Лазер на воздухе. Вариант №1

На этой страничке я выложил свои творения по теме азотного лазера. Поскольку баллона с азотом у меня пока нет, все изложенные ниже конструкции лазеров работают на воздухе (как известно, воздух на 78% состоит из азота). Повторить конструкцию ТЕА-лазера, работающего при атмосферном давлении мне не удалось, и я решил сделать азотный лазер низкого давления. Свою первую конструкцию лазерной камеры я изготовил из пластин оргстекла по книге Т. Раппа "Эксперименты с самодельными лазерами". В качестве электродов лазера использовал пластины длиной 20 см, шириной 2,5 см и толщиной 1,2 мм, полученные распилкой дюралюминиевого уголка (достать готовые пластины нужной толщины, к сожалению, нет возможности). Углы электродов следует округлить напильником во избежание возникновения искрового разряда между электродами лазера. Электроды лазера вставлены (резаная кромка наружу) в лазерную камеру параллельно друг другу и зафиксированы на лазерной камере эпоксидной смолой. Расстояние между электродами равно 2 мм.

Схема лазерной камеры показана на рисунке ниже.

1 - Пластины из оргстекла, склеенные дихлорэтаном
2 - Дюралюминиевые пластины
3 - Выходное окно
4 - Зеркало
5 - Силиконовое кольцо ( внешний диаметр 20 мм, внутренний диметр 10 мм )
6 - Штуцер для подключения вакуумного насоса
7 - Зажимная гайка М5
8 - Прижимные винты М4

Лазерная камера склеивается из отдельных пластин оргстекла. Чем толще пластины, тем прочнее конструкция.  В моем распоряжении были пластины толщиной 3 мм. При этом пластины-прокладки, находящиеся на уровне лазерных электродов имеют толщину 2 мм. Торцевые пластины камеры изготовлены из пластин оргстекла размером 4,5 х 4,5 см и толщиной 4 мм ( чем толще будут эти пластины, тем лучше). В торцевых пластинах высверливаются три отверстия под винт М4 так, чтобы полученные отверстия находились по углам равностороннего треугольника. В центральной части торцевых пластин вырезается отверстие, размер которого соответствует внутреннему отверстию лазерной камеры. Затем торцевые пластины приклеиваются к лазерной камере дихлорэтаном. Вид на лазерную камеру с торца выходного окна показан на рисунке ниже.

Для откачки лазерной камеры с верхней стороны в ней просверливается отверстие сверлом М4,2. В отверстии нарезается резьба М5. Камера откачивается через штуцер, изготовленный из медной трубки диаметром  ~ 5 мм, купленной в автомагазине. С одного конца на медной трубке нарезается резьба М5. На медную трубку накручивается зажимная гайка, резьба промазывается эпоксидной смолой, и медная трубка вкручивается в лазерную камеру. Зажимная гайка дополнительно фиксирует медную трубку в лазерной камере.
По торцам лазерная камера через силиконовое кольцо герметизируется с одной стороны выходным окном, в качестве которого используется тонкая стеклянная пластинка ( предметное стекло для микроскопа), а с другой стороны - зеркалом, в качестве которого использован отполированный до блеска диск диаметром 2 см, выпиленный из дюралюминиевой полоски толщиной 2 мм. Окно и зеркало прижимаются к лазерной трубке через прижимные пластины, изготовленные также из оргстекла, с помощью трех винтов М4. Тонкая стеклянная пластинка выходного окна герметизируется в прижимной пластине силиконовым герметиком.
Если лазер будет работать в режиме ,,сверхизлучения,, то проводить юстировку выходного окна и зеркала не обязательно, но желательно, ибо это увеличит выходную мощность лазерного луча. Как самому настроить лазерный резонатор изложено в книге Т. Раппа "Эксперименты с самодельными лазерами"

Подкручивая винты, зеркало прижимается так, чтобы его плоскость была перпендикулярна оптической оси лазерной камеры. Проще всего, это сделать, глядя на зеркало через торец лазерной камеры со стороны выходного окна. В зеркале отражаются электроды, и надо найти такое положение зеркала, при котором отражение межэлектродного промежутка проходило бы точно по центру лазерной камеры. Так происходит грубая юстировка зеркала.
Лазерная трубка подключается к высоковольтному блоку питания по схеме Блюмляйна (рисунок ниже).

Достать фольгированный гетинакс толщиной 0,5 мм я не смог, поэтому использовал стандартный односторонний фольгированный гетинакс 20 х 25 см толщиной 1,5 мм, купленный в ,,Чип и Дип,, Фольга на гетинаксе служит общей обкладкой для линии Блюмляйна. К общей обкладке крепится винтами дюралевый уголок, на который закрепляется гайка-колпак М6, служащая одним из электродов искрового разрядника. Диэлектриком для конденсаторов линии Блюмляйн служит полиэтиленовая пленка толщиной 200 мкм. Фольгированный гетинакс со стороны фольги обтягивается полиэтиленовой пленкой, которая крепится на гетинаксе с помощью липкой ленты типа ,,скотч,, Верхние обкладки конденсаторов линии Блюмляйна выполнены из пищевой алюминиевой фольги и имеют размеры 7 х 20 см. Полоски фольги следует сделать несколько шире для того, чтобы их можно было закрепить на электродах лазера, т.е. полоски фольги для верхних обкладок имеют размеры 9 х 20 см. Обе верхние обкладки симметрично размещаются поверх полиэтиленовой пленки и фиксируются на ней ,,скотчем,, Рядом с уголком-электродом общей обкладки поверх верхней обкладки конденсатора устанавливается второй уголок с закрепленной гайкой-колпак М6, которая служит вторым электродом искрового разрядника. Второй уголок никак не закрепляется на верхней обкладке и лишь фиксируется на ней каким-нибудь грузилом для того, чтобы можно было изменять расстояние между электродами искрового разрядника. Перед первым пуском лазера межэлектродное расстояние в искровом разряднике нужно сделать как можно меньшим ( во избежание пробоя полиэтиленовой пленки). Между верхними обкладками линии Блюляйна устанавливается лазерная камера, на электроды которой накладываются полоски фольги верхних обкладок. Фольга фиксируется на электродах лазера ,,скотчем,, Между верхними обкладками линии Блюляйна устанавливается также бескаркасная катушка из медного провода. Число витков, диаметр катушки и толщина провода не имеют принципиального значения. Обычно на оправу диаметром 10 мм наматывают 10 витков медного провода толщиной 1 мм и оставляют от полученной катушки небольшие ,,усики,, для крепления катушки.
Схема конструкции показана на рисунке ниже.

1 - Электроды искрового разрядника
2 - Алюминиевая фольга
3 - Фольгированный гетинакс (фольга сверху)
4 - Катушка медного провода
5 - Полиэтиленовая пленка

Можно попробовать запустить изготовленный лазер при атмосферном давлении. Но лазерной генерации, скорее всего, не будет. Думаю, это связано с отсутствием предионизации в лазерной камере. В таком случае потребуется форвакуумный насос. Лазерная камера через штуцер откачивается до давления 100÷200 мБар, и на линию Блюмляйна подается высоковольтное напряжение. Постепенно увеличивая межэлектродное расстояние в искровом разряднике, можно найти такое положение, при котором возникнет лазерная генерация. Генерацию можно увидеть, как бледноголубое пятно на листе белой бумаги, размещенной перед выходным окном лазерной камеры ( фото ниже).

До видеоролика, демонстрирующего работу изложенной выше конструкции, дело не дошло. Пытаясь выжать из лазера больше мощности, я увеличил межэлектродное расстояние искрового разрядника настолько, что произошел пробой полиэтиленовой пленки и потеря лазерной генерации. Восстанавливать линию Блюмляйна я не стал, а решил изготовить новую конструкцию с использованием самодельных конденсаторов емкостью 5÷10 нФ. Та же лазерная камера была подключена по схеме Блюмляйна с использованием новых самодельных конденсаторов. Однако лазерной генерации в новой схеме не было ни при каком межэлектродном расстоянии в искровом разряднике. В книге Т. Раппа "Эксперименты с самодельными лазерами" имеются и другие схемы питания азотных лазеров. Одна из схем, которая показала наилучшие результаты, приведена на рисунке ниже.

В ходе моих экспериментов было установлено, что простой двухэлектродный разрядник, работающий при атмосферном давлении воздуха, не всегда дает устойчивую лазерную генерацию. Когда в качестве коммутатора я поставил рельсовый разрядник, лазерная генерация стала более мощной и устойчивой. По схеме с рельсовым разрядником у меня без проблем работали азотные лазеры самой разной конструкции.

Лазер на воздухе. Вариант №2

Ниже на фото показан вариант конструкции азотного лазера с использованием сантехнической полипропиленовой трубки в качестве лазерной камеры. Электроды лазера - дюралюминиевые уголки. Герметизация электродов в трубке осуществляется с помощью силиконового герметика. Конденсаторы С1 и С2 – самодельные, изготовленные по «пакетной технологии» из полиэтиленовой пленки и пищевой алюминиевой фольги. Емкость С1 ~ 3 нФ , емкость С2 ~ 1 нФ.

Общий вид

Вид на катушку

Вид сбоку на накопительный конденсатор

Вид на рельсовый разрядник

Вид на лазерную трубку со стороны зеркала

Вид на лазерную трубку со стороны выходного окна

В разделе "Видеоролики" можно просмотреть работу этого лазера.

Лазер на воздухе. Вариант №3

Желая получить большую апертуру лазерного пучка, я изготовил экспериментальную разрядную камеру, которая позволяет легко и быстро менять как лазерные электроды, так и расстояние между ними. Кроме того, можно экспериментировать с конструкцией предионизатора. Схема блока питания лазера показана на рисунке ниже. В этой схеме отсутствует разрядная индуктивность ! Ее можно подключить, но чисто визуально параметры лазерного пучка от этого не изменятся.

Здесь С1 - емкость накопительного конденсатора  ~ 11,5 нФ
С2 - емкость пикинг-конденсатора  ~ 1нФ

Оба самодельных конденсатора изготовлены их полиэтиленовой пленки и алюминиевой фольги по «пакетной» технологии. Предионизатор представляет собой тонкий одножильный медный провод в ПВХ изоляции, подключенный двумя оголенными концами к одному из лазерных электродов внутри камеры. Провод предионизатора должен находится на небольшом расстоянии от противоположного электрода ( 2- 4 мм) несколько сбоку, чтобы он не находился на пути лазерного луча (фото ниже).

Вид на провод предионизатора через выходное окно лазерной камеры показан на фото ниже.

Думаю, конкретное значение диаметра провода значение не имеет ( я использовал проводок с внешним диаметром по изоляции ~ 1 мм).
Разрядная камера изготовлена из пластин оргстекла толщиной 4 мм в виде параллелепипеда с размерами сторон :
ширина – 4,5 см
высота – 7 см
длина – 28 см.

Разрядная камера и самодельные конденсаторы монтируются на пластине-основании из оргстекла толщиной 4 мм.
По торцам камеры прикручены сантехнические латунные втулки с внешней резьбой, что позволяет с одной стороны закрутить втулку в камеру, а с другой стороны – накрутить на нее гайку-фланец. Одна гайка-фланец служит для крепления выходного окна ( предметное стекло от микроскопа ), а другая гайка-фланец – для крепления 100% зеркала ( отполированная до зеркального блеска дюралюминиевая пластинка ).
Прежде, чем закрутить втулки в камеру, их резьба промазывается силиконовым герметиком для обеспечения вакуумной герметизации лазерной камеры.
Зеркало прижимается к гайке-фланцу через силиконовое кольцо (магазин «Сантехника») посредством стальной шайбы с внешним диаметром 4,5 см, трех винтов М4 и трех гаек типа «барашек» (фото ниже).

Тонкая стеклянная пластинка выходного окна фиксируется на стальной шайбе с внешним диаметром 4,5 см с помощью силиконового герметика. Внутреннее отверстие шайбы растачивается так, чтобы его диаметр соответствовал внутреннему диаметру латунной втулки ( ~ 2 см ). Шайба выходного окна прижимается к гайке-фланцу через силиконовое кольцо посредством стальной шайбы с внешним диаметром 4,5 см, трех винтов М4 и трех гаек типа «барашек». Для усиления конструкции к шайбе с выходным окном прикручена еще одна шайба (фото ниже).

Боковые поверхности разрядной камеры сделаны съемными с тем, чтобы можно было легко менять разрядные электроды. Боковые пластины разрядной камеры фиксируются на ней с помощью винтов М4 через прокладку, вырезанную из резиновой ленты шириной 7 см, купленной в магазине «Спорттовары». Прокладка герметизирует лазерную камеру, что позволяет создавать в камере вакуум. Для лучшей герметизации прокладка промазана тонким слоем силиконового герметика.
В качестве лазерных электродов можно использовать дюралюминиевые пластины с гладкой ровной кромкой. В моей конструкции длина лазерных электродов равна 20 см, а ширина 1,5 см. Угловые концы пластин со стороны разряда округляются напильником. В лазерных электродах проделываются пазы крепления, благодаря которым можно изменять расстояние между лазерными электродами (рисунок ниже).

Лазерные электроды крепятся внутри камеры винтами М3 к вспомогательным дюралевым пластинам, служащим для подключения лазерной камеры к внешней цепи питания лазера (рисунок ниже).

1 – Лазерные электроды
2 -  Вспомогательные пластины для подключения лазерной камеры к внешней цепи питания лазера
3 – Винты М3 крепления вспомогательных пластин к корпусу камеры
4 – Винты М3 крепления лазерных электродов
5 – Отверстия с резьбой М3 для крепления элементов внешней цепи питания лазера

Перед тем, как зафиксировать вспомогательные пластины на камере, их поверхность со стороны оргстекла промазывается силиконовым герметиком для обеспечения вакуумной герметизации лазерной камеры.
При толщине пластин ~ 1 мм и межэлектродном расстоянии = 7 мм наблюдается стабильная лазерная генерация на воздухе ( давление воздуха в камере в пределах 60 – 120 мБар ) без предионизации.
При толщине пластин = 2 мм и межэлектродном расстоянии = 7 мм стабильная лазерная генерация на воздухе ( давление воздуха в камере в пределах 60 – 120 мБар ) возможна при наличии предионизатора. При этом лазерный пучок становится шире и ярче.
На форму и яркость лазерного пучка влияет также юстировка лазерного резонатора, образованного зеркалом и выходным окном. На фото ниже показан лазерный пучок на белой бумаге при расстоянии от выходного окна ~ 90 см.

На фото ниже показан межэлектродный разряд в работающем лазере.

На фото ниже показан вид на конструкцию лазера сверху.

На фото ниже показан общий вид на конструкцию лазера.

Работу лазера можно увидеть в разделе «Видеоролики».