Изучаем азотные лазеры — часть 2. Лазеры продольного разряда
В прошлой части мы рассмотрели примеры самодельных и заводских конструкций азотных лазеров с поперечным разрядом, и именно эта топология стала наиболее популярной для повторения самодельщиками. И вот какие её достоинства:
1. Простота. Как сказано выше, во многих случаях вполне применима даже конструкция самодельного простейшего азотного лазера работающего на атмосферном воздухе, даже при вполне серьезной научной работе в лаборатории.
2. Достаточно серьезная выходная энергия импульса — десятки миллиджоулей у крупных установок.
3. Очень малая длительность импульса, в ряде случаев составляющая сотни пикосекунд.
4. Сочетание предыдущих двух факторов позволяет достигнуть огромных импульсных мощностей — десятки-сотни мегаватт.
Но эта топология не лишена некоторых недостатков. Каких именно и к чему привело их устранение? Читайте дальше.
В прошлой части я привел примеры коммерчески выпускаемых азотных лазеров на Западе. А вот в бывшем СССР «конструкторская школа» была кардинально другой.
Если в азотном лазере постепенно снижать давление и увеличивать расстояние между электродами, то постепенно можно прийти к… лазеру продольного разряда. Когда и электрический разряд в газе, и излучение полностью соосны. В этом случае разряд горит в тонкой стеклянной трубке, примерно как в гелий-неоновом лазере. При более низком давлении азота коэффициент усиления среды ниже, длительность импульса приближается к максимально возможной (нормальное значение — 10–20 наносекунд), а требования к питанию ещё сильнее снижаются.
Лазеры продольного разряда обладают преимуществами, перекрывающими недостатки лазеров поперечного разряда:
1. Высокое качество пучка, так как разряд горит в круглой трубке, и лазер работает обычно с простейшим резонатором из алюминированного глухого зеркала и выходного в виде плоскопараллельной стеклянной пластинки. Пучок, соответственно, тоже круглый более равномерной интенсивности по сечению.
2. Возможность работы при больших частотах повторения импульсов (до нескольких тысяч Гц).
3. Сравнительно высокая средняя мощность излучения, в отдельных случаях достигающая сотен мВт.
4. Высокая стабильность мощности излучения
Способ возбуждения разряда малой длительности тоже кардинально другой — он обычно возбуждается с помощью высоковольтного импульсного трансформатора. Трансформатор намотан на стопке ферритовых колец высоковольтным коаксиальным кабелем. Наружная оплетка кабеля разрезана на куски так, чтобы, проходя через дырку в кольце, эти куски оплетки образовывали один или 2–3 витка и концы этих кусков оплетки соединяются параллельно. А центральная жила кабеля, по которой равномерно распределены куски оплетки, намотана на стопку колец непрерывно, образуя 10–15 витков. Таким образом, изменяя способ разрезания оплетки, можно гибко подобрать выходное напряжение, при этом принципиальных ограничений в достижимом выходном напряжении нет. Такой трансформатор может иметь любой коэффициент трансформации, в то время как генератор Блюмляйна может только удваивать напряжение.
Все же, лазеры продольного разряда тоже не лишены недостатков, помимо того, что нужен оптический резонатор и вакуум. Именно ими обусловлена очень малая их распространенность, кроме стран бывшего СССР, где они заняли свою нишу применения, и в которой приходилось с этими недостатками мириться. Основной сферой применения этих лазеров было технологическое оборудование микроэлектронной промышленности, где требовалось высокое качество пучка и возможность его очень тонкой фокусировки при сравнительно большой (для некоторых моделей) средней мощности.
Лазеру продольного разряда также характерны:
1. Малая энергия отдельного импульса.
2. Низкое давление газа в трубке требует изготовления стеклянных отпаянных трубок, что является довольно трудоемкой стеклодувной работой.
3. Ограниченный срок службы отпаянных трубок из-за постепенного загрязнения азота продуктами распыления электродов.
Теперь же посмотрим на наиболее известный и распространенный лазер производства СССР — ЛГИ-21, он же ЛГИ-503. И это самый первый мой лазер, с которого я и начал свое увлечение лазерами. Достался он мне ещё в студенческие времена, во время списания приборов из одной из лабораторий. Как и всякий лазер, он состоит из излучателя и блока питания. Заявленная мощность лазера — 3 мВт при частоте повторения импульсов до 100 Гц, что, в общем-то, совсем немного.
Внутри излучателя находится стеклянная трубка коаксиальной конструкции. В центре тонкая трубка, в которой горит разряд, а снаружи балластный объем, вмещающий некоторое количество азота.
Блок питания устроен внутри довольно просто. В правом верхнем углу размещен высоковольтный импульсный трансформатор, чуть левее — накопительные конденсаторы, которые разряжаются тиратроном на его первичную обмотку, в центре — импульсный тиратрон ТГИ2–130\10, слева — силовой высоковольтный трансформатор с удвоителем напряжения. В правом нижнем углу находится генератор на двух лампах для управления тиратроном.
Это именно тот лазер, который я первым учился ремонтировать, настраивать, тщательно изучал его устройство.
Сейчас же я расскажу, как мне удалось впервые восстановить работоспособность отпаянной лазерной трубки, которая стояла в лазере ЛГИ-503, что происходило довольно давно, в самом начале моего увлечения лазерной техникой.
После тщательной юстировки зеркал при включении лазер давал весьма и весьма «вялый» луч.
Никакие ухищрения с источником питания и настройкой зеркал уже не помогали — все свидетельствовало о том, что газ из него «выдохся». Подумав, что хуже уже не будет, я отломил сосок на лазерной трубке и приклеил к нему кусочек стеклянной трубки. Внутрь я вставил кусок шланга от капельницы и соединил его с вакуумным насосом. В резинку была вставлена иголка с ещё одним шлангом от капельницы, на котором был зажим — получился импровизированный натекатель газа.
Потом я включил насос и дождался, пока он откачает трубку до предельного вакуума, потом чуть-чуть приоткрыл «натекатель» и включил источник питания. В трубке зажегся яркий и устойчивый разряд, а на выходе появился очень яркий (относительно того что было) луч!
При этом на «свежем воздухе» лазер смог выдавать генерацию без участия выходного зеркала резонатора, только её мощность конечно была ниже.
Особенно красиво под лучом люминесцирует пластинка из уранового стекла.
Как оказалось, комнатный воздух вполне работоспособен и в лазерах низкого давления с продольным разрядом. Подбором давления можно было найти максимум мощности излучения. Именно из-за того, что я теперь имел возможность много экспериментировать с серийным лазером, я и не стал заморачиваться с постройкой самодельного с поперечным разрядом. Тем более что тонкий луч аккуратного круглого сечения мне нравится намного больше. Таким образом, восстановление работоспособности азотной лазерной трубки — операция очень простая, её достаточно вскрыть, откачать заново и подобрать оптимальное давление. Интервал давлений, при котором есть генерация, сравнительно широк — от десятых долей до десятков миллиметров ртутного столба. Теперь, когда мне удалось впервые восстановить работоспособность лазерной трубки, я решил на этом хорошо заработать закрепить свой опыт и сделать следующие трубки снова отпаянными. Я собрал по университетским лабораториям ещё 3 нерабочих лазера и отвез к знакомому стеклодуву, который на место вскрытых штенгелей припаял новые штуцеры для откачки и наполнения.
Там же в стеклодувной мастерской эти трубки удалось откачать и заполнить уже чистым азотом, но что характерно — разницы в выходной мощности по сравнению с воздухом заметно не было. Яркость пятна люминесценции выглядит такой же, как и в случае с воздухом и откачке в домашних условиях.
Потом трубки были запаяны, а лазеры собраны и возвращены заказчикам. После этого добывать списанные комплектующие, а потом и новые лазеры стало намного легче — мне удалось достать две трубки от более мощного и гораздо более редкого азотного лазера ЛГИ-505, у которого мощность по разным источникам заявлена от 40 до 120 мВт. У него тоже трубка продольного разряда, но конструкция более «дубовая» — разряд горит в керамическом капилляре, который снаружи охлаждается водой, катод сделан в виде алюминиевого цилиндра большого диаметра, сбоку приварен отросток, в котором находятся накаливаемые спиралью таблетки какого-то вещества для регенерации азота, если давление газа в трубке по каким-то причинам снизится. Ещё бросаются в глаза массивные выходные окна Брюстера, сделанные из кварца. Фото трубки ниже. Вторая трубка находится в ещё родном запаянном пакете рядом.
Внутри излучателя трубка собрана совместно с цепями формирования наносекундных импульсов, состоящих из тиратрона, импульсного трансформатора (маленький бачок с маслом и изоляторами) и некоторых других деталей. Так как у меня есть только сами трубки, то фото излучателя взято из гугла.
А вот внешний источник питания мне таки достался вместе с трубками. Но он занимается только выработкой высокого напряжения для зарядки накопительных конденсаторов внутри излучателя и импульсов управления тиратроном.
Внутри он имеет довольно любопытную конструкцию — генератор высокого напряжения представляет собой старый советский импульсный источник питания на тиристорах с миниатюрным масляным трансформатором на выходе, который имеет рубашку водяного охлаждения.
Пользуясь схемами из прилагавшейся инструкции, я смог восстановить необходимую «силовую часть» излучателя и запустить ЛГИ-505. Схема по сути идентичная таковой для ЛГИ-21, только импульсный трансформатор, тиратрон более мощные, накопительный конденсатор — бОльшей емкости. Трансформатор — самодельный, намотан коаксиальным кабелем на 6 ферритовых колец размером 120×80*12. Оплетка на кабеле разрезана на 8 частей, все части соединены параллельно и образуют один виток первичной обмотки. Центральная жила кабеля образует 8 витков вторичной обмотки. Амплитуда импульса напряжения с трансформатора оценивается примерно в 70–80 кВ. Тиратрон был установлен ТГИ1–1000\25, что в принципе избыточно, но другого на тот момент не было. В качестве накопительного был использован один конденсатор к15–10 номиналом 4700 пФ 50 кВ.
Высокое напряжение и импульсы управления подаются из родного блока питания, показанном выше.
При первом же запуске с обоих концов трубки появилось сверхлюминесцентное излучение, превышающее по мощности лазер ЛГИ-21 с оптическим резонатором.
Добавление резонатора к этой лазерной трубке позволило существенно повысить мощность выхода.
Особенно зрелищно смотрится при участии уранового стекла в качестве мишени.
У этого лазера были все шансы стать полностью готовым моим изделием, даже был закончен наружный корпус.
Но тут началась постройка моего лазера на парах меди, и мне понадобился оттуда сначала тиратрон ТГИ1–1000\25, а потом и импульсный трансформатор для экспериментов. И эта конструкция была частично разобрана и отложена в дальний угол, дальнейшая судьба её оставалась неизвестной, до совсем недавнего момента. До тех пор, пока мне не захотелось сделать свою собственную трубку для азотного лазера.
Самостоятельно сделать азотный лазер продольного разряда уже гораздо хлопотнее, чем лазер поперечного разряда, так как нужна работа со стеклянными трубками и возня с вакуумом, нужен также простейший оптический резонатор из алюминированного глухого зеркала и плоскопараллельного прозрачного окна — выходного зеркала. Но даже в этом случае можно получить генерацию с помощью ставшего традиционным генератора Блюмляйна, собранного на нескольких керамических конденсаторах. Азотные лазеры продольного разряда у самодельщиков встречаются крайне редко, но они есть. Почему-то в основном у немцев. Ниже следуют примеры конструкций.
Лазер с сайта adrian-homelab.de
Миниатюрный продольный азотный лазер с сайта deralchemist.wordpress.com
И ещё один, по всей видимости, послуживший первоисточником для предыдущего, лазер Томаса Раппа с сайта pulslaser.de
Именно тонкий и круглый лазерный луч и есть тот главный аргумент в пользу лазера продольного разряда
Также в интернете встречаются примеры переделок испорченных гелий-неоновых лазеров в азотные — по сути задача сводится к постройке источника питания и вакуумной системы. Ну и нужно аккуратно при этом вскрыть трубку и приклеить к ней штуцер для откачки. Результат получается аналогичный, как и в случае полностью самодельной трубки.
И, наконец, моя собственная конструкция!
Этот лазер был собран на уже имевшейся электрической платформе, на которой собирался лазер ЛГИ-505 с некоторыми косметическими изменениями. Был сделан новый, более окультуренный импульсный трансформатор, с такими же параметрами как были.
Был установлен новый тиратрон, показавший свою несостоятельность в источнике питания лазера на парах меди, но зато прекрасно работающий здесь — ТГИ1–700\25, большой и стеклянный. Был добавлен второй конденсатор к15–10, повышающий общую энерговооруженность системы. Изменяя соединение конденсаторов можно подбирать подходящую «энергию накачки». В итоге экспериментальная платформа стала выглядеть так, совместно с той же трубкой ЛГИ505, на которой она и была испытана.
Затем вместо трубки ЛГИ-505 я установил свою собственную трубку.
Лазерная трубка состоит из отрезка стеклянного капилляра внутренним диаметром 3.5 мм и длиной примерно 25 см, на концы которого надеты и приклеены алюминиевые электроды. В каждом электроде есть штуцер, через один происходит откачка воздуха насосом, а через второй — воздух медленно натекает в трубку. В качестве натекателя себя превосходно показала игла от инсулинового шприца, которая вставлена в вакуумный шланг острием внутрь. На противоположной стороне каждого электрода есть патрубки, на которые надеты и также приклеены отрезки стеклянной трубки бОльшего диаметра, концы которых спилены под углом Брюстера. К ним приклеены кварцевые (как я думал) окна для вывода излучения. С одной стороны трубки установлено алюминиевое зеркало для увеличения мощности излучения.
Откачка трубки производится насосом 3НВР1Д. При натекании воздуха через инсулиновую иглу равновесное давление устанавливается порядка 10 мм рт. ст.
При включении лазер сразу же заработал. Однако проявилась полная неожиданность в том, что выходное окно совершенно не пропускало излучение, а лишь отражало его вниз, где частично поглощаясь в пирексовой трубке, уходило вниз. Левое же окно оказалось действительно кварцевым и нормально выпускало излучение, можно было легко наблюдать сверхлюминесценцию.
Вот что происходило со стороны непрозрачного для излучения окна.
Если перекрыть глухое зеркало, то справа внизу свечение ослаблялось.
Пришлось заменить правое окно, на этот раз на правильное. После этого выходная мощность превысила таковую у ЛГИ-21 и приблизилась к мощности ЛГИ505, работавшего в беззеркальном режиме.
Таким образом, самодельный азотный лазер продольного разряда, работающий на воздухе, полностью удался! А так как трубка работает в проточном режиме, то это значит, что она может работать и на других газах, кроме азота и воздуха. Но это уже совсем другая история и непаханое поле для экспериментов. Это мой первый полностью самодельный лазер, где и активный элемент (газоразрядная трубка) и система накачки самодельные.
Так что, если кому-то хочется войти в мир лазеров и сопутствующих им дисциплин — то можно смело начинать с постройки азотного лазера. Можно выбрать лазер поперечного разряда как наиболее простой, или лазер продольного разряда, если есть вакуумный насос и запас деталей для сборки трансформаторной системы накачки. Но, так или иначе, это намного увлекательнее, чем «подключить лазерный диод к готовому драйверу и сделать лазерную указку», так как вовлеченность в процесс понимания принципов работы лазера как такового намного глубже, а это дает бесценные опыт и знания.
