Азотный лазер своими руками

Самодельный лазер

Азотный (N2) лазер дает короткие (несколько наносекунд) и очень мощные вспышки мощностью в импульсе до 100 kW света в близком к ультрафиолетовому диапазоне (331 nm). Несмотря на такие впечатляющие характеристики азотный лазер самый простейший по конструкции по следующим причинам

— Не нужна стеклянная колба или трубка. Ее можно склеить из оргстекла

— Он работает при относительно не высоком давлении – 100-200 Torr, а некоторые экземпляры могут работать даже при атмосферном.

— Не нужны зеркала. Можно поставить одно зеркало с одной из сторон трубки для удвоения силы, но это не обязательно. При чем зеркало может быть любое, лишь бы отражало свет.

— Нет особых требований к чистоте газа – можно использовать обычный азот купленный на заправочной станции, а большинство лазеров может работать даже на обычном воздухе.

В сравнении с другими видами лазеров, построенных дома это самый относительно безопасный тип. Не нужна работа со стеклом, зеркала, их настройка, глубокий вакуум. Однако его луч не отличается высоким качеством, таким как у гелий-неонового или углекислотного лазера. Ввиду этого луч данного вида лазера достаточно тяжело сфокусировать в одну точку. Несмотря на это он может быть использован в любых задачах, требующий интенсивного ультрафиолетового излучения.

Также этот лазер рекомендуется для самодельщиков как первый опыт постройки лазеров. Применять его можно например для раскачки лазеров на красителях, УФ спектроскопии, измерения флюоресценции, а также для изучения очень быстрых процессов – вспышка лазера как уже говорилось длится всего несколько наносекунд. Это не так гламурно как лазерные шоу или лазерная сварка, но согласитесь, это тоже очень важные его применения.

Азотный лазер был открыт Х Г Хердом, который опубликовал свое открытие в 1963 году. Первые лазеры выдавали всего несколько ватт, но последователи быстро научились оптимизировать их, и максимальная мощность полученная о него достигала 5 мегаватт.

Для того, чтобы сделать азотный лазер дома, вам понадобится кусок фольгированного стеклотекстолита, медная фольга, оргстекло, автомобильная катушка зажигания и немного доступных радиодеталей.

Для того чтобы лазер заработал, надо накачать туда азот, а затем понизить давление. Также есть сообщения о том, что такой лазер работает на обычном воздухе, и даже при атмосферном давлении. Но на это особо не надейтесь, запаситесь хотя бы вакуумным насосом.

Источник

Азотный лазер своими руками

Самодельный лазер

Азотный (N2) лазер дает короткие (несколько наносекунд) и очень мощные вспышки мощностью в импульсе до 100 kW света в близком к ультрафиолетовому диапазоне (331 nm). Несмотря на такие впечатляющие характеристики азотный лазер самый простейший по конструкции по следующим причинам

— Не нужна стеклянная колба или трубка. Ее можно склеить из оргстекла

— Он работает при относительно не высоком давлении – 100-200 Torr, а некоторые экземпляры могут работать даже при атмосферном.

— Не нужны зеркала. Можно поставить одно зеркало с одной из сторон трубки для удвоения силы, но это не обязательно. При чем зеркало может быть любое, лишь бы отражало свет.

— Нет особых требований к чистоте газа – можно использовать обычный азот купленный на заправочной станции, а большинство лазеров может работать даже на обычном воздухе.

В сравнении с другими видами лазеров, построенных дома это самый относительно безопасный тип. Не нужна работа со стеклом, зеркала, их настройка, глубокий вакуум. Однако его луч не отличается высоким качеством, таким как у гелий-неонового или углекислотного лазера. Ввиду этого луч данного вида лазера достаточно тяжело сфокусировать в одну точку. Несмотря на это он может быть использован в любых задачах, требующий интенсивного ультрафиолетового излучения.

Также этот лазер рекомендуется для самодельщиков как первый опыт постройки лазеров. Применять его можно например для раскачки лазеров на красителях, УФ спектроскопии, измерения флюоресценции, а также для изучения очень быстрых процессов – вспышка лазера как уже говорилось длится всего несколько наносекунд. Это не так гламурно как лазерные шоу или лазерная сварка, но согласитесь, это тоже очень важные его применения.

Азотный лазер был открыт Х Г Хердом, который опубликовал свое открытие в 1963 году. Первые лазеры выдавали всего несколько ватт, но последователи быстро научились оптимизировать их, и максимальная мощность полученная о него достигала 5 мегаватт.

Для того, чтобы сделать азотный лазер дома, вам понадобится кусок фольгированного стеклотекстолита, медная фольга, оргстекло, автомобильная катушка зажигания и немного доступных радиодеталей.

Для того чтобы лазер заработал, надо накачать туда азот, а затем понизить давление. Также есть сообщения о том, что такой лазер работает на обычном воздухе, и даже при атмосферном давлении. Но на это особо не надейтесь, запаситесь хотя бы вакуумным насосом.

Источник

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

Источник

Азотный лазер своими руками

Ура ! Мне удалось получить лазерную генерацию на воздухе при атмосферном давлении. Более того, я оформил экспериментальную конструкцию в готовый прибор, который можно подключать к бытовой розетке. Внешний вид лазера показан на фото ниже.

На фото ниже показано лазерное пятно на листе белой бумаги.

Для работы лазера не требуются баллон с азотом и вакуумный насос. Лазерная генерация осуществляется на азоте, входящим в состав атмосферного воздуха.
Конструкция лазерной камеры изготовлена из листового оргстекла, а в качестве электродов лазера использован дюралюминиевый профиль (уголок и пластина).
На фото ниже показана лазерная камера.

Под лазерной камерой расположен накопительный конденсатор. Сбоку от камеры виден самодельный рельсовый разрядник. Три гайки типа «барашек» прижимают верхнюю пластину камеры к лазерным электродам (для фиксации межэлектродного расстояния). Две гайки типа «барашек» сбоку от лазерной камеры служат для регулировки межэлектродного расстояния. При этом один из лазерных электродов в виде пластины жестко зафиксирован, а другой электрод в виде уголка может изменять свое горизонтальное положение благодаря боковым гайкам. По торцам лазерной камеры приклеены (лучший клей для оргстекла – дихлорэтан) пластины крепления зеркал резонатора. В качестве «глухого» зеркала использована отполированная до блеска дюралюминиевая пластинка. Выходное зеркало – пластинка предметного стекла от микроскопа. Как показали пробные запуски лазера, наличие выходного зеркала никак не сказывается на качестве и яркости лазерного пучка (по крайней мере, визуально), так что выходное зеркало можно не устанавливать и тем самым упростить конструкцию камеры.
На фото ниже показаны элементы крепления «глухого» зеркала лазера.
Зеркало прижимается к лазерной камере через резиновое кольцо.

На фото ниже показаны элементы крепления выходного зеркала лазера.

Самодельный рельсовый разрядник изготовлен из силиконовой трубки и монтажных металлических шайб размером 12 х 4 мм. Число шайб в разряднике зависит от напряжения блока питания и подбирается опытным путем. В моем разряднике 16 шайб. С целью уменьшения шумового эффекта от работы разрядника он помещен в полипропиленовую трубку, которая обмотана поролоном. Электроды разрядника (металлические шайбы) сжимаются прижимом, изготовленным из пластин оргстекла.
На фото ниже показан внешний вид разрядника.

На схеме ниже показан поперечный разрез электродов лазерной камеры без элементов крепления.

Все электроды лазера изготовлены из дюралюминиевого профиля толщиной 2 мм. Длина лазерных электродов равна 25 см. Электроды пикинг-кондесатора изготовлены из уголка с поперечным размером 40 х 20 мм. Важно, чтобы лазерные электроды прижимались к полиэтиленовой пленке через промежуточные электроды (ширина пластины = 15 мм), которые образуют предионизатор. Без предионизатора лазерной генерации не будет ! Расстояние между промежуточными электродами равно 10 мм.
Расстояние между лазерными электродами можно изменять в пределах 2 — 3 мм. Однако важно, чтобы не было перекосов, т.е. лазерные электроды должны быть параллельны друг другу. Торцевые кромки лазерных электродов округлены напильником. Кроме того, следует обработать напильником и кромку электродов со стороны разряда так, чтобы ее поперечный разрез был полукругом (смотри схему ниже).

После обработки напильником кромка шлифуется мелкой (нулевка) наждачной шкуркой. Не обязательно добиваться идеальной формы. Я обрабатывал кромки что называется «на глазок», и этой точности вполне хватило для получения лазерной генерации. Полировать кромку электродов также не обязательно. Даже если это и улучшит однородность разряда, через несколько минут работы лазера, кромки электродов почернеют, а лазерная генерация все равно будет.
На фото ниже показан вид сверху на торцевую кромку лазерных электродов.

Принципиальная электрическая схема лазера показана на рисунке ниже.

С1 – накопительный конденсатор

3 нФ
С2 – пикинг-конденсатор

1 нФ
R – резистор сопротивлением

Оба конденсатора самодельные. Накопительный конденсатор, изготовлен по «пакетной» технологии из полиэтиленовой пленки и алюминиевой фольги. Пикинг-конденсатор представляет собой несколько слоев пленки майлара ( продается в супермаркетах в качестве рукава для запекания) общей толщиной

0,2 мм, зажатых между дюралевыми уголками. Устройство пикинг-конденсатора показано на схеме поперечного разреза электродов лазерной камеры ( смотри выше). Если нет пленки майлара, можно использовать полиэтиленовую пленку. По началу я так и сделал, однако вследствие пробоя пленки лазер проработал не долго.
Блок питания лазера также самодельный изготовлен по схеме, приведенной на рисунке ниже.

Блок питания представляет собой полумост, собранный на микросхеме DD1 типа IR 2153 и двух MOSFET- транзисторах VT1, VT2 типа IRF 840 (можно использовать отечественный транзистор типа КП 707). Полумост подключается на первичную обмотку высоковольтного трансформатора Тр2 через конденсатор С12. К вторичной обмотке Тр2 подключается умножитель напряжения (можно взять любой от старого лампового телевизора). Микросхемы DD2 и DD3 серии 555 (отечественный аналог – КР 1006ВИ1) нужны для работы блока питания в режиме СТАККАТО, т.е. в режиме одиночных импульсов. В таком режиме лазерные импульсы будут следовать с определенной частотой, определяемой переменным резистором R6. При этом микросхема DD2 является задающим генератором импульсов, а микросхема DD3 определяет ширину этих импульсов. Конечно, задающий генератор импульсов можно сделать проще (лишь на одной микросхеме 555), но в этом случае настройка частоты и ширины импульсов будет взаимозависимой. При номиналах, указанных на схеме, лазерные импульсы будут следовать с частотой

1 Гц. Транзистор VT3 служит для управления микросхемой DD1. При включенном тумблере Тв транзистор VT3 шунтирует частотозадающие элементы микросхемы DD1 (резистор R2 и конденсатор С10) и, таким образом, микросхема DD1 не генерирует импульсы управления транзисторами VT1 и VT2. На время включения транзистора VT3 высоковольтных импульсов не будет. Если нет потребности в получении одиночных лазерных импульсов, то блок питания можно упростить, убрав из схемы микросхемы DD2 и DD3 и транзистор VT3 со всеми сопутствующими радиодеталями.
Микросхемы DD1, DD2 и DD3 запитываются от отдельного низковольтного блока питания, собранного на трансформаторе Тр1, выпрямительном мосте VD2 и интегральном стабилизаторе КР142 ЕН8Б, обеспечивающим на выходе постоянное напряжение 12 В. В качестве Тр1 подойдет любой сетевой понижающий трансформатор мощностью не менее 15 Вт, обеспечивающий на выходе напряжение 12 В ( я использовал ТП 112-7).
На фото ниже показан собранный блок питания без высоковольтного трансформатора и умножителя напряжения.

На фото виден переменный резистор R6, определяющий частоту лазерных импульсов. Однако при компоновке всех элементов лазера в единый корпус я не стал устанавливать R6, потому что как показали пробные запуски лазера, настройка этого резистора практически не влияет на частоту лазерных импульсов (по крайней мере, визуально). Можно помудрить с подбором частотозадающих элементов задающего генератора импульсов, чтобы частота лазерных импульсов заметно менялась с изменением R6, но я этого не делал и заменил R6 постоянным резистором 100 кОм. Мне не важно, с какой частотой следуют лазерные импульсы 1 Гц или, допустим, 3 Гц. Главное, что включение тумблера Тв на порядок уменьшает частоту лазерных импульсов.
В качестве высоковольтного трансформатора Тр2 подойдет любой трансформатор типа ТВС от старого лампового телевизора. К сожалению, мне не удалось найти готовый ТВС и мне самому пришлось мотать обмотки трансформатора. Занятие это нудное и утомительное, но оно того стоит. На выходе можно получить

10 кВ без всякого умножителя напряжения.
Самодельный транс собран на двух половинках П-образного ферритового сердечника марки М3000НМС ПК 40 х18. Первичная катушка содержит 100 витков провода ПЭВ диаметром 0,3 мм. Вторичная катушка содержит 2100 витков провода ПЭВ диаметром 0,1 мм. Кстати говоря, число витков вторичной катушки большинства моделей ТВС меньше 2000, а значит меньше и выходное напряжение. Как первичная, так и вторичная катушки намотаны на пластмассовую гильзу (обрезок трубки электромонтажного кабель-канала) с внутренним диаметром 20 мм. Первичная катушка намотана в один ряд и для фиксации провода обтянута скотч-лентой. Вторичная катушка содержит несколько рядов провода. Между каждым рядом проложена полиэтиленовая пленка шириной, равной длине каркаса, и толщиной 200 мкм для предотвращения межвиткового пробоя при работе трансформатора. При намотке вторичной катушки не стоит использовать всю длину каркасной гильзы, ибо это приводит к возникновению искры между проводом вторичной катушки и ферритовым стержнем. Весьма желательно оставлять на торцах каркаса свободный от провода промежуток 5 – 7 мм, как показано на рисунке ниже.

После намотки последнего ряда вторичной катушки она обтягивается полиэтиленовой пленкой и фиксируется скотч-лентой. Полученная катушка имеет довольно широкие щели, образованные по торцам каркаса слоями полиэтиленовой пленки. Любая воздушная щель в высоковольтной обмотке – потенциальный источник коронного разряда, который, в конечном итоге приводит к межвитковому пробою. Для снижения вероятности пробоя во все щели вторичной обмотки заливается эпоксидный клей.
После изготовления катушек они вставляются между двумя ферритовыми стержнями, которые стягиваются с помощью металлических шпилек.
Изготовленный самодельный HV -транс показан на фото ниже.

К вторичной катушке высоковольтного трансформатора подключается умножитель напряжения. В моей конструкции использован УН 9-27. Его внутренняя схема и схема подключения для лазера приведены на рисунке ниже.

Конденсаторы С6 и С7 служат еще одной ступенью умножителя напряжения. В принципе нужен лишь один конденсатор, но у меня не было в наличии конденсаторов с рабочим напряжением 10 кВ, поэтому использовал последовательное включение двух конденсаторов, каждый из которых рассчитан на напряжение 6,3 кВ. Емкость дополнительных конденсаторов не имеет принципиального значения.
Для уменьшения нагрузки на диоды умножителя лазерную камеру следует подключать к блоку питания через разделительный резистор сопротивлением

10 Мом. В качестве разделительного резистора я спаял последовательную цепочку из 40 резисторов сопротивлением 330 кОм ( 0,25 Вт) каждый и поместил ее в силиконовую трубку.
На фото ниже показан самодельный высоковольтный резистор.

Лазерная камера и блок питания лазера размещены в пластиковом электромонтажном кабель-канале размером 800 х 100 х 60 мм.
На фото ниже показан вид сверху на готовую конструкцию лазера без верхней крышки.

На фото ниже показано лазерное пятно на листе белой бумаги на расстоянии

10 см от торца электродов лазера.

На фото ниже показано лазерное пятно на листе белой бумаги на расстоянии

1м от торца электродов лазера.

Работу лазера можно увидеть в разделе «Видеоролики».

Источник