. : Самодельный Азотный ТЕА лазер на воздухе : .

I. Материалы.

1. что-нибудь плоское и твердое, размерами примерно под формат А4. я взял кафельную плитку 200х300
   
   но можно было взять, например, лист толстого текстолита или, еще лучше, ровный железный лист (к нему удобнее крепить все на магнитиках) не связывайтесь с фанерками и досками - они имеют свойство изгибаться от влаги и лазер будет "ходить за погодой"
2. листовой (пленочный) диэлектрик, толщиной ~100мкм.
   • подойдет прозрачка для лазерника или струйника,
   • садовый полиэтилен (желательно несильно поюзанный)
   • кусок толстого полиэтиленового пакета.
   Лучше всего, конечно, использовать майлар, (он же лавсан, он же полиэфир, встречается в виде пакетов для ламинирования, многих типов прозрачек для лазерных и струйных принтеров, в виде пленки для обтягивания авиамоделей) Электропрочность майлара раза в два выше чем у полиэтилена и результаты с ним будут лучше. Тем не менее полиэтилен гораздо доступнее. Диэлектрическую пленку желательно промерить микрометром перед использованием. Если толщина несильно отличается от 100 мкм - использовать можно, но придется пересчитать питающее напряжение (см в комментариях в конце). Если же пленка в разы тоньше (например 20 мкм) - используйте несколько слоев. Если в разы толще - тут все зависит от используемого блока питания и качества электродов. На первых порах использовать 200 мкм и толще не рекомендую.
   
3. свежий (чистый и ровный - лучше прямо из магазина) алюминиевый уголок, в количестве из которого можно нарезать три куска по 20 см каждый уголок нужен со стороной 15..25 мм, с толщиной стенки 1-1.5 мм.
   
   по опыту, алюминиевый уголок - самая сложнодоставаемая часть лазера, но, к сожалению, замене почти не поддается (по крайней мере пока у Вас не появится некоторый опыт в сборке таких лазеров)
4. пищевая алюминиевая фольга
   
5. алюминиевый скотч шириной 45..50 мм (можно обойтись одной фольгой, но со скотчем лучше)
   
6. источник питания, выдающий 8+ киловольт (проверяется просто - нужно не менее 2 мм искры между шарами или не менее 8 мм искры между остриями)
   
   • выковыривается из списанного лазерного принтера - там он юзается для зарядки селенового барабана
   • или берется строчник от старого телевизора (который с кинескопом а не с ЖК экраном!)
   • или покупается и расколупывается бытовой ионизатор воздуха...
   • еще народ пользует блоки питания от гелий-неоновых лазеров, которые на холостом ходу (для поджига трубки) выдают 10 кВ
   • а также делается самостоятельно, тут можно делать как угодно, пример схемы вот:
     
   • ну и конечно же собирается из электронного трансформатора и катушки зажигания.
   да вот еще что (так на всякий случай) если собираетесь питать лазер от электрофорной машины - нужно принять специальные меры по удалению коронного разряда. Обычный, на тяп-ляп смастряченный азотник электрофорка едва тянет (если вообще тянет).
   мой блок питания выглядит так:
   
   Позже высоковольтник был модифицирован. Самое главное изменение в схеме это замена резистора в развязывающей цепочке на диод. (Огромное спасибо моим друзьям за подсказку.) Схема стала работать заметно стабильнее.
   Кроме того захотелось поднять напряжение питания лазера. Попытки раскочегарить ТВС ни к чему, кроме пробоя обмоток не привели. В итоге на выходе появился умножитель. Теперь схема блока питания выглядит так:
   
   Результат: облегчилась юстировка, повысилась мощность лазера, схема и уменьшился нагрев силового транзистора. Схема и лазер теперь выдерживают многочасовую работу.
7. грузила (ну либо магниты, если сборка идет на железном листе)
   грузы выбирайте любые - лишь бы целиком помещались на стороне уголка и весили не меньше 20 грамм - прижим нужен серьезный.
   
8. резистор на 10+ килоом 0.25 Вт (если с доп. изоляцией в виде обмазки из эпоксидки) или 0.5 Вт (если без обмазки)
   легко заменяется на навесную катушку (см фотки дальше) - тогда нужна медная проволока диаметром около 1 мм (диаметр некритичен - главное чтобы было удобно смотать в бескаркасную катушку)
9. резистор на 300+ килоом 2 Вт (или больше)
   это балластный резистор, который будет ограничивать частоту с которой строчит лазер, а заодно защитит блок питания от короткого замыкания и выбросов напряжения, которые в изобилии генерируются лазером при работе.
10. белая (очень белая) бумажка. если нет листа очень белой бумаги (навроде datacopy(tm)) то подойдет хоть газетная, но ее придется закрасить флуоресцентным маркером.
11. пробка от пластиковой бутылки, обрезок уголка 30х30х30, болт на М8 и пара гаек к нему в пару из этого добра будет делаться разрядник
    
    

1. ножницы
2. ножовка по металлу
3. бархатный напильник или сравнительно мелкая наждачная бумага
4. отвертка с хорошо изолированной ручкой
5. линейка
6. маркер
7. клей (лучше эпоксидный быстротвердеющий)

II. Сборка.

1. Отрежте ножовкой три куска уголка длиной по 20..21 см каждый.
   Это будут электроды лазера. ВАЖНО не помять и не погнуть уголок. Пилите с легким нажимом и медленно. Еще важно не сорваться и не поцарапать рабочую поверхность электродов.
   
2. Возьмите напильник (бархатный) и скруглите острые края в местах распила.
   
   В местах где не пилили ножовкой ничего не трогайте(!) Стоит только раз ширкнуть напильником по рабочей области электрода - и потребуется новый. Оживить можно... тонкой шлифовкой на стекле... но долго нудно и трудно. Проще новый электрод сделать.
3. Отрежьте кусок полиэтилена по размеру основания лазера (в данном случае - по размеру кафельной плитки).
   
   Сделайте разметку - вблизи середины проведите маркером две прямые линии на расстоянии 3..4 мм друг от друга.
4. Отрежьте (ножницами) 6 одинаковых кусков алюминиевого скотча длиной по 17 см каждый.
   Обкладки конденсатора (линии) лазера лучше делать на два-три сантиметра короче электродов - так проще справиться с искрением на концах электродов, которое обычно изрядно мешает.
   
5. Переверните полиэтилен разметкой вниз (чтобы краситель маркера не обугливался и чтобы рабочий зазор лазера по этим обугленностям не пробивало). Наклейте первые две полосы скотча параллельно друг-другу с зазором 3-4 мм ориентируясь по разметке.
   
   
   
   ВНИМАНИЕ! Зазор и параллельность критичны! В принципе лазер работает при зазорах от 2 мм до ~6мм и при непараллельностях (обкладок но не электродов) до ~2 мм на длину электродов. НО. Максимум мощности лазера будет если вы сделаете зазор от 3мм до 4мм и сделаете его параллельным. При слишком широком зазоре, слишком узком зазоре и косом зазоре достижимая мощность лазера будет ниже. Дальше будет понятно почему.
   
   В принципе верхние обкладки можно сделать не из алюминиевого скотча а из обычной фольги, но
   
   • неудобно каждый раз выставлять зазор
   • фольга лежит неравномерно и полиэтиленовый лист чаще пробивает.
   Я пробовал по всякому: верх и низ - скотч; верх - фольга, низ - скотч; верх и низ - фольга; верх - скотч, низ - фольга. Лучшие результаты получаются когда верх - скотч, низ - фольга.
6. Расширьте обкладки наклеив еще по полоске скотча.
   
   Шире 10 см обкладки делать смысла нет - лазер ярче светить не станет. Дальше надо сделать электрический контакт между полосками скотча в парах. Проще всего наклеить еще по полоске поверх. Но клей скотча на самом деле является диэлектриком, хотя и легко пробиваемым при рабочих напряжениях лазера. В местах пробоя будет перегрев, полиэтилен поплавится и будет пробит. Чтобы этого не было сделаем контакт получше.
   Вырежем две полоски фольги шириной 1.5-2 см и длиной по 16 см. Наложите их поверх мест будущего контакта
   
   Прижмите и приклейте скотчем (можно обычным, а можно и алюминиевым). Получится вот что:
   
7. Из фольги вырежте нижнюю обкладку ("земляную" или "общий провод"). Вырежьте ее примерно в размер верхних обкладок. Углы желательно скруглить. А еще нужно оставить небольшой отвод для подкючения блока питания. Разровняйте фольгу на базовой плите лазера.
   
8. Положите полиэтиленовый лист с верхними обкладками поверх нижней обкладки.
   
   Возьмите один из (трех) готовых электродов, положите поверх верхноей обкладки угловой стороной к краю зазора, прижмите грузами и тщательно выровняйте электрод по краю зазора.
   
   Этот электрод должен всегда лежать выровненным по краю зазора. При настройке лазера этот электрод не трогается.
   Возьмите два оставшихся электрода и вложите один в другой, чтобы получилось "двойное L". Положите получившуюся сборку поверх обкладок, прижмите грузами и выровняйте по зазору.
   
   Относительно выравнивания пока сильно не заморачивайтесь. Оставьте это на момент настройки лазера. Электроды в итоге должны лежать так
   
   Обратите внимание что правый (на фотке) электрод образует "стенку", выровненную по стороне зазора в верхней обкладке, а левый электрод образует "лезвие" направленное к стенке.
   Лезвие поддерживается на высоте около 1 мм над диэлектриком с помощью подложенного под него уголка ("двойное L")
9. Сделаем разрядник. Возьмите обрезок уголка 30х30х30 и приклейте к нему пробку от пластиковой бутылки. Или, еще лучше, ту часть, на которую навинчивается пробка. Болт на М8 скруглите спереди (шаровые разрядники имеют меньшую длину разряда -> большую проводимость). Не стоит полировать скругленную часть болта - это увеличивает разброс напряжений срабатывания и будет приводить к частым пробоям обкладок.
   Из алюминия от пивной банки или даже из алюминиевой фольги вырежте полосковый контакт (шириной не менее 15 мм). В контактной полоске и в пробке проделайте отверстия диаметром 6мм. Болт М8 в этих отверстиях сам нарежет резьбу при вкручивании.
   
   В сборе разрядник будет выглядеть так:
   
   Разрядник можно было сделать и проще:
   
   но открытый разрядник при работе лазера слишком громко орет. Со временем и Вам это перестанет нравиться. Поэтому мы и делаем воздушку с глушителем.
10. поставьте разрядник так чтобы его основание стояло на верхней обкладке, а контактная полоска заходила под полиэтилен и лежала на нижней обкладке.
    
11. подключите лазер к высоковольтнику. Вместо "крокодилов" чтоб не портить фольгу удобнее использовать грузы. Между лазерными электродами положите резистор номиналом больше 1 килоом. еще надо чтобы размер резистора обеспечивал разумную электропрочность.
    Получится вот что:
    
    Контакт по постоянному току между половинками верхней обкладки иногда устраивают с помощью катушки.
    Например так:
    
12. выставьте аккуратно расстояние между оазерными электродами ~2 мм. Следите за тем, чтобы не сдвинуть электрод-"стенку", он всегда должен оставаться выровненным по краю зазора.
    Выставьте зазор в разряднике ~ 1 мм. Делается это так: вкрутите болт до положения, когда он упрется в металлическую стенку. Открутите на 1..1.5 оборота назад. (Если используется болт не М8 или М8 с нестандартным шагом - количество оборотов будет другим)

III. Настройка.

1. включите лазер (подайте высокое напрядение).
   Подстройте зазор в разряднике чтобы (на слух) частота вспышек была 50-100Гц.
   

   КРУТИТЬ БОЛТ ТОЛЬКО ПРИ ВЫКЛЮЧЕННОМ ВЫСОКОМ НАПРЯЖЕНИИ!!!

2. Посмотрите как идет искра в лазерном зазоре. Обычно ее либо вовсе нет (электроды слишком далеко друг от друга) либо пучок искр концентрируется с у одного края.
   Тут пригодится отвертка с большой диэлектрической ручкой. Держа отвертку за жало, как маятник, легким постукиванием сближайте электроды со стороны, противоположной искрению.
   
   Зона искрения начнет переползать к стороне электродов, с которой вы постукиваете (сближаете).
   Когда искры более-менее равномерно распределятся по длине электродов и будут на фоне равномерного лилового свечения, возьмите флуоресцентную бумажку - визуализатор и подносите с торца лазера, где должен выходить луч. С какого конца луч выйдет - заранее предсказать сложно.
   При правильной работе лазера в рабочем зазоре должно быть видно равномерное лиловое свечение и несильное, равномерно распределенное по длине лазера искрение.
   Если свечение не появляется (видны одни искры) значит зазор либо слишком мал (меньше 0.5 мм) либо слишком велик (больше 2 мм). Если лиловое свечение не появляется ни при каком зазоре, значит электроды грязные или с задирами. Такие электроды использовть нельзя.
   Когда рабочий зазор лазера правильно светится, поднося визуализатор поочередно к одному и другому концу лазера, Вы наверняка найдете лазерное пятно. Как правило в виде маленькой яркой точки в том месте, где на визуализатор падает тень от электродов в свете искр лазера.
   Найдя пятно, ОЧЕНЬ НЕЖНЫМ постукиванием отверткой подстройте электроды на максимум мощности. Пятно сильно увеличится по площади и по яркости. Не забывайте следить за излучением с обоих торцов лазера. Иногда в процессе настройки пятно "переползает" на другую сторону. Если пятно никак не появляется попробуйте уменьшить зазор (следите за тем чтобы оставалось лиловое свечение) и увеличить напряжение (увеличив зазор в разряднике).
   Увеличивать напряжение надо понемногу - лазер работает вблизи предела электропрочности полиэтиленовой пленки. Если пробъет то вероятно обкладки прийдется переделывать.
   

   КРУТИТЬ БОЛТ РАЗРЯДНИКА ТОЛЬКО ПРИ ВЫКЛЮЧЕННОМ ВЫСОКОМ НАПРЯЖЕНИИ!!!

3. хорошо настроенный лазер дает яркое пятно флуоресценции размерами около миллиметра на бумаге вблизи лазера. Пятно должно оставаться четко различимым днем (в помещении) при размерах 2х5см (вдали от лазера на расстоянии ~5 метров).
   
   Фотографировать работающий лазер - большой облом, т.к. болшую часть времени лазер не светит, вспыхивая только 50-100 раз в секунду. Вероятность что камера сработает именно в момент вспышки лазера мала. Поэтому работающий лазер приходится снимать на видео и выдергивать кадры. Отсюда и низкое качество, сорри.
   В принципе мне удавалось словить работу лазера в режиме съемки однократных кадров. Но приходилось делать по 20-50 снимков и выбирать удачный.

IV. Глушитель.

V. Комментарии и особенности.

1. Схема лазера.
   Вот два варианта схемы одного и того же лазера.
   
   Отличаются они только представлением. В одном случае обкладки лазера представляются в виде сосредоточенных емкостей, в другом - в виде линий задержки. Для понимания общих (низкочастотных) свойств лазера хватает и первой схемы.
   Для работы лазера надо чтобы Rб>>R1, тогда крылья лазера заряжаются примерно поровну.
   Еще надо, чтобы R1C2>>1нс. Это легко выполняется для R1 в десятки..сотни ом. Поэтому даже при высокой частоте повторения заменять резистор на катушку имеет смысл только из эстетических соображений.
   Резистор Rб должен выбираться по частоте повторения fповт: Rб=1/(fповт(С1+С2)).
   В случае обкладок 10х20см, толщины полиэтилена 0.1 мм C1+C2=8000 пф.
   Для частоты 100 Гц потребуется резистор Rб=1.2 Мегаома.
   На практике частота зависит от соотношения напряжения срабатывания разрядника к напряжению питания и от соотношения балластного резистора Rб к общему сопротивлению утечки.
   Разрядник должен иметь наименьшее сопротивление в замкнутом (пробитом) состоянии, хорошую стабильность срабатывания, высокую скорость. Все это (за исключением стабильности) обеспечивается тем лучше чем короче в разряднике искра. Поэтому разрядник и делается по схеме шар+шар или шар+плоскость. Острия в разряднике вредны для работы лазера.
   Что же до принципов работы лазера по высокой частоте, то на эту тему постоянно идет много споров. Обычно имеются два мнения:
   • Народ, который считает, что крылья лазера образуют линию Блюмлейна, закорачиваемую разрядником на одном конце.
     Кстати эта точка зрения представлена во многих уважаемых книжках. (Звелто, Прохоров, Бруннер как вам?)
   • И народ, который считает (совершенно справедливо, кстати) что скорость срабатывания разрядника абсолютно недостаточна для образования каких либо бегущих волн. И что поэтому схему лазера можно смело считать состоящей из двух сосредоточенных конденсаторов.
   Тем не менее ни те ни другие не заморачиваются влиянием самого лазерного промежутка на электрические свойства схемы. А ведь если посмотреть, то получается именно полосковая линия со включенным в ее плечо ультра-наноиндуктивным супер-пупер быстродействующим разрядником обострителем рельсового типа.
   Вкратце, лазер работает так:
   
   • После зарядки емкостей C1 и С2 срабатывает разрядник Р1.
   • Конденсатор C1 со своей паразитной индуктивностью и индуктивностью разрядника образует колебательный контур, который "опрокидывается" при разряде.
   • В какой-то момент разность напряжений на конденсаторах С1 и С2 становится достаточной для пробоя основного лазерного промежутка.
     Дальше процессы идут настолько быстро, что временем разрядки С1 через разрядник Р1 можно попросту пренебречь.
     Т.е. представить, что линии Z1 и Z2 не подключены ни к чему и могут разряжаться только друг в друга через основной лазерный промежуток. (кстати поэтому важно, чтобы емкости С1 и С2 были равны)
   • Разряд начинается в самом узком месте лазерного промежутка и быстро начинает заполнять его весь. При этом "волна разряда" бежит не столько за счет распространения ионизации вширь, сколько за счет разности запаздывания пробоя при различных перенапряжениях на различных участках на протяжении лазерных электродов. (Делая основной лазерный зазор клиновидным, можно управлять скоростью распространения волны разряда вдоль электродов. Обратите внимание, что для этого не нужны ни параболические ни треугольные крылья лазера. Достаточно лишь расположить электроды так, чтобы зазор между ними с одного края был больше чем с другого.) Вслед за бегущей волной разряда распространяется и волна усиления в возбужденном азоте. Когда скорость этой волны совпадает со скоростью света можно строить довольно длинные лазеры не опасаясь того, что свет "выпадет" из зоны усиления.
   • В какой-то момент в одном или нескольких местах разряд сжимается в яркую искру (искры), и через нее происходит окончательный разряд емкостей крыльев лазера. Но лазеру это уже неважно - свет из него уже вышел, искры не успели заблокировать оптический путь.
   Забавно, кстати, что отсюда следует, что необязательно стремиться к минимальной индуктивности в цепи разрядника Р1. Некоторая небольшая индуктивность может оказаться даже полезной. (При малой индуктивности контур C1Р1 разряжается слишком быстро, скин слой при таких временах становится тонким и вносит такие потери, что RLC контур переходит в RC контур - т.е. перестает "опрокидываться". При этом не достигается максимально возможное напряжение на зазоре, да и энергия идет по большей части "в корзину". С другой стороны, если контур опрокидывается слишком медленно, то искра в лазерном зазоре успевает образоваться еще до того, как он окажется под достаточным перенапряжением - не развивается объемный разряд, нет энерговклада в объем газа - лазер тоже не работает. Ну и с третьей стороны - всякая индуктивность вносит еще и сопротивление и неизвестно еще, улучшит ли положение та конкретно взятая катушка, которую Вы воткнете в цепь разрядника. На практике я катушки не использовал, но видел, что лазер метровой длины с размахом крыльев 10 см и разрядником расположенным "с торца" вполне исправно работает. Хотя по "классической" теории индуктивность крыльев по направлению вдоль лазера к разряднику должна была бы все испортить.)
   В направлении же "поперек" лазер должен быть очень быстр. Конденсаторы крыльев лазера должны быть способны разряжаться за время порядка времени жизни верхнего лазерного уровня при атмосферном давлении (~1..2нс). Готовые конденсаторы на нужную емкость и напряжение такой способностью не обладают.
   Проверка работоспособности лазера с быстрыми конденсаторами типа КВИ и К15-4 (зеленые банки от телевизоров) вместо крыльев показала недостаточную скорость разряда. В итоге лазер не работает (хотя лиловое свечение между электродами горит красиво). Сообщения о том, что воздушка работает с накопителем на керамических конденсаторах или на генераторе Маркса (например http://www.milankarakas.org/pub/NEW_TEA_N2_1), видимо вызваны способностью лазера работать на собственной емкости электродов (см. далее). Хотя нет худа без добра - в попытках воспроизвести результаты была найдена конфигурация электродов, способная выдавать довольно большую мощность при значительно сниженной емкости обкладок или вовсе без них. Что до керамических конденсаторов, то азотный лазер низкого давления удается сделать с их использованием, хотя как правило скорсти разряда не хватает для получения сверхизлучательного режима и приходится использовать зеркала и резонатор. (например http://pulslaser.de/stickstoff). Только набирая впараллель батареи из множества керамических конденсаторов сравнительно малой емкости (470..520 пф) удается создать сверхизлучательный откачной азотный лазер с использованием конденсаторов, которые продаются в магазине. Впрочем есть способ использовать покупные конденсаторы - но не для питания основного разряда, а в схеме с передачей заряда - в качестве первичного и сравнительно медленного накопителя (об этом см. далее в подпункте "мощность")
   
   Кроме минимально возможной индуктивности (в направлении поперек лазерного зазора) крылья лазера должны обладать еще и минимальным сопротивлением. При емкости крыльев ~8 нф внесение в разрядный контур всего одного ома даст постоянную времени ~ 8 нс - лазер станет неработоспособным. Казалось бы один ом это много. На самом деле на тех частотах, на которых работает лазер, внести один ом это очень легко. Недостаточно хорошо прижатые или не по всей длине прижатые электроды - и все. Грязная (окислившаяся) поверхность токоподводов (даже не рабочей поверхности электродов, а тех поверхностей, по которым ток еще только дожен добраться дотуда) и все.
2. Частота повторения.
   Везде пишут, что максимальная частота повторений для азотного лазера порядка 100Гц.
   Звучит как спойлер, но описываемая воздушка вполне сносно работает герц до 400, потом резко гаснет и к 600 Гц на выходе ничего нет (частоту выстрелов можно померить по частоте щелчков разряда или вспышек подключив микрофон или фотодиод к звуковой карте и запустив на компьютере простейший осциллограф, например winscope - сорри, ссылку не помню, но всемогущий Google поможет ищущим).
   На самом деле миф о низкой возможной частоте объясняется двумя вещами:
   • перегревом газа
   • снижением напряжения пробоя в управляющем разряднике при повышении частоты повторения
   В воздушке размер лазерного рабочего объема мал. Да и нагретый воздух легко оттуда выбрасывается при каждом импульсе. Если поделить размер зазора (~ 1мм) на скорость звука (300 м/с) получится, что лазер должен успевать выбрасывать воздух из зазора до частот повторения порядка сотен килогерц. Перегрев в данном лазере тоже не наступает (хотя бы потому, что при таком воздухообмене Вы бы легко его заметили по плавлению полиэтилена под лазерным зазором. Такое бывает, кстати, при неудачной конструкции глушителя.)
   А вот с разрядником все хуже. Еще сам Тесла столкнулся с тем, что остаточная ионизация от предыдущего импульса облегчает пробой разрядника при высокой частоте повторения. Поэтому и строил вращающиеся разрядники, да еще и с обдувом сжатым газом.
   Со снижением напряжения срабатывания разрядника падает запасенная в крыльях энергия. Вплоть до полного ухода лазера под порог генерации.
   Если не рассматривать вращающиеся электроды и обдув газом, то предельная частота при которой разрядник сохраняет работоспособность уменьшается с размерами искры в нем (с ростом напряжения и энерговклада.) А с другой стороны выходная энергия лазера в импульсе довольно бодро растет с увеличением напряжения питания (которое ограничивается лишь электропрочностью используемой диэлектрической пленки). Для многих применений (в частности для накачки лазеров на красителях) важна в первую очередь энергия в каждом импульсе, и Вам будет хотеться поднять напряжение и энергию. К сожалению способность работать на частоакх в несколько сотен герц относится только к низковольтным (~<8 kV) вариантам воздушки, где длина и энергия искры в разряднике мала. Попытки поднять напряжение и энергию импульса быстро наталкиваются на ограничение по частоте срабатывания. Особо высоковольтные варианты (~20 kV) хотя и дают очень яркое пятно, но не особо желают работать на частоте даже 20 Гц, уж не говоря о сотнях.
   Настройку лазера, в любом случае, проводите на низкой частоте (герц 20-50). На больших частотах лазер критичен в настройке (неустойчивость разряда) и можно легко повредить электроды. Переходить от частоты к частоте лучше изменением Rб. Можно, конечно крутить болт разрядника, но это изменяет рабочее напряжение и может потребовать переюстировки электродов.
3. Мощность.
   Мощность лазера варьируется от сборки. Артефактные экземпляры светят раз в 5 мощнее чем среднетиповые. Конкретное значение мощности назвать трудно т.к. измерители сходят с ума от помех.
   Светящееся пятно от луча хорошо получившейся воздушки вблизи лазера отчетливо видно на всем, включая и обычно нелюминисцирующие вещи (кафель, алюминий, стекло, железо). Как выясняется, нет нелюминисцирующих вещей, когда мощность ультрафиолета достаточно высока.
   Детальное сравнение отличий артефактов от остальных образцов показало, что мощность в первую очередь зависит от качества основных (лазерных) электродов, затем (слабее) зависит от величины зазора между верхними обкладками и от ровности и параллельности краев этого зазора, затем (еще слабее) зависит от разрядника
   затем (примерно так же как от разрядника) зависит от качества контакта межу обкладками и разрядником, между обкладками и лазерными электродами и внутри самих обкладок. Для хорошего контакта требуется ровная плоскость по всей площади и хороший прижим.
   от изменения геометрии обкладок в разумных пределах (при равной площади) ничего не зависит. Полукруглые, треугольные и прямоугольные обкладки дают примерно одинаковый результат. Неразумные пределы - это зигзаг-линия, полосковая спираль, переудлинненные схемы и т.п.
   не найдено однозначной зависимости и от положения разрядника (при условии, что емкости С1 и С2 одинаковы), хотя стабильность работы заметно выше, когда разрядник находится вблизи лазерного электрода как на фотографиях. (И то и другое, впрочем, более чем ожидаемо с учетом сказанного выше о работе лазера.)
   В сравнении с правильно сделанным азотником низкого давления при равной запасенной энергии (площадь крыльев, питающее напряжение) описанная тут воздушка дает приблизительно такую же энергию в импульсе. Неправильно сделанный воздушный откачной азотник (в первую очередь имеется в виду отсутствие предионизатора) может не порадовать значительно худшими параметрами, чем выдает простенькая воздушка. Самое главное, что позволяет откачка - раздуть размах крыльев. При уменьшении давления растет время жизни верхноего лазерного уровня в азоте, а значит лазер можно медленнее качать. Так например откачная кювета с зазором 6 мм, длиной электродов 30 см и толщиной электродов 1 мм требует для своего насыщения крыльев по 50х50 см каждое. Естественно, что она и выдает больше. Хотя и это не является необходимым. Используя самодельные малоиндуктивные конденсаторы стопчатой конструкции можно обойти ограничение на предельный размах крыльев и в воздушке. Правда по классической схеме "Блюмлейна" это не получается - велика индуктивность "земляного" соединения. А вот схема с передачей заряда вполне работоспособна:
   
   И выдает около миллиджоуля в импульсе, что с учетом размеров и того, что используется не азот а воздух, вполне неплохо. Забавно, что каждый раз, как мне удается сконструировать откачной лазер, превосходящий атмосферник по выходной энергии, почти вслед за этим получается сделать неоткачную воздушку той же или большей энергии.
   Еще при экспериментах с азотником низкого давления выяснился забавный факт:
   ПАРЫ ВОДЫ УБИВАЮТ ГЕНЕРАЦИЮ АЗОТА. Стали понятными и погодные колебания мощности обычной воздушки, которые никак не хотели вязаться с давлением воздуха. Чем выше влажность - тем хуже, вплоть до полной потери генерации.
4. Направленность.
   Расходимость по видимому глазом пятну составляет чуть меньше 0.01(3.5 см на 4.5 метрах) Для такого простого лазера - совсем неплохо.
   Если светить надо далеко, можно поставить коллиматорную линзу, благо как выяснилось, стекло отлично пропускает ультрафиолетовое излучение лазера. (Новость хорошая - кварц не нужен.)
   Юстировкой электродов легко можно добиться чтобы лазер излучал только "вперед", только "назад" и более менее одинаково в обе стороны. В этом смысле сомнительно, что установкой "заднего" зеркала можно добиться лучшего эффекта чем просто юстировкой электродов, и чем длиннее лазер, тем меньший эффект должно давать заднее зеркало.
   Лазер имеет выделенное направление. Когда электроды съюстированы на максимум излучения в этом направлении выходная мощность максимальна. Когда съюстированы на максимум излучения в противоположном направлении достижимая выходная мощность заметно ниже."Перед" у большинства сборок лазера находится со стороны разрядника. Очевидно, что одинаковая разность напряжений между крыльями достигается позже на противоположном от разрядника конце лазера. Очевидно, что напряжение, необходиое пробоя лазерного промежутка со стороны, противоположной разряднику, достигается позже. Очевидно и то, что если мы юстировкой электродов добиваемся, чтобы и разряд начинался со стороны разрядника, то за счет расхода энергии на разряд и амплитуда разности напряжений между крыльями падает по мере удаления от разрядника. Для того, чтобы этого оставшегося напряжения хватало для пробоя и для получения объемного разряда, зазор на "дальнем" конце лазера приходится выставлять меньшим (чем он мог бы быть при юстировке лазера на излучение в направлении разрядника). Но чтобы сохранялось направление распространения волны зажигания разряда, зазор с ближнего к разряднику конца лазера приходится выставлять еще меньшим. В итоге срабатывание лазера идет при меньшей разнице в напряжениях на крыльях - при меньшем энерговкладе. Отсюда и меньшая излучаемая мощность.
   С другой стороны, когда мы юстируем электроды на излучение "к разряднику", мы даем волне перезарядки спокойно (почти без расхода энергии) добраться до "дальнего" конца лазера, после чего позволяем развиться волне зажигания разряда. Зазоры и разность напряжений между крыльями в этом случае получается больше (причем при равных зарядных напряжениях). Соответственно больше и выходная энергия.
   Впрочем величина разрядного промежутка - это не единственный путь управления скоростью развития пробоя. Влияет еще и интенсивность и задержка предионизации. Поэтому лазеры с перекошенным предионизационным зазором (зазором между фольгами крыльев на полиэтилене) могут иметь направление преимущественного излучения и в направлении "от разрядника".
   
5. Электроды.
   Лазерные электроды (отрезки алюминиевго уголка) - самая ответственная часть лазера. В основном от них зависит мощность воздушного лазера. Когда Вы юстируете электроды, постепенно и понемногу сближая их, поочередно то с одного края то с другого, то можете наблюдать, что в какой-то момент довольно легко получить однородный разряд в виде чистого (без искр) лилового свечения. Если рассматривать разряд внимательно или через лупу, то видно, что свечение состоит сплошь из микроискр. Микроискры (стримеры) имеют размазанный (диффузный) вид и прозрачны на просвет - похожи на дугу низкого давления (как в известном сувенире - стеклянном шаре с электрическими разрядами). Микроискр примерно 10-20 на миллиметр, т.е. когда вы смотрите на разряд издалека или фотографируете его, то видите однородное свечение.
   Такой вид разряда для лазера самый лучший (шумит он хотя и слабее разряда с искрами, но тоже громко и неприятно). Проблема в том, что в этот момент лазер не работает (на бумажке-визуализаторе не видно четкого пятна) Такой тип разряда хорошо получается при расстоянии между электродами ~ 2 мм. При этом энергия в разряде слишком низка для хорошей работы лазера.
   При меньших расстояниях между электродами на фоне лилового свечения появляются яркие белые искры (шум тоже возрастает). При зазорах меньших 1.5мм лазер генерирует четко оформленный луч. При зазорах меньших 0.5 мм лиловое свечение пропадает и разряд имеет вид множества ярких искр. Луч лазера тоже пропадает и при дальнейшем сближении электродов уже не возникает вновь.
   На самом деле приведенные расстояния в миллиметрах ориентировочны (для электродов из алюминиевого уголка толщиной 1 мм) и сильно меняются от толщины электродов, качества обработки их поверхности, материала и покрытия. Важно, что имеются последовательно пять зон по расстоянию между электродами:
   1) зона множественного искрового разряда,
   2)зона смешанного разряда,
   3)зона диффузного разряда,
   4)вторая зона искрового разряда,
   5) зона отсутствия разряда.
   Главное, что требуется от электродов - давать однородный или хотя бы смешанный разряд при межэлектродном расстоянии ~ 1 мм а лучше и меньше.
   При плохой поверхности электродов (слишком большая шероховатость, неровность, задиры) зоны 2 и 3 могут либо вовсе не существовать, либо существовать при слишком больших межэлектродных расстояниях, когда лазер уже не может работать.
   Электроды, обработанные напильником (даже бархатным) или мелкой наждачной бумагой НЕ РАБОТАЮТ! Работают полированные электроды (как минимум точечное пятнышко генерации увидите), хотя мощность с них ниже.
   НЕ РАБОТАЮТ слишком тонкие (ножевые) электроды и слишком толстые.
   НЕ РАБОТАЮТ анодированные алюминиевые электроды, электроды из старого, хранившегося на улице и покрытого толстой пленкой окисла алюминия,
   НЕ РАБОТАЮТ линейки из нержавейки и ножовочные полотна (Типовые ресы из которых люди обычно пытаются собрать свой первый воздушный азотник). Вообще избегайте применения стальных электродов. В более крупных лазерах с большими рабочими напряжениями они работоспособны, но снижают выходную мощность. Это изза большого удельного сопротивления стали (в разы больше чем у меди и алюминия) и ферромагнитных свойств, которые отьедают высокочастотную мощность в разрядном контуре.
   Из доступного - хорошо работает свежий алюминиевый уголок толщиной 1-2 мм и шириной достаточной для хорошего контакта (обычно 20 мм), алюминиевый плинтус (ВЫБИРАЙТЕ НЕАНОДИРОВАННЫЙ!), пластиковая линейка, ровно обернутая алюминиевым скотчем (при неудачной юстировке быстро прогорает).
   ЭЛЕКТРОДЫ РЕШАЮТ ВСЕ. От них зависит не только какую мощность выдаст лазер, но и будет ли он работать вообще. От них зависит какая, в частости нужна оптимальная площадь обкладок и нужны ли они вообще. Например, была найдена конфигурация электродов, способная давать очень яркий луч при буквально подэлектродной емкости.
   
   Впрочем небольшие (сантиметра по три-пять с каждой стороны) крылья все-таки не помешают. Электроды делаются: левый по рисунку из алюминиевого уголкового плинтуса с заостренным краем, правый - из алюминиевого уголка с толщиной стенки 1 мм, положенного прямо на обкладку (без подкладывания чего-нибудь для приподнятия над поверхностью диэлектрика). Разряд горит накосо между угловыми ребрами электродов. Плинтус зачищается и его рабочий край полируется (обычно плинтус анодирован); для второго электрода уголок используется "as is" - в магазинно продажном состоянии.
   Интересно, что при попытке увеличить обкладки для такой конфигурации электродов мощность в луче не растет. Начиная с размаха ~20 см даже падает. Зато воздушка с такими электродами компактна, мало шумит и легче держит высокие частоты повторения (в смысле перегрева). и более удобна для оформления в стабильный конструкт. Так вот оно выглядит:
   (для примера питается от сидюковой электрофорки)
   
   
   
   
   Смысл электродов сводится к концентрации поля. Напряженность поля в лазере значительно ниже оптимальной. Поэтому концентрация поля на угловом электроде ему только на руку. Мощность такого лазера не выше мощности обычной воздушки, поскольку объем газа в области концентрированного поля мал. Зато кпд намного выше.
6. Восстановление электродов.
   Электроды испорченные при изготовлении (задранные напильником), анодированные, прожженные искрой при неудачной юстировке и просто из старого грязного алюминия можно оживить отшлифовав мелкой шкуркой и отполировав на войлочном круге (естественно на дрели или на точиле - не вручную же) до зеркального блеска пастой ГОИ. Однако за счет неровностей при такой грубой полировке разряд будет неоднородным по длине электродов и мощность лазера будет сильно ниже чем при использовании "свежего" уголка. Можно обработать и менее грубо - тонким фрезерованием или шлифовкой на ровном стеклянном листе. Но это уже не для домашних опытов.
7. Зазор между обкладками.
   Зазор между верхними обкладками лазера образует место формирования скользящего разряда, ультрафмиолетовым излучением которого предионизуется газ в основном промежутке. Интенсивность этого излучения должна быть достаточна для предионизации, соответственно и скользящий разряд должен быть достаточно интенсивным. При слишком большом зазоре скользящий разряд теряет интенсивность и далее исчезает вовсе. При этом однородный разряд в лазерном промежутке получить не удается. (Некоторые конфигурации электродов могут сами служить источником скользящего разряда, но во-первых - не все, а во-вторых при этом скользящий разряд зависит от положения электродов, а это... отнюдь не упрощает процедуру юстировки.)
   Слишком интенсивный скользящий разряд имеет свойство переходить в (много) искровую форму и отжирать энергию от основного разряда (а то и вовсе закорачивать цепь). Поэтому и слишком малый зазор между крыльями тоже вреден.
   оптимальная величина зазора между фольгами крыльев зависит от питающего напряжения и скорости "опрокидывания" крыла через управляющий разрядник. Для описанной конструкции и напряжений 8..10 кВ оптимум зазора 3..4 мм. При значительном изменении питающего напряжения и (или конструкции разрядника) оптимальный зазор придется подбирать.
8. Масштабирование.
   Лазер получается при длине электродов от ~7 см (минимальная длина, на которой набирается усиление, необходимое для работы лазера без зеркал) до ~1 м с примерно пропорциональным изменением выходной мощности. Больше метра делать становится трудно по двум причинам: а) трудно найти пригодные элктроды достаточной длины, б) зазор на выходном конце лазера уже при длине в метр превышает 3 мм, а чтобы получать объемный разряд в таком зазоре, приходится уходить на напряжения в 30+ кВ. Поиск достаточно электропрочной диэлектрической пленки и война с пробоями при таких напряжениях начинают вызывать проблемы.
   Ширина обкладок (полуразмах крыльев) снизу ограничивается требуемой мощностью и, чтобы получить хорошо видимое пятно, должна обычно быть не меньше 3 см; сверху ограничивается насыщением - тем, что при дальнейшем увеличении размаха крыльев яркость не растет (связано с увеличением времени разрядки конденсаторов, устойчивостью разряда в газе и т.п.) Максимальная ширина обкладок обычно не больше 10 см.
   Выходная мощность лазера очень бодро растет с увеличением рабочего напряжения. Полный энерговклад в газ может быть выражен как Q=E*D*h*C*dU*L, где E=30 кв/см - напряженность поля в разряде, D - расстояние между лазерными электродами, L - их длина, h - толщина разрядного столба, dU - наброс напряжения на крыльях за время перекрытия плазмой лазерного зазора. Если считать, что межэлектродный зазор пропорционален зарядному напряжению D~U, толщина столба тоже пропорциональна зазору и, в итоге пропорциональна U: h~U; а наброс напряжения пропорционален напряжению заряда и времени перекрытия (считаем, что скорость разряда крыльев постоянна), которое в свою очередь пропорционально зазору и, соответственно U, т.е. dU~U^2, то получим Q~CU^4. Тут можно, однако заметить, что с ростом U потребуется увеличивать толщину диэлектрика и C~1/U. Возможный рост скорости разряда при снижении емкости будет скомпенсирован увеличением сопротивления искры в разряднике, так что dU останется прежним. Таким образом энерговклад пропорционален напряжению в кубе, и, соответственно с точностью до кпд лазера выходная энергия будет пропорциональна кубу напряжения. Но так будет только до тех пор пока не будет достигнут предел тепловой нестабильности. Дальше выходная энергия будет расти пропорционально объему плазмы, т.е. приблизительно пропорционально U^2.
   Надо отметить, что если при масштабировании лазера рабочий зазор упорно не желает линейно расти с приложенным напряжением, это говорит о недостаточной предионизации. Не рассматривая сложные и изощренные методы предионизации в самом простейшем случае побороть это можно увеличив крутизну нарастания питающего импульса. Используйте рельсовый многозазорный разрядник или разрядник высокого давления.
   При рабочих напряжениях порядка 20 кВ и выше тонкие электроды (как в описанной конструкции) будут препятствовать росту толщины плазменного столба и ограничивать выходную энергию лазера. При таких напряжениях используйте в качестве электродов круглые алюминиевые трубки или округлые штанги. Неплохие результаты получаются при использовании дверных ручек окрулого профиля.
   И вот еще что. Да, в общем случае, лазер больших размеров, питаемый большим напряжением, дает большую выходную энергию. Но, как уже было сказано, электроды решают все. Запросто может статься, что новый большой азотник на 40 кВ не выдаст и половины от того, что выдавала старая добрая воздушка на 15 кВ. И это - полная боль в ... голове. Что тут можно посоветовать? Напилить весь подручный цветмет на электроды и пробовать, пробовать, пробовать...
   
9. Варианты.
   Простор для конструкций полный.
   Для начала, например полезно собрать лазер на железном листе и заменить грузы магнитиками (которые наверняка остались от разборки DVD-головок на диоды), получается транспортабельный конструкт, выдерживающий переворот "вверх ногами"
   
   Для компактности крылья лазера можно свернуть. На работоспособность лазера это мало влияет:
   
10. Применение.
    Лазер интересен для:
    
    • юстировки тонких и длинных вещей (дифракционная расходимость УФ луча в два раза меньше, чем красного, и несмотря на то что качество излучения азотника низкое, всегда можно использовать малорасходящуюся сердцевину пучка, а остальное обрезать диафрагмами.)
    • точечного отверждения фотоотверждаемых клеев.
    • накачки лазеров на красителях (если есть что накачивать)
    • калибровки самодельных спектрографов, в том числе и CD- Дисковых (излучает на 337 нм)
    • просто для развлечения
    • голографии (тут прошел слух, что естественная ширина спектра азотного лазера даже в сверхлюминисцентном режиме настолько узка, что обеспечивает длину когерентности ~3 см. Если это так, то вероятно с помощью азотника можно снимать голограммы небольших объектов, причем поскольку длительность импульса менее 1 нс, объект может быть и движущимся.)
    Лазер не интересен для:
    
    • сверления, полирования и прочей обработки материалов (не получится достичь нужной выходной энергии, хотя... за год наверное дырку в лезвии просверлить можно)

<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА