Apprentissage des lasers à azote - Partie 2: Lasers à décharge longitudinale

Dans la dernière partie, nous avons examiné des exemples de conceptions maison et d'usine de lasers à azote à décharge transversale, et c'est cette topologie qui est devenue la plus populaire pour la répétition par les bricoleurs. Et voici ses avantages:

1. Simplicité. Comme mentionné ci-dessus, dans de nombreux cas, même la construction d'un simple laser azote-azote fait maison fonctionnant dans l'air atmosphérique est tout à fait applicable, même avec un travail scientifique assez sérieux en laboratoire.
2. Une énergie d'impulsion de sortie assez importante - des dizaines de millijoules dans les grandes installations.
3. Une durée d'impulsion très courte, s'élevant dans certains cas à des centaines de picosecondes.
4. La combinaison des deux facteurs précédents permet d'obtenir d'énormes puissances d'impulsion - des dizaines à des centaines de mégawatts.

Mais cette topologie n'est pas sans inconvénients. Lesquels et qu'est-ce qui a conduit à leur élimination? Continuez à lire.



Dans la dernière partie, j'ai donné des exemples de lasers à l'azote disponibles dans le commerce en Occident. Mais dans l'ex-URSS, «l'école de design» était radicalement différente.

Si dans un laser à azote, réduisez progressivement la pression et augmentez la distance entre les électrodes, alors vous pouvez progressivement arriver à ... un laser à décharge longitudinale. Lorsque la décharge électrique dans le gaz et le rayonnement sont complètement alignés. Dans ce cas, la décharge brûle dans un mince tube de verre, à peu près comme dans un laser hélium-néon. À une pression d'azote inférieure, le gain du milieu est plus faible, la durée d'impulsion approche du maximum possible (la valeur normale est de 10-20 nanosecondes) et les besoins en puissance sont encore plus réduits.

Les lasers à décharge longitudinale présentent des avantages qui surmontent les inconvénients des lasers à décharge transversale:

1. Haute qualité de faisceau, car la décharge brûle dans un tube rond, et le laser fonctionne généralement avec un simple résonateur constitué d'un miroir aveugle aluminisé et d'un miroir de sortie sous la forme d'une plaque de verre plane parallèle. Le faisceau, respectivement, est également rond d'une intensité plus uniforme sur la section transversale.
2. Capacité à travailler à des fréquences de répétition d'impulsions élevées (jusqu'à plusieurs milliers de Hz).
3. Une puissance de rayonnement moyenne relativement élevée, atteignant dans certains cas des centaines de mW.
4. Haute stabilité de la puissance de rayonnement.

La méthode d'excitation d'une décharge de courte durée est également radicalement différente - elle est généralement excitée à l'aide d'un transformateur d'impulsions haute tension. Le transformateur est enroulé sur un empilement d'anneaux de ferrite avec un câble coaxial haute tension. La tresse extérieure du câble est coupée en morceaux de sorte que, passant à travers un trou dans l'anneau, ces morceaux de tresse forment un ou 2-3 tours et les extrémités de ces morceaux de tresse sont connectées en parallèle. Et l'âme centrale du câble, le long de laquelle les morceaux de la tresse sont uniformément répartis, est enroulée sur une pile d'anneaux en continu, formant 10-15 tours. Ainsi, en changeant la méthode de coupe de la tresse, il est possible de sélectionner de manière flexible la tension de sortie, alors qu'il n'y a pas de restrictions fondamentales sur la tension de sortie réalisable. Un tel transformateur peut avoir n'importe quel rapport de transformation, tandis que le générateur Blumlein ne peut que doubler la tension.

Néanmoins, les lasers à décharge longitudinale ne sont pas non plus sans inconvénients, en plus de la nécessité d'un résonateur optique et du vide. Ce sont eux qui ont causé leur très faible prévalence, à l'exception des pays de l'ex-URSS, où ils ont occupé leur créneau d'application, et dans lesquels ils ont dû faire face à ces lacunes. Le principal domaine d'application de ces lasers était l'équipement technologique de l'industrie microélectronique, qui nécessitait une qualité de faisceau élevée et la possibilité d'une focalisation très fine à une puissance moyenne relativement élevée (pour certains modèles).

Un laser à décharge longitudinale se caractérise également par:

1. Faible énergie d'une seule impulsion.
2. Une faible pression de gaz dans le tube nécessite la fabrication de tubes scellés en verre, ce qui est une opération de soufflage du verre assez longue.
3. Durée de vie limitée des tubes scellés en raison de la contamination progressive de l'azote par les produits d'atomisation des électrodes.

Voyons maintenant le laser le plus célèbre et le plus répandu fabriqué par l'URSS - LGI-21, également connu sous le nom de LGI-503. Et c'est mon tout premier laser, avec lequel j'ai commencé ma passion pour les lasers. Je l'ai récupéré à l'époque de mes études, lors du déclassement des instruments d'un des laboratoires. Comme tout laser, il se compose d'un émetteur et d'une alimentation. La puissance laser déclarée est de 3 mW à un taux de répétition d'impulsions allant jusqu'à 100 Hz, ce qui est en général très faible.



À l'intérieur de l'émetteur se trouve un tube en verre avec un design coaxial. Au centre, il y a un tube mince dans lequel la décharge brûle, et à l'extérieur, il y a un volume de ballast contenant une certaine quantité d'azote.





L'alimentation à l'intérieur est assez simple. Un transformateur d'impulsions haute tension est situé dans le coin supérieur droit, les condensateurs de stockage sont déchargés un peu à gauche, qui sont déchargés par le thyratron vers son enroulement primaire, au centre se trouve un thyratron à impulsions TGI2-130 \ 10, et à gauche se trouve un transformateur d'alimentation haute tension avec un doubleur de tension. Dans le coin inférieur droit se trouve un générateur à deux lampes pour contrôler le thyratron.



C'est précisément le laser que j'ai été le premier à apprendre à réparer, régler et étudier attentivement son appareil.

Je vais maintenant vous dire comment j'ai pu restaurer pour la première fois la capacité de travail d'un tube laser scellé, qui se trouvait dans le laser LGI-503, ce qui s'est produit il y a longtemps, au tout début de ma passion pour la technologie laser.

Après avoir soigneusement ajusté les miroirs lorsqu'ils sont allumés, le laser a produit un faisceau très, très "lent".





Aucune astuce avec la source d'alimentation et les paramètres du miroir n'a aidé plus - tout indiquait que le gaz qui en était sorti "était épuisé". Pensant que ce ne serait pas pire, j'ai cassé le mamelon du tube laser et y ai collé un morceau du tube de verre. À l'intérieur, j'ai inséré un morceau de tuyau d'un compte-gouttes et l'ai connecté à une pompe à vide. Une aiguille a été insérée dans la gencive avec un autre tuyau du compte-gouttes, sur lequel il y avait une pince - une fuite de gaz improvisée a été obtenue.



Ensuite, j'ai allumé la pompe et attendu qu'elle pompe le tube au vide maximum, puis j'ai légèrement ouvert la «fuite» et allumé la source d'alimentation. Une décharge lumineuse et régulière a été allumée dans le tube, et un rayon très lumineux (quant à ce qui était) est apparu à la sortie!



Dans le même temps, en «air frais» le laser a pu donner de la génération sans la participation du miroir de sortie du résonateur, seule sa puissance était certainement inférieure.



La plaque de verre d'uranium luminescence particulièrement magnifiquement sous le faisceau.



Il s'est avéré que l'air ambiant est également pleinement opérationnel dans les lasers basse pression à décharge longitudinale. En sélectionnant la pression, il a été possible de trouver la puissance de rayonnement maximale. Étant donné que j'avais maintenant l'occasion d'expérimenter beaucoup avec un laser série, je ne me suis pas soucié de la construction d'un self-made avec une décharge transversale. De plus, j'aime beaucoup plus le mince faisceau d'une section ronde soignée. Ainsi, la récupération du tube laser à azote est une opération très simple, il suffit de l'ouvrir, de le pomper à nouveau et de sélectionner la pression optimale. La plage de pression à laquelle il y a génération est relativement large - des dixièmes aux dizaines de millimètres de mercure. Maintenant, quand j'ai pu restaurer la capacité de travail du tube laser pour la première fois, j'ai décidé de gagner beaucoup d'argent dessus pour consolider mon expérience et refaire les tubes suivants. J'ai récupéré 3 autres lasers inopérants dans des laboratoires universitaires et je me suis rendu chez un souffleur de verre familier, qui a soudé de nouveaux raccords pour le pompage et le remplissage à la place des béliers ouverts.



Au même endroit dans l'atelier de soufflage de verre, ils ont réussi à pomper ces tubes et à les remplir d'azote pur, mais ce qui est caractéristique - il n'y avait pas de différence notable de puissance de sortie par rapport à l'air. La luminosité du spot de luminescence est la même que dans le cas de l'air et du pompage à domicile.





Ensuite, les tubes ont été scellés, et les lasers ont été assemblés et retournés aux clients. Après cela, il est devenu beaucoup plus facile d'obtenir des composants déclassés, puis de nouveaux lasers - j'ai réussi à obtenir deux tubes du laser à azote LGI-505 plus puissant et beaucoup plus rare, qui a une puissance déclarée de 40 à 120 mW à partir de diverses sources. Il a également un tube à décharge longitudinal, mais la conception est plus «en chêne» - la décharge brûle dans un capillaire en céramique, qui est refroidi extérieurement par l'eau, la cathode est faite sous la forme d'un cylindre en aluminium de grand diamètre, un processus est soudé sur le côté, dans lequel il y a des comprimés chauffés en spirale d'une substance pour la régénération l'azote si la pression du gaz dans le tube diminue pour une raison quelconque. Les énormes fenêtres de sortie de Brewster en quartz frappent également. Tube photo ci-dessous. Le deuxième combiné se trouve dans un sac encore scellé à proximité.



À l'intérieur de l'émetteur, le tube est assemblé avec des circuits de génération d'impulsions nanosecondes composés d'un thyratron, d'un transformateur d'impulsions (un petit réservoir avec de l'huile et des isolants) et quelques autres détails. Comme je n'ai que les tubes eux-mêmes, la photo de l'émetteur est prise par Google.



Mais j'ai toujours une source d'alimentation externe avec les tubes. Mais il ne traite que de la génération de haute tension pour charger des condensateurs de stockage à l'intérieur du radiateur et des impulsions de commande du thyratron.





À l'intérieur, il a une conception plutôt intéressante - le générateur haute tension est une ancienne alimentation soviétique à découpage sur des thyristors avec un transformateur d'huile miniature à la sortie, qui a une chemise de refroidissement par eau.



En utilisant les schémas des instructions ci-jointes, j'ai pu restaurer la «partie puissance» nécessaire de l'émetteur et lancer le LGI-505. Le circuit est essentiellement identique à celui du LGI-21, seul un transformateur d'impulsions, un thyratron sont plus puissants, un condensateur de stockage est de plus grande capacité. Le transformateur est fait maison, enroulé avec un câble coaxial à 6 anneaux de ferrite de taille 120 * 80 * 12. La tresse du câble est coupée en 8 parties, toutes les parties sont connectées en parallèle et forment un tour de l'enroulement primaire. L'âme centrale du câble forme 8 spires de l'enroulement secondaire. L'amplitude de l'impulsion de tension du transformateur est estimée à environ 70-80 kV. Le thyratron a été installé TGI-1-1000 \ 25, ce qui est en principe redondant, mais il n'y en avait pas d'autre à l'époque. Un seul condensateur k15-10 d'une valeur nominale de 4700 pF 50 kV a été utilisé comme condensateur de stockage.



La haute tension et les impulsions de commande sont fournies par l'alimentation native illustrée ci-dessus.

Au premier démarrage, un rayonnement superluminescent est apparu aux deux extrémités du tube, dépassant en puissance le laser LGI-21 avec un résonateur optique.



L'ajout d'un résonateur à ce tube laser a permis d'augmenter considérablement la puissance de sortie.





Il semble particulièrement spectaculaire avec la participation du verre d'uranium comme cible.



Ce laser avait toutes les chances de devenir un produit complètement fini, même le boîtier extérieur était fini.



Mais alors la construction de mon laser à vapeur de cuivre a commencé, et à partir de là, j'avais besoin d'un thyratron TGI1-1000 \ 25, puis d'un transformateur d'impulsions pour les expériences. Et cette conception a été partiellement démontée et mise de côté dans un coin lointain, son sort futur est resté inconnu, jusqu'à très récemment. Jusqu'à ce que je veuille faire mon propre tube pour un laser à azote.

Il est déjà beaucoup plus gênant de fabriquer un laser à azote à décharge longitudinale qu'un laser à décharge transversale, car vous devez travailler avec des tubes en verre et échapper au vide, vous avez également besoin du résonateur optique le plus simple d'un miroir aveugle aluminisé et d'une fenêtre transparente plane parallèle - un miroir de sortie. Mais même dans ce cas, il est possible d'obtenir une génération à l'aide du générateur Blumlein, devenu traditionnel, monté sur plusieurs condensateurs céramiques. Les lasers à décharge longitudinale d'azote sont extrêmement rares chez les fabricants maison, mais ils le sont. Pour une raison quelconque, principalement les Allemands. Voici des exemples de conceptions.

Laser de adrian-homelab.de





Laser à azote longitudinal miniature de deralchemist.wordpress.com



Et un autre, apparemment, qui a servi de source principale pour le précédent, le laser Thomas Rapp de pulslaser.de



C'est un faisceau laser fin et rond qui est l'argument principal en faveur d'un laser à décharge longitudinale

Sur Internet, il existe également des exemples de modifications de lasers hélium-néon gâtés en azote - la tâche consiste essentiellement à construire une source d'alimentation et un système de vide. Eh bien, vous devez ouvrir soigneusement le tube et y coller le mamelon pour le pompage. Le résultat est le même que dans le cas d'un tube entièrement fait maison.

Et enfin, mon propre design!

Ce laser a été assemblé sur une plate-forme électrique existante sur laquelle le laser LGI-505 a été assemblé avec quelques modifications cosmétiques. Un nouveau transformateur d'impulsions plus cultivé a été fabriqué, avec les mêmes paramètres qu'eux.



Un nouveau thyratron a été installé, ce qui a montré son incohérence dans la source d'alimentation d'un laser à vapeur de cuivre, mais il fonctionne très bien ici - TGI-1-700 \ 25, grand et verre. Un deuxième condensateur k15-10 a été ajouté, augmentant ainsi l'alimentation électrique globale du système. En modifiant la connexion des condensateurs, vous pouvez sélectionner «l'énergie de pompe» appropriée. En conséquence, la plate-forme expérimentale a commencé à ressembler à ceci, avec le même tube LGI505 sur lequel elle a été testée.



Ensuite, au lieu du tuyau LGI-505, j'ai installé mon propre tuyau.



Le tube laser est constitué d'un segment d'un capillaire en verre d'un diamètre intérieur de 3,5 mm et d'une longueur d'environ 25 cm, dont les extrémités sont des électrodes en aluminium usées et collées. Chaque électrode a un raccord; à travers une, l'air est pompé par la pompe, et à travers la seconde, l'air s'écoule lentement dans le tube. L'aiguille d'une seringue à insuline, qui est insérée dans le tuyau d'aspiration avec son embout à l'intérieur, s'est parfaitement révélée comme une fuite. Sur le côté opposé de chaque électrode, il y a des buses sur lesquelles des morceaux d'un plus grand tube de verre sont mis et collés, dont les extrémités sont coupées selon un angle de Brewster. Des fenêtres en quartz (comme je le pensais) pour coller les radiations y sont collées. Un miroir en aluminium est installé sur un côté du tube pour augmenter la puissance de rayonnement.



Le tube est pompé par une pompe 3NVR1D. Lorsque l'air circule à travers une aiguille à insuline, la pression d'équilibre est réglée à environ 10 mm Hg. Art.



Une fois allumé, le laser a immédiatement commencé à fonctionner. Cependant, il y avait une surprise totale que la fenêtre de sortie ne passait pas du tout le rayonnement, mais le reflétait seulement vers le bas, où il était partiellement absorbé dans le tube en pyrex. La fenêtre de gauche s'est avérée être vraiment du quartz et émettait normalement un rayonnement, il était facile d'observer la superluminescence.



C'est ce qui s'est passé du côté de la fenêtre opaque aux radiations.



Si vous bloquez le miroir terne, alors la lueur inférieure droite a été affaiblie.



J'ai dû remplacer la bonne fenêtre, cette fois par la bonne. Après cela, la puissance de sortie a dépassé celle du LGI-21 et s'est approchée de la puissance du LGI505, qui fonctionnait en mode sans miroir.





Ainsi, le laser à azote à décharge longitudinale auto-fabriqué fonctionnant dans l'air a été un succès total! Et puisque le tube fonctionne en mode débit, cela signifie qu'il peut fonctionner sur d'autres gaz, à l'exception de l'azote et de l'air. Mais c'est une histoire complètement différente et un champ non labouré pour les expériences. Ceci est mon premier laser entièrement fait maison, où à la fois l'élément actif (tube à décharge) et le système de pompe fait maison.

Donc, si quelqu'un veut entrer dans le monde des lasers et des disciplines connexes, vous pouvez commencer en toute sécurité par la construction d'un laser à azote. Vous pouvez choisir un laser à décharge transversale comme le plus simple, ou un laser à décharge longitudinale, si vous avez une pompe à vide et un approvisionnement en pièces pour assembler un système de pompe de transformateur. Mais, quoi qu'il en soit, c'est beaucoup plus amusant que de «connecter une diode laser à un pilote prêt à l'emploi et de fabriquer un pointeur laser», car la participation au processus de compréhension des principes de fonctionnement du laser en tant que tel est beaucoup plus profonde, ce qui donne une expérience et des connaissances inestimables.