n2 лазер - импульсный, излучение лежит в

n2 лазер - импульсный, излучение лежит в ультрафиолетовом диапазоне, длительность
импульса от 5 до 10ns, мощность одного импульса может достигать 100KW. Рабочим
телом является воздух, либо азот под давлением от 100 до 200Torr, некоторые
модификации могут работать при атмосферном давлении. В идеальных условиях КПД
достигает 3%. Зеркала не требуются. К сожалению, излучение такого лазера почти не
возможно сфокусировать в маленькую точку, поэтому, не смотря на большую мощность,
лазер ничего прожечь не сможет. А вот ожог получить вполне можно, из-за вредного
воздействия UV излучения.
R1 ограничивает ток от блока питания, номинал резистора для работы лазера не важен
(резистор ставится только в целях безопасности).
Лазер состоит из 2 плоских конденсаторов с очень низкой индуктивностью. Одна
пластина (на рисунке не показана, так как находится под лазером) общая. На второй
пластине одного из конденсаторов находится искровой промежуток, который при
достижении максимального заряда пробивается на общую обкладку. Между вторыми
пластинами двух конденсаторов включена индуктивность в виде катушки с несколькими
витками, и 2 заточенных электрода - система накачки рабочего тела, то есть воздуха. На
обкладку конденсатора (тот, что с искровым промежутком) подается плюс высокого
напряжения - около 20KV. Общая обкладка заземляется, так же как и отрицательный
электрод высоковольтного генератора. Назовем условно конденсатор без искрового
промежутка C1, с искровиком - C2.
Для работы лазера необходимы очень короткие, но мощные импульсы тока. Для создания
таких импульсов и нужен тот самый плоский конденсатор с катушкой и искровым
промежутком. Работает лазер так. Высоковольтный источник питания заряжает
конденсаторы C1 и C2 (связь между ними осуществляется через катушку). После
достижения максимального заряда - около 20KV пробивается искровой промежуток и
замыкает C2 на землю. Следовательно, баланс нарушается, и напряжение C1 вынуждено
перейти в C2. Как известно, ток идет по пути наименьшего сопротивления, и этот путь
лежит через электроды накачки. По всей длине "лезвий" (вернее, разряд начинается в
центре, а потом распространяется к краям) возникает мощный разряд, (но длится он всего
несколько ns) который заставляет ионизироваться азот. За 10ns должно произойти
примерно следующее:
Для работы лазера необходимо создавать как можно более короткие импульсы ->
необходимо свести до минимума все паразитные индуктивности и сопротивления
Лазер питается от высокого напряжения -> необходимо устранять коронные утечки с
обкладок конденсатора
Влажность в помещении непостоянна -> необходимо делать настраиваемым искровой
промежуток
Электроды должны быть как можно более гладкими, и находится строго параллельно иначе между ними будет возникать простая искра
Электроды должны крепится на конденсаторы жестко, но таким образом, чтобы
расстояние между ними можно было менять.
Для того, чтобы построить UV лазер не требуются редкие, или дорогостоящие материалы.
Но может возникнуть проблемы с поиском PCB необходимого размера. Смотреть лучше
на радио рынках, так как в магазинах текстолит, тем более больших размеров продается
очень редко.
Как я уже говорил, для работы лазера необходимо делать конденсаторы с как можно более
низкой индуктивностью и возможно меньшим временем разряда. А такие характеристики
имеет только плоский конденсатор. Для "первого опыта" я не советую использовать
конденсаторы другой конструкции, или с другим типом диэлектрика. Так же не подходят
заводские конденсаторы, даже если они предназначены для использования в N2 лазерах они не подходят для данной модификации (еще бывают UV лазеры, где разряд
происходит в атмосфере чистого азота при низком давлении).
Итак, конденсатор сделан из PCB (фольгированный стеклотекстолит). Хочу обратить
внимание, что есть разновидность PCB, где вместо текстолита используется фторопласт.
Для наших напряжений - всего 20KV разница в диэлектрической прочности между
текстолитом и фторопластом несущественна, а вот фторопласт очень хрупкий, может дать
трещину, которая сведет на нет все преимущества. Поэтому фторопласт лучше не
использовать.
Необходимо купить лист PCB размером 30х40см и толщиной 0,04см, притом с
двухсторонним медным покрытием. Советую осмотреть плату на предмет наличия
механических повреждений - отслоений меди, трещин, отверстий и т.п. Далее карандашом
нарисуйте на PCB рамку, отступая от края ровно 2 см. Теперь наклейте полосы скотча,
чтобы получилось так: 2см меди с края - скотч - медь. Получилась рамка. Далее
необходимо приготовить концентрированный раствор хлорного железа. Для этих целей
удобно взять стеклянный химический стакан. Далее в стакан (он должен быть сухим!)
насыпается слой хлорного железа высотой примерно 2см. Теперь стакан необходимо
поставить в довольно большую емкость с холодной водой, чтобы обеспечить охлаждение
раствора (он может нагреваться до t более 50 градусов, и почему-то после такого
разогрева хуже растворяет медь). После того, как все готово, начинаем лить в стакан
холодную воду до тех пор, пока соотношение вода/хлорное железо не станет равно 2:1.
При таком соотношении раствор будет иметь почти черный цвет и очень быстро
растворять медь. Советую подождать минут пять, пока реакция с выделением тепла не
закончится, и вынуть стакан из емкости с водой для охлаждения. Далее нужно положить
будущий лазер на большой лист стекла, или плексигласа - испачкать стол и другие вещи
хлорным железом, которое почти не возможно смыть будет не приятно. Теперь с
помощью кисти наносим раствор на самый край платы, тот, что без скотча (который,
кстати нужен, чтобы не вытравить лишнее). Необходимо следить, чтобы хлорное железо
не попало на другие участки PCB. Примерно через 5 часов жидкость на плате высохнет,
но большая часть меди все еще будет на плате. Поэтому остатки раствора необходимо
смыть под струей воды, и нанести хлорное железо (кстати, стакан с раствором должен
стоять в темном месте) еще раз. Таким образом, раствор необходимо обновлять до
полного вытравливания меди. В итоге, должна получится рамка из текстолита шириной
около 2см. То же самое нужно сделать и с другой стороны платы. Рамка нужна для того,
чтобы конденсатор не пробивало по краям. Ну вот, получилось 2 обкладки из меди.
Теперь, начертите на одной из обкладок прямоугольник. Он должен располагаться точно
по центру, иметь ширину 5см и длину 30см. Получилось, что прямоугольник делит
обкладку конденсатора на две. Обклейте снаружи прямоугольник скотчем (само собой,
торцы можно не заклеивать, так как для этого просто нет места на плате :-) ) и вытравите
внутри медь указанным выше способом. В итоге всех проделанных действий должно
получится следующее. С одной стороны PCB медь имеет вид прямоугольника 26см на
36см (край платы без меди - рамка толщиной 2см). С другой стороны PCB поверхность,
заполненная медью - 2 прямоугольника по 15,5см на 26см каждый. Разделены между
собой 5см промежутком в центре и от края рамкой в 2см. Если не очень понятно - ниже
есть чертежи и фотографии. На самом деле - не все так просто и быстро, как кажется.
Например, у меня процесс изготовления конденсатора занял 3 недели. Но это детали.
Теперь лучше бы посмотреть на края меди - правильно, они острые и не ровные! Я думаю
- не стоит объяснять, какие коронные утечки будут с этих краев. Вывод - надо
изолировать. Но сначала края и текстолит рамок нужно обработать мелкой наждачной
бумагой. Потом обезжирить (к примеру, спиртом, или бензином) и покрыть эпоксидной
смолой. Хочу обратить внимание - не в коем случае нельзя покрывать изолятором край
меди рядом с промежутком!
Самая сложная часть работы завершена.
Во время травления меди почти не возможно не допустить попадания даже
незначительного количества хлорного железа на нужные участки меди. В этих местах
поверхность чуть вытравливается, и приобретает черный цвет. На работе лазера это никак
не отражается, но выглядит не красиво. Поэтому я зачистил всю поверхность меди мелкой
наждачной бумагой. Для более удобной транспортировки лазера конденсатор можно
поместить на лист плексигласа, или, что удобнее - изготовить корпус для блока питания, а
конденсатор будет крышкой. Так иногда делают в промышленных лазерах.
Искровой промежуток необходим для закорачивания одного из конденсаторов (С2) на
землю. Ничего сложного в искровике нет, так как сила тока не большая и проблемы с
охлаждением/выгоранием электродов нет. Так что никаких синхронных искровых
промежутков делать не надо! Вполне достаточно 2 медных проводов в держателе. Только
необходимо следить за величиной промежутка - не следует его делать более 3-4мм, ничего
кроме пробоя конденсатора не получится - прироста мощности не будет. Так же полезно
поместить искровик в какой-либо непрозрачный корпус - это уменьшит световой и
акустический шум.
Катушка индуктивности необходима для подачи напряжения на конденсатор C1.
Количество витков и диаметр провода не имеют значения, но я предпочитаю диаметр
0,8мм и 10 витков. Катушка бескаркасная. Выводы необходимо прикрепить к электродам
излучателя.
Излучатель устроен очень просто - это 2 металлических электрода, расположенных строго
параллельно на расстоянии 1,5мм. Я пробовал использовать медную шину, но с ней лазер
работал крайне не стабильно. В итоге остановился на обычных алюминиевых уголках,
которые очень дешевы и доступны. Сама поверхность электродов должна быть как можно
более ровной и гладкой, иначе будут возникать искры, а генерация когерентного
излучения отсутствует.
В первой версии лазера я использовал обыкновенный умножитель напряжения + NST на
15KV 30mA, и считал этот вариант наилучшим... До выхода из строя умножителя :-( .
Оказывается, что ток от трансформатора слишком большой, и происходит перегрев диода
внутри умножителя и последующий выход его из строя. Есть два решения этой проблемы
- собрать свой собственный умножитель из подходящих диодов и конденсаторов, или
использовать менее мощный блок питания, но при этом пожертвовать частотой импульсов
лазерного луча. Я выбрал второй вариант, так как диодам и конденсаторам нашел более
важное применение :-). Теперь у меня блок питания состоит из преобразователя на
строчнике + умножителя. Лазер дает примерно 1 импульс в секунду.
Так же я пробовал использовать в качестве БП импульсный преобразователь на 555
таймере + катушку зажигания. Это дало некоторое увеличение скорости разрядов, но
умножитель нагревается (следовательно, высока вероятность сгорания диодов), рисковать
и использовать длительное время такое сочетание я не решился. Еще UV лазер неплохо
работает от блока питания HeNe лазера ЛГ-72 (умножитель к нему подключать не нужно,
так как он встроенный), но частота импульсов уменьшается до 1 за 3-4 секунды.
1. Искровой промежуток работает, но лазер не дает луч
а) Вы просто не видите луч, так как он в UV диапазоне - попробуйте направить его на
раствор какого-либо красителя (флуоресцеин-натрий, родамин). Или просто на бумагу должна быть видна белая точка.
b) Плохой конденсатор - это можно определить простым образом - в правильно собранном
лазере пространство между электродами светится, и есть одна-две искры. Если видно
только искры - слишком большое время разряда. Нужно переделывать конденсатор. Так
же похожее явления наблюдается при плохом качестве электродов - попробуйте сменить
их, или отрегулируйте расстояние промежутка
2. Искровой промежуток не работает
a) Вы подали слишком большое напряжение и конденсатор пробит. Исправить можно
только заменой.
b) Установлено слишком большое расстояние в искровике - нужно уменьшить
c) Используется блок питания со слишком низким напряжением, или велики коронные
утечки на электродах, конденсаторе
d) Установлен резистор со слишком большим сопротивлением. Можно попробовать
уменьшить.
Лазер работает, дает луч. Но работает крайне не стабильно, расстояние между
электродами нужно настраивать буквально каждую минуту. Так же луч имеет малую
мощность, так как воздух достаточно сильно поглощает UV излучение. Проект завершен,
лазер будет переделываться. Скорее всего, я помещу электроды излучателя в камеру с
вакуумом, это даст большую мощность излучения, и расстояние между электродами не
будет столь важно. Разумеется, будет недостаток - лазер сможет работать только рядом с
вакуумным насосом. Но это компенсируется тем, что конденсатор можно делать из более
дешевых и доступных материалов, ведь время разряда можно так же немного увеличить
(вплоть до 17ns)
Раздел обновится, добавлю более подробную информацию и фотографии лазера.