Азотный лазер с поперечной накачкой

В этом разделе Вы найдете различные конструкции азотного лазера низкого давления с поперечным возбуждением.

Азотный ТЕ-лазер. Вариант 1

На фото показан азотный лазер низкого давления со встроенным блоком питания. Для работы потребуется азот и вакуумный насос. Оптимальное рабочее давление составляет 100 мбар и может регулироваться ограничительным вентилем на газовой подводке азота. В качестве вакуумного насоса достаточно использовать водяной насос. Возбуждающий поперечный разряд в азоте формируется по быстрой схеме LC-инверсии с использованием набора конденсаторов (на фото это красные ,,кнопки,,) и неуправляемого искрового разрядника. При сильно уменьшенной мощности луча лазер способен работать и на воздухе (100 мбар). Благодаря относительно низкому рабочему давлению генерируемые импульсы имеют сравнительно большую длительность в несколько наносекунд, что благоприятно для возбуждения лазеров на красителе.

На фото показана работа лазера. Яркий свет искрового разрядника превосходит бледное фиолетовое свечение разряда в трубке лазера, изготовленной из оргстекла.

На этом фото можно видеть работу лазера на красителе. Приходящий с правой стороны невидимый ультрафиолетовый луч азотного лазера фокусируется цилиндрической линзой на кювету с красителем. Кювета представляет собой кварцевую трубочку, которая закрыта по торцам с одной стороны металлическим алюминиевым 100% зеркалом, а с другой стороны выходным окном. Кювета на фото заполнена раствором Родамина В в метаноле. Применение другого красителя и другого растворителя позволяет работать лазеру на красителе в широком диапазоне длин волн.

Требуемое для работы лазера высокое напряжение генерируется схемой ШИМ-инвертора. Выдаваемые таймером серии 555 импульсы частотой 30 кГц после дальнейшего усиления управляют работой мощного транзистора.

Транзистор TIP146 управляет работой строчного трансформатора. Полученное высокое напряжение (около 6 кВ) выпрямляется умножителем напряжения и через цепочку резисторов заряжает банк конденсаторов до напряжения ~16 кВ. После достижения напряжения пробоя искрового разрядника начинаются процессы LC-инверсии, и возникает лазерный импульс. При использовании дополнительного запускающего генератора (триггер-генератор) и управляемого разрядника можно управлять временем возникновения лазерного импульса.

Изготовленный лазер имеет следующие характеристики, измеренные при использовании азота при давлении 100 мБар и частоте импульсов 5 Гц:

импульсная мощность- 160 кВт

энергия импульса - 600 мкДж

средняя мощность - 3 мВт

Азотный ТЕ-лазер. Вариант 2.

Экспериментальная модель азотного лазера низкого давления.

Для работы лазера потребуются азот и вакуумный насос. Рабочее давление газа в пределах 20-200 мбар. В качестве насоса достаточно простого водяного насоса. Азот возбуждается поперечным разрядом по схеме LC-инверсии с помощью набора конденсаторов (белые ,,кнопки,, на фото) и неуправляемого разрядника. При сильно уменьшенной мощности луча лазер способен работать и на воздухе (100 мбар). Благодаря относительно низкому рабочему давлению генерируемые импульсы имеют сравнительно большую длительность в несколько наносекунд, что благоприятно для возбуждения лазеров на красителе.

На фото видна работа лазера. Четко виден поперечный разряд фиолетового цвета между дюралевыми электродами длиной 15 см. Над лазерной камерой хорошо различимы и керамические конденсаторы синего цвета, а также высоковольтные диоды, образующие умножитель напряжения. Банк конденсаторов заряжается через резистор сопротивлением 50 МОм (на фото-деталь красного цвета). Лазерная камера представляет собой трубку из оргстекла. По боковым сторонам трубки прорезаны щели, в которые вклеены дюралевые пластины толщиной 3 мм. Два концевых фланца из оргстекла, имеющие отверстия для газовой подводки, завершают конструкцию лазерной трубки. Уплотняющаяся резиновыми кольцами кварцевая пластинка и алюминиевое зеркало образуют резонатор.

На этом фото видна работа лазера на красителе. Приходящий с правой стороны невидимый ультрафиолетовый луч азотного лазера фокусируется цилиндрической линзой на кювету с красителем. Кювета заполнена раствором красителя Кумарин 460 в метаноле. Луч лазера на красителе виден как зеленая точка на листе белой бумаги. Справой стороны азотного лазера можно видеть яркое свечение разряда искрового разрядника. Высокое напряжение, требуемое для работы лазера, берется от сетевого блока питания.

Применение стандартного трансформатора для галогенных ламп делает блок питания простой конструкцией. Трансформатор галогенной лампы разбирается и в нем удаляется кольцо выходного трансформатора, а к выходам транзисторов ключей присоединяется первичная обмотка строчного трансформатора. Высоковольтное напряжение (~5 кВ) от строчного трансформатора выпрямляется и умножается примерно до 20 кВ умножителем напряжения. Небольшой вентилятор служит для принудительного охлаждения силовых транзисторов блока питания.

Азотный ТЕ-лазер. Вариант 3.

Изложенный ниже азотный ТЕ-лазер работает с повышенной частотой импульсов.

Для некоторых измерительных приборов особого назначения требуется азотный лазер с максимальной частотой следования импульсов (более 1 кГц). Чтобы, несмотря на повышенную частоту, сократить расход газа, был изготовлен ТЕ-лазер, работающий при давлении ~60 мбар. При повышенных частотах такой простой коммутатор как искровой разрядник уже не подойдет. Был использован керамический водородный тиратрон типа HY 11 фирмы EG&EG, который показал стабильную и надежную работу при напряжении питания 12 кВ. С целью получения коротких импульсов и уменьшения индуктивности элементов конструкции все критические компоненты системы (тиратрон, керамические накопительный и пикинг-конденсатор) были размещены как можно ближе к лазерному каналу.

В качестве электродов лазерного канала были применены обрезки ножовочного полотна по металлу, тонкие зубья которого дают равномерный разряд, состоящий из множества близкорасположенных стримеров.

На чистом азоте лазер работает в области давлений 30÷100 мбар при напряжении питания 12 кВ. Общая емкость накопительных конденсаторов равна 1,8 нФ (мах 40 кВ), а общая емкость пикинг-конденсаторов равна 1,1 нФ (мах 40 кВ). Оптический резонатор состоит из 100% алюминиевого зеркала и выходного зеркала из сапфировой пластинки 7%. Зеркала установлены по торцам лазерной камеры и имеют возможность юстировки своего положения.

Для накала катода тиратрона требуется относительно высокий ток в 12 А при напряжении 6 В. Для сокращения ненужных потерь в проводниках накальный трансформатор монтируется рядом с тиратроном. На плите-основании находится также триггер-генератор, выполненный на одном высоковольтном MOSFet-транзисторе. Триггер-генератор выдает импульсы напряжения в 300 В, запускающие разряд в тиратроне. Так достигается компактность конструкции лазера. Для достижения высокой частоты импульсов накопительные конденсаторы, разумеется, должны заряжаться достаточно быстро. Это достигается применением схемы зарядки через индуктивность, т.к. такая схема позволяет удвоить на нагрузке напряжение сетевого блока питания. В качестве зарядного дросселя используется вторичная обмотка небольшого высоковольтного трансформатора, поскольку она имеет подходящее значение индуктивности и рассчитана на высокое напряжение.

На фото можно видеть кривую зарядки конденсатора.

Полная зарядка конденсатора заканчивается менее, чем за одну миллисекунду, что достаточно для получения частоты импульсов порядка 1 кГц. Напряжение сетевого трансформатора (2,5 кВ) удваивается до значения 7 кВ (2 х 2,5 х 1,41) и после дальнейшей резонансной зарядки на конденсаторах получается напряжение около 14 кВ, которое из-за высокой частоты импульсов несколько падает под нагрузкой до уровня 12 кВ.

На фото показаны лазерные импульсы, измеренные схемой на фотодиоде. Частота импульсов равна примерно 1 кГц. Также заметна 10% модуляция лазерных импульсов сетевой частотой 50 Гц.

На фото видна лазерная точка шириной 7 мм, измеренная на расстоянии 180 см от лазера на флуоресцентной бумаге. Таким образом, расходимость луча лазера составляет 2,2 мрад.

Готовая лазерная головка. Выход луча с левой стороны. На передней панели размещены элементы управления. Слева - направо: сетевой выключатель, вискозиметр и регулятор давления, выключатель высокого напряжения и индикатор включения блока питания, переключатель рода работы измерительной головки (высокое напряжение или давление газа), регулятор частоты и крайние справа - тумблеры включения триггера (запуск) ,,ВКЛ,, и ,,ОТКЛ,,

Вид на блок питания лазера

Принципиальная электрическая схема лазера в формате файла pdf >>> здесь <<<

Азотный ТЕ-лазер. Вариант 4.

Представленный ниже азотный лазер низкого давления был специально изготовлен для накачки лазера на красителе. В качестве источника накачки разумнее использовать удлиненные импульсы накачки. Удлиненные импульсы позволяют осуществить несколько пробегов луча в растворе красителя, что стабилизирует моды в резонаторе лазера на красителе и улучшают качество его луча. По этим причинам было уменьшено давление газа в азотном лазере и вместо Блюмляйн-схемы применена схема конденсаторного преобразователя.

Конструкция лазера. Лазер построен по схеме аналогичной описанной выше схеме азотного ТЕ-лазера с высокой частотой импульсов (вариант 3). Только в качестве лазерной камеры использована трубка из оргстекла.

С точки зрения вакуумной герметичности, такую конструкцию легче изготовить. Один из электродов выполнен из ножовочного полотна, а другой представляет собой дюралевый брусок 10х10 мм. Накопительные конденсаторы- три керамические бочкообразные конденсаторы емкостью 5 нФ на напряжение до 30 кВ. Пикинг-конденсатор состоит из шести одинаковых керамических конденсаторов, каждый из которых имеет 920 пФ на напряжение до 40 кВ. Поскольку не требуется высокой частоты импульсов, в качестве коммутатора достаточно простого неуправляемого искрового разрядника, а для высоковольтного блока питания можно использовать простенькую схему высоковольтного генератора на автомобильной катушке зажигания и тиристоре.

Схема собирается очень просто. В то время, как положительная полуволна сетевого напряжения благодаря резонансному эффекту от дросселя заряжает конденсатор емкостью 10 мкФ до напряжения ~400 В, отрицательная полуволна разряжает конденсатор через тиристор на первичную обмотку катушки зажигания. Возникающий на вторичной обмотке катушки зажигания высоковольтный импульс выпрямляется и заряжает накопительные конденсаторы до напряжения пробоя искрового разрядника. Включение искрового разрядника приводит к разряду накопительных конденсаторов на пикинг-конденсаторы, которые затем разряжаются на лазерную камеру. Оптика лазера состоит из 100 % зеркала (алюминиевое покрытие на стеклянной пластинке) и кварцевой пластинки в качестве выходного зеркала. Хорошая юстировка обоих зеркал приводит к значительному повышению выходной мощности.