窒素レーザーの探索-パート2：縦型放電レーザー

最後の部分では、横放電型窒素レーザーの自家製および工場設計の例を見てきました。このトポロジが、自家製の人々によるレプリカで最も一般的になりました。 そして、彼女の利点は次のとおりです。

1. シンプル。 上記のように、多くの場合、大気中で動作する自家製の単純な窒素窒素レーザーの設計でさえ、実験室で非常に深刻な科学的研究が行われていても、非常に適用可能です。
2. かなり深刻な出力パルスエネルギー-大規模な設備では数十ミリジュール。
3. 非常に短いパルス幅で、場合によっては数百ピコ秒になります。
4. 前の2つの要因を組み合わせることで、数十から数百メガワットの巨大なインパルスパワーを実現できます。

しかし、このトポロジにはいくつかの欠点がないわけではありません。 どれが、そして何が彼らの排除につながったのですか？ 読んでください。







最後のパートでは、西部で市販されている窒素レーザーの例を示しました。 しかし、旧ソ連では、「デザインスクール」は根本的に異なっていました。



窒素レーザーの場合、圧力を徐々に下げて電極間の距離を広げると、徐々に縦放電レーザーに到達できます。 ガス中の放電と放射線の両方が完全に同軸である場合。 この場合、ヘリウムネオンレーザーのように、放電は薄いガラス管で燃えます。 窒素圧が低いと、媒体のゲインは低くなり、パルス幅は可能な最大値に近づき（通常の値は10〜20ナノ秒）、電力要件はさらに削減されます。



縦放電レーザーには、横放電レーザーの欠点を克服する利点があります。

1. 放電は丸い管で燃え、レーザーは通常、アルミメッキされたブラインドミラーと平面平行ガラス板の形の出力ミラーで作られた簡単な共振器で動作するため、高ビーム品質です。 また、ビームはそれぞれ、断面にわたってより均一な強度で丸くなっています。
2. 高いパルス繰り返し周波数（最大数千Hz）で動作する能力。
3. 比較的高い平均放射電力。場合によっては数百mWに達します。
4. 放射力の高い安定性。

短時間放電を励起する方法も根本的に異なります。通常、高電圧パルストランスを使用して励起されます。 トランスは、高電圧同軸ケーブルでフェライトリングのスタックに巻かれています。 ケーブルの外側の編組は、リングの穴を通過して、これらの編組が1つまたは2〜3ターンを形成し、これらの編組の端が並列に接続されるように、断片に切断されます。 そして、ケーブルの中心のコアは、それに沿って編組の断片が均等に分配され、リングのスタックに連続的に巻き付けられ、10-15ターンを形成します。 したがって、編組の切断方法を変更することにより、出力電圧を柔軟に選択することができますが、達成可能な出力電圧に基本的な制限はありません。 そのような変圧器は任意の変換比を持つことができますが、Blumleinジェネレーターは電圧を2倍にしかできません。



それでも、光共振器と真空の必要性に加えて、縦放電レーザーにも欠点がないわけではありません。 非常に低い有病率を引き起こしたのは、旧ソ連の国々を除き、彼らが彼らの適用のニッチを占領し、これらの欠点に耐えなければならなかったのです。 これらのレーザーの主な応用分野は、マイクロビーム産業の技術機器であり、高いビーム品質と、比較的高い（モデルによっては）平均出力での非常に細かい焦点合わせの可能性が必要でした。



縦放電レーザーの特徴は次のとおりです。

1. 単一のインパルスの低エネルギー。
2. 管内のガス圧が低いため、密閉ガラス管の製造が必要になりますが、これはかなり面倒なガラス吹き操作です。
3. 電極の霧化生成物による窒素の段階的な汚染により、密閉されたチューブの寿命が制限されます。

次に、ソ連製の最も広く普及しているレーザー、LGI-503としても知られるLGI-21を見てみましょう。 そして、これが私の最初のレーザーであり、レーザーへの情熱が始まりました。 私は学生時代に、研究所の1つから機器が廃止されたときにそれを取り戻しました。 他のレーザーと同様に、エミッターと電源で構成されています。 宣言されたレーザー出力は、最大100 Hzのパルス繰り返しレートで3 mWです。これは一般に非常に小さいものです。







エミッターの内側には、同軸ガラス管があります。 中央には放電が燃えている細いチューブがあり、外側には一定量の窒素を含むバラストがあります。











内部の電源は非常に簡単です。 高電圧パルストランスは右上隅にあり、ストレージコンデンサは少し左に放電され、サイラトロンによってその一次巻線に放電されます。中央にはTGI2-130 \ 10パルスサイラトロンがあり、左には電圧ダブラーを備えた高電圧電源トランスがあります。 右下隅には、サイラトロンを制御するための2ランプジェネレーターがあります。







これはまさに、そのデバイスの修理、調整、慎重な研究を習得した最初のレーザーです。



さて、レーザーテクノロジーに魅了された最初の頃、​​LGI-503レーザーにあった密閉型レーザーチューブの機能を初めて復元した方法をお話しします。



電源を入れたときにミラーを慎重に調整した後、レーザーは非常に「非常に遅い」ビームを生成しました。











電源とミラーの設定に関するトリックはもう役に立たなかった-すべてがそれからのガスが「使い果たした」ことを示した。 それはそれ以上悪くないと思って、私はレーザー管の乳首を折って、それにガラス管の一部を接着しました。 内部では、スポイトからホースを挿入し、真空ポンプに接続しました。 スポイトからの別のホースでガムに針を挿入し、その上にクランプがありました-即興のガス漏れが得られました。







次に、ポンプをオンにして、チューブが最大真空まで排気されるのを待ってから、「リーク」を少し開き、電源をオンにしました。 明るく安定した放電がチューブ内で点灯し、出力に非常に明るい（何が起こったか）光線が現れました！







同時に、「新鮮な空気」では、レーザーは共振器の出力ミラーの関与なしに発電を行うことができ、その出力のみが確実に低かった。







ウランガラス板は、ビームの下で特に美しく発光します。







結局のところ、部屋の空気は、縦方向に放電する低圧レーザーでも非常に機能します。 圧力を選択することにより、最大放射パワーを見つけることができました。 シリアルレーザーを使って多くの実験をする機会が得られたという事実により、横放電を備えた自作の構築を気にしませんでした。 さらに、きちんとした丸い断面の細い梁がはるかに好きです。 したがって、窒素レーザー管の回復は非常に簡単な操作であり、窒素レーザー管を開いて再度排気し、最適な圧力を選択するだけで十分です。 発生する圧力範囲は比較的広く、水銀の10分の1から数10ミリメートルです。 さて、初めてレーザーチューブの作業能力を回復することができたとき、私は経験を統合し、次のチューブを再びはんだ付けするために十分なお金を稼ぐことにしました。 私は大学の研究所からさらに3台の動作不能なレーザーを収集し、おなじみのガラス吹き機に向かいました。







ガラス吹きのワークショップの同じ場所で、彼らはこれらのチューブをポンプで排気して純粋な窒素で満たすことができましたが、それは特徴的です-空気と比較して出力に顕著な違いはありませんでした。 発光スポットの明るさは、空気や家庭での排気の場合と同じに見えます。











次に、チューブを密閉し、レーザーを組み立てて顧客に戻しました。 その後、廃止されたコンポーネント、そして新しいレーザーを入手するのがはるかに簡単になりました-私はさまざまなソースから40から120 mWの宣言されたパワーを持つより強力ではるかに希少な窒素レーザーLGI-505から2つのチューブを手に入れることができました。 彼はまた、縦方向の放電管を持っていますが、デザインはより「オーク」です-放電は水で外部から冷却されるセラミック毛細管で燃え、カソードは大径のアルミニウムシリンダーの形で作られ、プロセスは側面に溶接され、そこには再生のためのいくつかの物質の螺旋加熱タブレットがあります何らかの理由でチューブ内のガス圧が低下した場合、窒素。 石英製のブリュースターの巨大な出口窓も印象的です。 下の写真のチューブ。 2番目のチューブは、近くにある次の密閉袋にあります。







エミッターの内部では、サイラトロン、パルストランス（オイルと絶縁体を備えた小さなタンク）、およびその他の詳細で構成されるナノ秒パルス生成回路と共にチューブが組み立てられます。 チューブ自体しか持っていないので、エミッターの写真はGoogleから取得します。







しかし、私はまだチューブと一緒に外部電源を得ました。 しかし、彼はラジエーターとサイラトロン制御パルス内の蓄積コンデンサーを充電するための高電圧の生成のみを扱っています。











内部には、かなり興味深いデザインがあります。高電圧発電機は、出力に小型の油トランスを備えたサイリスタに基づく古いソビエトのスイッチング電源で、水冷ジャケットがあります。







添付の説明書の図を使用して、エミッタの必要な「パワーパーツ」を復元し、LGI-505を実行することができました。 この回路は、LGI-21の回路と本質的に同じです。パルストランス、サイラトロンのみがより強力で、ストレージコンデンサの容量は大きくなります。 変圧器は自家製で、サイズが120 * 80 * 12の6つのフェライトリングに同軸ケーブルで巻かれています。 ケーブルの編組は8つの部分にカットされ、すべての部分は並列に接続され、1次巻線の1ターンを形成します。 ケーブルの中心コアは、2次巻線の8ターンを形成します。 トランスからの電圧パルスの振幅は、約70〜80 kVと推定されます。 サイラトロンはTGI-1-1000 \ 25にインストールされましたが、これは原則として冗長ですが、当時は他にありませんでした。 ストレージコンデンサとして、公称値4700 pF 50 kVの1つのコンデンサk15-10を使用しました。







高電圧および制御パルスは、上記のネイティブ電源から供給されます。



最初の起動時に、チューブの両端にスーパールミネッセンス放射が現れ、光共振器を備えたLGI-21レーザーのパワーを超えました。







このレーザー管に共振器を追加することにより、出力を大幅に増加させることができました。











ターゲットとしてウランガラスの参加で特に壮観に見えます。







このレーザーは、完全に完成した製品になる可能性があり、外装ケースも完成しました。







しかし、その後、 銅蒸気レーザーの構築が始まり、そこから最初にTGI-1-1000 \ 25サイラトロンが必要になり、次に実験用のパルストランスが必要になりました。 そして、この設計は部分的に分解され、遠い隅に置かれましたが、その運命はごく最近まで不明のままでした。 窒素レーザー用の独自のチューブを作りたいと思うまで。



横放電レーザーよりも縦放電の窒素レーザーを作成することは、ガラス管で作業し、真空で回転する必要があるため、すでにはるかに面倒です。また、アルミ化されたブラインドミラーと平面平行透明窓-出力ミラーからの最も単純な光共振器も必要です。 しかし、この場合でも、いくつかのセラミックコンデンサで組み立てられた、伝統的になったブルームラインジェネレーターを使用して発電することは可能です。 窒素縦放電レーザーは、自家製メーカーでは非常にまれですが、まれです。 何らかの理由で、主にドイツ人。 以下はデザインの例です。



adrian-homelab.deのレーザー











deralchemist.wordpress.comのミニチュア縦型窒素レーザー







そしてもう1つは、明らかに、以前のものの主要なソース、pulslaser.deのThomas Rappレーザーでした。







縦放電レーザーを支持する主な論点は、薄くて丸いレーザービームです



また、インターネット上には、ネイル型のヘリウムネオンレーザーから窒素レーザーへの変更の例があります。本質的に、タスクは、電源と真空システムの構築に集約されます。 さて、ポンプを慎重に開き、ポンピングのためにフィッティングを接着する必要があります。 結果は、完全に自家製のチューブの場合と同じです。



そして最後に、私自身のデザイン！



このレーザーは、LGI-505レーザーが外観上の変更を加えて組み立てられた既存の電気プラットフォームに組み立てられました。 以前と同じパラメーターを使用して、より培養された新しいパルストランスが作成されました。







新しいサイラトロンが設置され、銅蒸気レーザーの電源に一貫性がないことが示されましたが、ここでは完全に動作します-TGI-1-700 \ 25、大きなガラス。 2番目のコンデンサk15-10が追加され、システム全体の電源が増加しました。 コンデンサの接続を変更することにより、適切な「ポンプエネルギー」を選択できます。 その結果、実験プラットフォームは、テスト対象の同じLGI505チューブとともに、このように見え始めました。







次に、LGI-505パイプの代わりに、独自のパイプをインストールしました。







レーザーチューブは、内径3.5 mm、長さ約25 cmのガラス毛細管のセグメントで構成されており、その端部にはアルミニウム電極が磨耗して接着されています。 各電極にはフィッティングがあり、1つからは空気がポンプによって排出され、2つ目からは空気がゆっくりとチューブに流れ込みます。 先端を内側にして真空ホースに挿入されたインスリン注射器の針は、漏れとして完全に現れました。 各電極の反対側には、大きなガラス管の破片を載せて接着するノズルがあり、その端はブリュースターの角度で切断されています。 放射線を接着するためのクォーツ（私が思ったように）窓がそれらに接着されています。 アルミニウム製ミラーは、放射力を高めるためにチューブの片側に取り付けられています。







チューブは、3NVR1Dポンプによって排出されます。 インスリン針に空気が流れると、平衡圧力は約10 mm Hgに設定されます。 アート。







オンにすると、レーザーはすぐに動作を開始しました。 しかし、出口窓が放射をまったく通過せず、それを反射するだけで、パイレックスチューブに部分的に吸収されて下がったという完全な驚きがありました。 左の窓は本当にクォーツであり、通常は放射を発していることが判明したため、超発光を観察するのは簡単でした。







これが、放射線不透過ウィンドウの横で起こったことです。







鈍いミラーをブロックすると、右下のグローが弱まりました。







今度は正しいウィンドウを交換する必要がありました。 その後、出力はLGI-21の出力を超え、ミラーレスモードで動作するLGI505の出力に近づきました。











したがって、空気中で動作する自作の縦放電窒素レーザーは完全に成功しました！ また、チューブはフローモードで動作するため、窒素と空気以外の他のガスでも動作できることを意味します。 しかし、これはまったく異なる話であり、実験のための耕されていない分野です。 これは、アクティブエレメント（ガス放電管）と自家製ポンプシステムの両方を備えた、初めての完全自家製レーザーです。



そのため、誰かがレーザーと関連する分野の世界に参入したい場合、窒素レーザーの構築から安全に始めることができます。 真空ポンプと変圧器ポンプシステムを組み立てるための部品の供給がある場合は、最も簡単な横放電レーザーまたは縦放電レーザーを選択できます。 しかし、何らかの方法で、これは「レーザーダイオードを完成したドライバーに接続し、レーザーポインターを作成する」よりもはるかに刺激的です。レーザーの原理を理解するプロセスへの関与はより深く、貴重な経験と知識が得られるためです。