Aprendendo Lasers de Nitrogênio - Parte 2: Lasers de Descarga Longitudinal

Na última parte, examinamos exemplos de projetos caseiros e de fábrica de lasers de nitrogênio de descarga transversal, e é essa topologia que se tornou a mais popular para réplicas por pessoas caseiras. E aqui estão suas vantagens:

1. Simplicidade. Como mencionado acima, em muitos casos, mesmo a construção de um laser caseiro simples de nitrogênio e nitrogênio operando no ar atmosférico é bastante aplicável, mesmo com trabalhos científicos bastante sérios em laboratório.
2. Uma energia de pulso de saída bastante grave - dezenas de milijoules em grandes instalações.
3. Uma duração de pulso muito curta, em alguns casos equivalente a centenas de picossegundos.
4. A combinação dos dois fatores anteriores torna possível obter enormes poderes de impulso - dezenas a centenas de megawatts.

Mas essa topologia não deixa de ter algumas desvantagens. Quais e o que levou à sua eliminação? Continue lendo.



Na última parte, dei exemplos de lasers de nitrogênio disponíveis comercialmente no Ocidente. Mas na ex-URSS, a "escola de design" era radicalmente diferente.

Se em um laser de nitrogênio reduzir gradualmente a pressão e aumentar a distância entre os eletrodos, você poderá gradualmente chegar a ... um laser de descarga longitudinal. Quando a descarga elétrica no gás e a radiação estão completamente alinhadas. Nesse caso, a descarga queima em um tubo de vidro fino, aproximadamente como em um laser de hélio-neon. Em uma pressão de nitrogênio mais baixa, o ganho do meio é menor, a duração do pulso se aproxima do máximo possível (o valor normal é de 10 a 20 nanossegundos) e os requisitos de energia são ainda mais reduzidos.

Os lasers de descarga longitudinal têm vantagens que superam as desvantagens dos lasers de descarga transversal:

1. Alta qualidade do feixe, uma vez que a descarga queima em um tubo redondo, e o laser geralmente trabalha com um ressonador simples feito de um espelho cego aluminizado e uma saída na forma de uma placa de vidro paralela ao plano. A viga, respectivamente, também é redonda com intensidade mais uniforme sobre a seção transversal.
2. Capacidade de trabalhar em altas frequências de repetição de pulso (até vários milhares de Hz).
3. Uma potência de radiação média relativamente alta, em alguns casos atingindo centenas de mW.
4. Alta estabilidade do poder de radiação.

O método de excitar uma descarga de curta duração também é radicalmente diferente - geralmente é excitado usando um transformador de pulso de alta tensão. O transformador é enrolado em uma pilha de anéis de ferrite com um cabo coaxial de alta tensão. A trança externa do cabo é cortada em pedaços, de modo que, passando por um orifício no anel, esses pedaços de trança formam uma ou 2-3 voltas e as extremidades desses pedaços de trança são conectadas em paralelo. E o núcleo central do cabo, ao longo do qual as peças da trança são distribuídas uniformemente, é enrolado em uma pilha de anéis continuamente, formando 10 a 15 voltas. Assim, alterando o método de corte da trança, é possível selecionar com flexibilidade a tensão de saída, enquanto não há restrições fundamentais à tensão de saída possível. Esse transformador pode ter qualquer taxa de transformação, enquanto o gerador Blumlein pode apenas dobrar a tensão.

No entanto, os lasers de descarga longitudinal também não apresentam desvantagens, além da necessidade de um ressonador óptico e vácuo. Foram eles que causaram sua prevalência muito baixa, exceto nos países da ex-URSS, onde ocuparam seu nicho de aplicação e nos quais tiveram que aturar essas deficiências. O principal campo de aplicação desses lasers foi o equipamento tecnológico da indústria microeletrônica, que exigia alta qualidade do feixe e a possibilidade de seu foco muito fino a uma potência média relativamente alta (para alguns modelos).

Um laser de descarga longitudinal também é caracterizado por:

1. Baixa energia de um único impulso.
2. A baixa pressão de gás no tubo requer a fabricação de tubos selados com vidro, o que é uma operação de sopro de vidro bastante demorada.
3. Vida útil limitada de tubos selados devido à contaminação gradual de nitrogênio por produtos de atomização de eletrodos.

Agora vamos ver o laser mais famoso e difundido fabricado pela URSS - LGI-21, também conhecido como LGI-503. E este é o meu primeiro laser, com o qual comecei minha paixão por lasers. Recebi de volta nos meus dias de estudante, durante a desativação de instrumentos de um dos laboratórios. Como qualquer laser, ele consiste em um emissor e uma fonte de alimentação. A potência declarada do laser é de 3 mW a uma taxa de repetição de pulso de até 100 Hz, o que, em geral, é muito pequeno.



Dentro do emissor, há um tubo de vidro com um design coaxial. No centro, há um tubo fino no qual a descarga queima, e no exterior existe um volume de lastro contendo uma certa quantidade de nitrogênio.





A fonte de alimentação interna é bem simples. Um transformador de pulso de alta tensão está localizado no canto superior direito, os capacitores de armazenamento são descarregados um pouco para a esquerda, que são descarregados pelo tireatron para o seu enrolamento primário, no centro há um tireatron de pulso TGI2-130 \ 10 e à esquerda um transformador de potência de alta tensão com um dobrador de tensão. No canto inferior direito, há um gerador de duas lâmpadas para controlar o tiratron.



Este é precisamente o laser que eu fui o primeiro a aprender a reparar, ajustar e estudar cuidadosamente seu dispositivo.

Agora, vou contar como consegui restaurar pela primeira vez a capacidade de trabalho de um tubo de laser selado, que estava no laser LGI-503, que aconteceu há muito tempo, no início de minha paixão pela tecnologia a laser.

Depois de ajustar cuidadosamente os espelhos quando ligados, o laser produziu um feixe muito, muito "lento".





Não há mais truques com as configurações da fonte de alimentação e do espelho - tudo indicava que o gás "esgotou". Pensando que não seria pior, quebrei o mamilo no tubo do laser e colei um pedaço do tubo de vidro nele. Dentro, inseri um pedaço de mangueira de um conta-gotas e conectei-o a uma bomba de vácuo. Uma agulha foi inserida na gengiva com outra mangueira do conta-gotas, na qual havia um grampo - foi obtido um vazamento improvisado de gás.



Depois liguei a bomba e esperei que ela bombeasse o tubo para o vácuo máximo, depois abri levemente o “vazamento” e liguei a fonte de energia. Uma descarga brilhante e constante foi acesa no tubo, e um raio muito brilhante (quanto ao que era) apareceu na saída!



Ao mesmo tempo, em "ar fresco", o laser conseguiu gerar geração sem a participação do espelho de saída do ressonador, apenas sua potência certamente foi menor.



A placa de vidro de urânio brilha especialmente bem sob o feixe.



Como se viu, o ar ambiente também está totalmente operacional em lasers de baixa pressão com uma descarga longitudinal. Ao selecionar a pressão, foi possível encontrar a potência máxima de radiação. Devido ao fato de que agora eu tive a oportunidade de experimentar muito com um laser serial, não me incomodei com a construção de uma peça própria com descarga transversal. Além disso, gosto muito da viga fina de uma seção redonda bem organizada. Assim, a recuperação do tubo a laser de nitrogênio é uma operação muito simples, basta abri-lo, bombeá-lo novamente e selecionar a pressão ideal. A faixa de pressão em que há geração é relativamente ampla - de décimos a dezenas de milímetros de mercúrio. Agora, quando consegui restaurar a capacidade de trabalho do tubo a laser pela primeira vez, decidi fazer um bom dinheiro para consolidar minha experiência e soldar os tubos a seguir. Eu coletei mais 3 lasers inoperantes em laboratórios universitários e dirigi até um soprador de vidro familiar, que soldou novos acessórios para bombear e encher o local dos tampões abertos.



No mesmo local da oficina de sopro de vidro, eles conseguiram bombear esses tubos e enchê-los com nitrogênio puro, mas o que é característico - não houve diferença perceptível na potência de saída em comparação com o ar. O brilho do ponto de luminescência é igual ao do ar e do bombeamento em casa.





Em seguida, os tubos foram selados e os lasers foram montados e devolvidos aos clientes. Depois disso, ficou muito mais fácil obter componentes desativados e depois novos lasers - eu consegui dois tubos do laser de nitrogênio LGI-505 mais poderoso e muito mais raro, que tem uma potência declarada de 40 a 120 mW de várias fontes. Ele também tem um tubo de descarga longitudinal, mas o design é mais “carvalho” - a descarga queima em um capilar de cerâmica, que é resfriado externamente pela água, o cátodo é feito na forma de um cilindro de alumínio de grande diâmetro, um processo é soldado ao lado, no qual existem comprimidos aquecidos em espiral de alguma substância para regeneração nitrogênio se a pressão do gás no tubo diminuir por algum motivo. As enormes janelas de saída de Brewster feitas de quartzo também são impressionantes. Tubo de fotos abaixo. O segundo telefone está em uma bolsa ainda lacrada nas proximidades.



Dentro do emissor, o tubo é montado juntamente com os circuitos de geração de pulso em nanossegundos que consistem em um tiratron, um transformador de pulso (um pequeno tanque com óleo e isoladores) e alguns outros detalhes. Como eu só tenho os tubos, a foto do emissor é tirada do Google.



Mas eu ainda tenho uma fonte de energia externa junto com os tubos. Mas ele lida apenas com a geração de alta tensão para carregar capacitores de armazenamento dentro dos pulsos de controle do radiador e tiratron.





No interior, ele tem um design bastante interessante - o gerador de alta tensão é uma antiga fonte de alimentação de comutação soviética em tiristores com um transformador de óleo em miniatura na saída, que possui uma camisa de resfriamento a água.



Usando os diagramas das instruções anexadas, consegui restaurar a "parte de energia" necessária do emissor e iniciar o LGI-505. O circuito é essencialmente idêntico ao do LGI-21, apenas um transformador de pulso, um tiratron são mais poderosos, um capacitor de armazenamento tem uma capacidade maior. O transformador é caseiro, enrolado com um cabo coaxial em 6 anéis de ferrite de tamanho 120 * 80 * 12. A trança no cabo é cortada em 8 partes, todas as partes são conectadas em paralelo e formam uma volta do enrolamento primário. O núcleo central do cabo forma 8 voltas do enrolamento secundário. A amplitude do pulso de tensão do transformador é estimada em cerca de 70-80 kV. O thyratron foi instalado TGI-1-1000 \ 25, que em princípio é redundante, mas não havia outro na época. Um capacitor único k15-10 com um valor nominal de 4700 pF 50 kV foi usado como capacitor de armazenamento.



Os pulsos de alta tensão e controle são fornecidos a partir da fonte de alimentação nativa mostrada acima.

Na primeira partida, a radiação superluminescente apareceu em ambas as extremidades do tubo, excedendo em potência o laser LGI-21 com um ressonador óptico.



A adição de um ressonador a este tubo a laser permitiu aumentar significativamente a potência de saída.





Parece especialmente espetacular com a participação do vidro de urânio como alvo.



Esse laser tinha todas as chances de se tornar um produto completamente acabado, até o gabinete externo estava acabado.



Mas então começou a construção do meu laser de vapor de cobre e, a partir daí, eu precisava primeiro de um TGI1-1000 \ 25 thyratron e depois de um transformador de pulso para experimentos. E esse design foi parcialmente desmontado e deixado em um canto distante, seu destino adicional permaneceu desconhecido até muito recentemente. Até eu querer fazer meu próprio tubo para um laser de nitrogênio.

Já é muito mais problemático fazer um laser de nitrogênio com uma descarga longitudinal do que um laser de descarga transversal, já que você precisa trabalhar com tubos de vidro e se atrapalhar com o vácuo, você também precisa do ressonador óptico mais simples de um espelho cego aluminizado e uma janela transparente paralela ao plano - um espelho de saída. Mas mesmo neste caso, é possível obter geração usando o gerador Blumlein, que se tornou tradicional, montado em vários capacitores de cerâmica. Os lasers de descarga longitudinal de nitrogênio são extremamente raros entre os fabricantes caseiros, mas são. Por alguma razão, principalmente os alemães. A seguir estão exemplos de designs.

Laser de adrian-homelab.de





Laser longitudinal em miniatura de nitrogênio de deralchemist.wordpress.com



E mais uma, aparentemente, que serviu de fonte primária para a anterior, o laser Thomas Rapp da pulslaser.de



É um feixe de laser fino e redondo que é o principal argumento a favor de um laser de descarga longitudinal

Também na Internet há exemplos de alterações de lasers de hélio e néon estragados em nitrogênio - em essência, a tarefa é construir uma fonte de energia e um sistema de vácuo. Bem, você precisa abrir cuidadosamente o tubo e colar o mamilo para bombear. O resultado é o mesmo que no caso de um tubo totalmente caseiro.

E, finalmente, meu próprio design!

Este laser foi montado em uma plataforma elétrica existente na qual o laser LGI-505 foi montado com algumas alterações cosméticas. Um novo transformador de pulso, mais cultivado, foi feito, com os mesmos parâmetros que eles.



Um novo thyratron foi instalado, o que mostrou sua inconsistência na fonte de energia de um laser de vapor de cobre, mas funciona muito bem aqui - TGI-1-700 \ 25, grande e vidro. Um segundo capacitor k15-10 foi adicionado, aumentando a fonte de alimentação geral do sistema. Alterando a conexão dos capacitores, você pode selecionar a "energia da bomba" apropriada. Como resultado, a plataforma experimental começou a ficar assim, junto com o mesmo tubo LGI505 no qual foi testado.



Então, em vez do tubo LGI-505, instalei meu próprio tubo.



O tubo do laser consiste em um segmento de um capilar de vidro com um diâmetro interno de 3,5 mm e um comprimento de aproximadamente 25 cm, cujas extremidades são eletrodos de alumínio desgastados e colados. Cada eletrodo tem um encaixe: através de um, o ar é bombeado pela bomba e, através do segundo, o ar flui lentamente para dentro do tubo. A agulha de uma seringa de insulina, que é inserida na mangueira de vácuo com a ponta dentro, mostrou-se perfeitamente como um vazamento. No lado oposto de cada eletrodo, existem bicos nos quais são colocados pedaços de um tubo de vidro maior e também colados, cujas extremidades são cortadas em um ângulo de Brewster. Janelas de quartzo (como eu pensava) para colar radiação são coladas a elas. Um espelho de alumínio é instalado em um lado do tubo para aumentar a potência da radiação.



O tubo é bombeado para fora por uma bomba 3NVR1D. Quando o ar flui através de uma agulha de insulina, a pressão de equilíbrio é ajustada para cerca de 10 mm Hg. Art.



Quando ligado, o laser imediatamente começou a funcionar. No entanto, houve uma surpresa completa que a janela de saída não passasse completamente por radiação, mas apenas a refletisse, onde a parte que absorveu parcialmente no tubo de pirex caiu. A janela da esquerda era realmente quartzo e emitia radiação normalmente; era fácil observar a superluminescência.



Foi o que aconteceu ao lado da janela opaca.



Se você bloquear o espelho opaco, o brilho inferior direito será enfraquecido.



Eu tive que substituir a janela certa, desta vez pela correta. Depois disso, a potência de saída excedeu a do LGI-21 e aproximou-se do poder do LGI505, que funcionava no modo sem espelho.





Assim, o laser de nitrogênio de descarga longitudinal de fabricação própria operando no ar foi completamente bem-sucedido! E como o tubo funciona no modo de fluxo, isso significa que ele pode funcionar com outros gases, exceto nitrogênio e ar. Mas essa é uma história completamente diferente e um campo inexplorado para experimentos. Este é o meu primeiro laser totalmente caseiro, onde o elemento ativo (tubo de descarga de gás) e o sistema de bomba caseiro.

Portanto, se alguém quiser entrar no mundo dos lasers e disciplinas relacionadas, você poderá começar com segurança com a construção de um laser de nitrogênio. Você pode escolher um laser de descarga transversal como o mais simples, ou um laser de descarga longitudinal, se tiver uma bomba de vácuo e um suprimento de peças para montagem de um sistema de bomba de transformador. Mas, de qualquer forma, isso é muito mais emocionante do que "conectar o diodo laser ao driver acabado e fazer um ponteiro laser", pois o envolvimento no processo de compreensão dos princípios do laser como tal é muito mais profundo, e isso proporciona experiência e conhecimento inestimáveis.