Lernen von Stickstofflasern - Teil 2: Längsentladungslaser

Im letzten Teil haben wir Beispiele für hausgemachte und werksseitige Konstruktionen von Stickstofflasern mit Querentladung untersucht. Diese Topologie ist für Repliken von hausgemachten Personen am beliebtesten. Und hier sind ihre Vorteile:

1. 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.
2. Ziemlich ernsthafte Ausgangsimpulsenergie - Dutzende Millijoule in großen Anlagen.
3. Eine sehr kurze Pulsdauer, die in einigen Fällen Hunderte von Pikosekunden beträgt.
4. Die Kombination der beiden vorherigen Faktoren ermöglicht es, enorme Impulsleistungen zu erzielen - zehn bis Hunderte von Megawatt.

Diese Topologie ist jedoch nicht ohne Nachteile. Welche und was führte zu ihrer Beseitigung? Lesen Sie weiter.



Im letzten Teil habe ich Beispiele für im Handel erhältliche Stickstofflaser im Westen gegeben. In der ehemaligen UdSSR war die "Designschule" jedoch radikal anders.

Wenn in einem Stickstofflaser der Druck allmählich verringert und der Abstand zwischen den Elektroden vergrößert wird, können Sie allmählich zu ... einem Längsentladungslaser gelangen. Wenn sowohl die elektrische Entladung im Gas als auch die Strahlung vollständig ausgerichtet sind. In diesem Fall brennt die Entladung in einer dünnen Glasröhre, ungefähr wie bei einem Helium-Neon-Laser. Bei einem niedrigeren Stickstoffdruck ist die Verstärkung des Mediums geringer, die Pulsdauer nähert sich dem maximal möglichen Wert (der Normalwert beträgt 10-20 Nanosekunden) und der Leistungsbedarf wird noch weiter reduziert.

Längsentladungslaser haben Vorteile, die die Nachteile von Querentladungslasern überwinden:

1. Hohe Strahlqualität, da die Entladung in einer runden Röhre brennt und der Laser normalerweise mit einem einfachen Resonator aus einem aluminisierten Blindspiegel und einem Ausgangsresonator in Form einer planparallelen Glasplatte arbeitet. Der Strahl ist auch rund über den Querschnitt von gleichmäßigerer Intensität.
2. Fähigkeit, bei hohen Pulswiederholungsfrequenzen (bis zu mehreren tausend Hz) zu arbeiten.
3. Eine relativ hohe durchschnittliche Strahlungsleistung, die in einigen Fällen Hunderte von mW erreicht.
4. Hohe Stabilität der Strahlungsleistung.

Die Methode zur Erregung einer kurzzeitigen Entladung ist ebenfalls radikal anders - sie wird normalerweise mit einem Hochspannungs-Impulstransformator angeregt. Der Transformator ist mit einem Hochspannungskoaxialkabel auf einen Stapel Ferritringe gewickelt. Das äußere Geflecht des Kabels wird in Stücke geschnitten, so dass diese Geflechtstücke durch ein Loch im Ring eine oder 2-3 Umdrehungen bilden und die Enden dieser Geflechtstücke parallel verbunden sind. Und der zentrale Kern des Kabels, entlang dessen die Teile des Geflechts gleichmäßig verteilt sind, ist kontinuierlich auf einen Ringstapel gewickelt und bildet 10-15 Windungen. Durch Ändern der Methode zum Schneiden des Geflechts ist es somit möglich, die Ausgangsspannung flexibel auszuwählen, während es keine grundlegenden Einschränkungen hinsichtlich der erreichbaren Ausgangsspannung gibt. Ein solcher Transformator kann ein beliebiges Transformationsverhältnis aufweisen, während der Blumlein-Generator die Spannung nur verdoppeln kann.

Trotzdem sind Längsentladungslaser neben der Notwendigkeit eines optischen Resonators und eines Vakuums auch nicht ohne Nachteile. Sie waren es, die ihre sehr geringe Prävalenz verursachten, mit Ausnahme der Länder der ehemaligen UdSSR, in denen sie ihre Anwendungsnische besetzten und in denen sie sich mit diesen Mängeln abfinden mussten. Das Hauptanwendungsgebiet dieser Laser war die technologische Ausrüstung der mikroelektronischen Industrie, die eine hohe Strahlqualität und die Möglichkeit ihrer sehr feinen Fokussierung bei einer relativ hohen (für einige Modelle) Durchschnittsleistung erforderte.

Ein Längsentladungslaser ist auch gekennzeichnet durch:

1. Niedrige Energie eines einzelnen Impulses.
2. Ein niedriger Gasdruck in der Röhre erfordert die Herstellung von glasversiegelten Röhren, was ein ziemlich zeitaufwendiger Glasblasvorgang ist.
3. Begrenzte Lebensdauer versiegelter Röhren aufgrund der allmählichen Verunreinigung von Stickstoff durch Zerstäubungsprodukte von Elektroden.

Schauen wir uns nun den bekanntesten und am weitesten verbreiteten Laser der UdSSR an - LGI-21, auch bekannt als LGI-503. Und dies ist mein allererster Laser, mit dem ich meine Leidenschaft für Laser begann. Ich habe es in meiner Studienzeit zurückbekommen, als ich Instrumente aus einem der Labors außer Betrieb genommen habe. Wie jeder Laser besteht er aus einem Emitter und einem Netzteil. Die deklarierte Laserleistung beträgt 3 mW bei einer Pulswiederholrate von bis zu 100 Hz, was im Allgemeinen sehr gering ist.



Im Inneren des Emitters befindet sich eine Glasröhre mit koaxialem Design. In der Mitte befindet sich ein dünnes Rohr, in dem die Entladung brennt, und draußen befindet sich ein Ballastvolumen, das eine bestimmte Menge Stickstoff enthält.





Das Netzteil im Inneren ist ziemlich einfach. Ein Hochspannungs-Impulstransformator befindet sich in der oberen rechten Ecke, Speicherkondensatoren werden etwas links entladen, die vom Thyratron zu seiner Primärwicklung entladen werden, in der Mitte befindet sich ein TGI2-130 \ 10-Impulsthyratron und links ein Hochspannungs-Leistungstransformator mit einem Spannungsverdoppler. In der unteren rechten Ecke befindet sich ein Zwei-Lampen-Generator zur Steuerung des Thyratrons.



Dies ist genau der Laser, den ich als erster gelernt habe, sein Gerät zu reparieren, abzustimmen und sorgfältig zu studieren.

Jetzt erzähle ich Ihnen, wie ich zum ersten Mal die Arbeitsfähigkeit einer versiegelten Laserröhre wiederherstellen konnte, die sich im LGI-503-Laser befand, der vor langer Zeit zu Beginn meiner Leidenschaft für die Lasertechnologie eingesetzt wurde.

Nach sorgfältiger Einstellung der Spiegel beim Einschalten erzeugte der Laser einen sehr, sehr "trägen" Strahl.





Keine Tricks mit den Einstellungen für Stromquelle und Spiegel halfen mehr - alles deutete darauf hin, dass das Gas aus ihm „ausgegangen“ war. Da ich dachte, dass es nicht schlimmer werden würde, brach ich den Nippel an der Laserröhre ab und klebte ein Stück der Glasröhre darauf. Im Inneren steckte ich ein Stück Schlauch aus einer Pipette und schloss es an eine Vakuumpumpe an. Eine Nadel wurde mit einem anderen Schlauch von der Pipette in den Gummi eingeführt, an dem sich eine Klammer befand - ein improvisiertes Gasleck wurde erhalten.



Dann schaltete ich die Pumpe ein und wartete darauf, dass sie den Schlauch auf das maximale Vakuum abpumpte, dann öffnete ich leicht das „Leck“ und schaltete die Stromquelle ein. In der Röhre wurde eine helle und gleichmäßige Entladung angezündet, und am Ausgang erschien ein sehr heller (was war) Strahl!



Gleichzeitig konnte der Laser in „frischer Luft“ ohne Beteiligung des Ausgangsspiegels des Resonators eine Erzeugung abgeben, nur seine Leistung war sicherlich geringer.



Die Uranglasplatte leuchtet besonders schön unter dem Balken.



Wie sich herausstellte, ist Raumluft auch in Niederdrucklasern mit Längsentladung voll funktionsfähig. Durch Auswahl des Drucks konnte die maximale Strahlungsleistung ermittelt werden. Aufgrund der Tatsache, dass ich jetzt die Möglichkeit hatte, viel mit einem seriellen Laser zu experimentieren, habe ich mich nicht um die Konstruktion eines selbst hergestellten Lasers mit Querentladung gekümmert. Außerdem mag ich den dünnen Strahl eines ordentlichen runden Abschnitts viel mehr. Somit ist die Rückgewinnung der Stickstofflaserröhre ein sehr einfacher Vorgang. Es reicht aus, sie zu öffnen, wieder abzupumpen und den optimalen Druck auszuwählen. Der Druckbereich, in dem erzeugt wird, ist relativ breit - von Zehntel bis Zehn Millimeter Quecksilber. Als ich nun zum ersten Mal die Arbeitsfähigkeit der Laserröhre wiederherstellen konnte, beschloss ich , gutes Geld damit zu verdienen, um meine Erfahrung zu festigen und die folgenden Röhren wieder zu löten. Ich sammelte 3 weitere funktionsunfähige Laser aus Universitätslabors und fuhr zu einem bekannten Glasbläser, der neue Armaturen zum Pumpen und Befüllen an die Stelle der geöffneten Stopfen löte.



An derselben Stelle in der Glasbläserei gelang es ihnen, diese Rohre abzupumpen und mit reinem Stickstoff zu füllen, was jedoch charakteristisch ist - es gab keinen merklichen Unterschied in der Ausgangsleistung im Vergleich zu Luft. Die Helligkeit des Lumineszenzflecks sieht genauso aus wie bei Luft und Pumpen zu Hause.





Dann wurden die Röhren versiegelt und die Laser wurden zusammengebaut und an die Kunden zurückgegeben. Danach wurde es viel einfacher, stillgelegte Komponenten und dann neue Laser zu erhalten - ich schaffte es, zwei Röhren von dem leistungsstärkeren und viel selteneren LGI-505-Stickstofflaser zu erhalten, der eine deklarierte Leistung von 40 bis 120 mW aus verschiedenen Quellen hat. Er hat auch ein Längsentladungsrohr, aber das Design ist eher "Eiche" - die Entladung brennt in einer Keramikkapillare, die von außen nach außen gekühlt wird, die Kathode wird in Form eines Aluminiumzylinders mit großem Durchmesser hergestellt, ein Prozess wird an die Seite geschweißt, in der sich spiralförmig erhitzte Tabletten einer Substanz zur Regeneration befinden Stickstoff, wenn der Gasdruck im Rohr aus irgendeinem Grund abnimmt. Auffällig sind auch die massiven Ausgangsfenster von Brewster aus Quarz. Fotoröhre unten. Das zweite Mobilteil befindet sich in einer noch verschlossenen Tasche in der Nähe.



Im Inneren des Emitters ist die Röhre mit Nanosekunden-Impulserzeugungsschaltungen zusammengesetzt, die aus einem Thyratron, einem Impulstransformator (einem kleinen Tank mit Öl und Isolatoren) und einigen anderen Details bestehen. Da ich nur die Röhren selbst habe, stammt das Foto des Emitters von Google.



Aber ich habe immer noch eine externe Stromquelle zusammen mit den Röhren. Er befasst sich jedoch nur mit der Erzeugung von Hochspannung zum Laden von Speicherkondensatoren innerhalb der Strahler- und Thyratron-Steuerimpulse.





Im Inneren hat es ein ziemlich interessantes Design - der Hochspannungsgenerator ist ein altes sowjetisches Schaltnetzteil für Thyristoren mit einem Miniatur-Öltransformator am Ausgang, der einen Wasserkühlmantel hat.



Anhand der Diagramme aus den beigefügten Anweisungen konnte ich den erforderlichen „Leistungsteil“ des Emitters wiederherstellen und LGI-505 starten. Die Schaltung ist im Wesentlichen identisch mit der für LGI-21, nur ein Impulstransformator, ein Thyratron sind leistungsfähiger, ein Speicherkondensator hat eine größere Kapazität. Der Transformator ist hausgemacht und mit einem Koaxialkabel auf 6 Ferritringe mit einer Größe von 120 * 80 * 12 gewickelt. Das Geflecht am Kabel ist in 8 Teile geschnitten, alle Teile sind parallel geschaltet und bilden eine Windung der Primärwicklung. Der zentrale Kern des Kabels bildet 8 Windungen der Sekundärwicklung. Die Amplitude des Spannungsimpulses vom Transformator wird auf etwa 70-80 kV geschätzt. Das Thyratron wurde TGI-1-1000 \ 25 installiert, was im Prinzip redundant ist, aber es gab zu diesem Zeitpunkt kein anderes. Als Speicherkondensator wurde ein einzelner Kondensator k15-10 mit einem Nennwert von 4700 pF 50 kV verwendet.



Hochspannungs- und Steuerimpulse werden von der oben gezeigten nativen Stromversorgung geliefert.

Beim ersten Start trat an beiden Enden der Röhre superlumineszierende Strahlung auf, die die Leistung des LGI-21-Lasers mit einem optischen Resonator überstieg.



Durch Hinzufügen eines Resonators zu dieser Laserröhre konnte die Ausgangsleistung signifikant erhöht werden.





Besonders spektakulär sieht es mit der Beteiligung von Uranglas als Ziel aus.



Dieser Laser hatte jede Chance, ein vollständig fertiges Produkt zu werden, selbst das äußere Gehäuse war fertig.



Aber dann begann der Bau meines Kupferdampflasers , und von dort brauchte ich zuerst einen Thyratron TGI1-1000 \ 25 und dann einen Impulstransformator für Experimente. Und dieser Entwurf wurde teilweise zerlegt und in eine entfernte Ecke gelegt, sein weiteres Schicksal blieb bis vor kurzem unbekannt. Bis ich meine eigene Röhre für einen Stickstofflaser bauen wollte.

Es ist bereits viel schwieriger, einen Stickstofflaser mit einer Längsentladung als einen Querentladungslaser herzustellen. Da Sie mit Glasröhren arbeiten und mit Vakuum fummeln müssen, benötigen Sie auch den einfachsten optischen Resonator eines aluminisierten Blindspiegels und eines planparallelen transparenten Fensters - einen Ausgangsspiegel. Aber auch in diesem Fall ist es möglich, eine Erzeugung mit dem traditionell gewordenen Blumlein-Generator zu erzielen, der auf mehreren Keramikkondensatoren montiert ist. Längsentladungslaser mit Stickstoff sind bei hausgemachten Herstellern äußerst selten, aber sie sind es. Aus irgendeinem Grund meistens die Deutschen. Das Folgende sind Beispiele für Designs.

Laser von adrian-homelab.de





Miniatur- Längsstickstofflaser von deralchemist.wordpress.com



Und anscheinend noch eine, die als Hauptquelle für die vorherige diente, der Thomas Rapp-Laser von pulslaser.de



Es ist ein dünner und runder Laserstrahl, der das Hauptargument für einen Längsentladungslaser ist

Auch im Internet gibt es Beispiele für die Umwandlung von verdorbenen Helium-Neon-Lasern in Stickstoff - im Wesentlichen besteht die Aufgabe darin, eine Stromquelle und ein Vakuumsystem aufzubauen. Nun, Sie müssen das Rohr vorsichtig öffnen und den Nippel zum Pumpen darauf kleben. Das Ergebnis ist das gleiche wie bei einer komplett hausgemachten Röhre.

Und schließlich mein eigenes Design!

Dieser Laser wurde auf einer vorhandenen elektrischen Plattform zusammengebaut, auf der der LGI-505-Laser mit einigen kosmetischen Änderungen zusammengebaut wurde. Ein neuer, kultivierterer Impulstransformator wurde mit den gleichen Parametern wie sie hergestellt.



Ein neues Thyratron wurde installiert, das seine Inkonsistenz in der Stromquelle eines Kupferdampflasers zeigte, aber hier funktioniert es hervorragend - TGI-1-700 \ 25, groß und Glas. Ein zweiter Kondensator k15-10 wurde hinzugefügt, wodurch die Gesamtstromversorgung des Systems erhöht wurde. Durch Ändern des Anschlusses der Kondensatoren können Sie die entsprechende "Pumpenergie" auswählen. Infolgedessen sah die experimentelle Plattform zusammen mit derselben LGI505-Röhre, auf der sie getestet wurde, so aus.



Dann habe ich anstelle des LGI-505-Rohrs mein eigenes Rohr installiert.



Die Laserröhre besteht aus einem Segment einer Glaskapillare mit einem Innendurchmesser von 3,5 mm und einer Länge von ungefähr 25 cm, deren Enden abgenutzte und geklebte Aluminiumelektroden sind. Jede Elektrode hat einen Anschluss, durch einen wird Luft von der Pumpe abgepumpt, und durch den zweiten strömt langsam Luft in das Rohr. Die Nadel einer Insulinspritze, die mit der Spitze nach innen in den Vakuumschlauch eingeführt wird, zeigte sich perfekt als Leck. Auf der gegenüberliegenden Seite jeder Elektrode befinden sich Düsen, auf die Teile eines größeren Glasrohrs aufgesetzt und ebenfalls geklebt werden, deren Enden in einem Brewster-Winkel geschnitten sind. Quarzfenster (wie ich dachte) zum Aufkleben von Strahlung werden darauf geklebt. Auf einer Seite der Röhre ist ein Aluminiumspiegel installiert, um die Strahlungsleistung zu erhöhen.



Das Rohr wird von einer 3NVR1D-Pumpe abgepumpt. Wenn Luft durch eine Insulinnadel strömt, wird der Gleichgewichtsdruck auf etwa 10 mm Hg eingestellt. Art.



Beim Einschalten begann der Laser sofort zu arbeiten. Es war jedoch völlig überraschend, dass das Austrittsfenster überhaupt keine Strahlung durchließ, sondern nur nach unten reflektierte, wo es teilweise in der Pyrexröhre absorbiert wurde. Das linke Fenster stellte sich als wirklich Quarz heraus und emittierte normalerweise Strahlung. Es war leicht, Superlumineszenz zu beobachten.



Dies geschah an der Seite des strahlungsundurchlässigen Fensters.



Wenn Sie den stumpfen Spiegel blockieren, wurde das Leuchten unten rechts geschwächt.



Ich musste das rechte Fenster ersetzen, diesmal durch das richtige. Danach überstieg die Ausgangsleistung die des LGI-21 und näherte sich der Leistung des LGI505, das im spiegellosen Modus arbeitete.





Somit war der selbst hergestellte Längsentladungs-Stickstofflaser, der in Luft arbeitet, völlig erfolgreich! Und da das Rohr im Durchflussmodus arbeitet, bedeutet dies, dass es mit anderen Gasen außer Stickstoff und Luft arbeiten kann. Dies ist jedoch eine ganz andere Geschichte und ein ungepflügtes Feld für Experimente. Dies ist mein erster vollständig hausgemachter Laser, bei dem sowohl das aktive Element (Gasentladungsrohr) als auch das hausgemachte Pumpensystem verwendet werden.

Wenn also jemand in die Welt der Laser und verwandter Disziplinen einsteigen möchte, können Sie sicher mit dem Bau eines Stickstofflasers beginnen. Sie können einen Querentladungslaser als einfachsten oder einen Längsentladungslaser wählen, wenn Sie über eine Vakuumpumpe und einen Vorrat an Teilen für die Montage eines Transformatorpumpensystems verfügen. Auf jeden Fall macht dies viel mehr Spaß, als „eine Laserdiode an einen vorgefertigten Treiber anzuschließen und einen Laserpointer herzustellen“, da die Beteiligung am Prozess des Verständnisses der Prinzipien des Laserbetriebs als solcher viel tiefer geht und dies wertvolle Erfahrungen und Kenntnisse liefert.