Wahrscheinlich hat sich jeder, der nahezu elektronische hausgemachte Produkte mag, gefragt, ob es möglich ist, einen Laser zu Hause selbst herzustellen. Und natürlich stieß ich sehr oft auf eine ziemlich vorhersehbare Antwort der Ältesten, dass es sehr schwierig oder fast unmöglich sei, Laserstrahlung nur von besonders teuren Kristallen und Gläsern oder anderen unbekannten Materialien zu erhalten, die nur in Dark Marsh erhältlich sind oder im überseeischen Westen. Dies ist eigentlich nicht der Fall. Die Anzahl der Substanzen, in denen der Laserprozess möglich ist, wird auf Tausende geschätzt, und einige von ihnen befinden sich buchstäblich unter unseren Füßen und buchstäblich überall um uns herum. So kann man zum Beispiel überrascht sein zu erfahren, dass es möglich ist, eine Lasererzeugung in Wasserdampf, in Farbstoffen, die aus Filzstiften extrahiert wurden, und schließlich in dem von vielen Lebewesen ausgeatmeten Kohlendioxid eine Lasererzeugung mit einer Leistung von Hunderten von Kilowatt zu erhalten. Es gibt jedoch eine andere Laserarbeitsumgebung, die viel häufiger ist als alle anderen zusammen. Dies ist Stickstoff, von dem 78% in der Luft sind.
Wenn Sie in Google eine "hausgemachte Laser" -Abfrage durchführen, wird zuerst die Stickstoff-Abfrage mit vielen Beispielen für Designs angezeigt:
Betrachten Sie das Prinzip seiner Funktionsweise und Konstruktion genauer.
Ein Stickstofflaser ist ein typischer Vertreter von molekularen Gaslasern, die an elektronischen Übergängen in einem Stickstoffmolekül arbeiten. Seine Haupteigenschaft ist die intensive Erzeugung im ultravioletten Bereich mit einer Grundwellenlänge von 337,1 nm. Die Eigenschaften von Stickstoff als Arbeitsmedium ermöglichen die Erzeugung nur in einem gepulsten Modus, da die Übergänge selbstbegrenzt sind, d.h. Die Dauer der Populationsinversion bei solchen Übergängen ist durch die Ansammlung von Partikeln auf der unteren Ebene begrenzt. es ist nicht länger als die Partikellebensdauer auf der oberen Arbeitsebene. Die Lebensdauer des oberen Niveaus für Stickstoff beträgt etwa 40 Nanosekunden, so dass der emittierte Laserpuls in der Größenordnung von einigen zehn Nanosekunden ebenfalls sehr kurz ist. Dies stellt besondere Anforderungen an den elektrischen Anregungsimpuls - er muss auch kurz mit einer steilen Front sein, damit während der Lebensdauer des oberen Niveaus eine große Anzahl von Molekülen in den angeregten Zustand überführt werden kann.
Gleichzeitig hat Stickstoff als aktives Medium eine sehr hohe Verstärkung, die so hoch ist, dass keine Spiegel benötigt werden - es kann durchaus im Superhelligkeitsmodus funktionieren, wenn die Strahlung in einem Durchgang verstärkt wird. Und doch kann es in einem weiten Druckbereich bis zur Atmosphäre betrieben werden. Und wie sich herausstellte, stört Luftsauerstoff nicht, obwohl er die maximal erreichbare Erzeugungsleistung verringert. So ergibt sich für den Heimwerker ein ziemlich attraktives Bild: Das Arbeitsumfeld ist extrem zugänglich, es wird nicht mit Vakuum gearbeitet und es werden keine Gase benötigt, es werden keine knappen Materialien benötigt. Auch optische Hohlraumspiegel werden nicht benötigt. Sie müssen nur ein wenig mit Hochspannung basteln. Betrachten wir genauer die Vorrichtung eines Stickstofflasers, die zur Selbstherstellung vorgeschlagen wird.
Basierend auf den Anforderungen für den Anregungspuls entsteht üblicherweise eine Laserpumpenschaltung auf Basis des Blumlein-Generators, die aus zwei Flachkondensatoren besteht, die aus mehreren Schichten Aluminium- oder Kupferfolie und einem dielektrischen Film gebildet werden können. Der Schalter in diesem Gerät ist die einfachste Funkenstrecke von zwei Schrauben mit abgerundeten Köpfen. Es scheint, wo ist der Laser selbst? Und der Prozess der Erzeugung von Laserstrahlung findet fast unmerklich statt - in der Lücke zwischen zwei Metallleitungen, in der eine Impulsentladung leuchtet. Lineale sind an gegenüberliegenden Kanten der Flachkondensatoren C1 und C2 angebracht. Die Entladung brennt über die Achse der Lineale, und die Laserstrahlung tritt jeweils entlang eines Gaslasers mit einer Querentladung aus. Damit die Entladung zum Zeitpunkt des Ladens der Kondensatoren nicht aufleuchtet, ist parallel zum Laserspalt ein kleiner Induktor enthalten, der den Gleichstromspalt verkürzt. Wie im Diagramm gezeigt, muss eine hohe Spannung (ca. 10-15 kV) angelegt werden - und der Laser funktioniert. Jedes geeignete Mittel ist als HV-Quelle geeignet - ein Elektroschocker, eine Stromversorgung von einem Luftionisator, einem Elektrophorengerät, eine HV-Quelle von einem CRT-Fernseher oder Monitor. Da es ohne Spiegel funktioniert, tritt Strahlung von beiden Enden der Lineale aus. Da es im ultravioletten Bereich emittiert, können Sie sich mit der Lumineszenz verschiedener Objekte und Materialien vertraut machen. Und ein solcher Laser ist sehr praktisch zum Pumpen eines Farbstofflasers - geben Sie einfach
Wasser in die Farbstoffküvette und legen Sie es unter den Strahl.
Aus dem gleichen Grund und auch, da die Pulsenergie sehr klein ist (Dutzende von Mikrojoule), ist ihre Strahlung für die Augen relativ sicher, da sie von der Hornhaut absorbiert wird und die Netzhaut nicht erreicht. Man sollte jedoch nicht direkt in den Strahl schauen - ultraviolette Verbrennungen der Hornhaut sind eine eher unangenehme Sache.
Somit macht dieses Schema die „Eintrittsschwelle“ in die Welt der Lasertechnologie sehr niedrig, ein solcher Laser wurde von unzähligen Menschen gebaut.
Es gibt schrecklichere Designs. Der grüne Fleck auf dem ersten Foto ist die Lumineszenz des "Ziels" für Strahlung.
Es gibt detailliertere und ordentlichere wie diese.
Ja, ein solcher Laser kann im Allgemeinen in weniger als 2 Minuten zusammengebaut werden! Es sei denn natürlich, alle Rohstoffe werden vorbereitet und das Design wird ausgearbeitet, d.h. Die Hand ist schon voll.
Die Verfügbarkeit und Einfachheit des Designs eines solchen Lasers kann in westlichen Universitätslabors viel Geld sparen, wenn keine besonderen Anforderungen an die Ausgabeparameter gestellt werden.
Um den erfolgreichen Betrieb eines solchen Lasers zu gewährleisten, müssen jedoch einige Nuancen beachtet werden. Das wichtigste davon ist, dass die Kanten der Linienelektroden so glatt wie möglich sind und abgerundete Kanten haben, damit die Entladung nicht die Möglichkeit hat, sich zu einem einzigen Funken zusammenzusetzen, der von einem bestimmten Punkt aus leuchtet. Die zweite ist die richtige Wahl der Isolierfolie für Flachkondensatoren, damit die maximal mögliche Kapazität mit der maximal möglichen elektrischen Festigkeit erreicht wird. Die dritte ist die richtige Wahl des Spaltes zwischen den Elektroden, der genau über die gesamte Länge eingehalten werden muss und nicht mehr als 2-3 mm betragen darf. Dann wird die kürzeste Stromfront durch eine Laserentladung erhalten. Toleranzen für die letzten beiden Nuancen können durch Reduzieren des Arbeitsgasdrucks auf 100-200 mm Hg erleichtert werden. Art., Und wenn reiner Stickstoff anstelle von Luft zugeführt wird, bedeutet dies automatisch das Auftreten eines primitiven aber Vakuumsystems und den Abschluss der Elektroden in einem leicht verschlossenen Volumen. In dieser Konfiguration kann der Abstand zwischen den Elektroden vergrößert werden und die Anforderungen an die Steilheit der Stromfront werden etwas verringert - flache Kondensatoren können durch kompakte Keramikkondensatoren ersetzt werden. Ein solches Design hat aber auch ein Existenzrecht.
Zum Beispiel hausgemachte Stickstoffspüllaser von Jarrod Kinsey.
Hier ist der Laser selbst aufgrund der Fülle verschiedener Objekte auf seinem Tisch ziemlich schwer zu betrachten.
Niederdruck-Stickstofflaser mit Querentladung, bei dem flache Kondensatoren durch keramische ersetzt werden. Entwurf von Thomas Rapp.
Wenn jemand an einer sehr gründlichen und detaillierten Anleitung zum Bau eines solchen Lasers mit einer Beschreibung aller nicht offensichtlichen Nuancen interessiert ist, dann ist es einen erneuten Blick auf die
Website von Yun'a Sothory wert .
Und es gibt auch eine ziemlich beliebte Legende, dass der Lasereffekt während einer Funkenentladung in ausgedehnten Luftspalten erkannt werden konnte, lange bevor die Prinzipien des Laserbetriebs als solche entdeckt wurden, in jenen Tagen, als sie gerade anfingen, Elektrizität zu absorbieren. Aber das ist eine schöne Fälschung, wie dieses Bild. Was die Richtigkeit seines Inhalts nicht negiert.
Ein Artikel, der den „viktorianischen Laser“ beschreibt, ist
hier .
Nun werden wir uns überlegen, wie prinzipiell kommerziell erhältliche Stickstofflaser konstruiert werden. Im Westen haben absolut alle Stickstofflaser, denen ich begegnet bin, eine Querentladung, die vom Blumlyayn-Generator gepumpt wird. Alles ist wie bei dem oben beschriebenen selbst hergestellten Laser, nur praktische Lasersteuerungen, fortschrittlichere Stromquellen wurden anstelle der einfachsten Funkenstrecke hinzugefügt - ein gepulstes Wasserstoffthyratron oder eine kontrollierte Hochdruckfunkenstrecke, anstelle großer flacher Kondensatoren aus Film und Folie - es gibt viele kleine Keramikelektroden und Dazwischen befindet sich eine Entladung in einem geschlossenen Volumen, in der Sie den Druck einstellen und im Allgemeinen jedes andere Gas laden können. Das Prinzip bleibt jedoch unverändert. Ein solches Schema hat die folgenden Vorteile:
- Einfachheit. Wie oben erwähnt, ist in vielen Fällen sogar der Bau eines hausgemachten einfachen Stickstoff-Stickstoff-Lasers, der in atmosphärischer Luft arbeitet, durchaus anwendbar, selbst bei ziemlich ernsthaften wissenschaftlichen Arbeiten im Labor.
- Ziemlich ernsthafte Ausgangsimpulsenergie - Dutzende Millijoule in großen Anlagen.
- Eine sehr kurze Pulsdauer, die in einigen Fällen Hunderte von Pikosekunden beträgt.
- Die Kombination der beiden vorherigen Faktoren ermöglicht es, enorme Impulsleistungen zu erzielen - zehn bis Hunderte von Megawatt.
Daneben gibt es einige Nachteile:
- Ekelhafte Strahlqualität. Der Strahl ist nicht rund, sondern von länglicher Form mit ungleichmäßiger Intensität über den Querschnitt. In einigen Fällen ist dies nicht kritisch, wenn Sie beispielsweise einen Farbstofflaser pumpen müssen.
- Begrenzte Pulswiederholungsrate, normalerweise nicht mehr als einige zehn Hz.
- Instabilität der Energie von Puls zu Puls.
- Einige Konstruktionen erfordern eine regelmäßige Wartung - Wechsel des Arbeitsgases, Aufrechterhaltung des Drucks, regelmäßige Reinigung und Polierung der Elektroden.
Alle genannten Vor- und Nachteile gelten voll und ganz für den selbst hergestellten Stickstofflaser.
Lassen Sie uns sehen, wie Stickstofflaser westlicher Hersteller aussehen und ihr Design mit dem einfachsten hausgemachten vergleichen.
Spectra-Physics kleiner Stickstofflaser und seine Umreifungslaserkammer. Dies ist ein Niederdruck-Querentladungslaser.
Anstelle von Flachkondensatoren gibt es Keramikkondensatoren und darüber eine kontrollierte Funkenstrecke. Die Laserkammer ist mit Stickstoff gefüllt und versiegelt.
Leistungsstarker Stickstofflaser, der an einem kleinen Übergang im blauen Bereich des Spektrums arbeitet. Sie können viele kleine Keramikkondensatoren und einen blockierenden Induktor zwischen den Elektroden sehen. Um ein Lasern bei anderen Wellenlängen als 337,1 nm zu erhalten, ist eine Zugabe von Helium zu Stickstoff erforderlich.
Die allererste Querentladungs-Laserkamera, die 1973 hergestellt wurde.
Molectron-Lasersystem.
Das Innere eines Hochleistungslasers mit Querentladung, der beim Austausch des Gasgemisches und der Optik als CO2-Laser oder als Excimerlaser arbeiten kann.
Aussehen der Elektroden eines industriell hergestellten Querentladungslasers.
Laserkamera für Pikosekunden-Pulsdauern.
Nach alledem wird sich für mich eine vernünftige Frage stellen, ob ich versucht habe, diese Konstruktion zu wiederholen. In der Tat, nein, ich habe es nicht versucht. Dafür gab es objektive Gründe. Kurz gesagt, ich mag einen völlig anderen Stickstofflasertyp - einen Laser, der keine Quer-, sondern eine Längsentladung aufweist! Aber mehr dazu im
nächsten Teil .
Verwendete Quellen:
1.
www.jarrodkinsey.org2.
www.rapp-instruments.de3. www.spakbangbuzz.com4.
www.jonsinger.org5.
www.swissrocketman.fr6.
www.mylaser.ucoz.ru7.
www.laserkids.sourceforge.net8.
www.technology.niagarac.on.caIch hoffe ich habe niemanden vergessen.