自制激光剑-第1部分

我欢迎大家，本文将讨论我最复杂的项目之一-带有铜蒸气激光器的自制装置。 我将立即预约该项目已成功完成，并交付给完全成品，并为其命名。 我认为有必要详细说明它是如何实施的，以及在实施过程中必须面对的问题。 安装的历史很长，因此必须分为几部分。

还有一个较小的免责声明：之所以执行该项目，是因为我非常热衷于获取激光辐射的艺术，主要是为了实现它，因此，我请您在评论中不要问“为什么这是必要的”问题。 所示信息仅供参考，作者对重复描述的后果不承担任何责任。

一张图片引起注意。



延续正在削减。

首先，必须离题。 事实是，我可能是曾经梦见过他们的轻剑或激光枪的人们中的一员，至少以目前的技术可以实现的形式 事实证明，如果您进行研究，一切皆有可能。 从学生时代开始，我就对电气工程感兴趣，即对获得高压和高频率感兴趣。 因此，我为自己发现了一种有趣的设备，例如特斯拉变压器，它以多种形式使用了各种拓扑结构和各种组件。 同时，我意识到我对柴油发动机的美学特别着迷，即我希望我的所有产品看起来像它们都是直接来自科学怪人或特斯拉实验室的产品。 这就是为什么我推出了元素底座的原因，该元素底座由旧的油压变压器，功能强大的无线电管，高频电动发电机（变压器），装在碳酸盐箱中的测量面板仪表等组成。 然而，事实证明，即使特斯拉变压器产生了相当长的放电，也很难使任何人感到惊讶。 因此，我决定改变活动的方向，抓住了很少有人冒险进入的利基市场。 即，将他的爱好投入到激光技术上。 我的梦想始终是弄清楚激光是什么，揭示其设备和工作的秘密，最后，构造出自己的相干辐射发生器。 随着时间的流逝，我学习了许多文献，与不同的人交谈，逐渐积累了在实验室中研究，设置和维修激光器的经验，并以整个激光器及其碎片的形式获得了“赃物”，我以最详细的方式对其进行了研究。

在所有种类的激光器中，其中之一比铜激光器更值得关注。 当我在其中一个实验室工作时设法看到并感受到这种激光时，它给我留下了最深刻的印象。 但整个事情就是这样。 这是在光谱的可见范围内工作的最有效的激光，能够在510 nm（亮绿色）和578 nm（饱和黄色）的波长下具有数十瓦的辐射功率。 包含两条发射线的光束具有独特的绿柠檬色，并且能够燃烧通过各种可燃材料，而不会比红外CO2激光束差。 目的是获得这种激光。

在实验室中使用类似的激光器工作时，我意识到尽管进行了尝试，但我不能指望购买完成的设备。 太大，太重且太贵。 像任何激光器一样，它由两个主要部分组成-发射器和电源。 这是这种激光器的最早型号之一-LGI-101。 发射器将近2米长，电源具有“成熟”家用冰箱的大小。 它重约4台冰箱。 声明的两条发射线的激光辐射功率总计为5瓦，功耗为2.5千瓦。 在照片中可以看到发射器和电源的外观：





发射器又由它自己的一组零件组成：最重要的是-有源元件，然后是谐振器镜，冷却系统以及将它们组装在一起的外壳。 电源由许多功能块组成，如下所述。 因此，我不得不将自己仅限于寻找不可替代的部分-有源元件（气体放电激光管），然后调动我的所有经验和赃物来构建所有缺失的东西。 一段时间后，在朋友的宝贵帮助下，我终于收到了一个珍贵的木盒子，里面装有全新的活性元素，例如UL-102“ Quantum”，这是与LGI-101相比更新的产品。 与LGI-101相比，UL-102几乎只有其一半大小，它产生的辐射功率完全相同，并且功耗降低了1.5倍，即 它更加经济。 UL-102的“裸露”有源元件（AE）看起来像这样。



这是由金属，陶瓷和玻璃制成的大型设备。 在其内部，发生了电能向大电流气体放电的转换，金属铜的热量从其中蒸发，铜原子进入激发态。 从激发态跃迁到地面时，原子发射光子，该光子与其他激发原子碰撞将发射新的光子，因此直到光放大到可能的最大值为止，该值取决于活性介质的激发程度。 为了使光自由通过激光管并在其中进行放大，在端部放置了巨大的光学窗口，并且为了消耗更少的功率将铜加热到其蒸发温度，需要内部陶瓷放电管具有良好的隔热性，该放电管被粉红色陶瓷制成的外壳封闭。 从外部向两个金属电极提供电能，并且在降低的大气压下，在管内部有氖气。 氖气放电是蒸发铜的主要热源，它以小块的形式位于放电通道内，冷管中没有蒸汽，如果完全真空，就不可能点燃放电。 连同激光管，我还得到了一套共振镜。



因此，最重要的细节已经出现在我身上。

我已经对这种激光器的工作原理以及从一组备件中获得强大的相干辐射所需的知识有所了解。 有必要提出一种有源元件热稳定的最佳系统，以激光发射器的形式将所有组件放在一起，最重要的是建立一个电源。

从文献中知道，铜蒸气激光器只能以脉冲模式工作。 UL-102管的脉冲重复频率可以在6到16 kHz之间变化。 每个单独的功率脉冲必须具有通过放电的电流上升的陡峭前沿。 理想情况下，通过放电的电流前沿的陡度将处于50纳秒的水平，这与铜原子激发态的寿命相当，并且脉冲中的电流将为数百安培，脉冲持续时间为300到1000 ns。 一般而言，激光的产生会在正面的较低斜率处出现，即100 ns甚至300 ns的水平，但其效率会大大降低。 还应该注意的是，在击穿前的时间，管子电极处的电压应至少为10 kV，最好更高。 单个脉冲在放电中投资的平均功率应足以加热并维持铜蒸气的最佳温度，对于UL-102，此功率的最小值为1600瓦。 有个好消息：铜蒸气的收益最高。 这意味着对谐振器对准精度的要求非常严格（不需要用于安装和调节反射镜位置的特殊高精度设备）。 此外，增益越高，放电中铜原子的浓度越高，即 如果将其加热到足够强的程度，则不能使用两个反射镜，而是使用一个反射镜甚至根本不使用它们（自发发射或“超发光”的单通放大）来获得激光。 这极大地简化了构建主要布局的任务，即 该任务简化为仅使用电源的构造，并且可以将发射器的构造推迟到解决电源的微妙之处。 现在关于营养。 如果您看一下电子管的电源电路，那么乍看之下一切都非常简单。 使用最简单的拓扑（在文献中称为“直接激励方案”）时，只有一些细节。



一切都很简单-2个电感器，2个电容器，一个开关晶闸管，一个晶闸管控制变压器。 除非您查看零件的值及其要求，否则一切都很简单。 由于任务是获得通过有源元件的电流脉冲前部的良好斜率，因此晶闸管需要高速，充氢，高反向电压和高开关电流。 晶闸管所需的最小脉冲电流为500安培。 更好-1000或更多。 反向电压至少需要20 kV，最好是25 kV。 这种晶闸管通常用于雷达，要获得它们并不容易。 但是我很幸运。 一对夫妇躺在赃物的废墟中。 一眼就落在了漂亮的玻璃TGI-700 \ 25上，它的大小为两升的苏打水。 根据其适合的标称参数，只有相对较低的（700 Hz）声明的速度令人尴尬，但现在决定尝试使用它。 电容器类 主电极在1000至3300 pF之间，在电极之间增加235-470 pF。 gh，就是这样。 但是！ 需要从15 kV起的工作电压。 并希望在高频下实现低损耗；应将寄生电感降至最低。 毕竟，我需要通过电子管获得较短的电流，否则我将看不到相干的光子作为自己的耳朵。 因此，仅适用于具有高允许无功功率的陶瓷电容器，这些电容器可用于管状无线电发射机和相同的雷达中。 Fffuh，你可以喘口气，我也有这样的人，因为自从我从事特斯拉以来，它们就已经积累了。 电感 但是使用它们更加困难...直到现在，我的工艺中都不需要扼流圈，至少0.5H这样大的扼流圈，甚至没有铁芯，都具有很高的电气强度。 所谓的节流阀是必需的。 存储电容器的“谐振电荷”。 在这种模式下，充电过程将以最高效率进行，并且电容器上的电压可以相对于电源加倍。 有经验的话，我不得不从几个方面结束这种节流阀。 通过连接所需数量的部分，可以逐步调节电感，并且通过改变它们之间的距离，可以在一定范围内平稳地调节电感。 使用防止电流流过有源元件所需的第二个阻塞电感器，它要简单得多-所需电感为100-300μH，但电气强度也很高。 因此，我也缠绕在分成多个部分的框架上。 这就是最重要的电源（如我所说）的第一个“汤组”的样子。



但这还不够。 为了使晶闸管正常工作-您需要一个使阴极发光的电压源-出现第一个重量级的变压器。 为了点燃激光管中的放电并使其放电，需要高恒定电压源，并且非常希望能够将其调节为0至7-8 kV。 最后，您需要具有足够强大的控制信号的发生器来解锁晶闸管。 似乎很难生成它。 后者也比较容易，因为存在不成功的具有脉冲操作模式的特斯拉灯线圈设计的障碍，因此足以重新配置它们以所需的频率工作。

在这里组装了这种称为“ IVN”的电源单元的阳极电压的子系统子系统-高电压源。 它由两个提供最高8 kV交流电压的电力变压器，一个在KTs201D极上以二极管桥形式的整流器，2 uF 10 kV时的滤波电容器k41-1a，9A在电力变压器主回路中的LATR，开和关按钮组成分别控制发电机和IVN，监视电压和电流的设备。









控制发生器（副调制器）由两个主要模块组成-主振荡器和功率放大器。 两个模块都在灯上制成-在主模块中，使用6n6p灯上的模块发生器，在TGI1-10 \ 1晶闸管上使用前置放大器。 阳极电路的电源由整流子整流。



第二个模块是功率放大器，在此阶段，它组装在GMI-5灯上，包括一个放大器本身和一个用于第一个和第二个栅极的偏置源形式的车身套件，也包括在整流子整流器上。 使用电压倍增器，也在6d22s整流子上获得2 kV的阳极电压。 这就是为什么在这个街区有这么多灯的原因。



需要将所有元件连接到单个电路中的时刻到了。 看起来像这样。



动力单元的电路位于桌子上附近，并且“在鼻孔上”组装，因为可能需要重新做一些事情，调整零件的值。
发射是立即的。







乍一看，所有组件都可以正确交互。 变压器嗡嗡作响，在激光管中点燃放电，听到以10 kHz的频率发出的吱吱声，开关晶闸管点亮，但电源电压尚未提高到“设计” 6 kV。 严格来说，电压没有决定性的作用，重要的是要获得一定的平均功率投资于激光放电，对于该灯管，该功率至少应为1600瓦。 这就是问题所在。 500瓦特时，晶闸管失去控制，仅悬停在打开位置，导致IVN短路。 在考虑了脉冲重复频率（以下称为ChSI），主电容器和附加电容器的电容以及充电扼流圈的电感（从较大部分开始）之后，我们设法克服了这个边界并首先达到1000 W的边界，然后达到1500 W. 仅需等待逐渐加热和管达到工作温度范围。



然而，短时间（约10分钟）后，晶闸管再次失控，关闭了IVN。 显然，晶闸管出了点问题！ 它的阳极炽热！



在该装置稳定工作的时间内，激光管中的放电通道也成功地加热了炽热的热量，因为与晶闸管不同，它比常规工作更重要。 但是该排放通道的温度仍然完全不足。



经过多次尝试重新启动后，很明显，在这种类型的可控硅中，功率损耗太大，需要另一个更合适的可控硅。 我不得不从另一个脉冲激光器中提取TGI1-1000 \ 25晶闸管，与此同时，我将功率单元的拓扑更改为更“先进”的电路，即所谓的 “布鲁米扬发生器。”



而且布局已完全改变-激光管和电源单元之间的长连接电缆已经消失。



在这样的拓扑中，情况立即变得更好。 该电路工作非常稳定，并且有可能以2000瓦的水平将能量输入放电。 排放通道的稳定加热已经开始。



经过大约半小时的工作，放电的颜色变得明显。 从橙色霓虹灯开始，它先变成粉红色，然后变亮，直到变成几乎白色，然后又变成了肮脏的黄绿色。 出现铜的自发排放，并开始蒸发。 最后，在放电光的背景下，开始出现带有“斑点”的相对较亮的绿色斑点虹彩。 超发光形式的激光产生，即 没有谐振镜。 激光光斑的亮度迅速增加，在几分钟之内就变得令人眼花bright乱。



如果在管的一侧安装空白的共振镜并抓住其正确位置，则亮度会增加约5倍，并且光束发散会大大降低





激光束清晰可见！



如果将透镜放在光束路径上，那么它已经可以在胶合板上燃烧。 这表明光功率至少为0.5-1瓦。 而这只是一个谐振器镜。 因此，通过安装第二个反射镜，仍有大量的输出功率储备可以增加。 对于自制激光系统，这已经是巨大的成功！ 尤其是在首次掌握此类电源方案时。
如果将带有CD-ROM片段的光束反射到墙壁上，可以看到光束中有2个成分-绿色和黄色，黄色成分的发音仍然不如绿色。



尽管如此，尽管取得了结果，但是有一个问题使我们无法进行最后的组装。即，在已经将激光器预热到工作温度的状态下，晶闸管的不稳定性。对操作模式进行的全新彻底调整设法略微提高了稳定性，并且增加的高速短路保护使轻松地一次又一次地重启IVN变得容易。但是LATR早已失修，其绕组的绝缘严重受损。实验不得不停止一会儿。决定专注于发射器的构造。首先，制成带有水套的壳体，在其内部放置激光管。为了使整个发射器热稳定，需要使激光外壳不会从AE的非常热的侧面加热。它还执行与AE同轴放置的反向电流导体的功能。这使您可以略微降低AE的寄生电感。从路灯柱上买来的废旧金属和旧冰箱外壳的碎片可用于制造。将管子转至所需尺寸，并从套管上切下环和外部。将圆环放在管道上，在其上包裹一层薄板护套，然后将其全部钎焊。结果是双壁金属管。从下方焊接了固定法兰，该法兰将该部件连接到铝盘。此外，还制作了2个铝质圆盘，上面装有共振镜，还有1个棉质石，上面装有AE扇形支架。所有这些圆盘都通过螺纹杆拉在一起，以获得坚固的结构。为了防止击穿，“热” AE电极通过自制的绝缘材料与绝缘体隔开。织物也是自制的-用玻璃纤维带缠绕套筒，每一层都涂有环氧树脂。然后袖子干了。环氧树脂完全干燥后，将套筒在车床上打开至所需尺寸。

发射器框架与水夹克。



安装了活动元件。





这就是有源元件的绝缘体的样子。





制作了带有设计用于50 kV电压的大型同轴连接器的连接电缆。连接器外壳是从LGI-21串行激光器借来的，连接器芯是自制的。电缆-来自雷达的RK-50天线，中央核心采用整体绝缘。现在，该连接电缆的分布电容与杂散安装电容一起发挥了附加470 pF电容器的作用。





结果，获得了组装的发射器的这种设计。剩下的只是制作装饰外壳，直径250 mm的下水道管已经为此储备了。但是到目前为止，我推迟了这部分工作。有必要确保发射器工作正常。









无法继续使用实际上燃烧过的LATR，因此决定重绕LATR，将其变成具有固定抽头的自耦变压器。绕组状态“之前”



和“之后”：



必须为此绕组和前LATR的机架制作一个特殊的多位置开关。使用了LATR可移动部分的组件。



组装成一个绕组，结果就是这样。





转换后的自动变压器就位。



它还以白色外壳的自动机器的形式添加到了针对短路“慢”的快速保护中。您可以开始一系列新的实验。发射尝试未成功-由于某些未知原因，发现控制信号的功率放大器中的GMI-5灯损坏。她用玻璃在双腿交界处吹气。也许是由于冷却不足。立即用TGI-270 \ 12陶瓷晶闸管替换该灯。这就需要对放大器电路进行一些改动，特别是现在，电网的电源电路变得不必要了。





我必须注意，对于所有所需的更改，要花费大约2个月的时间-制作发射器框架，更改自耦变压器和功率放大器。一直以来，活动元素都位于框中。完成所有更改后，将其从那里移走，将发射器完全组装好，并尝试启动它。再次失败。通过泄漏空气检测到有源元件。这就是它的放电效果，因为摄影时从发射器上去除了AE。



那时，该项目必须无限期停止。继续，请参见下一部分。