Mempelajari Laser Nitrogen - Bagian 2: Laser Pelepasan Longitudinal

Pada bagian terakhir, kami memeriksa contoh-contoh desain buatan sendiri dan pabrik dari laser nitrogen transversal-discharge, dan topologi inilah yang telah menjadi yang paling populer untuk replika oleh orang-orang buatan sendiri. Dan inilah kelebihannya:

1. Kesederhanaan. Seperti disebutkan di atas, dalam banyak kasus bahkan konstruksi laser nitrogen nitrogen sederhana buatan sendiri yang beroperasi di udara atmosfer cukup dapat diterapkan, bahkan dengan karya ilmiah yang cukup serius di laboratorium.
2. Energi pulsa keluaran yang cukup serius - puluhan millijoule dalam instalasi besar.
3. Durasi pulsa yang sangat singkat, dalam beberapa kasus berjumlah ratusan picoseconds.
4. Kombinasi dari dua faktor sebelumnya memungkinkan untuk mencapai kekuatan impuls yang sangat besar - puluhan hingga ratusan megawatt.

Tetapi topologi ini bukan tanpa beberapa kekurangan. Yang mana dan apa yang menyebabkan mereka tersingkir? Baca terus.



Pada bagian terakhir, saya memberikan contoh laser nitrogen yang tersedia secara komersial di Barat. Tetapi di bekas USSR, "sekolah desain" sangat berbeda.

Jika dalam laser nitrogen secara bertahap mengurangi tekanan dan meningkatkan jarak antara elektroda, maka Anda dapat secara bertahap datang ke ... laser debit longitudinal. Ketika kedua debit listrik di gas dan radiasi sepenuhnya selaras. Dalam hal ini, pelepasan terbakar dalam tabung kaca tipis, kira-kira seperti pada laser helium-neon. Pada tekanan nitrogen yang lebih rendah, penguatan media lebih rendah, durasi pulsa mendekati kemungkinan maksimum (nilai normal adalah 10-20 nanodetik), dan kebutuhan daya semakin berkurang.

Laser pelepasan longitudinal memiliki kelebihan yang mengatasi kelemahan laser pelepasan melintang:

1. Kualitas balok tinggi, karena pelepasannya terbakar dalam tabung bulat, dan laser biasanya bekerja dengan resonator sederhana yang terbuat dari cermin buta aluminized dan keluarannya dalam bentuk pelat kaca sejajar pesawat. Balok, masing-masing, juga putaran intensitas yang lebih seragam di atas penampang.
2. Kemampuan untuk bekerja pada frekuensi pengulangan pulsa tinggi (hingga beberapa ribu Hz).
3. Daya radiasi rata-rata yang relatif tinggi, dalam beberapa kasus mencapai ratusan mW.
4. Stabilitas daya radiasi yang tinggi.

Metode pelepasan durasi pendek yang menarik juga sangat berbeda - biasanya bersemangat menggunakan transformator pulsa tegangan tinggi. Trafo dililitkan pada tumpukan cincin ferit dengan kabel koaksial tegangan tinggi. Jalinan luar kabel dipotong menjadi beberapa bagian sehingga, melewati lubang di cincin, kepang-kepang ini membentuk satu atau 2-3 putaran dan ujung kepang ini dihubungkan secara paralel. Dan inti pusat kabel, di mana kepang-kepang didistribusikan secara merata, dililit pada setumpuk cincin secara terus-menerus, membentuk 10-15 putaran. Jadi, dengan mengubah metode pemotongan jalinan, dimungkinkan untuk secara fleksibel memilih tegangan keluaran, sementara tidak ada batasan mendasar pada tegangan keluaran yang dapat dicapai. Trafo semacam itu dapat memiliki rasio transformasi apa pun, sedangkan generator Blumlein hanya dapat menggandakan tegangan.

Namun demikian, laser pelepasan longitudinal juga bukan tanpa kekurangan, di samping kebutuhan akan resonator optik dan vakum. Merekalah yang menyebabkan prevalensi sangat rendah, kecuali untuk negara-negara bekas Uni Soviet, di mana mereka menempati tempat aplikasi mereka, dan di mana mereka harus menanggung kekurangan ini. Bidang utama penerapan laser ini adalah peralatan teknologi industri mikroelektronika, yang membutuhkan kualitas sinar tinggi dan kemungkinan pemfokusannya yang sangat baik pada daya rata-rata yang relatif tinggi (untuk beberapa model).

Laser pelepasan longitudinal juga ditandai oleh:

1. Energi rendah dari satu dorongan.
2. Tekanan gas rendah dalam tabung membutuhkan pembuatan tabung tertutup kaca, yang merupakan operasi meniup kaca yang agak memakan waktu.
3. Kehidupan pelayanan terbatas dari tabung tertutup karena kontaminasi nitrogen secara bertahap oleh produk atomisasi elektroda.

Sekarang mari kita lihat laser yang paling terkenal dan tersebar luas yang diproduksi oleh USSR - LGI-21, juga dikenal sebagai LGI-503. Dan ini adalah laser pertama saya, yang dengannya saya memulai hasrat saya untuk laser. Saya mendapatkannya kembali di masa-masa mahasiswa saya, selama penonaktifan instrumen dari salah satu laboratorium. Seperti halnya laser, ia terdiri dari emitor dan catu daya. Kekuatan laser yang dideklarasikan adalah 3 mW pada tingkat pengulangan pulsa hingga 100 Hz, yang, secara umum, sangat kecil.



Di dalam emitor adalah tabung gelas dengan desain koaksial. Di tengah ada tabung tipis di mana debit membakar, dan di luar ada volume pemberat yang mengandung sejumlah nitrogen.





Catu daya di dalamnya cukup sederhana. Trafo pulsa tegangan tinggi ditempatkan di sudut kanan atas, kapasitor penyimpanan dilepaskan sedikit ke kiri, yang dilepaskan oleh thyratron ke lilitan utamanya, di tengah adalah tratir pulsa TGI2-130 \ 10, dan di sebelah kiri adalah trafo daya tegangan tinggi dengan pengganda tegangan. Di sudut kanan bawah adalah generator dua lampu untuk mengendalikan thyratron.



Inilah laser yang pertama kali saya pelajari untuk memperbaiki, menyetel, dan mempelajari perangkatnya dengan cermat.

Sekarang saya akan memberi tahu Anda bagaimana saya dapat memulihkan untuk pertama kalinya kapasitas kerja tabung laser yang disegel, yang berada dalam laser LGI-503, yang terjadi sejak lama, di awal hasrat saya akan teknologi laser.

Setelah dengan hati-hati menyesuaikan cermin ketika dihidupkan, laser menghasilkan sinar yang sangat, sangat "lamban".





Tidak ada trik dengan sumber daya dan pengaturan cermin yang membantu lagi - semuanya menunjukkan bahwa gas darinya telah “habis”. Berpikir bahwa itu tidak akan menjadi lebih buruk, saya memutuskan puting pada tabung laser dan menempelkan sepotong tabung kaca ke sana. Di dalam, saya memasukkan selembar selang dari pipet dan menghubungkannya ke pompa vakum. Sebuah jarum dimasukkan ke dalam gusi dengan selang lain dari pipet, di mana ada klem - kebocoran gas improvisasi diperoleh.



Kemudian saya menyalakan pompa dan menunggu pompa keluar tabung ke vakum maksimum, kemudian sedikit membuka "kebocoran" dan menyalakan sumber listrik. Pelepasan yang terang dan stabil menyala di tabung, dan sinar yang sangat terang (seperti apa) muncul di keluaran!



Pada saat yang sama, di "udara segar" laser mampu memberikan generasi tanpa partisipasi cermin keluaran resonator, hanya kekuatannya tentu lebih rendah.



Pelat kaca uranium bercahaya terutama indah di bawah sinar.



Ternyata, udara ruangan juga sepenuhnya beroperasi di laser tekanan rendah dengan pelepasan longitudinal. Dengan memilih tekanan, adalah mungkin untuk menemukan kekuatan radiasi maksimum. Karena kenyataan bahwa sekarang saya memiliki kesempatan untuk banyak bereksperimen dengan laser serial, saya tidak repot dengan konstruksi buatan sendiri dengan pelepasan melintang. Selain itu, saya lebih menyukai balok tipis dari bagian bundar yang rapi. Dengan demikian, pemulihan tabung laser nitrogen adalah operasi yang sangat sederhana, cukup untuk membukanya, memompa lagi dan memilih tekanan optimal. Kisaran tekanan di mana ada generasi relatif luas - dari sepersepuluh hingga puluhan milimeter air raksa. Sekarang, ketika saya dapat mengembalikan kapasitas kerja tabung laser untuk pertama kalinya, saya memutuskan untuk menghasilkan uang yang baik untuk mengkonsolidasikan pengalaman saya dan membuat tabung berikut disolder lagi. Saya mengumpulkan 3 laser yang tidak beroperasi lagi dari laboratorium universitas dan pergi ke tukang kaca yang akrab, yang menyolder alat kelengkapan baru untuk memompa dan mengisi ke tempat colokan terbuka.



Di tempat yang sama di bengkel peniup kaca mereka berhasil memompa tabung-tabung ini dan mengisinya dengan nitrogen murni, tetapi yang merupakan karakteristik - tidak ada perbedaan nyata dalam daya keluaran dibandingkan dengan udara. Kecerahan tempat luminesensi terlihat sama seperti pada kasus udara dan pemompaan di rumah.





Kemudian tabung disegel, dan laser dikumpulkan dan dikembalikan ke pelanggan. Setelah itu, menjadi lebih mudah untuk mendapatkan komponen yang dinonaktifkan, dan kemudian laser baru - saya berhasil mendapatkan dua tabung dari laser nitrogen LGI-505 yang lebih kuat dan lebih jarang, yang memiliki kekuatan 40 hingga 120 mW dari berbagai sumber. Dia juga memiliki tabung pembuangan longitudinal, tetapi desainnya lebih "oak" —buang terbakar di kapiler keramik, yang didinginkan secara eksternal dengan air, katoda dibuat dalam bentuk silinder aluminium berdiameter besar, proses dilas ke samping, di mana ada tablet dipanaskan secara spiral dari beberapa bahan untuk regenerasi nitrogen jika tekanan gas dalam tabung menurun karena beberapa alasan. Jendela keluar besar Brewster yang terbuat dari kuarsa juga mencolok. Tabung foto di bawah ini. Handset kedua ada di dalam tas yang masih tertutup rapat di dekatnya.



Di dalam emitor, tabung dirakit bersama dengan sirkuit pembangkitan pulsa nanodetik yang terdiri dari thyratron, transformator pulsa (tangki kecil dengan minyak dan isolator), dan beberapa detail lainnya. Karena saya hanya memiliki tabung sendiri, foto emitor diambil dari Google.



Tetapi saya masih mendapatkan sumber daya eksternal bersama dengan tabung. Tapi dia hanya berurusan dengan generasi tegangan tinggi untuk mengisi kapasitor penyimpanan di dalam radiator dan pulsa kontrol thyratron.





Di dalam, ia memiliki desain yang agak menarik - generator bertegangan tinggi adalah catu daya switching Soviet lama pada thyristor dengan transformator minyak mini di output, yang memiliki jaket pendingin air.



Dengan menggunakan diagram dari instruksi yang terlampir, saya dapat mengembalikan "bagian daya" yang diperlukan dari emitor dan meluncurkan LGI-505. Sirkuit ini pada dasarnya identik dengan LGI-21, hanya transformator pulsa, thyratron lebih kuat, kapasitor penyimpanan berkapasitas lebih besar. Trafo ini buatan sendiri, dililit dengan kabel koaksial hingga 6 cincin ferit berukuran 120 * 80 * 12. Jalinan pada kabel dipotong menjadi 8 bagian, semua bagian dihubungkan secara paralel dan membentuk satu putaran belitan primer. Inti tengah kabel membentuk 8 putaran lilitan sekunder. Amplitudo pulsa tegangan dari transformator diperkirakan sekitar 70-80 kV. Thyratron dipasang TGI-1-1000 \ 25, yang pada prinsipnya berlebihan, tetapi tidak ada yang lain pada saat itu. Kapasitor tunggal k15-10 dengan nilai nominal 4700 pF 50 kV digunakan sebagai kapasitor penyimpanan.



Tegangan tinggi dan pulsa kontrol dipasok dari catu daya asli yang ditunjukkan di atas.

Setelah start-up pertama, radiasi superluminescent muncul di kedua ujung tabung, melebihi kekuatan laser LGI-21 dengan resonator optik.



Menambahkan resonator ke tabung laser ini memungkinkan untuk secara signifikan meningkatkan daya output.





Terlihat sangat spektakuler dengan partisipasi kaca uranium sebagai target.



Laser ini memiliki setiap kesempatan untuk menjadi produk yang benar-benar jadi, bahkan kasing luar pun selesai.



Tetapi kemudian konstruksi laser uap tembaga saya dimulai, dan dari sana saya pertama-tama membutuhkan thyratron TGI1-1000 \ 25, dan kemudian transformator pulsa untuk percobaan. Dan desain ini sebagian dibongkar dan disisihkan untuk sudut yang jauh, nasib selanjutnya masih belum diketahui, sampai baru-baru ini. Sampai saya ingin membuat tabung sendiri untuk laser nitrogen.

Sudah jauh lebih sulit untuk membuat laser nitrogen dari longitudinal discharge daripada laser debit transversal, karena Anda perlu bekerja dengan tabung kaca dan meraba-raba dengan vakum, Anda juga memerlukan resonator optik sederhana dari cermin buta aluminized dan jendela transparan paralel-pesawat - sebuah cermin keluaran. Tetapi bahkan dalam kasus ini, dimungkinkan untuk mendapatkan generasi menggunakan generator Blumlein, yang telah menjadi tradisional, dirakit pada beberapa kapasitor keramik. Laser pelepasan nitrogen longitudinal sangat jarang di antara produsen buatan sendiri, tetapi mereka. Untuk beberapa alasan, kebanyakan orang Jerman. Berikut ini adalah contoh desain.

Laser dari adrian-homelab.de





Laser nitrogen longitudinal miniatur dari deralchemist.wordpress.com



Dan satu lagi, tampaknya, yang berfungsi sebagai sumber utama untuk yang sebelumnya, laser Thomas Rapp dari pulslaser.de



Ini adalah sinar laser tipis dan bundar yang merupakan argumen utama yang mendukung laser pelepasan longitudinal

Juga di Internet ada contoh-contoh perubahan laser helium-neon yang rusak menjadi nitrogen - pada dasarnya, tugasnya adalah membangun sumber daya dan sistem vakum. Nah, Anda perlu hati-hati membuka tabung dan merekatkan puting ke sana untuk dipompa. Hasilnya sama dengan tabung buatan sendiri.

Dan akhirnya, desain saya sendiri!

Laser ini dirakit pada platform listrik yang ada di mana laser LGI-505 dirakit dengan beberapa perubahan kosmetik. Sebuah transformator pulsa baru yang lebih berbudaya dibuat, dengan parameter yang sama seperti mereka.



Thyratron baru dipasang, yang menunjukkan ketidakkonsistenannya dalam sumber daya laser uap tembaga, tetapi bekerja sangat baik di sini - TGI-1-700 \ 25, besar dan kaca. Kapasitor kedua k15-10 ditambahkan, meningkatkan catu daya keseluruhan sistem. Dengan mengubah koneksi kapasitor, Anda dapat memilih "energi pompa" yang sesuai. Akibatnya, platform eksperimental mulai terlihat seperti ini, bersama-sama dengan tabung LGI505 yang sama di mana ia diuji.



Kemudian, alih-alih pipa LGI-505, saya menginstal pipa saya sendiri.



Tabung laser terdiri dari segmen kapiler gelas dengan diameter bagian dalam 3,5 mm dan panjang sekitar 25 cm, ujung-ujungnya dipakai dan dilem elektroda aluminium. Setiap elektroda memiliki fitting, melalui satu, udara dipompa keluar oleh pompa, dan melalui yang kedua, udara perlahan mengalir ke tabung. Jarum dari jarum suntik insulin, yang dimasukkan ke dalam selang vakum dengan ujungnya di dalam, menunjukkan dirinya sebagai kebocoran. Di sisi berlawanan dari masing-masing elektroda ada nozel di mana potongan-potongan tabung gelas yang lebih besar diletakkan dan juga dilem, ujung-ujungnya dipotong pada sudut Brewster. Kuarsa (seperti yang saya kira) jendela untuk menempelkan radiasi terpaku padanya. Cermin aluminium dipasang di satu sisi tabung untuk meningkatkan daya radiasi.



Tabung dipompa keluar oleh pompa 3NVR1D. Ketika udara mengalir melalui jarum insulin, tekanan kesetimbangan diatur sekitar 10 mm Hg. Seni



Ketika dinyalakan, laser segera mulai bekerja. Namun, ada kejutan lengkap bahwa jendela keluar sepenuhnya tidak lulus radiasi, tetapi hanya memantulkannya ke bawah, di mana sebagian diserap dalam tabung pyrex turun. Jendela kiri ternyata benar-benar kuarsa dan dipancarkan radiasi secara normal, mudah untuk mengamati superluminesensi.



Inilah yang terjadi di sisi jendela radiasi-buram.



Jika Anda memblokir cermin tumpul, maka cahaya kanan bawah melemah.



Saya harus mengganti jendela kanan, kali ini dengan yang benar. Setelah itu, kekuatan output melebihi LGI-21 dan mendekati kekuatan LGI505, yang bekerja dalam mode mirrorless.





Dengan demikian, laser nitrogen self-discharge longitudinal buatan sendiri yang beroperasi di udara benar-benar berhasil! Dan karena tabung bekerja dalam mode aliran, ini berarti ia dapat bekerja pada gas lain, kecuali nitrogen dan udara. Tetapi ini adalah kisah yang sama sekali berbeda dan bidang eksperimen yang belum dibajak. Ini adalah laser buatan saya yang pertama di rumah, di mana elemen aktif (tabung pelepasan gas) dan sistem pompa buatan sendiri.

Jadi, jika seseorang ingin memasuki dunia laser dan disiplin ilmu terkait, maka Anda dapat dengan aman memulai dengan membangun laser nitrogen. Anda dapat memilih laser pelepasan melintang sebagai yang paling sederhana, atau laser pelepasan longitudinal, jika Anda memiliki pompa vakum dan pasokan suku cadang untuk merakit sistem pompa transformator. Tapi, bagaimanapun, ini jauh lebih menyenangkan daripada "menghubungkan dioda laser ke driver yang sudah jadi dan membuat pointer laser," karena keterlibatan dalam proses memahami prinsip-prinsip operasi laser seperti itu jauh lebih dalam, dan ini memberikan pengalaman dan pengetahuan yang tak ternilai.