et aussi : SCIENCES POUR TOUS
Hubert's Lasers page for amateur
Many well-equipped amateurs has realized various laser configuration: HeNe, Ar/Kr ion, CO2, N2, HeHg, CuCl/CuBr,Dye...
A laser is a coherent monochromatic light generated in a cavity fill with a material (solid, liquid o rgas). This material receives external energy (light, electricity, laser..) which changes electrons orbit of atom's material, when electrons return to initial state, they emit light. If two mirrors are properly disposed in // on the two ends of cavity, this light is amplificated and a laser effect can occur.
Helium-Neon laser: a glass tube (l~10 cm to ~1 m x d~2 mm) fill with mixture of Helium and Neon (at low pressure) with a pair of mirrors at the ends: one reflective mirror and one partially reflective. 2 electrodes (near each end) with high tension (less than 4 kV). Tension makes Helium ionisation which transfers energy to Neon atoms, if mirrors are //, laser occurs and a red 632.8 nm (colors such infra-red, orange yellow, green is possible with proper optics) continuous few miliWatts beam output from partially reflective mirror.
Argon/Krypton ion laser: a glass tube (capillary) fill with mixture of Argon and Krypton with a pair of mirrors at the end: one reflective mirror and one partially reflective. 2 electrodes (near each end) with tension ~kV. When laser occurs, many spectral lines come in visible and UV spectrum. Commercial products using ~100 V ~10 A power are made with a ceramic bore capillary tubes to prevent meltdown. Due to the high power, strong air cooling or water cooling is then necessary.
C02 laser: a glass tube (~1m x d~20mm) fill with C02 (4.5% CO2, 13.5% N, 82% He at low pressure) with a pair of mirrors at the end: one special reflective mirror (~Silicon coated with Silver or Gold) and one special partially reflective (Germanium or Zinc selenide). 2 electrodes (near each end) with high tension ~15 kV... If mirrors are //, laser occurs and a mid infrared 10.6 um continuous ~few Watts beam output form partially reflective mirror.
CAUTION: CO2 laser efficiency is very high : near 20% and very high power : over 10 Watts for amateur and much much more for commercial system, is possible with an infra red absolutely invisible beam : CO2 laser can be very dangerous. At 10.6 um, most material are opaque and optical parts to focus beam are very special.
Hubert's Lasers page pour les amateurs
Beaucoup d'amateurs bien équippés ont réalisé diiférentes configurations de lasers : HeNe, Ar/Kr ion, CO2, N2, HeHg, CuCl/CuBr, colorants...
Un laser est une lumière monochromatique cohérente générée par une cavité remplie par un matériau (solide, liquide ou gazeux). Ce matériaux reçoit une énergie extérieure (lumière, électricité, laser...) qui modifie les orbites des électrons des atomes du matériau. Qaund les électrons retournent à leur état initial, ils émettent de la lumière. Si deux miroirs sont correctement disposés en // aux deux extrémités de la cavité, la lumière est amplifiée et un effet laser peut advenir
Laser Hélium-Néon : un tube de verre (l~10 cm à ~1 m x d~2 mm) rempli d'un mélange d'Hélium et de Néon (à basse pression) avec une paire de miroirs aux extrémités : un miroir réfléchissant et un partiellement réfléchissant. 2 électrodes (près de chaque extrémité) à haute tension (inférieure à 4 kV). La tension provoque l'ionisation de l'hélium qui transfère l'énergie aux atomes de néon, si les miroirs sont //, un laser se produit et un rouge de 632,8 nm (des couleurs telles que l'infrarouge, le jaune orange, le vert sont possibles avec une optique appropriée) un faisceau continu de quelques miliWatts émis par un miroir partiellement réfléchissant .
Laser à ions Argon/Krypton : un tube de verre (capillaire) rempli d'un mélange d'Argon et de Krypton avec une paire de miroirs à l'extrémité : un miroir réfléchissant et un partiellement réfléchissant. 2 électrodes (près de chaque extrémité) avec tension ~kV. Lorsque le laser se produit, de nombreuses raies spectrales apparaissent dans le spectre visible et UV. Les produits commerciaux utilisant une puissance de ~100 V ~10 A sont fabriqués avec des tubes capillaires à alésage en céramique pour éviter la fusion. En raison de la puissance élevée, un fort refroidissement par air ou par eau est alors nécessaire.
Laser C02 : un tube de verre (~1m x d~20mm) rempli de C02 (4,5% CO2, 13,5% N, 82% He à basse pression) avec une paire de miroirs à l'extrémité : un miroir réfléchissant spécial (~Silicium recouvert de Argent ou Or) et un spécial partiellement réfléchissant (Séléniure de Germanium ou de Zinc). 2 électrodes (près de chaque extrémité) avec haute tension ~ 15 kV... Si les miroirs sont //, un laser se produit et un faisceau infrarouge moyen de 10,6 um continu ~ quelques watts sort à travers le miroir partiellement réfléchissant.
ATTENTION : L'efficacité du laser CO2 est très élevée : proche de 20% et une puissance très élevée : plus de 10 Watts pour un amateur et bien plus pour un système commercial, est possible. Avec un faisceau infrarouge absolument invisible, le laser CO2 peut être très dangereux. À 10,6 um, la plupart des matériaux sont opaques et les parties optiques permettant de focaliser le faisceau sont très spéciales.
N2 laser: a laser without glass and mirrors! (a laser at normal air pressure can even be done: 10$ air laser! a plastic box fill with low pressure N2 with 2 linear electrodes, 2 glasses : one at each end, high tension capacitors and a self. Capacitors are charging, when tension is high enough, an electric arc occurs between an adjustable screw and ground : a brief ~5ns high tension difference appears between the 2 electrodes and a few ns short laser pulse in the UV 337.1 nm outputs at each end.
N2 Laser project :
Laser N2 : un laser sans verre ni miroir ! (un laser à pression d'air normale peut même être réalisé : Construisez un 10$ air laser! une boîte en plastique remplie de N2 basse pression avec 2 électrodes linéaires, 2 verres : un à chaque extrémité, des condensateurs haute tension et une self. Les condensateurs se chargent, lorsque la tension est suffisamment élevée, un arc électrique se produit entre une vis réglable et la masse : une brève différence de haute tension de ~5ns apparaît entre les 2 électrodes et une courte impulsion laser de quelques ns dans les sorties UV 337,1 nm à chaque extrémité,
Projet Laser N2 :
Helium-Mercury laser: a glass tube (~120cm x d~10mm) fill Helium (at low pressure) and Mercury vapours with a pair of mirrors at the end : one reflective mirror and one partially reflective. 2 electrodes near each ends with pulsed power high tension ~5 kV rapid discharge... If mirrors are //, laser occurs and a red-orange 615 nm and a green 567 nm continuous few miliWatts beam output from partially reflective mirror.
Laser Hélium-Mercure : un tube de verre (~120cm x d~10mm) rempli de vapeur d'Hélium (à basse pression) et de Mercure avec une paire de miroirs à l'extrémité : un miroir réfléchissant et un partiellement réfléchissant. 2 électrodes près de chaque extrémité avec puissance pulsée haute tension ~ 5 kV décharge rapide... Si les miroirs sont //, un laser se produit et un faisceau rouge-orange de 615 nm et un vert de 567 nm continus de quelques milliwatts sortent du miroir partiellement réfléchissant.
Copper laser: A quartz tube with copper chloride (CuCl) and/or copper bromide (CuBr) is warmed in an oven at about 400°C. A high tension power with high energy capacitors is discharged in the tube (150 us between first discharge to separate copper atoms form halide and second discharge to excite free copper atoms). Green (510.6 nm) and yellow (578.2 nm) intense pulses outputs. Perhaps the easiest visible laser to realize for an amateur.
Laser cuivre : Un tube de quartz contenant du chlorure de cuivre (CuCl) et/ou du bromure de cuivre (CuBr) est chauffé dans un four à environ 400°C. Une haute tension avec des condensateurs à haute énergie est déchargée dans le tube (150 us entre la première décharge pour séparer les atomes de cuivre pour former un halogénure et la deuxième décharge pour exciter les atomes de cuivre libres). Sorties d'impulsions intenses vertes (510,6 nm) et jaunes (578,2 nm). Peut-être le laser visible le plus simple à réaliser pour un amateur.
Dye laser: a little tube with mirrors is filled with Dye (Rhodamine-B...) and pure alcohol, 2 electrodes and low air pressure form a flash lamp to pump Dye (or a commercial Xenon lamp with special high voltage circuitry and spark-gap triggered capacitor). When flash light occurs, laser pulses appear generally in the visible spectrum, depending which Dye is used.
Laser à colorant : un petit tube avec des miroirs est rempli de colorant (Rhodamine-B...) et d'alcool ultra pur, 2 électrodes et une basse pression d'air forment une lampe flash pour pomper le colorant (ou une lampe au xénon commerciale avec un circuit spécial haute tension et une étincelle -condensateur déclenché par écart). Lorsque la lumière du flash se produit, les impulsions laser apparaissent généralement dans le spectre visible, selon le colorant utilisé.
Semiconductor laser: realization not (today) for amateur: a little semiconductor crystal receives current (~~100mA, ~2.2V), it emits light like Led. Due to the special configuration and because 2 sides of the cristal acts as mirrors, continuous laser occurs and a divergent beam (~20°) is emitted on each side. Generally, a monitor photodiode is disposed on one side to control the optical power. All that is installed in a little package. Today laser diodes are available from far infrared to red (635 nm) blue and near UV area (400 nm). Laser diodes wavelength less than red 635 nm are expensive but prices drop very quickly. CD laser uses 780 nm (near infrared, still visible) diodes. Laser diode is today the far more cheapest way to get a laser beam: we find (even in supermakets) red, green or blue laser pointers complete with batteries for less than $20.
Ruby laser: A synthetic saphir (AL2O3) with chromium (Cr3+) (~10cm x d=~1cm) and 2 mirrors at each end is disposed at the focal axis of a highly reflective ellipse hole. On the other focal, a high energy pulse lamp, when excited, pumps atoms and a high energy red laser light pulse output from the partially reflective mirror. This has been the first laser invented by Maiman in 1960.
Yttrium (YAG) laser: A synthetic Garnet crystal (~10cm x d~1cm) of Yttrium and Aluminum (Y3Al5012 doped with a small percentage ~1% of Neodymium ) and 2 mirrors at each end is disposed at the focal axis of a highly reflective ellipse hole. On the other focal, a high energy pulse lamp, when excited, pumps Neodynium atoms and a high energy light (near infrared 1064 nm) pulse outputs from the partially reflective mirror. The same device, without mirrors, can be used to amplify a pulse.
Laser semi-conducteur : réalisation pas (aujourd'hui) pour amateur : un petit cristal semi-conducteur reçoit du courant (~~100mA, ~2.2V), il émet de la lumière comme une Led. En raison de la configuration particulière et du fait que les 2 faces du cristal agissent comme des miroirs, un laser continu se produit et un faisceau divergent (~20°) est émis de chaque côté. Souvent, une photodiode de contrôle est disposée d'un côté pour contrôler la puissance optique. Tout cela est installé dans un petit package. Aujourd'hui, les diodes laser sont disponibles depuis l'infrarouge lointain jusqu'au rouge (635 nm), bleu et proche UV (400 nm). Les diodes laser d'une longueur d'onde inférieure à 635 nm rouge sont chères mais les prix baissent très rapidement. Le laser CD utilise des diodes de 780 nm (proche infrarouge, toujours visibles). La diode laser est aujourd'hui le moyen le plus économique d'obtenir un faisceau laser : on trouve (même dans les grandes surfaces) des pointeurs laser rouges verts ou bleus équipés de piles pour quelques €.
Laser à rubis : Un saphir synthétique (AL2O3) avec du chrome (Cr3+) (~10cm x d=~1cm) et 2 miroirs à chaque extrémité est disposé à l'axe focal d'un trou elliptique hautement réfléchissant. Sur l'autre foyer, une lampe à impulsions à haute énergie, lorsqu'elle est excitée, pompe des atomes et une impulsion de lumière laser rouge à haute énergie est émise par le miroir partiellement réfléchissant. Il s'agit du premier laser inventé par Maiman en 1960.
Laser Yttrium (YAG) : Un cristal de Grenat synthétique (~10cm x d~1cm) d'Yttrium et d'Aluminium (Y3Al5012 dopé avec un petit pourcentage ~1% de Néodyme) et 2 miroirs à chaque extrémité est disposé à l'axe focal d'un laser hautement réfléchissant dans une cavité elliptique. Sur l'autre foyer, une lampe à impulsions à haute énergie, lorsqu'elle est excitée, pompe des atomes de néodyme et une impulsion de lumière à haute énergie (proche infrarouge 1064 nm) sort du miroir partiellement réfléchissant. Le même appareil, sans miroirs, peut être utilisé pour amplifier une impulsion.
Also Excimer laser, chemical laser, parametric laser...
Thanks to Chris Chagaris (pyro@grolen.com) for help and photos.
Egalement laser Excimer, laser chimique, laser paramétrique...
Merci à Chris Chagaris (pyro@grolen.com) pour l'aide et les photos.
09/12/2023