Азотный лазер с продольной накачкой
Этот раздел содержит различные варианты конструкций азотного лазера.
Азотный лазер в силу простоты конструкции как нельзя лучше подходит для самостоятельного изготовления. Обычный азотный лазер можно реализовать простым способом, используя подручные средства. N2-лазер генерирует в области ближнего ультрафиолета на волне 337 нм, а малая длительность импульсов (~1 нсек) позволяет проводить интересные эксперименты, к примеру, осуществить накачку лазера на красителе.
Азотный лазер с продольной накачкой
Более 90% всех конструкций азотного лазера высокого и низкого давления выполнено по схеме с поперечным возбуждением, поскольку такой способ возбуждения позволяет получить высокую мощность и энергию. Однако преимущество лазеров с продольным возбуждением- это более высокое качество луча. Разумеется, N2-лазер с продольным возбуждением должен работать при относительно низком давлении газа (несколько миллибар), если лазер работает при не очень высоком напряжении.
Конструкция
Здесь представлен небольшой азотный лазер с продольным возбуждением, который работает по схеме LC-инверсии. Так достигается компактность конструкции и ее низкая индуктивность. Между тремя дюралевыми пластинами сверху расположены два керамических конденсатора емкостью 920 пФ на напряжение 40 кВ. В центре располагается лазерная трубка-капилляр длиной 100 мм, выполненная из кварцевого стекла с внутренним диаметром 2 мм. К внешним дюралевым пластинам закрепляются электроды, служащие одновременно держателями зеркал и штуцерами для подводки газа. В нижней части конструкции слева между пластинами расположен зарядный дроссель, а справа- неуправляемый искровой разрядник. Поверхность корпуса искрового разрядника, выполненного из оргстекла, имеет нарезанные канавки для предотвращения поверхностных разрядов. Вся конструкция закрепляется винтами пластине из оргстекла.
Работа лазера
Для пробного запуска трубка лазера откачивалась до давления 15 мбар. Рабочий газ-обычный воздух. Лазер подключался к регулируемому источнику высокого напряжения (0...30 кВ, 1 мА). Этот блок питания выдавал импульсы зарядки с частотой примерно 5 Гц. Была получена лазерная генерация на воздухе в области давлений 3 ÷20 мбар без прокачки газа через трубку. При работе с прокачкой газа область рабочего давления газа гораздо ниже (0,5÷3 мбар), что обусловлено высоким градиентом давления газа в трубке лазера. Порог лазерной генерации достигается при напряжении 16 кВ (при давление газа 15 мбар). Как видно из фото (15 мбар, 25 кВ), выходной луч хорошего качества имеет круглую форму, что и следовало ожидать, в отличии от пучка азотного лазера высокого давления, имеющего очертание размытого овала.
Азотный лазер с высоким качеством луча
Небольшое отступление: когда речь идет об азотных лазерах, говорят не о высоком качестве луча, а о простоте конструкции и мощности излучения. Вследствие высокого усиления азотный лазер часто работает в режиме ,,сверхизлучения,, т.е. в нем отсутствуют зеркала резонатора, и генерация возникает на многих модах. В лазерах высокого давления (ТЕА-лазер) наличие зеркал не имеет особого смысла, т.к. очень малое время существования инверсии дает лишь несколько пробегов луча вдоль оси резонатора, и в нем не могут сформироваться устойчивые моды. В лазерах низкого давления при продольной накачке ситуация совсем другая. Низкое рабочее давление, незначительное усиление и большая длительность импульса оправдывают наличие резонатора.
Конструкция
Лазерная трубка: для лазера была использована трубка от длинного He-Ne лазера. В трубке был спилен вакуумный штуцер, а на его место был приклеен латунный штуцер для откачки газа из трубки. Дополнительно было просверлено в трубке еще одно отверстие, к которому также был приклеен небольшой латунный ниппель для подачи газа. Затем было снято с трубки 100% зеркало, а вместо него укреплено алюминиевое зеркало. Выходное вогнутое зеркало остается на прежнем месте и может быть в дальнейшем использовано.
Накачка: лазерная генерация возбуждается током разряда конденсатора. Конденсатор емкостью 820 пФ, заряженный до напряжения 20 кВ, разряжается посредством неуправляемого искрового разрядника через трубку лазера. Индуктивность проводки не имеет значения, и ее можно выполнить стандартным высоковольтным проводом. Пикинг-конденсатор, подключенный параллельно лазерной трубке не дает приращения мощности излучения, более того, он может ее ослабить.
Блок питания: источником высокого напряжения служит модифицированный блок питания компьютера.
Почти все компьютерные блоки питания имеют одинаковую схему. Транзисторный полумост через конденсатор разгоняет силовой понижающий трансформатор. Для защиты схемы в контур вводится также датчик тока. Так вот параллельно силовому трансформатору компьютера подключается первичная обмотка трансформатора строчной развертки телевизора. Величина емкости конденсатора связи определяет ток, проходящий через обмотку ,,строчника,, Вторичная обмотка ,,строчника,, как обычно подключается к умножителю напряжения для достижения требуемого уровня высокого напряжения.
Остальная часть компьютерного блока питания остается без изменений, и даже можно демонтировать с платы элементы, отвечающие за выдачу напряжения 12 В и 5 В. Можно использовать 12 В для питания второго вентилятора.
Использование компьютерного блока питания упрощает конструкцию лазера. На фото справа спереди показана плата блока питания, слева от нее-строчный трансформатор и умножитель напряжения. Далее расположены искровой разрядник и красный керамический конденсатор (820 пФ). На заднем плане- переделанная трубка от He-Ne лазера. Синяя трубка служит вакуумным шлангом откачки, тогда как длинная трубка-капилляр из тефлона служит для подачи свежего газа в трубку. Большая длина трубки-капилляра препятствует высоковольтному пробою через трубку на заземленный дроссель подачи газа.
Работа лазера: после откачки трубки лазера и подачи высокого напряжения сразу возникла лазерная генерация на волне 337 нм.
Лазер работает в области давлений 0,1÷1 мбар и имеет максимум мощности луча при давлении 0,3 мбар. Разумеется, давление измерялось со стороны вакуумного штуцера и из-за низкой газопроводности капилляра лазерной трубки не соответствует истинному значению давления газа в трубке лазера, которое, пожалуй, на порядок выше. В качестве рабочего газа применялся воздух, и 20% кислорода в воздухе, по всей видимости, не имеют значения, поскольку работа лазера на чистом азоте не показала существенных различий.
Импульс на волне 337 нм регистрировался цифровым осциллографом через фотоэлемент типа RCA 922. При рабочем напряжении фотоэлемента 500 В на нагрузку 50 Ом измерительная цепочка дала хорошую временную развертку лазерного импульса.
 Ширина лазерного импульса составила около 10 нсек, что сравнительно много для азотного лазера. К сожалению, некалиброванный фотоэлемент не позволяет измерить мощность излучения. Хотя на фотокатод типа S1 существуют паспортные характеристики, однако нет данных о параметрах стекла колбы фотоэлемента и величины поглощения в нем энергии на волне 337 нм. Для калориметрических методов измерения мощности мощность азотного лазера слишком мала, тепловой датчик ее просто не зафиксирует.
Однако для некоторых приложений важна не мощность лазера, а качество его луча, которое достаточно хорошее для изложенного выше лазера.
 Примерно на расстоянии в 2 м голубая флуоресцентная точка луча лазера имеет диаметр 2 мм, что соответствует расходимости луча ~2 мрад, т.е. почти также как в первых моделях He-Ne лазера. Конечно, типичную для лазерной точки зернистость здесь не увидишь, что свидетельствует, пожалуй, о низкой временной когерентности.
Лазерная генерация возможна лишь при наличии отрегулированных зеркал резонатора, т.е. этот лазер не работает в режиме ,,сверхизлучения,, Если выходное зеркало зафиксировано на трубке клеем, то положение алюминиевого 100% зеркала можно несколько изменять. После проведения предварительной юстировки лучом He-Ne лазера положение зеркала подстраивается на максимальную мощность и качество луча.
Азотный лазер с питанием от генератора Маркса
 Для экспериментальных и демонстрационных целей был изготовлен высоковольтный азотный лазер. Высокое напряжение в этом случае находится в пределах 100÷150 кВ. Импульсы такого напряжения генерируются пятиступенчатым генератором Маркса. Генератор и сам лазер имеют компактную и низкоиндуктивную конструкцию, что позволяет получить быстрые и сильноточные импульсы. В нижней плоскости находятся накопительные конденсаторы (2,7 нФ, 40 кВ), между которыми подключены резисторы сопротивлением 33 кОм. Над конденсаторами расположены искровые разрядники, выполненные из гаек типа ,,колпак,, Сверху закрепляется лазерная трубка с электродами, которые служат также держателями окон. Параллельно лазерной трубке подключен пикинг-конденсатор, состоящий из пяти отдельных конденсаторов (570 пФ, 40 кВ). Все соединения выполнены из дюралевой пластины толщиной 1,5 мм.
Конструкция лазера и пробный запуск
На фото слева показана конкретная конструкция лазера, а на фото справа- пробный запуск лазера на воздухе. К сожалению, яркий свет искровых разрядников смазывает изображение пятна лазерной точки. Лазер работает с алюминиевым зеркалом и окном Брюстера. Внутренний диаметр лазерной трубки = 2 мм, а ее длина = 260 мм. Давление азота в лазерной трубке = 20 мбар. Первый искровой разрядник выставлен на напряжение пробоя 25 кВ, таким образом, общее напряжение составляет около 125 кВ. К сожалению, генератор Маркса вследствие открытой конструкции дает сильные помехи, что делает невозможным проведение электрических измерений.
 Как и ожидалось, профиль луча очень чист, что подтверждается пятнами от прожига засвеченной фотопленки, полученные фокусировкой луча линзой с фокусом 50 мм.
Работа неонового лазера
Изложенная выше конструкция лазера подходит и для возбуждения лазерной генерации в неоне на волне 614 нм. Разумеется, условия работы будут явно другими, чем в азотном лазере. В противоположность азоту точка, несмотря на работу в режиме ,,сверхизлучения,, имеет типичную для лазеров зернистость (спеклы).
 Лазерная генерация была достигнута в области давлений 0,2÷0,6 мбар. Однако здесь возможны существенные погрешности измерений, т.к. манометр был откалиброван по воздуху, а теплопроводность воздуха в два раза ниже, чем у неона. Интересным эффектом является крайняя асимметрия лазера. Видимое лазерное излучение возникает лишь у анодного конца лазерной трубки, хотя она имеет одинаковую конструкцию выходных окон. Возможным объяснением было бы возникновение в неоне бегущей волны возбуждения, т.е. газовый разряд ,,путешествует,, от катода к аноду, а значит и инверсия в газе в виду крайне малого времени инверсии дает зависимое от направления усиление.
|
