Laser Kids
ENG

. : Самодельный CO2 лазер с продольным разрядом : .

1. Назначение

  • Лазер предназначен для проверки возможности сборки самодельного CO2 пазера из общедоступных материалов.
  • Лазер предназначен для проверки и отработки газовых смесей для их использования в самодельных CO2 пазерах.
  • Лазер предназначен для проверки разных подручных материалов на прозрачность в области 10.6 мкм. (для использования в качестве внутри- и внерезонаторных окон)
  • Лазер предназначен для проверки самодельных зеркал на пригодность.

Лазер хорош в качестве первого домашнего со2 проекта, если есть подходящий вакуумный насос. Высокое усиление делает лазер некритичным к смеси и юстировке. Первые опыты по получению генерации лучше всего ставить именно на таком типе лазера.
Но не ждите от этого лазера слишком много. Мощность и кпд низкие.
Поэтому:

  • Лазер НЕ ПРЕДНАЗНАЧЕН для технологических целей.
  • Лазер НЕ ПРЕДНАЗНАЧЕН для публичных демонстраций.
  • Лазер НЕ ПРЕДНАЗНАЧЕН для точных измерений.

2. Тип лазера

Молекулярный лазер низкого низкого давления с продольным разрядом импульсно-периодического действия.
Почему именно такой? - Потому что:

  • Высокое усиление.
  • Сравнительно высокое давление.
  • Отсутствие водяного охлаждения.
  • Возможность использовать пластики и пленки.

Работа с непроверенными газовыми смесями не позволяет надеяться на высокое усиление и высокий кпд при непрерывном режиме накачки. Хуже того самодельные зеркала могут иметь большие потери, что еще поднимает требования к усилению. Кроме того при низких усилениях растет критичность к разъюстировке зеркал. Т.е. со всех сторон выходит, что чем больше ожидаемое усиление тем лучше - нужно иметь максимально возможный коэффициент усиления и длину лазерной кюветы.
Как показывает опыт TE и TEA лазеров, большие усиления могут быть достигнуты при больших разрядных токах ( 6..10 ампер на квадратный сантиметр типично для TEA).

С другой стороны делать поперечно-разрядный лазер с метровой длиной кюветы как минимум... трудно. Лазер же низкого давления при рабочих токах в несколько ампер в первые же миллисекунды влетит в перегрев смеси. Компромиссом тут и является импульсно-периодический режим. Большой ток в импульсе дает большое усиление, а за короткое время импульса газ не успевает перегреваться.
Еще одно преимущество импульсно-периодического режима - простота с охлаждением и контролем температуры. В обычном непрерывном лазере уже при пороговых токах мы имеем нехилый кипятильних в виде нашей разряной трубки. 200..500 Вт без водяного охлаждения быстро нагреет и перегреет что угодно. А в импульсно-периодическом лазере с невысокой частотой повторения можно достигнуть порога генерации (условия когда усиление превышает потери) и при этом держать все холодным. Появляется возможность применять пластиковые детали, герметизировать все термоклеем из клеевого пистолета, да и водяное охлаждение становится опциональным. В качестве дополнительного бонуса выясняется, что импульсный лазер работоспособен при заметно больших давлениях, чем его непрерывный собрат, а это снижает требования к насосу.

Правило рычага: "выигрывая в одном проигрываешь в другом." Проигрываем здесь в кпд и мощности, выигрываем работоспособность при плохих смесях и зеркалах.

 

3. Ресурсы

Для сборки и пуска лазера необходимо иметь:

  • откачной насос
  • пельтье-калориметр
  • микродрель с алмазным диском и алмазным бором
  • стеклянную трубку небольшого диаметра длиной порядка метра
  • набор шлангов
  • емкость для смешивания газов
  • пневмашку, сифон или другое устройство для контролируемого стравливания баллончиков
  • набор шлангов и шланчиков
  • слегка выпуклое автомобильное зеркало заднего вида.
  • хотя бы одну катушку зажигания.
  • лазерную указку или гелий-неоновый лазер.
  • прочий набор слесарно-столярно-паяльного гаражно-кухонно-радиотехнического инструмента
  • и набор мелких ресов для крафта по своему выбору.

Желательно но обходимо иметь:

  • стрелочный вакууметр
  • набор кранов (особенно желателен игольчатый натекатель)

В качестве насоса подойдет любой настоящий вакуумный насос. Неважно поршневой или ротационный. Подойдет непобитый жизнью компрессор от холодильника, включенный на откачку. Имейте в виду, что побитые жизнью холодильные компрессоры дают 80..100 мм рт ст. Этого не хватает для нормальной работы лазера, хотя при определенной удаче и навыке генерацию можно наблюдать и при таких давлениях. Еще можно использовать реверснутый (с переставленными клапанами) автомобильный электрокомпрессор для накачки шин.

Я использую небольшой вакуумный насос, в оригинале предназначенный для обслуживания кондиционеров и холодильников:

nasos

его предельный вакуум - 38 микрон - явное излишество для описываемого лазера, но не искать же другой.

НЕ ПОДОЙДЕТ пылесос, НЕ ПОДОЙДЕТ водоструйный химический насос (хотя если запустите не на воде а на масле то очень вероятно, что справится) НЕ ПОДОЙДЕТ реверснутый автомобильный ручной насос для накачки шин (если только у Вас нет друга-атлета, согласного Вам помогать задаром).

Калориметр (калориметрический измеритель мощности) можно использовать любой фабричный с диапазоном в десятки милливатт (OPHIR'ы, ИМО-шки и т.п.) либо самодельный из мультиметра и пельтье-элемента.

peltje

Как его делать я писал тут.

Без калориметра Вы не засечете генерацию. На копирку в первых опытах надеяться бессмысленно, поверьте! Поначалу на выходе будет очень мало.

Микродрель с алмазным диском и алмазным бором нужна в основном для изготовления зеркал, хотя пригодится и для другой мелкой работы (например для отрезания патрубков).

drill

Стеклянная трубка для лазерной кюветы должна иметь длину порядка метра (помним, что хотим иметь большое усиление на проход). Оптимальный диаметр ~8 мм, но это дефицитно.

Чуть хуже но тоже неплохо трубка от люминисцентной лампы с цоколем G5 (наружный диаметр трубки 12 мм) на 28 Вт. Но такие лампы тоже сравнительно рарные. Наибольшее распространение имеют лампочки с цоколем T5 (наружный диаметр трубки 16 мм). Из нее и сделан описываемый лазер.

lamps

Отрежьте алмазным диском торцы с нитями накала и герметично упакуйте в полиэтиленовый пакет. На нитях заметное количество ртути. От них нужно либо безопасно избавиться, либо безопасно сохранить для Вашего будущего проекта с лазером на парах ртути. (кстати у поработавших лампочек ртуть может быть уже не на нитях а распределена по колбе, поэтому разбирать безопаснее новые лампочки)

Шланги годятся ПВХ или силиконовые. Подойдет и дюрит, но это сделает конструкцию еще более громоздкой. Шланги должны быть достаточно жесткие, чтобы самопроизвольно не схлопываться под откачкой. Неплохо подходят шланги от автомобильной системы омывания стекол.

pipes

Эти шланги имеют внутренний диаметр 4 мм, соответственно такими же должны быть и патрубки.

В качестве емкости для смешивания газов удобно использовать обычную автомобильную камеру. Небезызвестный для лазерных фанатов Jarrod Kinsey использует воздушный шарик. http://www.flickr.com/photos/12049698@N02/4610061580/in/set-72157624001202153/
(см. также поиск www.google.com по ключевой фразе "co2 laser human breath")

Сухой углекислый газ для работы лазера удобнее всего добывать из баллончиков для пневматических пистолетов. Хотя подходят и огнетушители. Проще всего спускать баллончики в емкость для смешивания газов с помощью сифона.

sifon

Был когда-то такой девайс для создания газированной воды. Сейчас найти его непросто.
В качестве альтернативы можно надеть шланг на ствол пневматического пистолета и в самом банальном варианте настрелять углекислый газ в емкость для газов. В более продвинутом варианте - заклинить ударник в нажатом положении и плавно спустить содержимое баллончика в емкость. В зависимости от модели пневмашки может потребоваться замазывание щелей пластилином. Вообще баловство со сжатым газом - не самое безопасное занятие и, если Вы школьник, следует проконсультироваться со зрослыми, на предмет что и как правильно и безопасно сделать.

Зеркало заднего вида можно купить в автомагазине. Не все зеркала подходят. Три условия:

  • Зеркало должно быть слабо выпуклым. Сильно выпуклые зеркала не подходят!
  • Зеркало должно легко разбираться и слой краски, которым оно покрыто сзади должен поддаваться смытию.
  • После смытия краски под ней должен оказаться ровный блестящий алюминиевый слой.

Некоторые зеркала имеют с этой стороны слой матовый или зернистый. Они тоже не подходят. Методом проб и ошибок подберите подходящее зеркало. Например такое:

mirror

Стеклорезом или алмазным диском Отрежьте от него несколько квадратных кусочков размером примерно 20х20 мм. В нескольких из них алмазным бором просверлите дырки диаметром 3 мм.

Лучше сразу сделать несколько комплектов зеркал, поскольку вероятность брака при сверлении и при отмытии высока.

mirror2

Положите зеркала в герметичную банку и залейте слоем растворителя. Обычно лучше всего работает дихлорэтан, но иногда он оказывается загрязнен соляной кислотой и смывает алюминиевый слой не хуже краски. Заметно хуже работает ацетон (смытие занимает несколько суток). В особо запущенных случаях придется подбирать растворитель. Рекомендую обратить внимание на №650.

mirror3

Далее ркомендуется провести выбраковку зеркал. В солнечную погоду возьмите зеркальце в руку (брать только за края! алюминиевый слой пальцами не трогать!) и поймайте солнечный зайчик на ближайшую стенку. Меняя расстояние между зеркалом и стенкой найдите фокус (это когда изображение солнца становится резким). Если изображение солнца сильно вытянутое (овальное) выбраковывайте зеркало. Если изображение слишком тусклое (по сравнению с изображением, даваемым другими зеркалами из комплекта) или ясно виден ореол рассеяния тоже выбраковывайте.

Фокусное расстояние обычно оказывается равным 1.5..2.5 метра. И из 3-х..4-х зеркал обязательно найдется хоть одно без заметного рассеяния и аберраций.

Процедура изготовления и отбора зеркал несколько муторная, но поверьте, это сильно проще и быстрее, чем самостоятельно полировать медное зеркало до оптического качества или серебрить линзы от очков.

Катушка зажигания подойдет от Волги или "восьмерки" (ВАЗ-2108). Не связывайтесь с мотоциклетными и "копеечными" (от ВАЗ-2101) катушками - они слишком непрочные электрически.
Если есть пара катушек - это лучше.

Юстировочный лазер - можно использовать гелий-неон, если есть. Хотя по сравнению с обычной указкой особых преимуществ он не имеет - по интерференционным кольцам юстировать не придется.
Указку выбирайте по батарейкам - чем на дольше хватает тем лучше. Еще лучше - с сетевым блоком питания. Зеленые мощные (более 10 мВт) указки использовать не рекомендуется - после юстировки будут болеть глаза. Маломощные зеленые вполне подойдут.

С ресами - все. Переходим к конструкции.

 

4. Конструкция лазерной трубки

Конструкция показана на рисунке. По сути стеклянная трубка герметично вклеена между двумя концевыми (юстировочными) узлами. Вклейка делается термоклеем (глю-ганом), он очень хорошо себя зарекомендовал в герметизации чего бы то ни было. Течи в лазере хотя и допустимы, но крайне нежелательны. В первую очередь они мешают контролировать смесь.
Конструкция юстировочного узла вот:

Еще раз повторюсь: если у Вас под рукой есть подходящие фланцы с перпендикулярно стоящим патрубком на 16 мм - используйте их. К сожалению у меня под рукой ничего подобного не оказалось и после двухнедельных поисков я, крепко выразившись, намотал детали из эпоксидки. Армировал бинтом и киперной лентой.

Юстируемые платформочки сделаны из алюминия толщиной 4 мм. Жесткий твердый пластик (например оргстекло) тоже подойдет, но придется взять потолще.

В качестве уплотнения, а задодно и упругого элемента для юстировки используется первая попавшаяся под руку сантехническая резиновая прокладка подходящего размера. Никаких дополнительных пружин не используется.

Юстировочные винты - с резьбой М4. Гайки, чтобы не прокручивались, приклеены эпоксидкой. Если Вам удастся надежно закрепить гайки на М3 (например если у Вас металлический фланец и Вы впрессовываете гайки) то диаметр юстировочного узла можно сократить до 50 мм.
Для М4 - оптимум миллиметров 80..100.

Впускной и выпускной патрубки также размещены на юстировочных узлах (по одному на узел). В принципе ничто не мешает просверлить стеклянную трубку и вклеить туда - дело вкуса.

Электроды сделаны из толстой алюминиевой фольги (или тонкого листа) толщиной 300 мкм. Полоска сворачивается в стаканчик такого диаметра чтобы с минимальным зазором входила внутрь стеклянной трубки.

Электрические выводы из голой медной проволоки привязываются (не паять! не клеить!) к стакачикам электродов. Выводы поначалу должны быть длинными (сантиметров по 30).
Проволока для выводов берется диаметром 0.3..0.5 мм.

Если у Вас цельнометаллические юстировочные узлы, то видимо оптимально их сами и использовать в качестве электродов.

Хинт по сборке: алюминиевый стаканчик электрода с уже привязанным проволочным выводом вставляем в стеклянную трубку. Затем (вот зачем длинный вывод) продеваем проволчный вывод через предусмотренное для него отверстие в корпусе юстировочного узла. Затем мажем конец стеклянной трубки термоклеем и, пока он не застыл, вставляем стеклянную трубку на место. По мере этой процедуры аккуратно выбираем слабину, вытягивая проволочный вывод. (Следим, чтобы при этом не вытянуть стаканчик электрода из стеклянной трубки.) После того как стеклянная трубка вклеена - герметизируем и проволочный вывод.

После того, как оба юстировочных узла установлены и собраны - наклейте на торцевые отверстия тонкие прозрачные пластиковые заглушки. Вырежьте их из крышек от CD-диска например. Зеркала пока ставить рано.

Проверяем на течь. Откачайте трубку насосом и пережмите впускной и выпускной шланги. Если есть манометр, то наблюдайте натекание. Трубка должна натекать не больше 20 мм рт ст в час. Это приемлемо. Если нет манометра, а блок питания уже собран, о натекании можно судить по виду разряда. Разряд в трубке должен сохранять вид и цвет вразумительное время (Десятки минут, если это тлеющий разряд низкого давления со стратами и несколько часов, если это шнурованный разряд высокого давления).

Если трубка течет, отключаем ее от насоса и идем в ванную искать течь стандартным для автолюбителей методом - накачиваем ручным или ножным автомобильным насосом и ищем по пузырькам в воде. Накачивая не усердствуйте. 0.5 атмосферы трубка выдержит, а вот выше - скорее всего сломаете юстировки, сорвете прокладку или временные окна. Избегайте попадания воды внутрь трубки - удалять ее будет сложно.

После избавления от течей можно приклеить зеркала. Клеить придется без течей, поскольку купание собранного лазера недопустимо. Клейте сначало заднее зеркало, потом проверяйте на течи.
В случае чего - переклейте. Потом клейте переднее зеркало и поверх него полиэтиленовую пленку. Опять проверяйте на течи. В случае течей - снимайте и клейте заново.

Вот вид собранных юстировочных узлов и зеркалами:

front_mount
rear_mount
mount_profile

 

5. Блок питания

Вот схема источника питания:

R1 - галогенная лампочка 500W 220V
U1 - электронный трансформатор для галогенных ламп марки Feron на 250W
Tr1 - намотан на сердечнике от сгоревшего электронного трансформатора для галогенных ламп
на 250 W. Первичная обмотка 4 витка ПЭЛ-1. Вторичная - 200 витков ПЭЛ-0.3
R2 - 86 Ом (используется спираль от кипятильника на 500 W.)
VD1, VD2 - диоды HER308
C1, C2 - электролитические 10 мкф х 450В.
С3 - керамический или пленочный 2000 пф не менее чем на 2 кВ.
SCR1 - тиристор на 1100 В и не менее 20 ампер (например T1-800-11)
SG1 - разрядник на 250 Вольт (типа NS2R-250-A1)
C3, C4 - металлобумажные, 10 мкф 1000В.
Tr2, Tr3 - две катушки зажигания, включенные последовательно.

Резистивный делитель R3, R4 подберите таким, чтобы разрядник SG1 срабатывал при напряжении на емкостях C3C4 равном 700..800 Вольт. (R4~100 кОм, R3~300кОм).

Задача схемы - зарядить конденсаторы С3 и С4 (суммарно 20 мкф) до 750 вольт, а затем быстро разрядить их через первичные обмотки катушек зажигания. И делать так много раз в секунду. Любая схема, способная это выполнить, работоспособна в качестве драйвера лазера.

power_unit

Правильно работающий блок питания выдает искру длиной около 10 см, с частотой порядка 10 Гц.
Искра жирная с сильным но глухим звуком. Зрелище довольно пугающее.

power_unit_sparks

Выходное напряжение выбрано достаточно высоким ~100 кВ, чтобы иметь возможность работать при сравнительно высоких (до 80..100 мм рт ст) давлениях в лазере. Естественно, это не оптимум.
Если интересует только выходная мощность и у Вас хороший вакуумный насос, выбирайте напряжение порядка 30..40 кВ. С другой стороны, если все чем Вы располагаете - это компрессор от старого холодильника, то 100 кВ это Ваш единственный шанс.

Включать блок питания рекомендую дистанционно и в процессе работы ни к нему ни к частям лазера, находящимся под напряжением, даже не приближаться. В теории блок развязан от земли, поэтому нет тенденции к пробою в насос по шлангам, но все-таки рекомендую, чтобы длина шлангов была не менее полутора метров... Так, на всякий случай.

При кратковременном воздействии такой блок убить обычно не способен (хотя гарантий никаких, все зависит от состояния здоровья), но травмы будут нелегкие. Как правило сокращающимися мышцами ломает зубы и кости. Представьте себе шокер в сто раз мощнее, чем самвй мощный, который Вы видели в магазине. Вот, примерно на что способен этот блок. Поэтому, прошу, будьте осторожны! Всегда помните, что не только прикасаться, но и приближаться к любым деталям, находящимся под напряжением нельзя - может соскочить искра.

 

6. Юстировка

Для облегчения юстировки лазера резонатор выбран устойчивым. Зеркала являются фокусирующими. И их радиус (двойное фокусное расстояние) больше расстояния между зеркалами. Это значит резонатор, образованный такими зеркалами заведомо попадает в область устойчивости.

Без твердого знания, что делаете, не используйте выпуклые зеркала и не используйте слишком короткофокусные вогнутые. С неустойчивым резонатором с первого раза Вы не справитесь.
В принципе, выходное зеркало можно сделать плоским, это слегка фокусирует выходной пучок и, например, облегчает задачу получения пятен на копирке. Однако это корошо работает только с хорошим (полупрозрачным) выходным зеркалом. Если же зеркало с дыркой, условно говоря, тонким выходным лучом труднее в нее попасть - лазер становится заметно более критичным к настройке.

Юстировка делается типовым для всех лазеров методом - по совмещению пятен от луча юстировочного лазера отраженного задним зеркалом и отраженного выходным зеркалом соответственно.
Есть некоторые особенности, на которые надо обратить внимание.

  1. Юстировка производится под вакуумом. (Иначе давлением воздуха раздавит прокладки под юстировочными платформочками и неизвестно куда уведет луч.
  2. Юстировка заднего зеркала производится при снятом переднем. Делать юстировку проводя луч через выходное отверстие это почти то же, что и клеить обои через замочную скважину.
    Лазер должен быть довольно прочно закреплен, чтобы процедура снятия - надетия зеркал не сбивала настройку.
  3. при юстировке лазер должен быть подключен к вакуумным шлангам и электрическим проводам
    (ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПРИ ЭТОМ ДОЛЖНО БЫТЬ ОТКЛЮЧЕНО!!!!!!) иначе легко сбить настройку при подключении всех коммуникаций.

Юстировка сводится к трем этапам.

  • продевание луча юстировочного лазера сквозь трубу юстируемого лазера (либо, если крепления подвижные, это можно заменить надеванием трубы на луч юстировочного лазера, а это несколько проще)
  • установка и настройка заднего зеркала
  • установка и настройка переднего зеркала.

После юстировки юстировочный лазер не убирайте - он Вам покажет, где искать невидимый луч Вашего СО2 лазера.

Для юстировки удобно использовать строительный лазерный уровень. Его штатив позволяет (ну по крайней мере предназначен для этого) легко регулировать высоту и наклон лазера.

На переднюю сторну лазера следует приклеить бумажку с отверстием. Бумажка служит экраном, на котором Вы будете искать отраженный луч. Отверстие не должно быть больше 2 мм. Иногда отверстие делают заметно меньшим диаметра луча юстировочного лазера - это помогает его "очистить". Бумажка-экран клеится на пластилин или жевательную резинку - так удобнее ее двигать, пока луч юстировочного лазера не пройдет ровно через отверстие в ней.

  1. Закрепите со2 лазер. Снимите (отвинтив юстировочные винты) торцевые платформочки с зеркалами. Разместите юстировочный лазер в 1..1.5 метрах от юстируемого лазера. С помощью подручных средств и неизвестно какой матери добейтесь, чтобы юстировочный луч ровно проходил через лазерную трубу:

    Юстировочный луч должен входить в юстируемую трубку и выходить из нее приблизительно по ее оси. Луч не должен касаться стенок. Переотражения недопустимы!
  2. Привинтите платформочку с задним зеркалом (с герметизирующей прокладкой естественно).
    Хинт: прокладки лучше приклеить к юстировочным узлам резиновым клеем. Так они не будут выпадать в самый неподходящий момент.

    Вместо выходного зеркала к уплотнению прижмите плоскую прозрачную пластинку. Клеить не надо, ее присосет давлением воздуха. В качестве временного окна можно использовать обрезок пластиковой крышки от CD-коробки.Откачайте лазер. Откачивать до высокой степени вакуума необязательно. Усилия, действующие на окно приблизительно равны и при 100 мм рт ст и при 1 мм рт ст.
    Регулируя юстировочные винты совместите падающий и отраженный лучи (попадите в отверстие в бумажке, наклеенной на юстировочный лазер). Опять же бойтесь переотражений.
    Хинт: для того, чтобы лучше было видно, когда юстировочный луч попадает на стенку трубки и где он это делает, люминофор с трубки можно не смывать или смывать не полностью.
    Все действия выполняйте осторожно, чтобы не сбить уже достигнутые настройки.
    Напустите воздух в лазер. Следите за отраженным пятном. При правильной настройке пятно отраженного луча почти не должно смещаться с изменением давления. Если смещение более 1..2 мм повторите процедуру, но на этот раз затягивайте юстировочные винты сильнее.
    Если увеличением усилия на юстировочных винтах добиться стабильности юстировки не удается, смените герметизирующую прокладку на более жесткую.
  3. Уберите временное окно, прикрутите платформочку с выходным зеркалом и снова откачайте лазер. Добейтесь совмещения падающего и отраженного лучей.

Есть особенности:

  • для падающего снаружи луча зеркало является выпуклым и будет рассеивать луч.
    Попадать в отверстие надо центром этого большого рассеянного пятна.
  • луч либо целиком проваливается в дырку и отражения нет, либо часть луча проваливается и трудно сказать где у этого кривого пятна центр.
    Желательно, чтобы юстировочный луч на входе в юстируемую трубу имел диаметр слегка больше юстировочного отверстия. Если юстировочный луч симметрично засвечивает отверстие в выходном зеркале, то в отраженном свете картинка очень простая - круглое черное пятно, окруженное ореолом света. Вот центр этого черного пятна (тени от дырки) и надо совместить
    с точкой выхода юстировочного луча.
    Если юстировочный луч несимметрично засвечивает отверстие, то либо ищите центр отраженной картинки полагаясь на свою интуицию, либо переделайте юстировку с самого начала сместив юстировочный лазер так, чтобы юстировочный луч симметрично засвечивал отверстие.

А вообще... не надо делать из юстировки жупел. Лазер вполне работоспособен при отклонении пятен, отраженных от переднего и заднего зеркал на один..полтора сантиметра (при метровом расстоянии до бумажки-экрана). А это доволно грубо. Именно для такой некритичности и был выбран устойчивый тип резонатора.

Если лазер не таскать, а использовать по месту, где он был сьюстирован, юстировка
устойчиво держится несколько суток.

 

7. Газовая смесь

1:1:9 - идеальная смесь для лазеров низкого давления. Но... можете не запоминать эти цифры. (первая цифра - содержание со2, вторая - содержание азота, третья - содержание гелия в объемных долях). Гелий и азот почти недоступны в домашних условиях. Каждый раз бегать в магазин за воздушным шариком изрядно напрягает, да и азот достать почти негде (либо слишком много усилий либо везение).
Чтоб не томить душу, скажу сразу: первая успешная генерация на этом лазере была получена на практически чистом углекислом газе из баллончиков для пневматических пистолетов. Примесь воздуха была только за счет начального содержания в шлангах и она составляла не более 10%.
Получилось около 1 мДж на импульс, что на частоте повторения 10 Гц дает 10 мВт (достаточно, чтобы увидеть по показаниям калориметра)

На "отожженке" генерацию получить не удалось.
Не удалось получить генерацию на "Барановской" смеси (co2:воздух 1:5)
Не удалось получить генерацию на со2 из соды с лимонной кислотой (видимо надо сушить газ)

Максимальная мощность из простых смесей получена на co2:воздух 2:1 (3 мДж в импульсе)
Из сложных максимальная мощность получена на co2:воздух:влажный воздух 4:1:1 (сухой воздух накачивается автомобильным насосом, влажный выдыхается прямо из легких) С такой примесью воды получено 7 мДж за импульс.

Имейте в виду, что содержащие кислород смеси быстро деградируют за счет накопления окислов азота. При частоте повторения 10 Гц мощность падает вдвое примерно за две секунды. Поэтому устойчивая генерация на смеси с высоким содержанием кислорода возможна только в режиме прокачки. Впрочем смесь стоит копейки и расход низкий, так что это не должно напрягать.

Интересные результаты дает смесь со2:"отожженка" 1:1 - 2:1
Смесь поначалу быстро деградирует (от ~5 мДж на импульс вначале до 2..3 мДж за импульс через несколько минут) и затем долго и стабильно работает десятки минут..единицы часов (может и дольше - не проверял). Т.е. ресурс работы такой смеси в отпаянном режиме сравним со временем загрязнения за счет натекания трубы.

"Отожженка" получается так: зажженная ватка, смоченная спиртом, пускается плавать в наполненную водой ванну в небольшом кораблике из фольги. Затем это накрываентся сверху перевернутой стеклянной банкой литра на три и ждется пока кислород выгорит. Забавно, но сокращение объема газа в банке (отслеживаемое по уровню воды в ней) соответствует практически полному выгоранию кислорода. Тем или иным способом смесь газов из банки (предположительно в основном N2, CO2, CO и мерзкие примеси) перекачивается в емкость для газов. Сама по себе эта смесь работоспособной себя не показала, но при разбавлении добавочным сухим углекислым газом оказалась способной до некоторой степени заменить азот.

Как смешивать газы, как перекачивать из емкости в емкость и как отмерять - полный простор для творчества. Помните только одно: стоит газ хоть раз пробулькать через воду и он наберется ее по самое насыщение. Иногда это полезно (для замешивания влажных смесей) но в большинстве случаев это приводит к неработоспособности газовой смеси.

 

8. Запуск лазера (ловля генерации)

Fun start! Итак лазерная труба собрана и сьюстирована. Блок питания собран, опробован на искру и подключен к трубе. Вакуумный насос в готовности. Смесь замешана и ждет своего часа в автомобильной камере или воздушном шарике. Батарейка в калориметрическом измерителе мощности заменена на новую.

Поставьте пельте-датчик калориметра так, чтобы юстировочный луч упирался ему в радиатор точно напротив середины чувствительной области. Включите мультиметр на шкалу 200 милливольт и дайте устояться показаниям.

Теперь все готово к пуску.

Пережмите впускной шланг (тот, что от лазерной трубы к емкости с газами)
Откачайте воздух из лазера до предела, возможного для Вашей системы с Вашим насосом.
Пережмите выхлопной шланг (тот, что от лазерной трубы к насосу)
Напустите газ в лазерную трубу.
Пережмите впускной шланг.
Снова откачайте.

Так делается промывка. Если предельный вакуум меньше 1 мм рт ст достаточно одного цикла.
С плохим насосом повторите цикл промывки несколько раз.

Вновь напустите газ, затем перекройте впускной шланг и приоткрывая выхлопной шланг подберите давление так, чтобы при включении блока питания в трубке уже могла зажигаться искра. Если есть манометр выставьте по давлению 60..80 мм рт ст. Если манометра нет, добивайтесь искры методом проб и ошибок периодически включая блок питания.

Искра в трубке при сравнительно высоком давлении выглядит так:

long_spark

На некоторых смесях и, в частности, на чистом СО2 при этом давлении уже есть генерация, но обычно очень слабая.

Когда пробой в лазерной трубе достигнут, блок питания можно долго держать включенным. (Выходное напряжение ограничивается пробоем и нет риска внутреннего пробоя катушек зажигания. Включив блок питания и, наблюдая показания калориметра, продолжайте снижать давление. (Впускной шланг закрыт, выпускной открыт).

Когда искра в лазерной трубке выровняется и начнет увеличиваться в диаметре, этот момент обычно соответствует максимальной можности генерации. (~20 мм рт ст)

correct_spark

При дальнейшем снижении давления разряд становится диффузным и энергия генерации плавно падает.

diffuse_spark

Со снижением давления падает сопротивление разряда, а с ним и доля полезной энергии, вложенная в газ. (По большей части рассеивается в тепло на сопротивлении катушек.)

К ~5 мм рт ст кпд падает настолько, что генерацию уже не удается засечь на калорметре.
Научитесь ловить нужное давление при открытом выхлопном шланге, регулируя только натекание газовой смеси в лазерную трубку. (Впрочем, если у Вас мощный откачивающий насос, выхлопной шланг может быть необходимо слегка прижать.) Следите за давлением по цвету и форме искры или по манометру.
При непрерывной откачке и натекании лазер работает в режиме с прокачкой газа и может использовать быстро деградирующие смеси (содержащие воздух).

По показаниям калориметра, регулируя давление и натекание, найдите режим, при котором мощность генерации максимальна. Научитесь поддерживать этот режим продолжительное время.
При некотором опыте Вы сможете определять режим по цвету и виду разряда в трубке.
Тогда можно начинать пробовать заменить калориметр на, скажем, копирку или другие мишени.

Для радикального повышения мощности:

  • подберите наилучшую для Ваших условий газовую смесь и ее оптимальное давление.
  • Определите напряжение пробоя для Вашей смеси и давления.
  • Сделайте новый блок питания на выбранное напряжение и на повышенную частоту повторения.
    (Энергия в накопительных конденсаторах может быть разной в зависимости от смеси и давления, но обычно не менее 2 Дж. Поскольку коэффициент трансформации катушек зажигания изменить невозможно, для изменения выходного напряжения меняйте напряжение на накопительной емкости с соответствуюшим изменением ее номинала)

 

9. Некоторые данные, которые могут вызвать интерес для домашнего конструирования со2 лазеров

Вот измеренная мной прозрачность некоторых попавшихся под руку материалов:

Материал Пропускание для 10.6 мкм
Крышка от чипсов Pringles (прозрачный полиэтилен толщиной ~ 1 мм около 10%
Бытовой полиэтиленовый мешок (измеренная толщина 20 мкм) 90±10%
Фторопластовая лента (измеренная толщина 20 мкм) 80±10%
Резиновый воздушный шарик (средней степени надутости, прохождение через обе стенки) 60±15%
Флюорит оптический (линза) CaF2 толщиной 1 мм 30±10%
Майлар, толщиной 100 мкм менее 10%
Ацетатная пленка толщиной 100 мкм менее 10%
Майлар, толщиной 10 мкм менее 10%
Скотч бытовой прозрачный менее 10%
Полистирол толщиной 1.2 мм (крышка от СD бокса) менее 10%

При измерениях калориметр стоял в 0.5..1 метре от образца, т.е. измерялось "направленное" пропускание, без учета рассеяния на большие углы.

Как показала практика степень мутности и матовости полиэтилена и фторопласта в видимой области в пределах погрешностей вообще не влияет на прозрачность к излучению СО2 лазера. Однако для окон удобнее использовать прозрачный полиэтилен - меньше рассеивает юстировочный луч.

Возникает желание сделать лазер с полиэтиленовыми окнами на концах трубки?
Вот данные, как лазер реагирует на помещение полиэтиленовой пленки в резонатор.
Измерено на аналогичной системе, но с отвязанными от трубки зеркалами. Трубка полностью аналогичная, самодельная, с одним отличием: торцы закрыты KCl окнами, расположенными под углом Брюстера.

stend

Пуски проводились на смеси СО2:воздух 2:1 в прокачном режиме. Образцы пленок ставились перпендикулярно оси резонатора (т.е. НЕ под углом Брюстера) и, кстати, пленки были слегка мятые. Специально они не выпрямлялись и не натягивались.

Образец потеря мощности генерации
% от максимума
полиэтилен, 20 мкм 1 слой снижения не наблюдалось
полиэтилен, 20 мкм 2 слоя снижения не наблюдалось
полиэтилен, 20 мкм 4 слоя 20%
фторопласт, 20 мкм 1 слой снижения не наблюдалось
фторопласт, 20 мкм 2 слоя 20%
фторопласт, 20 мкм 3 слоя 50%
фторопласт, 20 мкм 4 слоя срыв генерации

Вывода два:

  1. полиэтилен и фторопласт можно использовать в качестве внутрирезонаторных окон.
    при достаточной длине разрядной трубки. Полиэтилен, видимо подойдет только для небольших диаметров, изза своей непрочности (при больших диаметрах его выдавит атмосферным давлением)
    Тонкий Фторопласт более прочен и его можно использовать при диаметрах ~10 мм. Однако изза заметного поглощения желательно, чтобы трубка имела фторопластовое окно только с одной стороны.
  2. усиление на смеси СО2:воздух 2:1 в используемом режиме составляет более 40% на проход (органические пленки вблизи 10.6 имеют показатель преломления ~1.4..1.5, так что френелевские потери примерно как у стекла в видимой области ~4% на поверхность. Плюс некоторые потери на внутреннее поглощение. Итого ~10% на один слой пленки. Пусть даже потерь на зеркалах нет, вносимые 4мя слоями полиэтилена потери составят 40%). При длине разряда 75 см это дает коэффициент усиления g=0.5 процента на сантиметр. На самом деле несколько больше, поскольку при 4х слоях полиэтилена срыва генерации еще не было. Но в любом случае не больше 1 (%/см).
    Для сравнения: обычный лазер низкого давления на оптимальной смеси при оптимальном давлении в непрерывном режиме имеет 1..1.5(%/см) а в импульсном 3..4 (%/см).
    Поскольку коэффициент усиления даже в импульсном режиме невысок, уменьшение гпбаритов за счет сокращения длины трубки делать рискованно. 40 см длины разряда (а значит 45-50 см длины трубки) это, наверное минимум, поскольку неизвестны потери на зеркалах. Измерить их с той точностью, которая у меня есть, не получается. Где-то от 90% до 100% отражения. Закладываясь на худший случай
    это значит, что 20 сантиметровая трубка даже в оптимуме будет находиться вблизи порога генерации.
    Но даже 40 сантиметровую трубку я бы не рекомендовал для первых опытов.

 

10. Почему все-таки не ТЕА?

Поперечноразрядный лазер атмосферного давления слишком сложен. Причем даже не по конструкции.
А по количеству неизвестных и не поддающихся контролю параметров. С импульсным продольником все просто: если не работает ни при каком давлении - виновата смесь или юстировка. Ну может еще труба подтекает, но течи надо найти и устранить сразу. Проблемы с юстировкой сильно облегчены устойчивым резонатором и сравнительно большим диаметром разрядной трубки.

А вот если ТЕА-шка не работает, можно в истерике биться головой об стену.
То ли виновата эта искра скраю электродов? А может и нет, диффузное свечение-то тоже есть и неслабое. То ли конденсаторы слишком медленно разряжаются? И как проверить, если осциллограф даже с закороченными выводами тонет в помехах даже будучи отнесен в соседнюю комнату?
То ли не хватает усиления? (А сделать метровой длины профилированные электроды это... непросто)
То ли генерация заводится между параллельными друг другу полированными электродами и ее попросту не видно?

И плюс к этому неизвестно, работающая ли газовая смесь, и неизвестно сколько отражающие зеркала.
Но, по крайней мере, эти две последние проблемы решаемы с помощью описанного здесь лазера.

 

<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА