Азотный ТЕА-лазер

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

Азотный ТЕА-лазер. Вариант 1.

Азотный лазер со встроенным блоком питания. Для работы потребуется азот под давлением 1÷3 Бар. Поперечный разряд в азоте осуществляется короткими импульсами, генерируемыми схемой Блюмляйна и неуправляемым искровым разрядником. Рабочее давление воздуха в искровом разряднике определяет его напряжение пробоя (10÷20 кВ), а значит мощность и энергию лазерного луча. Регулятор подачи газа в разрядный промежуток позволяет подобрать оптимальное значение давления в соответствии с установленной частотой следования импульсов. Частота импульсов определяется зарядным током высоковольтного блока питания, работающим на частоте 20 кГц.

Гибкие ленты-проводники из медной фольги и полиамидная (каптон) пленка между ними в качестве изоляции свернуты в рулон для обеспечения компактного дизайна. Блюмляйн, разрядная камера, искровой разрядник и газовая подводка заключены в корпус из оргстекла. Предыонизация, требуемая для работы при атмосферном давлении, осуществляется УФ-излучением поверхностного разряда.

Пятна прожига, полученные фокусировкой луча на фотопленку.

Высокое напряжение для лазера берется от сетевого блока питания.

Генератор пилообразного напряжения вместе с компаратором выдает импульсы частотой 20 кГц, которые после дальнейшего усиления управляют работой силового транзистора. Возникающие в цепи коллектора транзистора высоковольтные прямоугольные импульсы частотой 20 кГц повышаются до более высокого напряжения трансформатором (строчный трансформатор) и каскадно выпрямляются. Далее высокое напряжение через цепочку транзисторов заряжает полосковую линию конденсаторов.

Изготовленный лазер хорошо подходит для накачки лазера на красителе.

Азотный ТЕА-лазер. Вариант 2

Этот небольшой азотный лазер высокого давления работает при поперечном возбуждении. Герметичный ящик из оргстекла позволяет работать без газовой камеры. Рабочий газ (азот) накачивается в разрядный промежуток через радиальную воздуходувку. Разряд возбуждается Блюмляйн-схемой выполненной на полосковых линиях с изоляцией из пленки каптон и дюралевых электродах толщиной 2 мм. Импульсная зарядка полосковой линии осуществляется разрядом конденсатора емкостью 50 мкФ на импульсный высоковольтный конденсатор (автомобильная катушка зажигания).

Коммутация конденсаторов Блюмляйн- линии происходит через управляемый искровой разрядник, работающий под повышенным давлением. Рабочее давление газа в искровом разряднике порядка 1...2 Бар создается портативным компрессором и контролируется небольшим манометром. Зарядка полосковой линии и последующее срабатывание искрового разрядника управляется регулируемым импульсным генератором (частота импульсов в пределах 0,1÷10 Гц).

Схема блока питания лазера – на рисунке ниже.

Параметры лазера

Длина волны 337 нм
Длительность импульса < 1 нсек
Импульсная мощность > 50 кВт
Энергия импульса > 50 мкДж
Средняя мощность ~ 1 мВт
Частота импульсов 0,1÷10 Гц

Как видно из фото мощности лазера вполне хватает для накачки лазера на красителе. В этом случае лазер на красителе состоит из одной лишь кюветы с раствором красителя, на которую линзой фокусируется луч азотного лазера. Кювета наполнена раствором Родамина В в метаноле при концентрации красителя 10-3 моль. При использовании других красителей, например, флуоресцеин, кумарин, можно получить лазерную генерацию почти на любой длине волны.

Азотный ТЕА-лазер. Вариант 3.

Еще меньше азотный лазер, работающий при давлении азота 1 Бар. Возбуждение разряда происходит между дюралевыми электродами длиной лишь в 5 см посредством Блюмляйн-схемы на полосковых линиях с изоляцией из пленки каптон. Лазер работает при частоте лазерных импульсов 50 Гц, что требует быстрой прокачки азота через разрядный промежуток. Это осуществляет миниатюрный канал продувки. Импульсная зарядка Блюмляйн-линий позволяет работать искровому разряднику при повышенном напряжении пробоя, несмотря на давление в разряднике лишь 1 Бар.

На фото со стороны выходного окна показана закрытая лазерная камера, выполненная из оргстекла. Электронный блок питания, вырабатывающий импульсное напряжение для безопасности обслуживания помещен внутрь лазерной камеры.

На фото показана работа лазера. Четко виден фиолетовый разряд в атмосфере азота между электродами лазера. Рядом расположена обычная автомобильная катушка зажигания, вырабатывающая импульсы высокого напряжения 20÷30 кВ.

Фото демонстрирует возбуждение лазерной генерации в растворе красителя. Невидимый луч азотного лазера порождает видимое излучение лазера на красителе.

Блок питания лазера имеет простую схему.

Положительная волна сетевого напряжения частотой 50 Гц заряжает конденсатор емкостью 16 мкФ примерно до 300 В. Отрицательная полуволна сетевого напряжения открывает симистор, через который конденсатор разряжается на первичную обмотку катушки зажигания. Возникающий на высоковольтном конце катушки зажигания импульс напряжения заряжает конденсаторы Блюмляйн-линии. При достижении на искровом разряднике напряжения пробоя происходит запуск колебательных процессов в Блюмляйн-линии и генерированию лазерного импульса.

Азотный ТЕА-лазер. Вариант 4.

Азотный лазер ТЕА-200

ВНИМАНИЕ ! Генерируемый невидимый лазерный луч имеет пиковую мощность более 200 кВт и энергию импульса 200 мкДж. Следует, по-крайней мере, избегать облучения поверхности кожи и, прежде всего, попадания лазерного луча в глаза. Используемое в приборе напряжение 30 кВ смертельно опасно, а конденсаторы способны долго сохранять заряд даже после выключения прибора из сети.

Введение

Азотный ТЕА-лазер, генерирующий луч в области ближнего ультрафиолета на волне 337 нм, работает на электронном переходе в молекуле азота. Электронные свойства этого перехода позволяют работать лазеру лишь в режиме коротких импульсов, длительность которых в зависимости от давления газа находится в пределах 0,5÷20 нсек. Высокое давление газа при работе по ТЕА-принципу позволяет генерировать относительно высокую энергию в небольшом объеме газа, достигается очень высокое усиление в активной среде, и отпадает необходимость в вакуумной герметизации лазерной камеры и применении вакуумного насоса. Высокое усиление возбужденного азота позволяет применять резонатор с большим энерговыходом лазерного луча, качество которого, разумеется, будет незначительным.

Принцип действия

Электрика. Возбуждаемый объемный разряд высокого давления, происходит между двумя плоскими дюралевыми электродами длиной ~12 см (поперечный разряд). Для достижения крайне быстрого импульса высокого напряжения накопительные конденсаторы изготавливаются в виде полосковых линий (схема Блюмляйна).

Коммутация напряжения осуществляется управляемым искровым разрядником, работающим при повышенном давлении. Источником высокого напряжения служит обычный регулируемый высоковольтный блок питания (15 кВ), подключаемый к бытовой розетке. Зарядка полосковых линий происходит через зарядный дроссель, который одновременно удваивает напряжение питания. Управление работой искрового разрядника осуществляет высоковольтный импульс от запускающего трансформатора, который управляется электронной схемой на тиристоре. Тиристор включается либо импульсами от мультивибратора (например, микросхема N555), либо импульсом от внешнего устройства.

Газовая подводка. Азот под давлением 5 Бар через регулируемый газовый дроссель накапливается в искровом разряднике, а затем перетекает через регулятор газового потока и газовый расходомер в лазерную камеру. Байпасный вентиль позволяет осуществить продувку камеры газом. Для достижения высокой частоты лазерных импульсов следует позаботиться о быстрой прокачке азота через лазерную камеру, что обеспечивается электрической воздуходувкой. Излишний газ в лазерной камере удаляется через вентиль высокого давления, так что в камере поддерживается давление 1 Бар.

Оптика. Лазерный резонатор состоит из 100% алюминиевого зеркала и кварцевой пластинки в качестве выходного зеркала.

Инструкция по эксплуатации

1 Манометр давления газа в искровом разряднике
2 Ограничитель давления газа в искровом разряднике
3 Газовый расходомер
4 Регулятор потока газа
5 Байпасный вентиль
6 Штуцер подачи азота
7 Клемма заземления
8 Предохранители 2 х 3 А
9 Вилка подключения прибора к бытовой электросети
10 Замок-включатель подачи напряжения к прибору
11 Индикатор включения прибора (зеленый светодиод)
12 Индикатор включения высокого напряжения (красный светодиод)
13 Кнопка ,,высокое напряжение ВЫКЛ,,
14 Кнопка ,,высокое напряжение ВКЛ,,
15 Регулятор высокого напряжения
16 Аналоговый вольтметр высокого напряжения
17 Регулятор воздуходувки
18 Регулятор частоты импульсов
19 Переключатель рода работы
20 Выход синхронизации
21 Вход запускающих импульсов

Подключение газа

Для работы лазера необходим азот с начальным давлением 5 Бар. Азот может иметь любую степень чистоты. Возможна работа лазера на сжатом воздухе (~80% азота) при сильно уменьшенной выходной мощности. Подключение азота осуществляется через газовый фитинг (6) фирмы Swagelock для шланга диаметром 6 мм.

Электрическая часть

Корпус лазера должен быть заземлен через клемму заземления (7).

Лазер подключается к электросети через вилку (9).

При соответствующем положении переключателя рода работы (19) лазер может работать с дистанционным управлением при подаче запускающих импульсов на вход (21). На выходе синхронизации единовременно с лазерным импульсом на внешнее устройство выдается запускающий импульс напряжения.

Порядок работы

После подачи азота к лазеру через фитинг (6), наличию заземления корпуса (7), подключения прибора к электрической сети (9), включения замка-включателя (10) загорается зеленый индикатор (11) готовности лазера.

Ограничителем давления газа в искровом разряднике (2) устанавливается давление ~2 Бар (1).

Регулятором потока газа (4) устанавливается расход газа ~40 л/ч (обратите внимание: поворот ручки по часовой стрелке- уменьшение потока газа, против часовой стрелке- увеличение потока газа). После длительного перерыва в работе лазера лазерная камера продувается азотом. С этой целью байпасный вентиль (5) несколько приоткрывается поворотом ручки по часовой стрелке, а затем вновь перекрывается.

Переключатель рода работы (19) устанавливается в требуемое положение.

Регулятор частоты импульсов (18) поворотом ручки против часовой стрелке устанавливается на минимальную частоту.

Нажатие на кнопку подачи высокого напряжения (14) включает высоковольтный блок питания.

Внимание ! Высокое напряжение включается только при положении регулятора высокого напряжения (15) на нулевом значении.

Готовность к работе высоковольтного блока питания показывает свечение красного индикаторного светодиода (12).

Регулятором высокого напряжения (15) устанавливается требуемое значение (16). Лазерный порог генерации достигается при напряжении ~15 кВ, а рабочее напряжение равно 20 кВ.

Требуемая частота лазерных импульсов устанавливается регулятором (18), а давление газа в искровом разряднике и/или уровень высокого напряжения выставляется по степени стабильности лазерного луча. Слишком высокое напряжение/слишком маленькое давление приводят к увеличению числа ложных срабатываний искрового разрядника, а слишком маленькое напряжение/слишком большое давление приводят к частому отсутствию лазерных импульсов.

Внимание ! Срок службы конденсаторов полосковой линии напрямую зависит от уровня рабочего напряжения и количества лазерных импульсов. Таким образом, следует повышать рабочее напряжение и частоту импульсов настолько, насколько это требуется. Ультрафиолетовый луч лазера детектируется небесно-голубым флуоресцентным свечением на белом листе писчей бумаги.

Внимание ! Следует ограничить время облучения частей тела и, прежде всего, глаз.

Работа лазера при дистанционном управлении

Лазер может работать при подачи внешних запускающих импульсов, подаваемых на вход (21). Импульс должен иметь амплитуду 10 В (мах 12 В) и длительность примерно 10 мксек (мах 500 мксек). Лазерный импульс генерируется по положительному фронту запускающего импульса. При этом возможна работа в режиме пачек импульсов, когда при повышенной частоте импульсов на небольшое время достигается уменьшение средней мощности излучения.
Регулятором воздуходувки (17) (число оборотов движка воздуходувки можно изменить лишь внешним модулем) можно установить оптимальный поток азота через лазерную камеру в зависимости от частоты импульсов.

Выключение лазера

Регулятор высокого напряжения (15) поворотом ручки переводится в нулевое положение. Нажатие на зеленую кнопку (13) отключает высоковольтный блок питания.

Характеристики лазера

Длина волны: Лазер излучает в ближней ультрафиолетовой области спектра на

волне 337 нм

Размер пучка: У выходного окна лазера ~ 5 х 2 мм

На расстоянии 50 см от лазера ~ 13 х 2 мм

Расходимость: Горизонтальная ~ 16 мрад

Вертикальная ~ 6 мрад

Средняя мощность: 10 Гц 22 кВ 1,8 мВт

78 Гц 22 кВ 14 мВт

200 Гц 20 кВ 25 мВт

Мощность измерена прибором Scientech Power Energy Meter 362

Длительность импульса: < 1 нсек

Импульсная мощность: 10 Гц 22 кВ 180 кВт

78 Гц 22 кВ 179,5 кВт

200 Гц 20 кВ 125 кВт

Частота импульсов: диапазон 1 0,7 ÷ 10 Гц

диапазон 2 6 ÷ 78 Гц

диапазон 3 37 ÷ 507 Гц (частота < 200 Гц ограничена скоростью прокачки азота )

диапазон 4 0 ÷ 500 Гц (частота < 200 Гц ограничена скоростью прокачки азота )

Выходной сигнал синхронизации: амплитуда - 12 В

длительность (внутренняя) - 35 мксек

длительность (внешняя) равна длительности запускающего импульса

задержка от фронта импульса сигнала до лазерного импульса - 3 мксек

Вход внешней синхронизации: амплитуда 8 ÷ 12 В (максимум 12 В)

длительность импульса 10 ÷ 500 мксек

задержка от фронта импульса сигнала до лазерного импульса - 3 мксек

Зависимость выходной мощности от времени работы лазера

Ряд пятен прожига, полученных фокусировкой линзой с f = 100 мм на засвеченной фотопленке (рабочее напряжение 20 кВ, частота импульсов 10 Гц).

Фото и принципиальные схемы лазера

Вид на лазер сверху при снятой крышке

1 Высоковольтный трансформатор
2 Зарядный дроссель
3 Высоковольтный конденсатор
4 Сетевой фильтр
5 Регулятор высокого напряжения
6 Сетевой трансформатор
7 Реле
8 Блок питания схемы запуска
9 Плата схемы запуска
10 Разъем заземления провода высоковольтной части
11 Резисторы цепи питания воздуходувки
12 Двигатель воздуходувки
13 100%-зеркало
14 Подводка азота к лазерному каналу
15 Штуцера искрового разрядника для подачи/отсоса азота
16 Контакт общего провода (масса)
17 Контакт провода запуска
18 Контакт провода высокого напряжения
19 Выходная апертура лазера

На фото можно увидеть бледно-фиолетовое свечение разряда между электродами лазера. Также хорошо виден коммутирующий дроссель (слева), трансформатор запуска и верхняя крышка-электрод искрового разрядника, в нижней части фото- элементы юстировки 100%-зеркала. После фотосъемки камера была экранирована самоклеящейся алюминиевой фольгой. Так можно в некоторой степени уменьшить сильные помехи со стороны разрядной камеры.
Также видна коричневая пленка фольги из каптона в качестве диэлектрика конденсатора полосковой линии. К сожалению, эта фольга тут и там пробивалась от высокого напряжения, и она в последствии была заменена на фольгированную гетинаксовую пластину. Работа искрового разрядника на высоких частотах импульсов (~100 Гц) также была проблематичной, и его конструкция многократно изменялась.

Общая схема блока питания лазера

Схема генератора запускающих импульсов ( триггер-генератор )

Схема газовой проводки

Новая лазерная камера

Поскольку с прежней камерой азотного ТЕА-лазера не удалось получить стабильную работу, была изготовлена новая камера. В качестве материала для накопительного конденсатора была выбрана пластина толщиной ~0,5 мм из двустороннего фольгированного гетинакса, вытравленная так, чтобы образовалась структура конденсатора. Края обкладок закруглены для уменьшения градиента напряжения и предотвращения пробоев. Работа лазера с прежней конструкцией искрового разрядника особенно при высоких частотах импульсов была нестабильной. В новой конструкции камера разрядника стала заметно больше, что связано с улучшением теплоотвода из зоны разряда. Запускающим электродом (триггер) служит обычная автомобильная свеча, герметично вставленная в разрядную камеру. Высоковольтный импульс запуска генерируется небольшим строчником (трансформатор строчной развертки телевизора). Вся конструкция стягивается между двумя пластинами из оргстекла толщиной 1,5 см с помощью нейлоновых винтов.

На фото показана камера при пробном запуске лазера. Порог лазерной генерации достигается при зарядном напряжении 12 кВ.

Были измерены следующие значения выходной мощности луча:

Частота Зарядное напряжение

13 кВ 15 кВ 17 кВ

13 Гц 1,3 мВт 2,4 мВт 3 мВт

32 Гц 4 мВт 5,6 мВт 6,6 мВт

64 Гц 8 мВт 9 мВт 12 мВт

Искровой разрядник работал при атмосферном давлении. Как видно из фото благодаря эффективной предыонизации объемный разряд получается весьма равномерным. Циркуляции азота, как это было в прежней камере нет, т.к. небольшой объем разрядного промежутка и небольшой расход газа обеспечивают быструю смену отработанного газа.