В первой части обзора я измерил заявленные в описании параметры лазера и рассказал о недочетах в конструкции блока питания. Теперь подошла очередь рассмотреть, как же устроен сам излучатель.
Чтобы было понятно, что там внутри и зачем оно вообще там нужно, хотелось бы начать с краткого описания того как лазеры работают вообще. Итак:
Теория (скучная)
Лазер это гениально простое для понимания принципа его функционирования устройство. В то же время, для того, чтобы лазер заработал, нужно учесть кучу нюансов, что открывает огромный простор для творчества инженеров. Это как с атомной бомбой: вот есть два куска урана по половине критической массы, складываем их – ан нет, не взрывается что-то, только на сапоги стекает.
Все мы знаем, что если атому или молекуле вещества сообщить некоторую энергию, то через какое-то время этот атом/молекула от нее избавится – возможно даже, испустив квант излучения (если не столкнется с каким-нибудь другим атомом раньше). Это спонтанное излучение, и так работает лампочка: спираль нагревается электрическим током, тепловая энергия атомов (и вольфрама и всех примесей) переходит в энергию излучения. При этом спектр такого излучения примерно соответствует спектру абсолютно черного тела и представляет собой кучу разных длин волн с характерным пиком интенсивности для данной температуры.
В то же время, если по возбужденному атому ударить фотоном определенной частоты, не дожидаясь, пока атом скатится на нижний энергетический уровень сам, то в результате поглощения такого фотона атом снизит свою энергию на энергию фотона и выпустит два совершенно одинаковых фотона, идентичных тому, что прилетел. Идентичных абсолютно: по направлению, по фазе, по поляризации, и, конечно по энергии, т.е. длине волны. Это вынужденное излучение.
Если у нас много одинаковых возбужденных атомов, то велика вероятность, что «раздвоившийся» фотон ударит по такому атому, раздвоится снова и т.д., пока не кончатся возбужденные атомы в направлении распространения волны. Таким образом, всего один влетевший в пространство с нашими возбужденными атомами фотон правильной длины волны размножается многократно – усиливается, а атомы теряют энергию. Отсюда понятно, что для того, чтобы лазер работал непрерывно, излучившим атомам непрерывно же нужно сообщать энергию, переводящую их обратно на верхний энергетический уровень – «накачивать». Причем, для успешного усиления атомов на верхнем энергетическом уровне должно быть больше, чем на нижнем, это состояние вещества называется «инверсная населенность». Одного прохода усиленного пучка квантов через рабочее тело обычно недостаточно, поэтому его помещают в резонатор – два зеркала, одно из которых отражает излучение полностью, а второе – частично выпускает наружу усиленный пучок.
Атомы, о которых пойдет речь в контексте данного лазера – это ионы неодима, которые находятся в узлах решетки кристалла ванадата иттрия. Если бы они просто болтались в вакууме и находились в форме газа, то лазер был бы газовый, а поскольку они «закреплены» в кристалле, то лазер получается твердотельный. Кристалл подбирается такой, чтобы он был прозрачным для нужных нам длин волн, крепким механически, и подходил по ряду других параметров, которые для понимания работы не критичны. Собственно, кристалл ванадата иттрия YVO4 с примесью (иначе говоря – легированием) неодимом Nd и называется рабочим телом лазера, а полностью формула записывается как Nd:YVO4. Тут важно понимать, что главное у нас здесь – именно неодим, а кристаллов с подходящими параметрами для легирования существует множество: Nd:Y3Al5O12 (или короче Nd:YAG), Nd:YAlO3 и др. У всех есть нюансы, но суть одна.
В примере вынужденного излучения у нашего атома было всего два энергетических уровня – верхний и нижний, но реальность выглядит более сурово:
Здесь мы видим «интересные» с точки зрения излучения и поглощения энергетические уровни иона неодима в кристалле аллюмо-иттриевого граната. Следует понимать, что ион неодима (как и любой квантовый объект) может поглотить только кванты определенных длин волн – энергия которых соответствует разности энергий его уровней. Это синие стрелки.
Хотя энергетически гораздо более выгодно накачивать кристалл длиной волны 869nm, мощных и дешевых источников такой длины волны нет. Поэтому используются лазерные диоды, излучающие 808nm (зато интенсивно), которые загоняют ионы на уровень выше, чем нужно. Через небольшое время происходит безызлучательный переход на уровень 4F3/2. Это т.н. метастабильный энергетический уровень. «Метастабильный» означает, что на этом уровне ион остается относительно долгое время, не сбрасывая энергию, но в то же время, этот уровень и не основной (не с минимальной энергией). Это важно, поскольку в этом состоянии ион неодима должен «дождаться» своего кванта, который и будет усилен с переходом на более низкий уровень.
Возбужденный ион неодима может излучить квант с одой из четырех длин волн, пригодных к дальнейшему усилению (красные стрелки). Причем, хотя наибольшая вероятность излучения – на длине волны 1064nm, остальные переходы также возможны. С ними борются, применяя дихроичные зеркала резонатора, которые отражают только волны длиной 1064nm, а остальные – выпускают наружу, не давая усилиться в резонаторе. Таким образом можно выбрать одну или несколько из возможных частот излучения лазера просто заменяя зеркала.
Итак, накачивая лазерным диодом наш кристалл, помещенный в резонатор, мы получаем лазерное излучение с длиной волны 1064nm. Стоит отметить, что накачивать неодим можно не только лазерным диодом, но и лампами-вспышками и другими источниками излучения, у которых в спектре есть нужные длины волн, т.е. именно лазер как источник накачки тут не обязателен. Просто лазерный диод очень эффективен в плане преобразования электрической энергии в излучение одной нужной нам частоты (КПД достигает более 50%), а то, что его излучение имеет поляризацию и когерентность – это положительные, но не обязательные качества.
ИК-излучение 1064nm превращается в зеленое 532nm в процессе, называемом «генерация второй гармоники» (SHG). Боюсь, у меня не получится доступно объяснить суть этого процесса не увеличивая объем статьи вдвое, поэтому примем просто, что нелинейный кристалл, в котором это происходит, является черным ящиком, который получает на вход два кванта, а на выходе выдает один, но удвоенной частоты. Причем эффективность этого процесса зависит от амплитуды соответствующей кванту волны (в этом и есть его нелинейность), поэтому смотря через кристалл на окружающий мир, мы не увидим никаких сдвигов цвета – интенсивность света слишком мала. А вот при лазерных плотностях энергии эти эффекты проявляются во всей красе.
Так же как и с рабочим телом, существует множество нелинейных кристаллов: KTP (титанил-фосфат калия, KTiOPO4), LBO (триборат лития, LiB3O5) и множество других – все со своими плюсами и минусами. В непрерывных (CW) лазерах нелинейный кристалл помещают внутрь резонатора, чтобы добиться большей поляризации диэлектрика за счет многократного прохождения ИК-пучка через кристалл и тем самым повышая эффективность генерации второй гармоники. Лазеры такой конструкции называются лазерами с внутрирезонаторным удвоением частоты (intracavity second harmonic generation). В импульсных лазерах этим не заморачиваются – плотности энергии в импульсе и так достаточно чтобы еще усложнять резонатор.
Все DPSS лазеры средней мощности строятся по приблизительно одной оптической схеме:
LD – диод накачки, F – фокусирующая линза, HR – входное зеркало (пропускает 808nm и отражает 1064nm), Nd:Cr – кристалл, легированный неодимом (на его правую по схеме поверхность напылено отражающее покрытие для 532nm), KTP – нелинейный кристалл, OC – выходное зеркало (отражает 1064nm и пропускает все остальное).
Зеркала HR и OC образуют полусферический резонатор Фабри-Перо. Зеркало HR обычно напылено на кристалл рабочего тела, его стараются сделать с максимальной отражающей способностью для длины волны, генерируемой лазером. Отражающую способность зеркала OC выбирают так, чтобы максимизировать КПД лазера: чем выше коэффициент усиления среды (т.е. чем меньше проходов по кристаллу с неодимом нужно сделать пучку чтобы достаточно усилиться), тем больше коэффициент пропускания.
Как видно из схемы, единственным элементом, который задерживает излучение 808nm от лазерного диода, является кристалл рабочего тела. Все, что он не смог поглотить, проходит через зеркала в выходную апертуру. Поэтому после зеркала OC обычно ставят дихроичный фильтр, отражающий непоглощенное излучение накачки.
Теперь, зная основные теоретические принципы работы лазера и основы его конструкции, можно переходить к следующей части.
Практика
Откручиваем нижнюю панель и получаем доступ к четырем винтам, крепящим верхнюю крышку:
Аккуратно снимаем крышку, смещая ее вперед, чтобы не задеть линзу объектива:
Сам лазер занимает относительно небольшой объем излучателя. Видно два юстируемых держателя оптики – это хороший признак: значит, во-первых есть что юстировать, и во-вторых, значит, что лазер сделан не на «склейке» рабочего тела и нелинейного кристалла. Склейка непригодна для извлечения больших мощностей и не поддается юстировке.
Все щели тщательно замазаны силиконовым гелем, который исключает доступ пыли и влаги в резонатор. По паре юстировочных винтов расположено по центру на верхней части и сбоку от каждого из держателей. Основание лазера крепится к радиатору всего двумя винтами, которые прижимают его к термоэлементу. Таким образом, передний край платформы просто висит над радиатором, что внушает сомнения в общей жесткости конструкции.
Свободного места между оптическими элементами нет: моя идея поставить в резонатор модовую диафрагму и ИК-фильтр перед объективом оказалась обречена на провал. Об эталонах частоты и других оптических элементах, конечно, и речи быть не может; конструкция лазера не подразумевает модификации.
Снимаем вентилятор, чтобы получить доступ к лазерному диоду
Снимаем объектив и оба держателя:
Открывается вид на кристалл ванадата иттрия размером 5x5x3 мм, который может выдержать до 15 Вт накачки и выдать до порядка 6 Вт излучения на длине волны 1064nm. Доля примеси неодима составляет скорее всего около 1 атомного процента. На эту сторону нанесено просветляющее покрытие для 1064nm и отражающее для 532nm.
Теперь посмотрим на элементы в юстируемых держателях
Держатели выполнены из дюраля, позволяют производить юстировку в горизонтальной плоскости боковыми винтами и в вертикальной – верхними. Юстировку предполагается выполнять так: отпустить оба винта для одной оси, потом найти нужное положение держателя одним из винтов и зафиксировать его вторым винтом. Винты – самые обычные китайские M3, не микрометрические или точные.
Кристалл KTP имеет размеры 3x3x7 мм, и теоретически может «обслужить» гораздо большую мощность – до порядка 20 Вт @ 532nm. На его торцы нанесено просветляющее покрытие для волн длиной 532 и 1064nm, коэффициент отражения которого составляет менее 0.5%. Для юстировки кристалла неплохо было бы иметь и третью степень свободы – вращение вдоль оси резонатора, но тут изготовители положились на точность огранки и вклеивания.
В выходной держатель вклеено дихроичное вогнутое зеркало (на глаз вогнутости не видно): оно пропускает свет на длине волны 532nm и отражает 1064nm. При этом значительная часть излучения 808nm тоже проходит его насквозь.
Снимаем лазерный диод
Диод в корпусе F-mount закреплен на массивном латунном основании с нанесенной на него термопастой. В этом типе корпусов предусмотрено отверстие для установки терморезистора, контролирующего температуру диода; терморезистор присутствует на штатном месте. Произведён диод компанией Focuslight; т.к. кроме серийного номера, другой маркировки на нем нет, его мощность, скорее всего, составляет 5 Вт – это самая низкая мощность для диодов в таком корпусе, и логично предположить, что ничего мощнее и дороже китайцы туда ставить не станут. Исходя из даташита на этот тип диода, максимальный ток составляет 5.5A, т.е. без превышения допустимых величин установленный на заводе ток можно увеличить на 200 мА, что должно добавить еще порядка 50 мВт выходной мощности. Диод легко можно заменить на 10-ваттный, благо остальные компоненты позволяют, и получить на выходе более 3 Вт зеленого пучка (о его качестве, стабильности и модовом составе судить не берусь).
Крепление диода позволяет вращать его вдоль оси резонатора, чтобы подобрать оптимальную поляризацию накачивающего излучения.
Вид на рабочее тело с дугой стороны
На эту сторону кристалла нанесено просветляющее покрытие для 808nm и отражающее более 99.5% для 1064nm, которое образует плоское зеркало резонатора.
Как видим, никакой фокусирующей оптики между диодом и кристаллом нет: это снижает эффективность накачки.
Откручиваем основание лазера от радиатора
Под основанием находится распространенный элемент Пельтье марки TEC1-12706. Его характеристики: питание до 15В, ток до 6А, отводимая мощность до 50Вт при температуре горячей поверхности 60°C; размеры 40x40x4 мм. Под выходным держателем оптики проделано отверстие – вероятно, для нагревающего элемента при другой компоновке: в этом держателе крепился бы нелинейный кристалл, в предыдущем – фокусирующая оптика, а выходное зеркало крепилось бы отдельно (заодно это бы частично решило бы проблему с температурным расширением основания). Но это только мое предположение.
Собираем все обратно
Стоит ли говорить, что после сборки лазер не заработал? Однако я довольно-таки быстро поймал генерацию, играя юстировками выходного зеркала. Дальнейшая настройка зеркала не составила труда. С юстировкой же кристалла KTP все оказалось гораздо сложнее: честно говоря, я не представляю, как это делали китайцы, крутя отверткой филипсовские винты. Поэтому все юстировочные винты я заменил на болты под шестигранник, что дало возможность производить более точную юстировку ключом, при этом не давя на крепления.
И даже несмотря на это, точный критический угол KTP мне зафиксировать не удалось: все равно мощность пучка заметно скачет даже при простом надавливании пальцем и даже сама по себе. Тут нужно отметить, что генерация была в очень широких пределах юстировки кристалла, но в некоторых положениях мощность скачкообразно росла и так же скачкообразно падала при малейших внешних возмущениях. В итоге, вспоминая байку про лаборанта, колотившего пассатижами по корпусу лазера, чтобы вернуть на место люфтящуее зеркало, мне удалось достичь стабильной мощности порядка 1650 мВт, то есть потеря составила порядка 200 мВт.
Теперь становится понятно, почему у этих лазеров такой большой разброс по мощности: возможно, что 1.8 Вт сделались возможными только благодаря счастливому удару при транспортировке, а с завода лазер выходил совсем с другой мощностью. К сожалению, никакого бланка об испытаниях к лазеру приложено не было.
Заключение
На кристаллах в лазере не сэкономили: они допускают гораздо большие мощности накачки. Предполагаю, что это сделано для унификации, и трехваттый лазер отличается от одноваттного только мощностью лазерного диода, блоком питания и в три раза большей ценой. Жесткость и точность механики оставляют желать лучшего – видно желание сделать недорого, но хотя бы конструкция ремонтопригодна. Заявленная долговечность конструкции, похоже, определяется в основном долговечностью лазерного диода (а найти ее в документации не удалось) и чистотой сборочного помещения – при разборке лазера никаких загрязнений на оптике я не увидел.
И подводя итог, хочу ответить на основной вопрос к первой части статьи, который возник у многих – «Зачем этот лазер вообще такой нужен?» Исходя из его мощности, недостаточной для эффективной накачки титан-сапфира и красителей, модового состава и стабильности, которые тоже так себе, основная сфера его применения – OEM компонент для лазерных проекторов. Его также можно использовать в целях подсветки: для регистрации люминесценции, в конфокальной микроскопии и т.п. областях где требуется высокая мощность подсветки при относительно стабильной частоте.
Автор: ioccy
