Лазерной искрой называется электромагнитный пробой воздуха (или другой среды, но обычно воздуха), возникающий в результате превышения некоторой критической плотности энергии лазерного излучения. В грубом приближении суть явления такова: поскольку свет имеет электромагнитную природу, то при определённых параметрах светового пучка электрическая составляющая световой волны оказывается достаточной для… электрического пробоя, как на тех же катушках Тесла. В результате этого пробоя ионизируется газ, образуя небольшое яркое облачко плазмы — лазерную искру.

Характерная плотность энергии, которая необходима для такого явления — гигаватты на квадратный сантиметр. Таких огромных значений можно добиться только в импульсных лазерах — мы традиционно используем лазеры на основе активного элемента Nd:YAG (допированный неодимом алюмоиттриевый гранат) с ламповой накачкой, ввиду их относительной доступности в сравнении с другими типами импульсных лазеров типа волоконного. Для искрения требуются, во-первых, фокусировка луча в весьма плотную перетяжку, и, во-вторых, хитрый технический приём, носящий название «модулированной добротности» — Q-Switch, или затвор.

Обсуждение кусвитча — это вообще отдельная тема, поэтому расскажу вкратце. Если просто начать накачку активного элемента лазера, он почти мгновенно начинает выдавать фотончики наружу резонатора, и дальше мощность растёт линейно с мощностью накачки. Модуляция добротности как бы мешает возникновению полноценной генерации до момента своего насыщения, а когда насыщение наступает, оказывается что активный элемент уже полностью накачан и может выдать всю энергию одним мощным пыщем. Именно так достигается необходимая плотность энергии. Q-switch бывают нескольких разных типов: активный (внешне управляемый), среди них акустооптический и электрооптический (крайне сложные в управлении, требующие десятки мегагерц для раскачки), а также механический, и пассивный. Пассивный кусвитч — поразительная штука, представляющая собой просто кусочек тёмного непрозрачного на вид стеклообразного материала (на деле это допированный хромом алюмоиттриевый гранат, или подобные ему штуки). Но достаточно его поставить внутрь резонатора лазера, между квантроном и зеркалами, и случается волшебство: лазер начинает давать искру. К сожалению, его главный недостаток — поедание общей мощности: примерно половина усасывается на нём, в то время как активные затворы избавлены от этого недостатка.
На доступном нам оборудовании такая искра выглядит как висящий в воздухе крохотный (около миллиметра, может чуть больше) синеватый плазмоид неправильной формы, что можно увидеть на фотоснимках ниже. Но на мощных лабораторных лазерах исследователи получали и изучали искры многометровой длины. Впечатляющее, наверное, зрелище.

no images were found

Поскольку теоретические описания — не наш профиль, сразу перехожу к описанию установок, на которых мы получали это прелюбопытнейшее явление. Первый, минималистичный, вариант — широко известный в узких кругах квантрон SSY-1, применявшийся в некоторых танках в США для системы дальномера. Его отличают миниатюрнейшие размеры (квантрон, вместе с лампой и пассивным кусвитчем, имеет размеры примерно со средний палец руки), простота использования и тотальная невозможность найти в продаже 🙂 Единственный их продавец, и без того отказывавшийся слать товар за пределы США, теперь вовсе прекратил их реализацию в собранном виде, и теперь доступны только некоторые запчасти — например, запасные лампы. Вся конструкция, вместе с системой накачки, поджига и питанием от пары аккумуляторов, уместилась в пластиковой коробочке размером с ладонь. По нажатию тумблера начинала происходить зарядка конденсаторов, а по нажатию кнопки разряда пыхала лампа накачки и лазер давал искру. Что отдельно забавно — модулятор добротности был там сделан… на чернилах. Не совсем прямо чернилах, конечно, — там специальные составы — но жаргонное название его именно такое. К сожалению, из-за активного юзания в бедном маленьком SSY-1 потрескалась лампа накачки, и ей требуется замена, которую не купить по вышеописанному жлобству продавца. До появления же замены лазер покоится на полочке в неработоспособном состоянии.

Второй вариант уже больше напоминает по характеристикам промышленную установку, типа тех, которыми рисуют в стекле (в толще) трёхмерные картинки. Да, эти штуки делают именно таким образом: ЧПУ-станок, на котором установлен лазер, дающий такую искру, которая выбивает миниатюрную трещинку в толще стекла. В нашей установке стоит небольшой квантрон, по виду напоминающий что-то типа К104В, к сожалению, без позволяющих определить его тип маркировок. Лампа накачки — ИНП-5/60, АЭ нестандартный, торчащий с краёв его крепежа в квантроне. По сути, этот квантрон — сборная солянка из разных запчастей, подобранных по принципу «что было под рукой». Смонтирована сия химера на Г-образном профиле, с юстировками и зеркалами в них по торцам. Ввиду единично-импульсного режима работы потребность в проточном охлаждении отсутствует, и в квантрон просто набрана вода, заткнутая пробками. Простейший вариант сделать этой штуке питание — использовать простую искрилку на УН-9/27 для поджига лампы, МОТ с ЛАТРом и один диод типа 1N4007 для зарядки батареи конденсаторов (например, две штуки К75-40 100мкф 3000в каждый, в параллель — просто что было под рукой. Можно использовать один МБГО 200мкф 1000в), и бухточка толстого провода в качестве тормозящего дросселя (дроссель необходим, чтобы лампу не порвало слишком быстрым разрядом конденсаторов. Номинал — 20-30 мкГн). МОТ заряжает конденсаторы, искрилка по нажатию кнопочки пробивает их на лампу, лазер пыхает.

no images were found

При нынешней линзе искра возникает в фокусе где-то на расстоянии пяти сантиметров от линзы. К сожалению, получать её на большем удалении затруднительно: теряется плотность энергии и мощности лазера уже начинает не хватать для пробоя. Но, кто знает, что будет, когда мы запустим наконец трёхсотджоульный ГОС-300… 😉

Любые фактические численные измерения параметров такой системы затруднительны. Впрочем, в них и нет особой потребности: данная установка, собранная буквально за несколько вечеров — просто быстрый способ поразвлечься с явлением лазерной искры на доступном оборудовании без особых заморочек и задач. Кстати, если убрать модулятор добротности, то энергии лазера (3-4 джоуля) хватает для пробоя насквозь листа нержавейки толщиной аж 0.8 мм (равно как и более тонких кусков стали, типа канцелярского лезвия). При этом из металла вылетают красочные искры и язычки плазмы. К сожалению, снять отверстия практически нет возможности из-за их миниатюрного размера, поэтому придётся поверить на слово 🙂

Кстати, если добавить к этому квантрону штатный удвоитель от него, можно получить импульсную зелень (1064->532 нм). А ей можно накачать и лазер на красителях… но это уже другая история.

Для заинтересовавшихся числами и расчётами могу посоветовать статью по теме лазерной искры — http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/477.html