхода из строя лазера — не ток, а слишком большая яркость (сам выжигает собственные зеркала), это называется «катастрофическое оптическое повреждение». Поскольку мощность лазера зависит не только от тока, но и от температуры и кучи других параметров, многие лазеры имеют встроенный датчик интенсивности излучения (фотодиод). Этот фотодиод нужно подключить в обратную связь блоку питания лазера.

Речь, наверное, вот об этом: http://rutube.ru/tracks/280473.html

И да, и нет. Такое на самом деле может получиться, но если попытаться это повторить, то скорее всего не получится. Дело в неправильном питании лазера. Автору фонарика сильно повезло, что он попал в рабочий диапазон лазера. Причем лазер скорее всего сгорит, когда туда поставят другие батарейки. Надежная конструкция делается ненамного сложнее. Достаточно добавить пару транзисторов для стабилизации тока, и результат гарантирован.

Безопасность таких вещей сама по себе представляет большую проблему. В принципе вообще недопустимо делать лазеры такой мощности в корпусе, который можно держать в руке. Либо надо закрыть двери и окна и надеть защитные очки, либо хотя бы закрепить лазер на столе (хоть в тисках), чтобы луч не летел куда попало. Хотите выжигать лазером — пожалуйста, но поставьте его на подставку, чтобы светил сверху вниз (как сверло у сверлильного станка), добавьте защитное стекло, и все будет безопасно. Вы ведь обычно не стреляете в своей квартире боевыми патронами?

Луч лазера - обычный свет, и отражается он от обычных зеркал. Однако в задачах, связанных с лазерами, часто требуются зеркала очень высокого качества. Чаще всего это диэлектрические зеркала. Хоть они и не имеют особого отношения к лазерной технике и применяются в любой оптике, в быту их можно встретить только в головках лазерных проигрывателей и принтеров.

Диэлектрическое зеркало представляет собой стекло, на которое нанесено несколько слоев прозрачных пленок определенной толщины и с определенным показателем преломления. Их действие основано на комбинации эффектов внутреннего отражения и интерференции. В определенном диапазоне длин волн и под определенными углами эти зеркала отражают гораздо лучше, чем любые металлические (даже серебряные). Но вне этого диапазона они не отражают. Зеркала, которые можно вытащить из техники, рассчитаны на работу в очень узком диапазоне длин волн «своего» лазера и не отражают другой свет. Поэтому они выглядят как простые стеклышки с едва заметной цветной пленкой с одной стороны. Но попробуйте направить на такое стеклышко (от DVD, где лазер красный) со стороны пленки красный свет (можно не от лазера), и вы увидите, как хорошо оно отражает.

Обычно при прохождении излучения через вещество частота света не изменяется, и на выходе получается та же длина волны, что и на входе. Вещество может поглощать некоторые длины волн сильнее, некоторые слабее, но обычно не создает волн, которых не было раньше. Существует, однако, явление люминесценции, когда вещество излучает само на своих длинах волн. Вещества, светящиеся под действием света (флюоресцентные краски, например), поглощают свет в коротковолновой области и излучают более длинноволновый. Универсальное правило тут — закон сохранения энергии. На каждый квант поглощенного света излучается тоже ровно один квант с меньшей энергией, то есть большей длины волны. Поэтому зеленый свет можно с помощью люминофора превратить в красный, а обратно нельзя. А еще люминофор излучает как попало, поэтому направив зеленый луч лазера на красный люминофор, мы получим нелазерный, идущий во все стороны красный свет.

Все это верно до тех пор, пока излучение не слишком мощное. При большой мощности в атом могут попасть одновременно несколько фотонов, тогда излученный фотон может быть больше по энергии, чем каждый из попавших (но, разумеется, не больше, чем все попавшие, вместе взятые). При этом появляется новый интересный эффект: удвоение и утроение частоты света в кристалле. Поясним это явление подробнее.

Иногда фотон, попавший в атом, сразу же переизлучается с той же длиной волны (резонансное упругое рассеяние). Тот же самый процесс возможен и с 2-3 фотонами, тогда излученный фотон будет иметь длину волны, в 2-3 раза меньшую. Этот процесс носит название генерации второй или третьей оптической гармоники. Именно он используется в зеленых и синих лазерных указках.

В роли удвоителей частоты наиболее известны кристаллы на основе дигидрофосфата или тригидрофосфата калия (KDP и KTP). Зеленая лазерная указка представляет собой мощный (100 мВт) инфракрасный лазер с длиной волны 1064 нм, луч которого, проходя через кристалл KDP, примерно на 10% превращается в 532-нанометровый зеленый. После кристалла стоит фильтр, отсекающий 1064 нм и оставляющий только зеленый луч.

Аналогично устроен зеленый лазер на АИГ с неодимом. Длина волны 1064 нм взята не с потолка — это как раз длина волны неодимового лазера, что позволяет использовать для указок точно такие же KDP-кристаллы.

Другие явления нелинейной оптики (зависимость показателя преломления от интенсивности, автофокусировку и т.д.) мы здесь рассматривать не будем. Любителю они все равно малодоступны. Желающие могут узнать про них из специальной литературы.

Лазер — очень интересная вещь, и с ним можно проделать много опытов. Для большинства опытов нам будет достаточно дешевой лазерной указки. Она доступна и безопасна. Указку удобно закрепить на штативе от фотоаппарата или сделанном из подручных материалов. Чтобы лазер работал постоянно, кнопку можно зажать бельевой прищепкой. Не стоит пытаться подключить вместо батареек сетевой блок питания - указка скорее всего сгорит. Лучше тогда купить нормальный лазерный модуль рублей за 200. Для всех опытов следует использовать лазеры класса II, ну или придется надеть очки. Если есть возможность, неплохо использовать лазеры разных цветов, но скорее всего у вас есть только красный.

Если есть возможность,

Опыт делается а затемненном помещении, но не в полной темноте. Направляем луч лазера на светлую стену (повесьте на стену лист бумаги), видим точку. Теперь на пути луча ставим тонкую нить (волос) так, чтобы она пересекала луч. На стене образуется дифракционная картина в виде полос.

Пропустим луч лазера через тонкую щель. Видим примерно то же самое. Щель известной ширины хорошо получается из губок штангенциркуля.

А теперь попробуйте объяснить это явление и вывести формулу для расстояния между полосами. Измерьте по расстоянию между полосами толщину вашего волоса.

Постановка опыта очень похожа, но вместо одной щели ставим две рядом. Смотрим на картину от одной щели, то другой и от обеих вместе. Видим, что это не просто две наложенные друг на друга картины от двух щелей.

Пусть луч лазера отразится от диска CD или DVD. Сколько точек отражения видно на стене и где? От чего это зависит?

Выведите формулу. Зная, что шаг дорожки CD составляет 1,6 мкм, определите длину волны лазера. Зная длину волны лазера, определите шаг дорожки DVD.

На том же принципе построены насадки с картинками на лазерные указки. Почему от вроде бы прозрачного стекла получается изображение? Как это достигнуто?

To be continued…

Лазер сделать достаточно трудно. Зачастую требуется специальное оборудование (вакуумные насосы, стеклодувные горелки) и навыки работы с ним, а также дорогостоящие или труднодоступные материалы (чистые газы, диэлектрические зеркала). Тем не менее, люди делали, делают и будут делать лазеры в домашней мастерской.

В первую очередь следует прочитать Sam's Laser FAQ. Все необходимые чертежи есть там. Нужно четко понимать принцип действия выбранного лазера, технические требования к его деталям и особенности конструкции. Обратите внимание на технику безопасности — кроме собственно лазерного излучения, во многих случаях используются высокие напряжения или опасные вещества. Нельзя приступать к изготовлению лазера, не зная всех этих тонкостей.

Скорее всего вы не сможете сделать твердотельный лазер — для него нужно иметь стержень из соответствующего вещества с торцами-зеркалами, то есть по сути полуфабрикат. Если вам посчастливилось достать такой стержень, считайте, что у вас уже есть лазер: осталось приделать к нему лампу накачки, и все заработает. Тем более не стоит мечтать о полупроводниковых лазерах. Да, очень легко вытащить лазер из DVD-привода и сделать к нему источник питания, но это всего лишь самодельный источник питания. Сам же лазер целиком и полностью заводской. Мы же говорим об изготовлении в первую очередь оптической части.

Остались жидкостные лазеры и газовые. Из газовых можно сразу забыть о гелий-неоновом – сложная стеклянная часть, купить готовый дешевле. Самый простой из самодельных лазеров — на азоте. Вместо азота иногда удается использовать простой воздух. Можно сделать лазер на CO₂, но к нему нужно где-то доставать окна из германия или другого прозрачного для 10,6 мкм вещества, что непросто. Можно сделать универсальный лазер, в который можно напускать почти любой газ. Можно попытаться сделать аргоновый лазер. И наконец, можно достать где-нибудь стеклянную часть гелий-неонового лазера и переделать его во что-то более интересное. Например, в лазер на парах ртути.

Жидкостный лазер – это лазер на органических красителях. Они бывают с ламповой накачкой и с лазерной. Дома можно сделать и тот, и другой, но, как ни странно, с лазерной накачкой сделать проще - он не так капризен. В качестве накачки используется простейшая конструкция на азоте.

И наконец, те, кто имеет доступ к хорошим мастерским и материалам, могут попробовать свои силы в изготовлении лазера на парах меди, кадмия или золота. Конструкция достаточно сложна, но зато и интересна.

Пожалуй, это самая простая и распространенная конструкция. Она не требует зеркал, хотя для того, чтобы направить луч не в обе стороны сразу, одно зеркало все же ставят. Генерация происходит в длинном узком промежутке, заполненном азотом. Получающийся луч ультрафиолета 337,1 нм имеет плохую когерентность, но зато высокую мощность. Его можно использовать для накачки лазеров на красителях.

Типичный самодельный лазер на азоте. Хорошо видны конденсаторы-«крылья». Фото из коллекции Сэмюэля Голдвассера.

Накачкой лазера служит электрический разряд напряжением 5–20 кВ (осторожно, высокое напряжение! Заряд конденсаторов лазера смертелен!). Для генерации достаточно расположить две линейки строго параллельно и устроить между ними разряд строго односременно. Скорость поджига разряда вдоль линеек должна превышать скорость света, чтобы азот оказался ионизированным до того, как через него пройдет луч. На практике для этого приходится подводить энергию к линейке сбоку сразу по всей длине, этим достигается одновременность. Иначе бы волна энергии бежала по линейке со скоростью света (быстрее-то нельзя!) и опоздала бы. Излюбленная конструкция любительского лазера, которую часто неправильно называют схемой Блюмляйна, представляет собой два плоских конденсатора. С нижней стороны они непосредственно соединяются, а с верхней закреплены линейки разрядного промежутка. Конденсаторы заряжают от источника высокого напряжения. затем один из них резко закорачивают (чаще всего с помощью искрового промежутка). За счет собственной индуктивности в закороченном конденсаторе возникают колебания, и через полпериода напряжение на разрядном промежутке становится равным удвоенному напряжению питания. При этом происходит пробой. Если линейки сделаны качественно и отрегулированы, то пробой произойдет по всей длине равномерно.

Время жизни возбужденного состояния (метастабильного уровня там нет, лазер двухуровнувый) в азоте крайне мало и составляет от 1 до 40 наносекунд (зависит от чистоты и давления газа). Если разряд достаточно быстр, чтобы вкачать за это время необходимую энергию (пиковая мощность разряда должна для этого составлять несколько мегаватт, а длительность не превышать 10 наносекунд), то получится лазерное излучение. Обычно азот должен быть чистым и находиться при пониженном давлении, но при очень качественной накачке можно ухитриться заставить лазер работать и с воздухом вместо азота, и даже при атмосферном давлении (то есть просто две линейки в воздухе уже могут образовать лазер!). Кислород заметно снижает время жизни возбужденного уровня азота, да еще и портит электроды, поэтому лучше все же использовать азот. Чистота азота особой роли не играет. При атмосферном давлении ничего хорошего тоже не получится, хоть работать и будет. Хотите мощность - используйте чистый азот и откачивайте насосом. Обычно в лазерах используют работу напроток - азот из баллона подается с одной стороны и откачивается с другой. Герметичную трубку с азотом, работающую без насоса, сделать можно, но самодельная трубка будет все время пачкаться всякой дрянью, летящей из электродов и стенок, и долго не проработает. Лучше все время подавать новый чистый газ, а грязный удалять.

Автору статьи посчастливилось поработать с азотным лазером Molectron UV-1000 мощностью 1 мегаватт. Он работал напроток от баллона, дина трубки составляла 2 метра, сечение луча — прямоугольник около сантиметра толщиной и несколько сантиметров в длину. Рабочее напряжение около 30 киловольт. Разряд зажигался с помощью большого водородного тиратрона, от которого на трубку импульс шел по 100 толстым коаксиальным кабелям строго одинаковой длины. Они начинались от конденсатора внутри корпуса тиратрона, а концами были равномерно распределены вдоль двухметровой трубы. Этим обеспечивалась одновременность накачки. Сфокусированный хорошей линзой из плавленого кварца, луч легко испарял (не прожигал) бумагу, с громким щелчком оставляя в ней аккуратное отверстие с четкими краями.

Конденсаторы делаются из фольгированного текстолита (фольга по краям стравливается, но ни в коем случае не срезается, иначе по царапинам пробьет) или из любой металлической фольги и пластиковой пленки. Можно попробовать слюду. В лазере с чистым азотом и с насосом можно использовать заводские конденсаторы-«бочонки». Обеспечьте хорошую изоляцию. Заряд конденсаторов смертелен.

Источник высокого напряжения может быть любым (из строчника от телевизора, из катушки зажигания, из трансформатора от неоновой рекламы и т.п.). Высокое напряжение должно быть выпрямлено. Нужно иметь регулировку высокого напряжения, переключатели «защиты от дурака» и кнопки аварийного отключения. Неплохо иметь киловольтметр.

Запуск разряда обычно делают с помощью искрового промежутка. Тиратрон трудно достать, а пригоден он только для лазеров с трубкой высокого качества. Искровой промежуток должен быть регулируемым. Его нужно закрыть, поскольку он очень громко трещит и очень ярко сверкает. Можно попробовать пустить в него азот под давлением. Неплохо заполнить водородом (избегать образования гремучего газа!). Искровым промежутком можно управлять с помощью третьего электрода.

Объем лазера чаще всего делают из оргстекла. Неплохо добавить защиту от ультрафиолета. На торцах трубки ставят самые тонкие стеклышки, какие удастся достать (например, покровные стекла для микроскопа).

Вопреки распространенному мнению, никакой бегущей волны в «крыльях» нет. Не те частоты. Поэтому вырезать конденсатор в виде параболического отражателя не надо. Тем не менее, форма и размеры конденсатора влияют на его индуктивность. Надо подбирать. Конденсаторы должны быть одинаковыми. Не стоит делать один меньше другого.

Искры между линейками свидетельствуют либо о неровностях, либо о слишком высоком напряжении, либо о слишком медленном поджиге. Причиной медленного поджига могут быть слишком большие конденсаторы. Свечение между линейками должно быть равномерным.

Обнаружить ультрафиолет можно по свечению белой бумаги.

• Sam's Laser FAQ — сайт Сэмюэля Голдвассера. Все о лазерах.
• Лазеры на Wikipedia