По этому гайду будем учиться делать мощный азотный лазер на атмосферном
воздухе. Отдельного комментария заслуживает понятие "мощный". для человека,
сколько-нибудь продолжительное время провозившегося с азотниками, даже один
миллиджоуль воспринимается, как туева хуча выходной энергии. Кроме того,
вопрос о точном измерении энергии азотников мутен и темен. Это, конечно,
мое личное мнение, но в достоверность более 50% опубликованных на эту тему
результатов я не верю (см ниже в разделе "комментарии").
В определении, какой лазер мощный а какой - нет, можно пойти с другой
стороны - от применения. Не секрет, что подавляющее большинство азотников
делается для накачки лазеров на красителях. В интернете выложено докузнища
конструкций самодельных азотных лазеров. Однако, далеко не все из них способны
заставить загенерить лазер на красителе. И совсем немногие могут сделать это в
прямом (нефокусированном) луче.
В этом гайде мощным будем считать азотник, способный нефокусированным
лучом заставить работать лазер на красителе. Понятно, что доски он резать
не будет, жечь искру в воздухе - тоже.
1. МАТЕРИАЛЫ
Нам потребуется
- Нечто ровное и твердое для основания лазера.
(Азотник учит по иному смотреть на вещи. То, что раньше Вы считали
ровным, внезапно оказывается недопустимо кривым. А то, что считали
достаточно жестким начинает недопустимо прогибаться при сборке.)
В моем случае был взят кусок листового оргстекла толщиной 10 мм
длиной 400 мм и шириной 300 мм. К сожалению, такие ресы на дороге
уже не валяются - пришлось купить в специализированном магазине по
специально оформленному заказу. Дело, однако, того стоило.
- Лист майлара толщиной 0.12 мм достаточной площади, чтобы полностью
накрыть основание лазера. Лучше - с некоторым запасом.
Поскольку мы делаем мощный азотник, полиэтилен уже не подойдет в
качестве диэлектрика. Он обладает недостаточной стойкостью к
электричеству и температуре (последнее, как ни странно, тоже важно,
поскольку лазер будет греться и в местах где горит корона и в местах,
где шьют слабые паразитные разряды).
Майлар можно заменить на каптон. Стоит это во много раз дороже, а
выходная энергия, по моему опыту, примерно на том же уровне.
С некоторых пор вой на тему "я простой российский школьник, где мне
взять листовой майлар?.." не принимается. В любом супермаркете можно
купить РУКАВ ДЛЯ ЗАПЕКАНИЯ пищи.
Толщина майларовой пленки там, понятное дело, меньше нужной. Но можно
положить в несколько слоев. Измерьте толщину доступной Вам пленки и
положите столько слоев, чтобы суммарная толщина равнялась 120 мкм.
Обычно это 6 слоев пленки от рукава для запекания. Или, поскольку
рукав двухслойный, - это три двойных слоя.
- Кухонная алюминиевая фольга.
Выбирайте самую толстую из доступных. В продаже более менее несложно
найти фольгу толщиной до 14 мкм. Конечно это тоньше, чем хотелось бы,
но ниже будет написано как с этим бороться.
- Высоковольный блок питания на 16+ киловольт.
Как его сделать, почти не прилагая ума и сил написано здесь.
Кроме того, как выяснилось, питать лазер можно от обычного шокера
с длиной искры не менее 16 мм. Если у Вас более слабый шокер, можно
использовать два последовательно. Как это сделать написано здесь.
- Штуки три четыре школьных стальных линейки длиной 30-40 см
Проверьте, чтоб магнитились.
- Штук шесть небольших магнитов (чем сильнее тем лучше).
В идеале используйте эти самые новомодные неодимовые магниты.
- Рельсовый двухзазорный разрядник.
Чтоб не занимать место дважды в этом гайде не будет его описания.
Как его сделать и настроить смотрите здесь.
Рельсовый разрядник за счет меньшей индуктивности и большей скорости
действительно существенно поднимает мощность азотника. По моим
наблюдениям в 2..5 раз. Если вам сильно неохота связываться с его
постройкой и настройкой, рекомендую вообще отказаться от предлагаемой
(крыльевой) схемы лазера и воспользоваться "схемой с передачей заряда"
см. здесь же в разделе "комментарии"
- Материал для электродов. Для простоты напишу, что нужны алюминиевые
пластины толщиной 2.5..3 мм и длиной 30 см. На самом деле далее из
гайда станет понятно, что многие другие ресурсы могут подойти. Простор
для фантазии неограничен. Главные требования к заготовкам - прямость
и ровность и размеры, позволяющие придать рабочим кромкам нужную форму.
- Кювета с лазерным красителем. Кювета потребуется не только для проверки
работоспособности лазера, но и для настройки его на максимальную
мощность. Кювета и краситель могут быть покупными. С другой стороны
кювета может быть и самодельной (как ее сделать смотрите здесь), а
краситель может быть заменен на сок одного из подходящих фломастеров
(список маркеров, проверенных мной на предмет способности к лазерной
генерации смотрите здесь).
На худой конец можете попробовать настроить лазер на максимальную
мощность используя фотодиод/фотоэлемент в качестве датчика. Но это
менее наглядно, менее удобно и требует больших навыков.
Также потребуются разнообразные мелкие ресурсы:
- многожильный монтажный провод
- припой и флюс
- крокодилы
- может потребоваться балластный резистор номиналом в 1..10 мегаом.
(главное требование к резистору - должен выдерживать напряжение
блока питания без пробоя по поверхности)
Инструмент:
- Ножницы (радует, что не по металлу)
- Ножовка
- Дрель (а к ней сверла, и, неплохо бы, и войлочный круг)
- Сравнительно грубая наждачная бумага (подойдет №200..300)
- Сравнительно тонкая наждачная бумага (подойдет №1000)
- Полировальная паста (желательно работающая по металлу. это может быть
паста ГОИ, автополироль и тд и тп)
- Напильники. Один сравнительно грубый, другой наоборот, понежнее.
- штангенциркуль (линейкой не обойдетесь, придется измерять зазоры
с точностью до 0.1 мм)
- отвертка с большой диэлектрической ручкой. использование по назначению
это последнее, что Вы будете с ней делать. В основном она пригодится
для юстировки электродов и для разрядки лазера после выключения.
2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДОВ
В нашей конструкции электроды должны иметь длину 300 мм. (Можно и длиннее
но тогда придется увеличить и другие размеры лазера см. разд. комментарии,
о масштабировании).
Рабочая кромка электродов имеет вид ножа с большим углом заточки (см.рис.)
На рисунке показано сечение электрода вблизи рабочей кромки. Пунктиром
показан ответный электрод.
К тому, что в азотном лазере атмосферного давления для максимальной
мощности кромка электродов должна быть острой, в разное время, независимо
друг от друга, и из разных соображений пришли, как минимум, три человека:
Альфонсо Родригес, Джаррод Кинси и автор этого гайда.
Угол заточки электродов определяется из их толщины (высоты, на которой
кромка будет расположена над диэлектриком) и того факта, что зазор
для скользящего разряда H (зазор между электродами по поверхности
диэлектрика) должен примерно вдвое превышать рабочий лазерный зазор h.
Зазор h должен быть равен половине зазора в разряднике (почему это так
см. в разд. комментарии). Поскольку используется двухзазорный разрядник
с номинальным зазором от 2х2мм до 2х3 мм то и величина h должна быть
выбрана в пределах от 2 до 3 мм.
Зазор между электродами снизу (у поверхности диэлектрика) выбирается
равным удвоенной величине рабочего лазерного зазора H=2h. Это соотношение
неочень критично, но если выбрать H слишком маленьким, лазер начнет
закорачиваться скользящим разрядом вдоль диэлектрика. Если же выбрать H
слишком большим, то скользящий разряд будет слишком слаб для эффективной
предионизации - будет очень трудно получить однородное свечение между
электродами. Разделив этот необходимый прирост расстояния (H-h=2h-h=h)
поровну между левым и правым электродом получим, размер фаски на каждом
из электродов: delta=h/2=1..1.5 мм.
Высота расположения рабочих кромок над диэлектриком (толщина электродов)
также является сравнительно свободным размером. Следует однако помнить, что
если она слишком мала (порядка миллиметра и меньше) разряд будет иметь
тенденцию стелиться вдоль диэлектрика и лазер нормально работать не будет.
Если же эту величину выбрать слишком большой (5 мм и более) то лазерный
зазор оказывается слишком далеко от скользящего разряда - падает
эффективность предионизации, что как минимум снижает мощность, а как
максимум делает лазер неработоспособным. Вообще, следует стремиться к
тому, чтобы рабочие кромки были расположены на минимальной высоте, при
которой разряд еще устойчив. На практике можно выбирать толщину электродов
от 2 до 3 мм.
Собственно вот и определились размеры и форма электродов вблизи рабочих
кромок. Остальная часть электродов может быть произвольного размера лишь
бы обеспечивалось хорошее прилегание электродов к крыльям (фольговым
обкладкам) и достаточная механическая устойчивость (жесткость). Понятно,
что в направлении вдоль электродов рабочие кромки должны быть максимально
прямыми. (Свет распространяется по прямой и, к сожалению, нет средств
заставить его бежать вдоль кривых электродов.)
В моем случае удалось найти заготовки в строительном магазине в виде
алюминиевых сборных дверных ручек, основная часть которых имеет форму
призмы с сечением примерно соответствующим прямоуглоьному треугольнику.
Причем, если положить эту призму на одну из катетных граней, то
декоративные фаски на ней как раз образуют необходимый взъем под острой
кромкой.
Нахождение столь подходящего исходника безусловно снизило число операций
по обработке до минимума. С другой стороны если, ничего подходящего в
пределах досягаемости не наблюдается, можно взять просто алюминиевую
полосу толщиной миллиметра 2..3 и шириной миллиметров 20..30 и снять
необходимую фаску - превратить эту полосу в нож с крутым углом заточки.
Лучше, конечно, это делать на станке, но на самом деле это удается и
напильником вручную.
Если кромка не будет получаться идеально острой - беспокоиться не о чем.
Слишком острая кромка быстро выжигается паразитными искрами, которых все
равно не удастся избежать, хотя бы на этапе настройки. Кромка должна иметь
некоторое скругление, мало заметное глазом, больше напоминающее тупой нож.
Все острые углы за исключением рабочей кромки лучше скруглить напильником.
Это позволит избежать образования короны при работе лазера.
Если заготовка анодированная - удалите анодирование грубой наждачной
бумагой.
Рабочую кромку электродов следует отполировать. Делается это с помощью
полировальной пасты, дрели и войлочного диска. На самом деле процедура эта
не столь трудоемкая, как может показаться на первый взгляд.
Если рабочая кромка по каким либо причинам кривая или имеет задиры после
снятия анодирования, перед полировкой ее следует выправить и подшлифовать
сравнительно тонкой наждачкой (№1000). Приклейте наждачку (на двусторонний
скотч) к длинной ровной и жесткой детали (лист оконного стекла, отрезок
алюминиевого уголока и т.п.) а затем ровными движениями с равномерным
нажимом правьте рабочую кромку. Затем полируйте.
Правильно изготовленные электроды имеют ровную прямую блестящую кромку с
небольшим затуплением (тупой нож). Если их сложить кромками друг к другу
и посмотреть на просвет, максимальная величина щелей, где кромки не
прилегают, не должна превышать толщины волоса.
ЗАМЕЧАНИЕ: хотя лазер работоспособен и без полировки (со шлифованными
электродами), тем не менее полировка дает весьма существенный прирост
выходной мощности (2..4 раза). Не пренебрегайте этой процедурой.
3. СБОРКА
Разрядник в лазере можно крепить на болтах и на струбцинах. Если
планируете болтовое крепление, то перво-наперво просверлите в основании
крепежные отверстия по месту будущего расположения разрядника.
Затем на основание лазера вблизи его осевой линии приклейте пластичным
клеем (резиновый клей, 88-й, "спрут", и тп) стальные линейки. Это будет
база для прижима электродов магнитами. (Да, можно и постаринке, прижимать
электроды грузами или пластиковыми болтами, но поверьте, магниты куда
удобнее и не зависят от направления силы тяжести, т.е. в идеале
конструкция может получиться даже переносной.)
Область, куда наклеены линейки, или точнее область покрытая железом должна
перекрывать все пространство возможного перемещения электродов. В нашем
случае это 30х6 см. Если Вам не хочется заморачиваться с уступами и
ступеньками под диэлектриком можно заклеить металлом всю рабочую
поверхность, как показано на фото. Если основание целиком стальное, то с
наклейкой линеек можно не заморачиваться.
Из фольги вырежьте земляную (общую) обкладку. Наложите ее на основание и
разровняйте. Ее можно закрепить по краям небольшими кусочками скотча, а
можно и оставить как есть - никуда она не денется, будет прижиматься к
основанию разрядником, электродами, и электростатическими силами,
действующими на обкладки сверху.
Поверх земляной обкладки положите майлар. Выровняйте. Особенно тщательное
выравнивание требуется, если Вы используете многослойную пленку (пакеты
для запекания).
Далее необходимо сделать крылья. Поскольку по причинам доступности
приходится использовать слишком тонкую фольгу, имеется риск, что
интенсивная корона с ее краев будет повреждать диэлектрик и способствовать
пробоям по закраинам. Чтобы уменьшить этот вред, крылья делаются из
фольги, сложенной в несколько слоев. Способ складывания показан на
фотографиях.
Смысл такого хитроумного складывания в том, чтобы по периметру крыльев
оказались не острейшие кромки тонкой фольги, а сгибы, имеющие заметный
радиус скругления. Если сможете обеспечить это другим способом -
складывайте как Вам нравится.
Размер крыльев 30 см х 10 см (длина равна длине электродов, а ширина
равна 10 см). Уменьшение ширины крыла до величин меньше 10 см дает
существенное пенальти в выходной энергии. Практически пропорционально
срезанной площади. Увеличение свыше 10 см и вплоть до 15 см дает рост
выходной энергии, но довольно вялый. Кроме того с увеличением площади
обкладок растет паразитное искрение и при их ширине свыше 15 см уже
трудно сказать был бы рост на выходе, если б не было искр или нет.
Наложив крылья, неплохо проверить емкость между каждым из крыльев и
общей (земляной) обкладкой. Это можно сделать мультиметром, способным
к измерению емкости. В зависимости от качества сборки Вы должны получить
значение емкости от 3 до 5 нФ (на каждое крыло). Если сильно больше -
вероятно у Вас занижена толщина диэлектрика. Если меньше - то либо
наоборот диэлектрик слишком толстый, либо много пузырей и неровностей.
Вот так выглядят крылья, уложенные на свои места.
Прежде чем наложить электроды имеет смысл сделать пружинящие контактные
прокладки. Их смысл в том, чтобы обеспечить хороший контакт между крыльями
и электродами по всей длине электродов. На практике элекроды никода не
будут достаточно плотно прилегать к основанию. Они прямые а основание -
не очень. Неровности и складки крыльев еще усугубят дело. А контакт в
азотнике нужен не просто хороший, а очень хороший. В момент срабатывания
лазера там летят килоамперы тока и каждый лишний миллиом снижает выход.
Пружинящие контактные прокладки можно сделать из той же алюминиевой фольги
сложенной в несколько слоев и смятой в виде гофра. Длина прокладок должна
быть равна длине электродов. Ширина - 10..20 мм.
Наложите пружинящие прокладки на внутренний край крыльев (вдоль той грани,
где будут установлены электроды).
Поверх них поставьте электроды и
прижмите. Усилие прижатия должно быть достаточно для продавливания
прокладок.
Закрепите электроды магнитами.
Установите разрядник. В местах, где его выводы ложатся на фольгу обкладок
также желательно предусмотреть пружинящие прокладки для улучшения
контакта.
Если Вы применяете многослойный майлар, между слоями диэлектрика под
разрядником имеет смысл проложить пластиковую пластинку толщиной 2..3 мм.
Например обломок школьной линейки. Это значительно снизит пробои вдоль
поверхности диэлектрика.
Остается только обеспечить соединение между крыльями по постоянному току.
Удобно это делать с помощью небольшой катушки из трех-четырех витков
монтажного провода, выводы которой припаяны к "крокодилам"
Малая индуктивность катушки помогает бороться с искрами. Хотя это
не панацея.
После установки катушки на место лазер готов.
4. НАСТРОЙКА
Настройка лазера с рельсовым разрядником распадается на два этапа:
- настройка разрядника
- настройка самого лазера
Для того, чтобы настроить разрядник, в собранном лазере поставьте
лазерные электроды параллельно друг другу и выставьте между ними
какой-нибудь определенный зазор из диапазона 2..3 мм.
Затем настройте рельсовый разрядник. Процедура настройки описана в
гайде по созданию разрядников. Основной ее смысл в том, чтобы изменяя
наклон центрального электрода добиться более-менее равномерного заполнения
промежутков разрядника искрами. Если искра горит только в одном месте
где-то скраю, то Ваш разрядник несильно отличается от точечного и почти
не дает преимуществ. Обычно без серьезных мучений удается добиться
чтобы одновременно возникало две-три искры в одном (первом) промежутке и
три-пять искр в другом (втором) промежкутке. Это уже существенное снижение
индуктивности и повышение скорости. Скрупулезно изощряясь можно добиться
куда лучших результатов, но для рассматриваемого лазера это излишне.
Настроив разрядник переходите к настройке лазера.
При настройке лазера следует помнить три вещи:
- Лазер имеет преимущественное направление свечения. При правильной
сборке (при отсутствии пузырей под диэлектриком, при ровно лежащих
обкладках и при равномерно прижатых электродах) напрвление
преимущественного излучения совпадает с направлением "на разрядник".
Причины этого эффекта рассмотрены в гайде по маломощному азотнику.
Чем длиннее лазер тем более выражен этот эффект. Если электроды лазера
сьюстированы так, что максимум выходного излучения совпадает с
направлением преимущественного излучения, полная выходная энергия
будет больше, чем если электроды сьюстированы так, что максимум
выходного излучения идет в сторону противоположную преимущественному
направлению ("против шерсти").
- Если электроды лазера лежат не параллельно друг другу, а образуют
некоторый клин (см рис), то в сторону где зазор между электродами
больше (размер h2 на рисунке) всегда выходит больше излучения, чем в
сторону, где зазор между электродами меньше (размер h1 на рисунке).
Связано это с тем, что пробой более длинного зазора происходит
медленнее, и образуется "бегущая волна" разряда. Некоторую роль играет
и "эффект рупора" - из волновода, образованного блестящими
металлическими электродами, свет выталкивается в сторону раскрыва.
Эффект клина настолько силен, что позволяет преодолеть собственную
направленность лазера (см предыдущий пункт.) Существование
преимущественного направления можно заметить только юстируя лазер на
максимум в ту и в другую стороны и сравнивая достижимые мощности.
- Существует оптимальная средняя величина межэлектродного зазора
h=(h1+h2)/2 при которой мощность лазера максимальна. Как уже было
отмечено, в первом приближении оптимальное значение h соответствует
половине зазора в ведущем разряднике. Но это только в первом
приближении. Точную величину оптимального зазора Вам предстоит найти
в процессе настройки.
Таким образом настройка лазера сводится к отысканию оптимального зазора
между электродами и оптимального наклона их по отношению друг к другу.
Т.е. мы имеем задачу оптимизации по двум параметрам.
Задача оптимизации по одному параметру проста, задача оптимизации по
двум параметрам - довольно противна. По трем - лучше не связываться.
Так что вот эту самую довольно противную задачу придется решить при
настройке лазера. Именно в силу ее противности, не думаю, что Вы захотите
решать эту задачу часто. поэтому: не забудьте записать к каким значениям d1 и d2 вы прийдете!
потом эта запись сильно облегчит Вам жизнь.
Если Вы буквально следовали гайду и размеры лазера (зазоры в разряднике,
размеры крыльев и электродов) у Вас такие же, как здесь, то хорошим
начальным приближением должно быть h1=2.5 мм, h2=2.7 мм.
Для выставления зазоров удобно использовать сверла. Возьмите два сверла
на 2.5 мм. На хвостовик одного из них намотайте тонкую бумагу, скотч или
майларовую пленку до диаметра 2.7 мм. Вот где Вам пригодится
штангенциркуль. В качестве толстого сверла можете использовать сверло на
2.7 мм, если сумеете достать.
Вставьте сверло диаметром 2.5 мм хвостовиком между лазерными электродами
где-нибудь поближе к краю, дальнему от разрядника. Сверло диаметром 2.7 мм
вставьте у края ближнего к разряднику. Сожмите электроды так, чтобы сверла
были зажаты между рабочими кромками. Затем аккуратно выньте сверла.
Включив лазер при таком положении электродов, Вы, вероятнее всего, сразу
будете наблюдать сиреневое свечение между электродами (сдобренное
некоторым количеством паразитных искорок), а если поднести белую или
закрашенную флуоресцентным маркером бумажку к одному из торцов - увидите
пятно лазерного излучения. Если свечения между электродами нет, значит
что-то пошло серьезно не так - допущена грубая ошибка в конструкции или
при сборке и надо разбираться с причинами. Если свечение есть а генерации
нет - сначала поищите луч у другого конца лазера, затем попробуйте
изменить среднее расстояние между электродами (обычно в меньшую сторону).
Если генерацию все-еще не удается получить, проверьте прямизну рабочих
кромок и качество контакта электродов с крыльями (хотя некачественный
контакт обычно появляет себя в межэлектродном свечении в виде темных
или более тусклых зон).
Получив генерацию приступайте к настройке на максимум мощности. Теперь
потребуется кювета с лазерным красителем. Возьмите готовую (магазинную)
кювету или склейте ее самостоятельно. Заполните где-то на 2/3 объема
раствором лазерного красителя с концентрацией, подходящей для накачки
азотным лазером. Родамины или кумарины берите в концентрации 3..7 ммоль/л.
Не рекомендую на первых порах использовать флуоресцеин. Он капризен по
мощности и концентрации. Если у Вас нет опыта работы с лазерами на
красителях, возможно имеет смысл взять готовый заведомо работающий
раствор. Например отбеливатель Textile White или Vanish. Или отжать сок
из желтого флуоресцентного маркера (список подходящих имеется здесь и здесь).
При самостоятельном изготовлении кюветы обратите внимание на то, чтобы
клеевой шов не перекрывал луч генерации красителя (см. рис.)
ЗАМЕЧАНИЕ: нелазерные источники света, будучи в трезвом уме и здравой
памяти, не дают излучения с выраженной направленностью. Наоборот, чтобы
получить хоть сколько-нибудь направленный луч (в тех же фонариках,
например) требуется применение вогнутых зеркал, фокусирующих линз,
диафрагм и тд итп. Простая флуоресценция относится к нелазерным видам
излучения. Поэтому свет от нее будет давать более-менее равномерную
засветку экрана (бумажки) расположенного вблизи кюветы. Если Вы наблюдаете
засветку в виде полосы - с большой вероятностью это уже лазерный эффект.
(И чем уже и резче очерчена эта полоса тем вероятность больше.) Если же
имеется не просто полоса, а выраженное пятно - вывод очевиден.
Поставьте кювету с красителем на пути выходного луча азотного лазера
почти вплотную к срезу лазерных электродов. Если азотник собран правильно,
кювета пристойная и раствор красителя правильный (см. выше) то расположив
бумажку сбоку от кюветы с красителем Вы должны увидеть пятнышко генерации.
Если нет - попробуйте поподбирать расстояние между электродами. Опять же
проверьте слой диэлектрика на наличие пузырей, проверьте качество контакта
электродов с крыльями, проверьте правильность настройки рельсового
разрядника (зазоры в нем должны быть выставлены не меньше 2 мм, при
срабатывании должно возникать несколько искр впараллель).
Затем вооружитесь отверкой с огромной диэлектрической ручкой и легким
постукиванием по концам электродов меняйте угол их взаимного наклона.
По мере роста выходной мощности отодвигайте кювету с красителем. Если Вы
промазали с оптимумом угла (а на первых порах мазать Вы будете довольно
часто), прервитесь, возьмите сверла, по новой выставьте начальные зазоры
и начните процедуру юстировки электродов сначала.
SAFETY WARNING. Если Вы делаете лазер по этому гайду, то надо полагать,
что Вы человек уже достаточно опытный в лазерных и высоковольтных делах.
Даже как-то неудобно напоминать Вам, что прикасаться к электродом можно
только при выключенном лазере с разряженными (закороченными на общую
обкладку) крыльями.
Правильно собранный и настроенный лазер безо всяких линз обеспечивает
генерацию растворов хороших красителей в прямоугольных кюветах на
расстояниях 40..50 см от среза электродов. (Настоящие лазерные красители
с лазерной степенью очистки имеют низкий порог и заводятся на расстояниях
100..120 см.) При обгорелых или застарелых электродах эта величина
снижается до 25..35 см. Если при настройке у Вас не получается дотянуть
до 40 см, рекомендую осмотреть электроды и, в случае необходимости,
подполировать рабочие кромки (тем более, что в процессе неудачных опытов
по настройке они к этому моменту уже могли серьезно подгореть).
Если все-же у Вас никак не получается получить генерацию красителя в
прямом луче, то, как уже было отмечено выше, скорее всего проблема в
сборке. Тем не менее существует положительная и отличная от нуля
вероятность, что проблема все-таки в настройке. В этом случае попробуйте
воспользоваться цилиндрической линзой для фокусировки излучения азотника
в кювету. В качестве цилиндрической линзы можно использовать заполненную
водой тонкостенную стеклянную трубку или просто круглую стеклянную
палочку. В последнем случае нелишне убедится, что стекло этой палочки
мало поглощает ультрафиолет. Если Вы пользуетесь цилиндрической линзой,
то мерой выходной мощности (и качества настройки азотника) является не
расстояние от электродов до кюветы, а максимальное расстояние, на которое
кювету удается сместить от фокуса линзы не потеряв генерацию красителя.
Настраивайте с линзой на максимум возможного смещения от фокуса, затем
переходите к настройке в прямом луче.
Когда добьетесь устраивающего Вас результата, аккуратно измерьте
получившееся расстояние между электродами на выходном и на заднем концах
лазера (h1 и h2). Можно попробовать подлезть штангенциркулем, постаравшись
не сбить настройку. Но лучше пользоваться все теми же сверлами, наматывая
на их хвостовик бумажную скотчевую или майларовую ленточку до тех пор,
пока они не будут проходить впритирку к рабочим кромкам электродов. Затем
останется просто измерить полученный диаметр. Запишите получившиеся
значения для использования в будущем.
5. ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Собранный лазер несмотря на свою простоту является довольно серьезным
прибором, который в дальнейшем принесет Вам много пользы. Мной например с
его помощью было обнаружено множество лазерных красителей, найдены
материалы для УФ фильтров и тд итп.
При использовании достаточно мощного блока питания лазер должен быть
работоспособен приблизительно до 100 Гц (предельная частота для
неуправляемого воздушного разрядника без продувки). Но на самом деле
выше 30 Гц я его не гонял, ибо страшно. Во-первых - шум. Во-вторых при
таких мощностях все уже начинает заметно греться. В-третьих - ресурс.
Насчет шума - настоятельно Вам рекомендую принять меры по его
подавлению. Самое простое, что можно сделать - накрыть лазерный канал
диэлектрической пластинкой. Если Вы решитесь соорудить более серьезную
крышку - неплохо ее оклеить изнутри резиной или другим звукопоглощающим
материалом.
Насчет ресурса - не испытывайте угрызений совести, когда диэлектрик под
крыльями вышибает. Привыкните, что майлар - это расходник. Просто замените
его, выставьте электроды по-новой и продолжайте работу как ни в чем не
бывало. Помните, что лазер работает вблизи предела электропрочности
диэлектрика. Для того, чтобы сделать майлар в лазере практически вечным
пришлось бы снизить напряжение не меньше, чем вдвое, т.е. пожертвовать
мощностью лазера настолько, что он станет почти бесполезной игрушкой.
Даже Swissrocketman (см. на YouTube) сообщает о времени жизни диэлектрика
в 10000 импульсов, а он - профессионал а не самодельщик. Кстати поделите
10000 импульсов на 30 Гц. Получится что лазер имеет всего 5 минут ресурса
бессбойной работы. А вот на частоте в 1 Гц получается уже 3 часа.
Не забывайте разряжать крылья лазера сразу по окончании работы. Это не
только предохранит Вас от случайного удара током, но и продлит время до
следующей смены диэлектрика. Когда майлар стоит под напряжением его ресурс
тратится зря.
Алюминиевые электроды тоже имеют обыкновение подгорать. Один раз в
две - три смены диэлектрика имеет смысл вооружиться дрелью с войлочным
диском и подновить полировку рабочих кромок. Через несколько переполировок
возможно потребуется правка рабочих кромок т.е. выравнивание с помощью
грубой шлифовки (наждачная бумага зернистостью 1000). Alfonso Rodrigez
сообщает, что наибольший ресурс имеют электроды изготовленные из некоего "inox'а". Насколько мне удалось понять, inox - это разновидность
нержавеющей стали. Причем видимо очень специфическая разновидность. Дело
в том, что стали, в особенности нержавеющие, относятся к сплавам с очень
высоким удельным сопротивлением. И в полном согласии с этим любые мои
попытки сделать азотник со стальными электродами неизменно приводили
к фейлу. Причем, что забавно, разряд на стальных электродах вылядит более
красиво - гуще фиолетовое свечение, искр меньше или вообще нет. Но вот
выходная мощность лазеров со стальными электродами получается... как бы
это поточнее выразиться... "душещипательной". Судя по всему INOX как-то
умудряется совмещать приятное с полезным и иметь высокую проводимость при
высокой коррозионной стойкости. Проверить мне это не на чем, ибо доступа
к иноксовому прокату у меня нет. Медные и бронзовые электроды будут
работать ничуть не хуже алюминиевых. Но и съедать их будет так же быстро.
После длительного хранения в нерабочем состоянии электроды также
рекомендуется подполировать. Это избавит Вас от бесплодных поисков "неизвестно куда потерявшейся мощности".
Немного о недостатках
Лазер имеет довольно большой разброс выходной энергии от импульса к
импульсу (до 50%, благо хоть пропусков не дает). Связано это в первую
очередь с нестабильностью напряжения срабатывания неуправляемого
разрядника а во вторую - с нестабильностью разряда в (кислородсодержащем)
воздухе. Применив разрядник со внешним поджигом и заполнив лазер чистым
азотом от этого недостатка можно избавиться, но ценой за это будет резкое
усложнение конструкции и эксплуатации. В оправдание лазера можно отметить,
что при столь большом разбросе от импульса к импульсу, он весьма неплохо
(на уровне лучше 10%) держит среднюю мощность.
Замена майлара (и соответственно необходимость снимать электроды)
вызывает pain in the ass если лазер приюстирован к оптической схеме. На
самом деле просто думать обо всем надо заранее. Выберите один из
электродов за базовый (задающий направление) и и приюстируйте к нему
дополнительный юстировочный лучик. После пересборки электрод можно
будет сразу выставить по этому лучу и больше не трогать, а уже второй
электрод приюстировать к первому. Нелишне напомнить и то, что после того,
как у Вас уже заготовлены палочки калиброванного размера (сверла с
намоткой из бумаги или скотча) достаточно просто выставить требуемый
межэлектродный зазор спереди и сзади лазера. Никаких дополнительных
подгонок и подстроек требоваться уже не будет.
Да и вот еще что. Лазер является мощным генератором электромагнитных
помех. Вроде бы убийств сотовых телефонов за ним незамечено, а вот пару
тройку транспортных/кредитных карточек со RFID чипом он спалил. Причем
ведь как бывает - забудешь карточку в нагрудном кармане, подойдешь,
поюстируешь электроды, а на следующий день выясняется - карточке хана.
Такчто ценные электронные приборы лучше на расстояние ближе полутора
метров к работающему лазеру не подносить. С другой стороны безжалостным
убийцей электроники его тоже не неазовешь. Происходит это не каждый день
и с невысокой вероятностью. Некоторые приборы довольно долго прожили
рядом с азотником, и ничего...
6. Комментарии
* Форма электродов
То, что электроды с острой кромкой дают бОльшую мощность можно объяснить
тремя способами:
- Концентрацией поля
- Увеличением предионизации
- Уменьшением рабочего объема с соответствующим увеличением усиления
Начнем исключать эти факторы с конца.
Как может повлиять величина усиления на выходную энергию лазера?
Здесь
возможны две ситуации:
- насыщенное усиление, когда усиливаемый луч
просто выгребает запасенную в объеме газа энергию
- ненасыщенное
усиление, когда луч еще недостаточно силен, чтобы собрать существенную
долю запасенной энергии, и усиливается ровно настолько, насколько газ
вообще способен его усилить.
В случае насыщенного усиления очевидно, что выходная энергия
пропорциональна объему с которого она снимается, помноженному на
плотность запаса энергии в этом объеме. А это произведение не зависит
от ширины кромок электродов. Делаем кромки уже - падает объем но растет
вклад на единицу объема, делаем кромки шире - все наоборот. При
постоянном энерговкладе на единицу длины лазера его выходная энергия
прямо пропорциональна длине лазера за вычетом некоторого начального
разгонного участка.
В случае ненасыщенного усиления выходная энергия растет с длиной лазера
экспоненциально - каждый сантиметр возбужденного газа усиливает свет в
несколько раз.
На опыте, однако, тысячекратного прироста выходной энергии на каждый
лишний десяток сантиметров длины отнюдь не наблюдается. А вот линейный
рост выхода с длиной как-то более похож на правду. Т.е. мы имеем дело
с насыщенным усилением и все, на что может повлиять концентрация
энерговклада, так это на длину "разгонного" учатка - длину той части
лазера, где свет усиливается до такой интенсивности, что начинает
выгребать существенную часть или даже всю запасенную энергию. А длина
этого участка по сравнению с полной длиной лазера невелика (3-7 см).
Таким образом третий фактор (увеличение усиления за счет концентрации
энерговклада) отпадает.
Насчет второго фактора - доподлинно известно, что применение
предионизации либо увеличение ее мощности в большинстве случаев
позитивно сказывается на работе лазера. Кроме того заостренные электроды
не раз пытались применять в лазерной технике с целью предионизации
разрядного промежутка. Заостренным электродам приписывались различные
свойства: от способности излучать электроны за счет автоэмисслии до
способности излучать ультрафиолет за счет возникновения короны в момент
нарастания напряжения перед разрядом. Т.е. как бы получается, что
азотник с заостренными электродами имеет два источника предионизации:
скользящий разряд по поверхности диэлектрика между электродами и
предразрядная корона с рабочих кромок электродов.
Соотношение интенсивностей/эффективностей этих двух источников легко
понять если провести два (мысленных) эксперимента:
- собрать азотник с незаостренными электродами (например из трубок).
На самом деле этот эксперимент и проводить не надо - и так известно,
что такие лазеры вполне себе работают. И фиолетовое свечение между
электродами есть (т.е. имеется объемный разряд) и генерация в наличии.
Т.е. предионизации от скользящего разряда вполне хватает для
существования объемного разряда и лазерной генерации
- собрать азотник с заостренными электродами и протестировать его в
отстутствие предионизации скользящим разрядом. Существует 1001 способ
подавить скользящий разряд или сделать предионизацию от него
несущественной. Можно увеличить расстояние от диэлектрика до рабочих
кромок (увеличить толщину электродов), можно положить узкую бумажную
полоску на диэлектрик между электродами, можно применить электроды
такой формы, что зазор между ними вблизи диэлектрика станет слишком
большим (зазор H на рис1). На самом деле и этот опыт
в реальности ставить необязательно - в блоге Alfonso Rodriguez описано
множество подобных "фейлов" и, в частности его самый первый опыт, когда
попытка смазать диэлектрик капелькой масла привела к подавлению
предионизации и неработоспособности лазера. Во всех подобных случаях
не удается получить даже фиолетовое свечение между электродами, не
говоря уже о генерации. Т. е. мощность/эффективность предионизации с
заостренных электродов отдельно такова, что не позволяет даже получить
объемный разряд.
Отсюда вывод - предионизация от короны на заостренных кромках электродов
пренебрежимо мала по сравнению с предионизайией сизлучением скользящего
разряда. А стало быть и влияние ее на мощность лазера тоже должно быть
пренебрежимо малым... Второй фактор выбыл.
Что до третьего фактора, то недостаток напряженности поля в разряде для
эффективного возбуждения азота давно уже стал притчей во языцах.
Действительно, напряженность поля зажигания объемного разряда в воздухе
атмосферного давления составляет около 30 кв/см (39 В/мм*мм.рт.ст.)
а надо гораздо больше. Джон Сингер, например, по результатам обзора
литературы сообщает, что требуется 86-100 В/мм*мм.рт.ст. [см.A Simple Nitrogen
Laser Using “Doorknob” Capacitors in a Voltage-Doubling Circuit, and with
Semiconductor Preionization, Primarily Intended for Do-it-Yourself Laser
Hobbyists ]
Но есть подозрение, что и эта цифра была получена простым делением
напряжения на накопителе на ширину лазерного канала. А на самом деле
можно вспомнить, что напряженность поля, имеющая место в самостоятельном
разряде больше подходит для эффективного возбуждения колебательных
уровней N2 и CO2 в инфракрасном углекислотном лазере. По энергии
колебательные уровни лежат раз в 30 ниже чем электронные, ответственные
за работу азотного лазера. Можно сделать вывод, что и энергия электронов
для эффективного возбуждения электронных переходов азота нужна в 30 раз
выше. Отсюда и требуемая напряженность поля тоже в 30 раз выше. Т.е.
порядка 1000 В/мм*мм.рт.ст. Понятно, что ни в каком газе такую
напряженность поля не создашь никакими усилиями. Значит перескочить
оптимум попросту невозможно и на любое доступное повышение напряженности
поля в разряде, азот отреагирует только положительно.
Тут надо еще отметить, что само по себе электрическое поле никакие атомы
не возбуждает. Этим занимаются только электроны, т.е. электрический ток.
А потому не важно, какова была разность потенциалов между электродами ДО
начала разряда. Важно лишь то, какая напряженность поля получилась в
газе, ПОСЛЕ того как разряд зажегся. А вот на эту получающуюся напряженность поля повлиять не так-то просто. На любые попытки поднять
приложенное напряжение газ реагирует практически мгновенным повышением
проводимости, любые излишки подводимого напряжения рассеиваются на
внутреннем сопротивлении источника питания, а вовсе не на плазменном
столбе. Причем у плазмы есть куда больше ресурсов к понижению своего
сопротивления, чем у нас - к понижению внутреннего сопротивления
источника питания (в нашем случае - к повышению скорости разряда крыльев
лазера), так что это - игра в одни ворота. Единственное место, где
возможны спекуляции, это действительная скорость "практически мгновенной"
реакции плазмы на приложенное напряжение. Но судя по отсутствию азотных
лазеров с действительно высоким кпд плазма умеет сбрасывать излишек
напряженности поля достаточно быстро для того чтобы мы ничего с этим
не могли поделать.
Еще напряженность поля можно поднять изменив состав газовой смеси.
Для этих целей классикой является применение элегаза (гексафторида серы
SF6). В литературе множество упоминаний о том, что наличие элегаза в
составе газовой смеси сильно увеличивает кпд азотников. На самом деле
элегаз пригодился бы и для заполнения разрядников - это позволило бы
уже при атмосферном давлении иметь все преимущества разрядников высокого
давления. Проблема лишь в том, что баллоны с элегазом вот так просто на
дороге не валяются. А заменить его особо нечем. В принципе есть еще газы
со сравнимой электропрочностью (диоксид серы SO2 ~ 150 кВ/см.атм, фреон
~ 200 кВ/см.атм), но фреон имеет свойство разлагаться в разряде с
выделением сажи, что, понятное дело, на пользу разрядникам и лазерным
трубкам отнюдь не идет. SO2 не очень просто достать и он воняет. Тем
не менее продуктом его разложения является обычная сера, которая
является хорошим диэлектриком и не будет сильно вредить. Так что,
возможно для самодельщика добавка SO2 это самый перспективный вариант.
Об изменениях давления по понятным причинам можно даже и не говорить.
Во-первых мы рассматриваем лазер атмосферного давления. А во-вторых,
поскольку важна не напряженность поля, а энергия электронов,
определяемая отношением E/p, то во сколько раз давление подняли,
во столько же раз и напряженность поля изменилась, т.е. то на то и
выходит.
А вот с неоднородным полем не все так однозначно. Во-первых надо
помнить, что концентрируя поле в одной части разряда (за счет острых
кромок) мы снижаем его в другой. Весь мой опыт работы с высокими
напряжениями свидетельствует о том, что начиная с некоторой скорости
пробойное напряжение в газе перестает зависеть от формы электродов.
Берешь, например малоиндуктивный ГИН, нагружаешь его низкоомным шунтом
(или катушкой из пары-тройки витков), и пробуешь на искру. И,
удивительное дело, искры получаются одинаковой длины, вне зависимости
от того что между шарами ли, между остриями ли, меджу плоскостями ли
их пускают. (В литературе я ссылочку на этот эффект не нашел - видать
слишком очевидно, чтоб надевать красный плащ и трубить об этом где
попало. Вот и ссылаюсь на собственный опыт за неимением хорошего
отсыла в литературу. Для любителей считать полосатых овец полосатыми
сверху, оговорюсь, что я не уверен, что этот эффект сохранится при
очень высоких напряженностях поля, когда существенную роль начнет
играть взрывная эмиссия с катода.) Если принять, что пробивное
напряжение действительно не зависит от формы электродов, то получатеся,
что в лазере с заостренными электродами большей части зазора поле МЕНЬШЕ
чем среднее по зазору поле в лазере с однородным полем.
При желании это можно даже доказать.
Пусть в первом рассматриваемом случае поле однородно и равно ME:
------O MEMEMEME O------
Если зазор между электродами равен h, а напряжение между электродами U,
то U=h*ME
Пусть во втором случае поле неоднородно и равно HE вблизи электродов в
зоне радиуса r и равно LE вдали от электродов в зоне шириной h-2r:
------> HEHE) LELELE (HEHE <------
Тогда U=HE*2r+LE*(h-2r)
Приравняв выражения для U з 1-го и 2-го случаев:
h*ME=HE*2r+LE*(h-2r)
=> LE*(h-2r)=h*ME-HE*2r
=> LE=(h*ME-HE*2r)/(h-2r)
=> LE=(h*ME-2r*ME+2r*ME-HE*2r)/(h-2r)
=> LE=(ME*(h-2r)+2r*ME-HE*2r)/(h-2r)
=> LE=ME+(2r*ME-HE*2r)/(h-2r)
=> LE=ME*[1+(2r-(HE/ME)*2r)/(h-2r)]
=> LE=ME*[1+2r*{1-(HE/ME)}/(h-2r)]
Выражение в фигурных скобках меньше нуля, поскольку HE>ME по условию
задачи. Стало быть в квадратных скобках к единице прибавляется
отрицательное число, что в итоге означает, что LE<ME.
Т.е. несмотря на то, что поле вблизи электродов в лазере с заостренными
электродами выше, чем в лазере с однородным полем, поле в оставшейся
части зазора лазера с заостренными электродами всегда ниже поля,
образующегося в лазере с однородным полем.
На первый взгляд кажется, что усилив поле в малой области вблизи кромок
электродов и ослабив его в (большой) остальной части разряда мы только
проиграем в выходной энергии лазера. На самом деле это не так.
Если разбить весь рабочий объем лазера V на объем занятый сильным полем
Vhe и объем занятый лабым полем Vle (причем V=Vhe+Vle) то выходная
энергия лазера будет равна:
W1=Vhe*eff(HE)*w(HE)+Vle*eff(LE)*w(LE)
где eff(HE) - кпд в области с сильным полем, w(HE) - энерговклад в
области с сильным полем, eff(LE) - кпд в области со слабым полем, w(LE)
- энерговклад в области со слабым.
А для лазера с однородым полем выходная энергия:
W0=V*eff(ME)*w(ME)
где eff(HE) - кпд для среднего поля, w(ME) - энерговклад в среднем поле.
Отсюда можно найти условие при котором кпд лазера с неоднородным полем
выше чем лазера с однородным. Для этого положим, что вложенные энергии
в обоих лазерах равны т.е.
V*w(ME)=Vhe*w(HE)+Vle*w(LE)
Рассмотрим "прирост" энергии лазера с неоднородным полем по сравнению
с лазером с однородным полем:
W1-W0=Vhe*eff(HE)*w(HE)+Vle*eff(LE)*w(LE)-V*eff(ME)*w(ME)=
=Vhe*eff(HE)*w(HE)+Vle*eff(LE)*w(LE)-eff(ME)*Vhe*w(HE)-eff(ME)*Vle*w(LE)=
=Vhe*w(HE)*[eff(HE)-eff(ME)] + Vle*w(LE)*[eff(LE)-eff(ME)]
Чтобы кпд лазера с неоднородным полем был выше надо чтобы этот прирост
был положительным: W1-W0>0, откуда:
Vhe*w(HE)*[eff(HE)-eff(ME)] + Vle*w(LE)*[eff(LE)-eff(ME)]>0 =>
=> Vhe*w(HE)*[eff(HE)-eff(ME)] > - Vle*w(LE)*[eff(LE)-eff(ME)] =>
=> Vhe*w(HE)*[eff(HE)-eff(ME)] > Vle*w(LE)*[eff(ME)-eff(LE)] =>
eff(HE)-eff(ME) Vle*w(LE)
=> --------------- > ---------
eff(ME)-eff(LE) Vhe*w(HE)
В переводе с математического на человеческий это условие означает, что
функция эффективности лазера должна настолько быстро расти с ростом
напряженности поля, что дробь в левой части неравенства превосходит
правую (которая попросту равна отношению энергии вложенной в области
со слабым полем к энергии вложенной в области с сильным полем).
Не думаю, что будет разумным ждать от меня, что я вот тут возьму и решу
всю систему плазмокинетических уравнений, получу явный вид функции
eff(E) и красивенько так докажу справедливость этого неравенства.
Я всего лишь имею в виду, что в действительности МОГУТ иметь место
условия, когда лазер с неоднородным полем имеет больший кпд чем лазер
с однородным полем. И условия эти наступают, когда эффективность лазера
быстро и нелинейно растет с ростом напряженности поля. (А так обычно и
бывает.) Да и вот еще что. Конечно, сделать все то же самое можно было
и понаписав тройных интегралов от векторных функций, однако для
иллюстрации принципа имхо хватает и школьной математики, наглядность
которой на проядок выше.
* Почему межэлектродный зазор равен половине зазора в ведущем разряднике?
Рассмотрим простую задачку - разряд конденсатора на стабилитрон (см.
рисунок ниже.)
Пусть в начальный момент времени конденсатор Co заряжен до напряжения Uo.
Пусть напряжение стабилизации стабилитрона U1 и пусть Uo>U1 (иначе ток
не пойдет).
После замыкания ключа по стабилитрону идет некоторый ток i. Стало быть
выделяемая на стабилитроне мощность равна U1*i.
Энергия, выделяемая на стабилитроне за время до полного разряда
конденсатора равна интегралу по времени от произведения тока на
напряжение на стабилитроне U1, а оно постоянно, а значит может быть
вынесено из под интеграла.
Значит энергия, выделяемая на стабилитроне за время до полного разряда
конденсатора равна произведению U1 на интеграл по времени от тока,
который в свою очередь равен заряду, стекшему с конденсатора: Co(Uo-U1).(Как видите знать величину тока i и ее зависимость от времени оказалось
необязательным.)
Итак энергия, выделяемая на стабилитроне за время до полного разряда
конденсатора получилась равной Q1=U1*Co*(Uo-U1).
Запасенная же в конденсаторе энергия Q0=Co*Uo^2/2
А кпд передачи энергии из конденсатора в стабилитрон равен
U1*Co(Uo-U1) 2*U1*(Uo-U1)
eff= ------------ = ------------
Co*Uo^2/2 Uo^2
Воспользовавшись школьными правилами отыскания максимума функции (взяв
производную и приравняв ее к нулю) можно выяснить, что кпд передачи
энергии из конденсатора в стабилитрон максимален (и равен 50%) при
Uo=2*U1, т.е. когда зарядное напряжение вдвое превышает напряжение стабилизации.
Зачем мы рассматривали задачу о стабилитроне? Дело в том, что с учетом "закона постоянства E/p для газового разряда" лазерный канал как раз и
играет роль стабилитрона в только что рассмотренной задачке. Т.е. кпд
энерговклада из накопительной емкости в газовый разряд будет максимален,
когда эта емкость заряжена до удвоенного напряжения горения разряда.
Но наш лазер включен в схему Блюмлейна - схему с удвоением напряжения.
Рассмотрим более сложную задачу (см рисунок ниже).
Теперь стабилитрон не только включен в цепь Блюмлейна, но еще и
подключается к ней не сразу а в некоторый момент to. В начальный момент
времени правый и левый конденсаторы заряжены до зарядного напряжения Uo.
В этот же момент включается ключ в цепи правого конденсатора и
напряжение UB на нем начинает падать. В зависимости от соотношения
величин элементов в RLC контуре напряжение может либо падать
экспоненциально, если затухание в контуре выше критического, либо по
закону cos(t/(LC)^0.5), если затухание ниже критического.
В некоторый момент времени (все еще не равный to) разность напряжений
между левым и правым плечами схемы достигает напряжения пробоя газового
промежутка U1 (или, что то же самое - напряжения стабилизации
стабилитрона). При этом начинает развиваться газовый разряд. Поскольку
он еще только начинает развиваться, ток все еще пренебрежимо мал и
ключ в цепи стабилитрона можно считать разомкунтым. И лишь спустя
некоторое время (называемое временем перекрытия газового зазора)
газовый разряд принимает завершенную форму, по нему начинает идти ток,
а в нашей эквивалентной схеме можно считать, что ключ в цепи
стабилитрона замкнулся - т.е. наступил момент времени to. К этому
моменту правый конденсатор успеет еще подразрядиться так, что разность
напряжений на левом и правом конденсаторах станет уже не в точности
равна U1, а превысит ее на некоторую добавку: UA-UB=U1+deltaU.
Поскольку после этого процессы весьма быстры, дальнейшим разрядом
правого конденсатора через RLC цепь можно пренебречь. Тогда весь процесс
сводится к тому, что из левого конденсатора в правый через стабилитрон
перетекает некоторый заряд q, после чего напряжение на левом конденсаторе
становится равным UA-q/C а на правом UB+q/C. После того, как разность
этих напряжений станет меньше напряжения стабилизации U1 ток через цепь
идти перестанет и это условие можно использовать для вычисления заряда q,
протекшего через стабилитрон:
UA-q/C-(UB+q/C)=U1 => q=(UA-UB-U1)(C/2)
(На самом деле в случае газового разряда при падении напряжения ниже
напряжения горения ток обычно не прекращается, а происходит шнурование - переход к яркой искре. Но с нашей точки зрения это безразлично,
поскольку прекращается хотя и не ток, но во всяком случае полезный
энерговклад).
Полезное энерговыделение на стабилитроне как и в предыдущей задаче:
Q = q*U1 = U1*(UA-UB-U1)(C/2)
Изменяя зазор в лазерном канале h мы можем менять напряжение горения
(напряжение стабилизации) U1. Посмотрим, при каком U1 при заданных
UA и UB энерговклад максимален. Взяв от Q производную (по U1) и
приравняв ее к нулю получим условие максимума: U1=(UA-UB)/2.
Если предположить, что левый конденсатор к моменту to сохранил
напряжение заряда (UA=Uo) а правый полностью разряжен (UB=0) то
полученное условие максимума энерговклада станет выглядеть так:
U1=Uo/2 - т.е. напряжение пробоя лазерного канала должно быть равно половине зарядного напряжения. А поскольку и в ведущем разряднике,
который задает Uo и в лазерном канале используется один и тот же воздух,
то и зазор в лазерном канале должен быть равен половине зазора в ведущем
разряднике.
Остается понять с каких щей напряжение на правом конденсаторе должно
быть равно нулю. А дело в том, что энерговклад зависит не только от U1,
но и от разности UA-UB-U1, а она тем больше, чем больше успеет правый
конденсатор доразрядиться за время перекрытия. Скорость изменения
напряжения на правом конденсаторе пропорциональна току в RLC цепи:
(dUB/dt)=iB/C, а ток в контуре (если затухание мало) максимален как раз
при нулевом напряжении на конденсаторе. Отсюда и выходит, что для
максимизации энерговклада нужно, чтобы разряд в лазерном канале
начинался в момент перехода напряжения на правом конденсаторе через ноль.
Вот как-то так.
* Схема с передачей заряда.
Одним из главных недостатков рассмотренной (крыльевой, Блюмлейновской)
схемы азотника является необходимость менять майлар. Можно ли как-нибудь
продлить его срок службы не снижая подводимое напряжение и запасенную
энергию. Оказывается можно. Для этого нужно, чтобы майлар как можно меньше
времени находился под напряжением. Не почти все время работы, как в
крыльевом азотнике, а доли микросекунды. Основную долю времени между
импульсами занимает заряд крыльев до рабочего напряжения. Для того чтобы
сократить время, в течение которого диэлектрик нагружен, в первую очередь
нужно сокращать время заряда. В пределе, крылья лазера нужно заряжать
практически мгновенно от некоторого внешнего конденсатора.
Именно это и осуществляется в т.наз. "схеме с передачей заряда",
показанной ниже на рисунке.
(Рядом с лазерным зазором LG (справа) в виде заземленной пластинки показан
предионизатор)
Обостряющий конденсатор Cp (т.наз. пиковый конденсатор или, сокращенно, "пикер") в азотниках с передачей заряда делается обычно в виде одной
обкладки длиной, равной длине электродов лазера и шириной, равной
10..15 сантиметров - т.е. в виде такого же крыла, как и у крыльевого
азотника. Второго крыла у азотника с передачей заряда нет. Второй электрод
по всей своей длине наглухо подключен к общему проводу ("земляной"
обкладке). Такая конструкция пикера обусловлена тем, что он должен быть
способен разряжаться, за те самые одну - две наносекунды, в течение
которых азот способен генерить при атмосферном давлении.
Накопительный конденсатор Cs вовсе не обязан быть настолько же быстрым.
На практике накопитель удобно делать из фабричных высоковольтных
конденсаторов - разного рода doorknob'ов (бочоночного типа) от TDK, Murata,
КВИ-3 или (сравнительно) малоиндуктивных пленочных типа К75-74, разного
рода Maxwell'ов и т.п. Фабричные конденсаторы обычно достаточно надежны,
чтобы обеспечить лазеру безремонтную жизнь в течение миллиона-другого
импульсов (если столько выдержат электроды без переполировки).
В качестве накопительного можно применить и самодельный малоиндуктивный
конденсатор (как его сделать см здесь). Однако в этом немного
смысла. Да, такой конденсатор можно сделать еще менее индуктивным чем
фабричный, но малая индуктивность накопителя в данной схеме не первое
требование. К схеме с передачей заряда переходят-то как раз, чтобы ценой
потери кпд снизить требования к накопителю и повысить ресурс. А вот в
ресурсе с фабричными конденсаторами самодельщику, как это ни прискорбно
отметить, тяжело состязаться.
Понятно, что если накопительный конденсатор не самый малоиндуктивный, то
и в разряднике нет смысла индуктивность экономить. А значит подойдет
обычный "шар-шар" или "шар-плоскость", а с рельсовыми многозазорными можно
не заморачиваться.
Как же так получается, что не заморачиваясь насчет индуктивности удается
построить работоспособный азотный лазер да еще и, зачастую, более мощный?
На рисунке ниже показаны две схемы
А) - c передачей зараяда
Б) - по схеме Блюмлейна
Паразитная индуктивность
цепи опрокидывания крыла блюмленовского лазера обозначена как L2, а
паразитная индуктивность цепи передачи заряда обозначена как L1. Для того,
чтобы понять как при L1>L2 удается достигнуть той же или большей мощности
лазера вычислим для обоих схем полезный энерговклад в газ. Полезный -
значит происходящий за время, меньшее времени распада возбужденных уровней
азота, т.е. той пресловутой наносекунды, о которой все время идет речь.
Априори (т.е. бездоказательно) будем считать, что крылья CL и CR
блюмлейновского лазера, равно как и крыло лазера с передачей заряда Cp
способны почти полностью разрядиться за требуемое время. На самом деле это
довольно правдоподобно, поскольку и там и там крыло представляет собой
обычную полосковую линию, а в технике считается, что полосковые линии
все-таки способны разряжаться за время, равное своей (электрической)
длине, деленной на скорость света.
В этом случае полезный энерговклад для блюмлейновского лазера:
Qb=U1*(UL-UR-U1)(C/2)
(см предыдущий пункт комментариев)
а для лазера с передачей заряда
Qct=U1*Cp*(Up-U1)
здесь C=CR=CL, U1 - напряжение горения разряда в лазерном зазоре, Up -
напряжение на пикере Cp, достигнутое к моменту зажигания разряда,
UL-UR - разница напряжений между крыльями люмлейновского лазера,
достигнутая к моменту зажигания разряда. Причем понятно, что и Up и
UL-UR превышают напряжение пробоя лазерного зазора на ровно величину
наброса напряжения за время перекрытия tc.
Величина наброса напряжения может быть приближенно определена как
произведение скорости заряда (перезаряда) крыла лазера, умноженная на
время перекрытия. В свою очередь скорость заряда/перезаряда можно
прикинуть как начальное напряжение, деленное на время разряда. Если за
время разряда взять четверть периода колебаний соответствующего LC-контура,
то получим:
для крыльевого лазера: UL-UR-U1=tc*Uob/[(pi/2)*sqrt(L2*C)]
для лазера с передачей заряда: Up-U1=tc*Uoct/[(pi/2)*sqrt(L1*Cct)]
где Uob - начальное напряжение заряда цепи блюмлейна, Uoct - начальное
напряжение цепи с передачей заряда, C - емкость крыла блюмлейна (неважно
правого или левого, предполагается, что они равны), Cct=Cs*Cp/(Cs+Cp) -
емкость последовательно включенных конденсаторов цепи передачи заряда
(для тока в контуре Cs-L1-Cp они включены именно последовательно).
При желании еще можно заметить, что скорость перезаряда есть не что иное,
как ток в контуре, деленный на емкость. Из этого, в частности, следует,
что энерговклад в газ максимален, если пробой лазерного промежутка
наступает в момент максимума тока в контуре, для которого можно получить
более строгую оценку из закона сохранения энергии (C*U^2/2=L*I^2/2), но
это даст ненужную нам сейчас связь напряжения заряда с напряжением
пробоя.
Зная величину наброса напряжения за время перекрытия можно теперь
определить и полезные энерговклады:
для крыльевого лазера:
Qb=U1*(UL-UR-U1)(C/2)=U1*(C/2)tc*Uob/[(pi/2)*sqrt(L2*C)]
для лазера с передачей заряда:
Qct=U1*Cp*(Up-U1)=U1*Cp*tc*Uoct/[(pi/2)*sqrt(L1*Cct)]
Теперь посмотрим, при каких условиях может случитья что: Qct > Qb, т.е:
U1*Cp*tc*Uoct/[(pi/2)*sqrt(L1*Cct)] > U1*(C/2)tc*Uob/[(pi/2)*sqrt(L2*C)]
Если оба лазера имеют одинаковый зазор в лазерном канале, то и напряжение
горения и время перекрытия в них одинаковы, тогда tc и U1 можно сократить.
Заодно можно сократить и pi/2:
Cp*Uoct/sqrt(L1*Cct) > (C/2)*Uob/sqrt(L2*C) =>
Cp^2*Uoct^2/(L1*Cct) > (C^2/4)*Uob^2/(L2*C) =>
Cp^2*Cs*Uoct^2/(L1*Cs*Cct) > 2*C*Uob^2/(8*L2) =>
Cp^2*Eoct/(L1*Cs*Cct) > Eob/(8*L2)
где Eoct=Cs*Uoct^2/2 - начальная энергия запасенная в накопителе лазера с
передачей заряда, Eb=2*C*Uob^2/2 - начальная энергия, запасенная в крыльях
блюмлейновского лазера.
Eoct/Eob > (L1*Cs*Cct)/(8*L2*Cp^2) =>
Eoct/Eob > (L1*Cs*Cs*Cp)/(8*L2*Cp^2*(Cp+Cs)) =>
Eoct/Eob > (L1*Cs*Cs)/(8*L2*Cp*(Cp+Cs)) => ...
Eoct/Eob > (1/8)*(L1/L2)*(Cs/Cp)/(1+Cp/Cs)
Теперь в левой части стоит отношение начальной запасенной энергии в лазере
с передачей заряда к начальной запасенной энергии в крыльевом лазере, а в
правой части - отношение индуктивности накопителя лазера с передачей заряда
к индуктивности цепи опрокидывания крыльевого лазера, домноженное на
некоторую величину, зависящую от соотношения емкостей пикового и
накопительного конденсаторов.
Видно, что за счет достаточно большого начального запаса энергии "тормознутость" лазера с большей индуктивностью можно скомпенсировать. Так
ценой потери кпд и достигается высокая выходная энергия лазеров, собранных
по схеме с передачей заряда.
Можно пойти дальше и предположить, что Cp=C, т.е., как часто бывает на
практике, крыло лазера с передачей заряда имеет такие же размеры, как и
крыло блюмлейновскрго лазера. При этом, если в конечном выражении
вернуться от энергий к "C*U^2", если воспользоваться тем, что при Cp<<Cs
будет стремиться к единице выражение в скобках в знаменателе правой части
(1+Cp/Cs)->1, то с учетом всего этого получим:
Cs*Uoct^2/[2*C*Uob^2] > (1/8)*(L1/L2)*(Cs/Cp)/(1+Cp/Cs) =>
(Cs/Cp)*Uoct^2/Uob^2 > (1/4)*(L1/L2)*(Cs/Cp)/(1+Cp/Cs) =>
Uoct^2/Uob^2 > (1/4)*(L1/L2)/(1+Cp/Cs) =>
Uoct/Uob >~ (1/2)*sqrt(L1/L2)
Откуда видно, что основной ресурс в наращивании энергии для компенсации
возросшей индуктивности лежит вовсе не в увеличении накопителя Cs, а в
увеличении питающего напряжения Uct. Это, кстати, хорошо согласуется с
конструкцией лазера с передачей энергии: крупный, очень высоковольтный
(и желательно - фабричный) накопительный конденсатор, заряжающий через
обычный (точечный) разрядник пиковый конденсатор, выполненный в форме
фольгового крыла на диэлектрике. Один из лазерных электродов по всей
своей длине прижат к фольговому крылу пикера. Второй лазерный электрод
соединен с землей (с общим проводом). Понятно, что напряжение на пикере
почти никогда не превышает напряжения пробоя лазерного зазора, поэтому
он может делаться сравнительно низковольтным, т.е. с тонким диэлектриком,
что повышает его удельную емкость и снижает индуктивность.
Вот фотография готовой конструкции лазера с передачей зараяда.
Накопителем служат четыре сорокакиловольтных "Мураты" по 2 нф каждая.
Разрядник применен типа "шар-плоскость". Крыло пикового конденсатора
имеет размеры 30х10 см. Толщина майларового диэлектрика - 0.12 мм.
При зазоре в разряднике 12 мм выходная энергия лазера слегка превышает
выходную энергию описанного выше лазера блюмлейновского типа. Тип и
размеры электродов в обоих лазерах одинаковые. Оптимальный зазор между
лазерными электродами в лазере с передачей заряда на две..три десятых
миллиметра больше, чем в блюмлейновском.
За счет большего напряжения и большего энергозапаса при питании от
равноценного источника питания лазер с передачей заряда выдает примерно
в десять раз меньшую частоту повторения импульсов. Зато почти за два
года использования - ни одного пробоя диэлектрика. Впрочем это не
избавляет от необходимости периодической чистки электродов, проблемы,
которая в этом лазере стоит еще более остро, чем в крыльевом. По сути
в таком лазере имеется проблема, которую можно назвать "проблема
избыточного энерговклада."
Если в блюмлейновском лазере за кортоткое время крылья выравнивают
напряжение и энерговклад в газ прекращается, то здесь, когда пикер (за
все то же короткое время) уже сбросил излишек заряда, к нему (а через
него и к лазерному зазору) остается подключенным мощный и медленный
накопитель Cs. Разряд продолжает гореть до тех пор пока на всей
суммарной емкости Cs+Cp напряжение не снизится. Т.е. полный энерговклад
в газ (быстрый энерговклад плюс медленный) будет вот во сколько раз
больше:
X = Cs*U1*(Uoct-U1)/{U1*Cp*tc*Uoct/[(pi/2)*sqrt(L1*Cct)]} =>
X = Cs*(Uoct-U1)/{Cp*tc*Uoct/[(pi/2)*sqrt(L1*Cct)]}
Если пренебречь напряжением пробоя лазерного зазора по сравнению с
начальным напряжением (т.е. принять что Uoct-U1~Uoct), то:
X = Cs/{Cp*tc/[(pi/2)*sqrt(L1*Cct)]} =>
X = (Cs/Cp)*{(pi/2)*sqrt(L1*Cct)/tc}
Величина справа это отношение емкости накопителя к ескости пикера,
домноженное на отношение времени разряда накопителя к времени перекрытия.
Как правило эти два сомножителя довольно велики, что обеспечивает
заведомое превышение полного энерговклада в газ над порогом шнурования
разряда. А это, в свою очередь - гарантированный ускоренный износ
электродов.
Отсюда следует забавный вывод: чтоб не греть газ лишнего, емкость
накопителя должна быть МЕНЬШЕ, чем емкость пикера. Понятно, что напряжение
на накопителе должно быть соответствующим образом увеличено, что не всегда
просто сделать. При переходе к еще большим напряжениям заряда накопитель
может иметь смысл выполнять в виде каскадной схемы Маркса, что, впрочем,
и сделано во многих наиболее изощренных схемах азотных лазеров.
Напоследок в конец этого раздела еще
замечание: здесь везде предполагается, что время перекрытия
лазерного зазора меньше характерных времен перезарядки крыльев лазера
или зарядки пикового конденсатора. В противном случае
приведенные формулы не верны. Впрочем для азотных лазеров атмосферного
давления выполнение этого условия вполне похоже на правду. Из разницы
межэлектродных расстояний на концах лазера при оптимальном заклонении
электродов (0.2..0.3 мм на 30 см длины электродов) можно оценить
скорость перекрытия в 0.2..0.3 мм/нс, и, соответственно, время
перекрытия в ~10 нс. С другой стороны, если индуктивность разрядной
цепи оценить в 20 нГн, то время переворачивания крыла лазера
pi*sqrt(LC) = 3.14*sqrt(6нФ*20нГн)=34 нс. Для лазера с передачей
заряда это время по понятным причинам будет еще больше. С другой
стороны, если принять, что скорость перекрытия зависит только от
E/p, т.е. практически не зависит от давления, то в откачных азотных
лазерах, с их огромными зазорами (в 10..30 мм) это условие может и
не выполняться.
* Газовая смесь.
Несмотря на то, что лазер изначально разработан как способный работать
на воздухе, без использования газобаллонного хозяйства и прочих излишеств,
было интересно,что он сможет выдать, работая на азоте технической чистоты.
Для лазерного канала была сделана специальная крышка, с патрубком,
позволяющая юзать лазер при продувке канала газовой смесью от внешнего
источника (от баллона с редуктором, или от автомобильной камеры,
наполненной заранее подготовленной смесью).
Как выяснилось при непрерывной (в процессе работы) продувке лазера
азотом, кюветы с красителем оказалось возможным заставить генерить на
втрое большем расстоянии от лазера чем при работе на воздухе. С учетом
закона "эр квадрат" это отвечает почти десятикратному приросту выходной
энергии. Визуально яркость пятна азотника и возбуждаемых им лазеров
на красителях тоже увеличилась значительно.
Замена рабочего газа на воздух с кислородом, выжженным в результате
сгорания углеводородных топлив (т.наз. "отожженка") дала результаты
сходные с тем, что получается при использовании обычного воздуха.
Пуски на смеси воздуха с гелием показали, что мощность начинает расти
при содержании воздуха в смеси менее 20%. На смеси воздух:гелий=1:10
получена примерно такая же мощность, как на чистом азоте. (Точнее
кюветы с красителем генерят на таком же расстоянии. Мощность/энергия
при этом может считаться такой же только в предположении, что
длительность импульса существенно не изменилась.)
Имело бы смысл погонять лазер на смесях N2:SF6 и N2:SO2, однако
поскольку лазер негерметичный, для этого требуется очень хорошая
вентиляция. Кроме того, где достать SF6 я в душе не представляю.
* Масштабирование.
Часто считается, что поскольку время жизни возбужденного азота при
атмосферном давлении очень мало, то и длина лазера не должна превышать
некоторой определенной величины. Обычно в качестве верхнего предела "назначают" 30 см - расстояние, которое свет проходит за наносекунду.
На самом деле тот же эффект (бегущая волна электрического разряда),
который позволяет заклонением электродов настраивать лазер на максимум
в любом выбранном направлении, позволяет и синхронизировать возбуждение
с пробегом света при весьма значительных длинах. Т.е. лазер легко
поддается масштабированию вдлину. Увеличение выходной мощности при хорошем
раскладе получается прямо пропорциональным длине электродов. Тут хуже
другое. Лишняя двойка-тройка в выходной энергии вряд ли даст Вам
что-нибудь новое с точки зрения возможностей лазера, а вот бандуру
метровой длины Вы вряд ли захотите терпеть на своем столе.
Если верить научным статьям лазер легко масштабируется и в сторону
уменьшения. Следует помнить, что при длине меньше 10 см для нормальной
работы могут потребоваться зеркала (резонатор).
В теории лазер должен масштабироваться и в ширину (с соответствующим
увеличением питающего напряжения). На практике же для разряда в воздухе
три миллиметра - это какая-то магическая цифра. До нее объемный разряд
зажигается сравнительно легко, после нее - трудности с удержанием
объемного разряда растут катастрофически. В принципе, ценой чудовищных
усилий (четырехкратное увеличение питающего напряжения, увеличение
крутизны фронта питающего импульса на порядок, переработка системы
предионизации) удавалось растащить разряд до 5 мм, но игра не стоит
свеч, а результат - труда. По крайней мере для азотного лазера.
Масштабирование втолщину заставит уйти от электродов с острыми кромками
к чему-то навроде скругленной плоскости. Но вместо ожидаемого увеличения
рабочего объема, а с ним и выходной мощности, на практике это приводит к
резкому снижению выходной энергии. Так что в этом направлении тоже не
разбежишься.
* Мощность.
Рассказ о мощности не знаю даже с чего и начать.
То ли с того, что промышленный калориметрический измеритель ИМО-2н,
если в него засветить этим азотником, кажет 60 мВт, а при этом мой
самодельный калориметр из термоэлектрического элемента Пельтье кажет
ноль в пределах погрешностей. Хотя, скажем, насчет мощности китайских
зеленых указок эти приборы проявляют удивительное согласие.
То ли с того, как однажды при мне "ОФИР'ом", свежекалиброванным и с
неистекшим сроком поверки, кстати говоря, люди мерили мощность куда более
слабого азотника и намерили 5 мВт. К слову сказать, тот азотник даже с
линзой не мог заставить краситель загенерить.
А может с того, что люди, обладающие мегаваттными (по паспорту)
азотниками, увидев, что творит азотник, описанный в этом гайде, как
правило начинают свою речь с выражения навроде: "эх, ни..я себе!"
По такой реакции можно предположить, что этот маленький азотник, как
минимум, сравним с их большими машинами.
Когда я говорю, что пельтье-калориметр ничего не кажет, на самом деле
это не вся правда. На самом деле он кажет много, очень много... вякого...
Как уже говорилось, азотник является мощным источником электромагнитных
помех. Многие приборы сходят с ума и пельтье-калориметр не исключение.
Казалось бы измерения в таких условиях попросту невозможны. Но это не
совсем так. Если Вы измеряли Пельтье-калориметром мощность лазерной
указки, Вы могли заметить, что после выключения лазера показания прибора
не сразу обращаются в ноль, а снижаются постепенно - прибор остывает.
По показаниям прибора в процессе остывания калориметра в принципе можно
выяснить что он показывал, пока лазерный луч не был отключен. Для этого
следовало бы снять зависимость показаний от времени остывания, методом
наименьших квадратов в логарифмическом масштабе провести прямую к началу
процесса и тд итп. Или собрать платку на микроконтроллере, которая все
это будет делать самостоятельно... На самом деле, если речь идет не о
точности измерений а о вопросе: "ноль или не ноль?" все эти манипуляции
относятся к области излишеств. Если лазер выдавал измеримую мощность,
то после его выключения глазом должно быть видно, как снижаются показания
остывающего измерителя. А вот этого-то и не происходит. Лазер выключен,
помех, казалось бы, нет, измерениям ничего не мешает. А измеритель ведет
себя так, как будто и не был прогрет на сколько-нибудь измеримую величину.
Если уж на то пошло, то стоит рассказать и еще об одном эффекте. Мощные
помехи некоторым образом воздействуют на схему измерителя. То-ли
перегружается автоматическая регулировка усиления, то ли просто где-то
скапливается заряд на затворе полевого транзистора. Выглядит это так,
как будто показания "залипают" на некотором значениии (в частности у нуля)
и остаются такими же еще некоторое время спустя выключения источника
помех. Понятно, что после десяти-пятнадцати секунд ожидания по остаточным
показаниям уже точно ничего не поймешь. К счастью путем шунтирования
входов малоиндуктивным конденсатором и резистором этот эффект удается
подавить и свести "мертвое время" практически к нулю. На самом деле
тщательной и правильной экранировкой можно свести к нулю вообще все
действие помех, но это не так просто, как кажется на первый взгляд.
Заматывание приборов в фольгу и заземление получившегося "экрана" на
удивление ничего не дает - сверхвысокочастотная помеха лезет сквозь любые
щели. А сооружение герметичного металлического ящика - процедура долгая,
трудоемкая и не самая дешевая.
И, наконец, когда Вы избавились от помех (ну или нашли способ как
выполнять измерения в условиях их воздействия), на этом беды не
заканчиваются. Вот пример из моего собственного опыта. Именно описываемый
в этом гайде лазер казался первым реальным кандидатом на то, чтобы
производить измеримые показания на защищенном от помех Пельтье -
калориметре. Все вроде-бы в норме. Перекрываешь луч черной бумажкой - нет
показаний, открываешь путь лучу - снова отображается мощность. Но однажды
меня угораздило на пути луча забыть кювету из-под красителя. Включив лазер
я офигел с того, что показаний нет. Не может же стекло так сильно
поглощать?! Если б оно было так, то и краситель бы не генерил. В процессе
разбирательств с проблемой пришлось убедиться, что если в луч между
лазером и датчиком калориметра вносится прозрачный предмет (пробовалось
стекло, плексиглас, слюда, пленки) то показания прибора от вполне
измеримых падают до неотличимых от нуля в пределах погрешностей. То есть
что-то отличное от света переносит тепло от лазера до калориметра. Скорее
всего это нагретый разрядом воздух. Воздух в разряде весьма существенно
нагревается. В этом можно убедиться по свечению, по звуку и путем
расчетов. Сам же лазерный канал образует вполне себе оформленный ствол,
который направляет струю горячего воздуха прямо вдоль оптической оси. Еще
смешнее, что струя имеет довольно малую расходимость - калориметр ее чует
на расстояниях больше метра. Как это происходит - не знаю. На ум приходят
вихревые кольца, способные довольно далеко летать не распадаясь. На самом
деле это не важно. Важно то, что в измерениях, которым, казалось, можно
доверять, был получен полностью неверный результат. Есть еще вариант
объяснения, что лазер генерит не только в ультрафиолете, но и еще где-то
в области длин волн, которые стекло не пропускает. К примеру около пяти
микрон. Но чета это на правду совсем не похоже.
Еще надо заметить, что измерения выполняются в соответствии с
ожиданиями. Если прибор показывает то, что ожидаешь, - спокойно
соглашаешься с его показаниями, записываешь результат, веришь ему. Если
прибор кажет что-то неожиданное, начинаешь лихорадочно и мучительно искать
ошибку. Смех в том, что в данном, конкретно взятом случае, ожидаемый
результат и есть ошибочный.
Думаю, после сказанного понятно, что просто взять, засветить лазером в
очко калориметра, и считать показания - самый прямой путь к ошибке. А ведь
в большинстве случаев измерения именно так и делаются. И узнаешь об этом
не сразу, как хотелось бы, а спустя годы, когда уже написано, выложено и
даже забыто. Я сам - не исключение. Пример - мой собственный гайд по
маломощному азотнику, где долгое время красовалась гордая цифра "5 мВт".
Дабы не повторять ошибок в этом гайде, воздержусь от называния конкретных
абсолютных числовых значений. По моему мнению оценка в 50 кВт (~50 мкДж),
которую Альфонсо Родригес дал для лазера, очень похожего по мощности на
лазер описанный в этом гайде, довольно близка к адекватной.
И если азотник в 50 мкдж нефокусированным лучом заводит лучшие
красители на расстоянии в метр, представляете на что способен лазер
миллиджоульного класса? А десяти-двадцати миллиджоульныого? Не удивлюсь,
если под их лучом бетонная стенка загенерит.
<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА |
