Aprendiendo láseres de nitrógeno - Parte 2: Láseres de descarga longitudinal

En la última parte, examinamos ejemplos de diseños caseros y de fábrica de láseres de nitrógeno de descarga transversal, y es esta topología la que se ha convertido en la más popular para la repetición por parte de los aficionados al bricolaje. Y aquí están sus ventajas:

1. Simplicidad Como se mencionó anteriormente, en muchos casos, incluso la construcción de un láser de nitrógeno de nitrógeno simple hecho en casa que funciona en el aire atmosférico es bastante aplicable, incluso con un trabajo científico bastante serio en el laboratorio.
2. Una energía de pulso de salida bastante seria: decenas de milijulios en grandes instalaciones.
3. Una duración de pulso muy corta, en algunos casos de cientos de picosegundos.
4. La combinación de los dos factores anteriores hace posible alcanzar enormes poderes de impulso: decenas a cientos de megavatios.

Pero esta topología no está exenta de inconvenientes. ¿Cuáles y qué llevaron a su eliminación? Sigue leyendo.



En la última parte, di ejemplos de láseres de nitrógeno disponibles comercialmente en Occidente. Pero en la antigua URSS, la "escuela de diseño" era radicalmente diferente.

Si en un láser de nitrógeno reduce gradualmente la presión y aumenta la distancia entre los electrodos, entonces puede llegar gradualmente a ... un láser de descarga longitudinal. Cuando tanto la descarga eléctrica en el gas como la radiación están completamente alineadas. En este caso, la descarga se quema en un tubo de vidrio delgado, aproximadamente como en un láser de helio-neón. A una presión de nitrógeno más baja, la ganancia del medio es menor, la duración del pulso se aproxima al máximo posible (el valor normal es de 10-20 nanosegundos) y los requisitos de potencia se reducen aún más.

Los láseres de descarga longitudinal tienen ventajas que superan las desventajas de los láseres de descarga transversal:

1. Alta calidad del haz, ya que la descarga se quema en un tubo redondo, y el láser generalmente funciona con un simple resonador hecho de un espejo ciego aluminizado y una salida en forma de una placa de vidrio paralela al plano. La viga, respectivamente, también es redonda de intensidad más uniforme sobre la sección transversal.
2. Capacidad para trabajar a altas frecuencias de repetición de pulso (hasta varios miles de Hz).
3. Una potencia de radiación promedio relativamente alta, que en algunos casos alcanza cientos de mW.
4. Alta estabilidad de la potencia de radiación.

El método de excitar una descarga de corta duración también es radicalmente diferente: generalmente se excita utilizando un transformador de pulso de alto voltaje. El transformador se enrolla en una pila de anillos de ferrita con un cable coaxial de alto voltaje. La trenza externa del cable se corta en pedazos para que, pasando a través de un orificio en el anillo, estas piezas de trenza formen una o 2-3 vueltas y los extremos de estas piezas de trenza se conecten en paralelo. Y el núcleo central del cable, a lo largo del cual las piezas de la trenza se distribuyen uniformemente, se enrolla en una pila de anillos continuamente, formando 10-15 vueltas. Por lo tanto, al cambiar el método de corte de la trenza, es posible seleccionar de manera flexible el voltaje de salida, mientras que no hay restricciones fundamentales sobre el voltaje de salida alcanzable. Tal transformador puede tener cualquier relación de transformación, mientras que el generador Blumlein solo puede duplicar el voltaje.

Sin embargo, los láseres de descarga longitudinal tampoco están exentos de inconvenientes, además de la necesidad de un resonador óptico y vacío. Fueron ellos quienes causaron su muy baja prevalencia, a excepción de los países de la antigua URSS, donde ocuparon su nicho de aplicación y en los que tuvieron que soportar estas deficiencias. El principal campo de aplicación de estos láseres fue el equipo tecnológico de la industria microelectrónica, que requería una alta calidad del haz y la posibilidad de enfocar muy bien a una potencia promedio relativamente alta (para algunos modelos).

Un láser de descarga longitudinal también se caracteriza por:

1. Baja energía de un solo impulso.
2. La baja presión de gas en el tubo requiere la fabricación de tubos sellados con vidrio, que es una operación de soplado de vidrio que consume bastante tiempo.
3. Vida útil limitada de los tubos sellados debido a la contaminación gradual del nitrógeno por productos de atomización de electrodos.

Ahora echemos un vistazo al láser más famoso y extendido fabricado por la URSS: LGI-21, también conocido como LGI-503. Y este es mi primer láser, con el que comencé mi pasión por el láser. Lo recuperé en mis días de estudiante, durante el desmantelamiento de instrumentos de uno de los laboratorios. Al igual que cualquier láser, consta de un emisor y una fuente de alimentación. La potencia láser declarada es de 3 mW a una frecuencia de repetición de pulso de hasta 100 Hz, que, en general, es muy pequeña.



Dentro del emisor hay un tubo de vidrio con un diseño coaxial. En el centro hay un tubo delgado en el que arde la descarga, y afuera hay un volumen de lastre que contiene una cierta cantidad de nitrógeno.





La fuente de alimentación interna es bastante simple. Un transformador de pulso de alto voltaje se encuentra en la esquina superior derecha, los condensadores de almacenamiento se descargan un poco a la izquierda, que el tirotón descarga a su devanado primario, en el centro hay un tirotrón de pulso TGI2-130 \ 10, y a la izquierda hay un transformador de potencia de alto voltaje con un duplicador de voltaje. En la esquina inferior derecha hay un generador de dos lámparas para controlar el tiratrón.



Este es precisamente el láser que fui el primero en aprender a reparar, ajustar y estudiar cuidadosamente su dispositivo.

Ahora les diré cómo pude restaurar por primera vez la capacidad de trabajo de un tubo láser sellado, que estaba en el láser LGI-503, que sucedió hace mucho tiempo, al comienzo de mi pasión por la tecnología láser.

Después de ajustar cuidadosamente los espejos cuando se enciende, el láser produjo un rayo muy, muy "lento".





Ya no ayudaron los trucos con la fuente de alimentación y la configuración del espejo: todo indicaba que el gas que se había "agotado". Pensando que no sería peor, rompí el pezón del tubo láser y pegué un trozo del tubo de vidrio. En el interior, inserté un trozo de manguera de un gotero y lo conecté a una bomba de vacío. Se insertó una aguja en la encía con otra manguera del gotero, en la que había una abrazadera, se obtuvo una fuga de gas improvisada.



Luego encendí la bomba y esperé a que bombeara el tubo al vacío máximo, luego abrí ligeramente la "fuga" y encendí la fuente de alimentación. ¡Se encendió una descarga brillante y constante en el tubo, y apareció un rayo muy brillante (en cuanto a lo que era) en la salida!



Al mismo tiempo, en “aire fresco”, el láser fue capaz de generar generación sin la participación del espejo de salida del resonador, solo que su potencia fue ciertamente menor.



La placa de vidrio de uranio se ilumina especialmente bien debajo de la viga.



Al final resultó que, el aire de la habitación también es completamente operativo en láseres de baja presión con una descarga longitudinal. Al seleccionar la presión, fue posible encontrar la máxima potencia de radiación. Debido al hecho de que ahora tuve la oportunidad de experimentar mucho con un láser en serie, no me molesté en la construcción de un auto-hecho con una descarga transversal. Además, me gusta mucho más el delgado haz de una sección redonda ordenada. Por lo tanto, la recuperación del tubo láser de nitrógeno es una operación muy simple, es suficiente para abrirlo, bombearlo nuevamente y seleccionar la presión óptima. El rango de presión en el que hay generación es relativamente amplio, desde décimas hasta decenas de milímetros de mercurio. Ahora, cuando pude restaurar la capacidad de trabajo del tubo láser por primera vez, decidí hacer un buen dinero para consolidar mi experiencia y soldar los siguientes tubos nuevamente. Recogí 3 láseres inoperantes más de los laboratorios de la universidad y conduje hasta un soplador de vidrio familiar, que soldaba nuevos accesorios para bombear y llenar en lugar de los carneros abiertos.



En el mismo lugar en el taller de soplado de vidrio, lograron bombear estos tubos y llenarlos con nitrógeno puro, pero lo cual es característico: no hubo una diferencia notable en la potencia de salida en comparación con el aire. El brillo del punto de luminiscencia se ve igual que en el caso del aire y el bombeo en el hogar.





Luego se sellaron los tubos y se ensamblaron los láseres y se los devolvieron a los clientes. Después de eso, se hizo mucho más fácil obtener componentes fuera de servicio, y luego nuevos láseres: logré obtener dos tubos del láser de nitrógeno LGI-505, más potente y más raro, que tiene una potencia declarada de 40 a 120 mW de varias fuentes. También tiene un tubo de descarga longitudinal, pero el diseño es más "roble": la descarga se quema en un capilar de cerámica, que se enfría externamente con agua, el cátodo está hecho en forma de un cilindro de aluminio de gran diámetro, un proceso está soldado a un lado, en el que hay tabletas calentadas en espiral de alguna sustancia para la regeneración nitrógeno si la presión de gas en el tubo disminuye por alguna razón. Las enormes ventanas de salida de Brewster hechas de cuarzo también son llamativas. Tubo de fotos a continuación. El segundo teléfono está en una bolsa aún sellada cerca.



Dentro del emisor, el tubo se ensambla junto con circuitos de generación de pulsos de nanosegundos que consisten en un tiratrón, un transformador de pulso (un pequeño tanque con aceite y aisladores) y algunos otros detalles. Como solo tengo los tubos, la foto del emisor está tomada de Google.



Pero todavía tengo una fuente de alimentación externa junto con los tubos. Pero solo se ocupa de la generación de alto voltaje para cargar condensadores de almacenamiento dentro del radiador y los pulsos de control de tirontrón.





En el interior, tiene un diseño bastante interesante: el generador de alto voltaje es una antigua fuente de alimentación de conmutación soviética en tiristores con un transformador de aceite en miniatura en la salida, que tiene una camisa de refrigeración por agua.



Utilizando los diagramas de las instrucciones adjuntas, pude restaurar la "parte de potencia" necesaria del emisor y lanzar LGI-505. El circuito es esencialmente idéntico al del LGI-21, solo un transformador de pulso, un tiratrón son más potentes, un condensador de almacenamiento es de mayor capacidad. El transformador es casero, enrollado con un cable coaxial a 6 anillos de ferrita de 120 * 80 * 12 de tamaño. La trenza en el cable se corta en 8 partes, todas las partes están conectadas en paralelo y forman una vuelta del devanado primario. El núcleo central del cable forma 8 vueltas del devanado secundario. La amplitud del pulso de voltaje del transformador se estima en aproximadamente 70-80 kV. El tiratrón se instaló TGI-1-1000 \ 25, que en principio es redundante, pero no había otro en ese momento. Se usó un condensador único k15-10 con un valor nominal de 4700 pF 50 kV como condensador de almacenamiento.



Se suministran pulsos de alto voltaje y control desde la fuente de alimentación nativa que se muestra arriba.

En el primer arranque, apareció radiación superluminiscente en ambos extremos del tubo, excediendo en potencia el láser LGI-21 con un resonador óptico.



Agregar un resonador a este tubo láser hizo posible aumentar significativamente la potencia de salida.





Se ve especialmente espectacular con la participación del vidrio de uranio como objetivo.



Este láser tenía todas las posibilidades de convertirse en un producto completamente terminado, incluso la carcasa exterior estaba terminada.



Pero luego comenzó la construcción de mi láser de vapor de cobre , y a partir de ahí necesité primero un tirotra TGI1-1000 \ 25, y luego un transformador de pulso para experimentos. Y este diseño fue parcialmente desmontado y puesto a un lado en una esquina lejana, su destino adicional permaneció desconocido, hasta hace muy poco. Hasta que quise hacer mi propio tubo para un láser de nitrógeno.

Ya es mucho más problemático hacer un láser de nitrógeno de descarga longitudinal que un láser de descarga transversal, ya que necesita trabajar con tubos de vidrio y manipular con vacío, también necesita el resonador óptico más simple de un espejo ciego aluminizado y una ventana transparente plana paralela: un espejo de salida. Pero incluso en este caso, es posible obtener generación utilizando el generador Blumlein, que se ha vuelto tradicional, ensamblado en varios condensadores cerámicos. Los láseres de descarga longitudinal de nitrógeno son extremadamente raros entre los fabricantes caseros, pero lo son. Por alguna razón, principalmente los alemanes. Los siguientes son ejemplos de diseños.

Láser de adrian-homelab.de





Láser de nitrógeno longitudinal en miniatura de deralchemist.wordpress.com



Y uno más, aparentemente, que sirvió como fuente principal para el anterior, el láser Thomas Rapp de pulslaser.de



Es un rayo láser delgado y redondo que es el argumento principal a favor de un láser de descarga longitudinal.

También en Internet hay ejemplos de alteraciones de los láseres de helio-neón estropeados en nitrógeno: en esencia, la tarea es construir una fuente de energía y un sistema de vacío. Bueno, debe abrir cuidadosamente el tubo y pegar el pezón para bombearlo. El resultado es el mismo que en el caso de un tubo completamente casero.

Y finalmente, mi propio diseño!

Este láser se ensambló en una plataforma eléctrica existente en la que se ensambló el láser LGI-505 con algunos cambios cosméticos. Se fabricó un nuevo transformador de pulso más culto, con los mismos parámetros que ellos.



Se instaló un nuevo tiratrón, que mostró su inconsistencia en la fuente de energía de un láser de vapor de cobre, pero funciona muy bien aquí: TGI-1-700 \ 25, grande y de vidrio. Se agregó un segundo condensador k15-10, lo que aumenta la fuente de alimentación general del sistema. Al cambiar la conexión de los condensadores, puede seleccionar la "energía de la bomba" adecuada. Como resultado, la plataforma experimental comenzó a verse así, junto con el mismo tubo LGI505 en el que se probó.



Luego, en lugar de la tubería LGI-505, instalé mi propia tubería.



El tubo láser consiste en un segmento de un capilar de vidrio con un diámetro interno de 3.5 mm y una longitud de aproximadamente 25 cm, cuyos extremos están desgastados y pegados con electrodos de aluminio. Cada electrodo tiene un accesorio; a través de uno, la bomba bombea aire y, a través del segundo, el aire fluye lentamente hacia el tubo. La aguja de una jeringa de insulina, que se inserta en la manguera de vacío con la punta dentro, se mostró perfectamente como una fuga. En el lado opuesto de cada electrodo hay boquillas en las que se colocan y pegan segmentos de un tubo de vidrio de mayor diámetro, cuyos extremos se aserran en ángulo de Brewster. Las ventanas de cuarzo (como pensaba) para pegar la radiación están pegadas a ellas. Se instala un espejo de aluminio en un lado del tubo para aumentar la potencia de radiación.



El tubo es bombeado por una bomba 3NVR1D. Cuando el aire fluye a través de una aguja de insulina, la presión de equilibrio se establece en aproximadamente 10 mm Hg. Art.



Cuando se enciende, el láser inmediatamente comenzó a funcionar. Sin embargo, hubo una completa sorpresa de que la ventana de salida no pasara radiación en absoluto, sino que solo la reflejó hacia abajo, donde se absorbió parcialmente en el tubo pyrex. La ventana izquierda resultó ser realmente cuarzo y emitía radiación normalmente, era fácil observar la superluminiscencia.



Esto es lo que sucedió al lado de la ventana opaca a la radiación.



Si bloquea el espejo opaco, entonces el brillo inferior derecho se debilitó.



Tuve que reemplazar la ventana correcta, esta vez con la correcta. Después de eso, la potencia de salida superó la de LGI-21 y se acercó a la potencia de LGI505, que funcionaba en modo sin espejo.





Por lo tanto, el láser de nitrógeno de descarga longitudinal hecho a sí mismo que funciona en el aire fue completamente exitoso. Y dado que el tubo funciona en modo de flujo, esto significa que puede funcionar en otros gases, excepto nitrógeno y aire. Pero esta es una historia completamente diferente y un campo no explotado para experimentos. Este es mi primer láser totalmente casero, donde tanto el elemento activo (tubo de descarga de gas) como el sistema de bomba casero.

Entonces, si alguien quiere ingresar al mundo de los láseres y disciplinas relacionadas, entonces puede comenzar de manera segura con la construcción de un láser de nitrógeno. Puede elegir un láser de descarga transversal como el más simple, o un láser de descarga longitudinal, si tiene una bomba de vacío y un suministro de piezas para ensamblar un sistema de bomba de transformador. Pero, de todos modos, esto es mucho más divertido que "conectar un diodo láser a un controlador ya hecho y hacer un puntero láser", ya que la participación en el proceso de comprensión de los principios del funcionamiento del láser como tal es mucho más profunda, y esto proporciona una experiencia y conocimiento invaluables.