Laser azotowy

powietrzny, typu TEA, 337nm

Marzenie o zbudowaniu własnego lasera stało się rzeczywistością.
Przezentujemy poniżej amatorski opis konstrukcji lasera azotowego, wykorzystującego do pracy zwykłe powietrze, bez obniżania ciśnienia, bez drogich luster.

Troszkę teorii laserów

      Nazwa LASER (Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation) oznacza: wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Wszystkie lasery działają na tej samej zasadzie emisji wymuszonej. Ośrodek czynny w laserze zostaje pobudzany porcją energii (np. z wyładowania elektrycznego lub błysku lampy błyskowej). Atomy/cząsteczki/jony ośrodka czynnego po pochłonięciu porcji enegrii przechodzą do stanu wzbudzonego, w którym przebywają stosunkowo krótko. Po pewnym czasie, na wskutek emisji spontanicznej, wracają do stanu podstawowego oddając kwant energii (foton) w postaci promieniowania (świetlnego). Jeżeli we wzbudzony atom uderzy foton o energi równej energii wzbudzenia, wówczas dany atom przechodzi do stanu podstawowego emitując taki sam foton lecący dokładnie w tym samym kierunku co foton uderzający. Te 2 fotony mogą wyzwolić kolejne 2 i tak lawinowo powstaje akcja laserowa. Aby powstała dostatecznie silna wiązka promieniowania, dostatecznie dużo fotonów musi zostać wyzwolonych. Jest to możliwe wtedy gdy fotony pokonają dostatecznie dużą odległość w ośrodku czynnym - najczęściej dużo dłuższą niź długość lasera. Wtedy stosuje się lustra, jedno całkowicie obijające, które zawraca fotony z powrotem do ośrodka czynnego. Drugie lustro częściowo odbija a częściowo przepuszcza promieniowanie. Część fotonów powraca z powrotem do ośrodka czynnego wyzwalając kolejne fotony, a część fotonów przechodzi przez lustro tworząc wiązkę laserową.

Akcja laserowa wygląda mniej więcej tak:

Jak to się ma do lasera azotowego

Azot jest ośrodkiem o dużym przyroście emisji wymuszonej, co oznacza, że fotony nie muszą przebywać zbyt dużej drogi w tym ośrodku czynnym aby zaszła akcja laserowa. Dzięki temu nie jest wymagany rezonator optyczny (złożony z luster: całkowicie odbijającego i półprzepuszczalnego). Elektrony pochodzące z wyładowania elektrycznego pobudzają cząsteczki azotu N₂. Azot w stanie wzbudzonym pozostaje zaledwie kilka nano-sekund, pompowanie energii (w tym przypadku wyładowanie elektryczne) musi być więc bardzo szybkie. Jak to zwykle w laserach bywa, następuje emisja spontaniczna fotonów (kwantów światła). Te fotony które będą przelatywały wzdłuż osi lasera spowodują wyzwolenie kolejnych, takich samych fotonów lecących w tym samym kierunku. Wystarzy jeden przelot fotonów wzdłuż lasera, aby spowodować emisję wymuszoną w większości wzbudzonych cząsteczek. I tak właśnie odbywa się generowanie wiazki laserowej w laserze azotowym. Ośrodkiem czynnym w laserze jest wprawdzie azot, ale można uzywać zwykłego powietrza, które przecież zawiera 78% azotu. Nie trzeba również obniżać ciśnienia, laser azotowy może pracować w ciśnieniu atmosferycznym. Użycie czystego azotu i obniżonego ciśnienia zwiększy co prawda kilkakrotnie moc lasera, ale i znacznie zwiększy pracochłonność wykonania.
Laser działa impulsowo, długość impulsu to zaledwie kilka nanosekund (wykorzystuje sie
tutaj linie Blumleina). Moc w impulsie dochodzi do 100kW, moc średnia poniżej 1mW.
Długość fali światła generowanego przez ten laser to 337,1 nm czyli bliski ultrafiolet. Mimo iż światło ultrafioletowe nie jest widzialne, to łatwo można je zaobserwować na zwykłej białej kartce papieru. Wybielacze dodawane do papieru fosforyzują pod wpływem światła ultrafioletowego na kolor niebieski.
Warto jeszcze wspomnieć co oznacza owy skrót TEA - Transverse Electrical discharge in gas at Atmospheric pressures - co oznacza: elektryczne wyładowania poprzeczne w gazie przy ciśnieniu atmosferycznym.

Konstrukcja lasera

      Jak na laser, to ta konstrukcja jest banalna. Nie dość że nie trzeba stosować ani obniżonego ciśnienia, ani luster, to cały laser składa się tylko z kilku elementów.

Trzeba się zaopatrzyć w:
2 gładkie elektrody (nowe kątowniki aluminiowe)
folia aluminiowa
folia polietylenowa 0,3-0,5mm grubości
źródło wysokiego napięcia 10-20kV
opornik 5x(10k 5W) (zabezpieczenie)
1 m dowolnego przewodu (na cewkę)
podstawa drewniana lub z tworzywa
elementy mocujące i obciążające

Szczegóły konstrukcji lasera azotowego:
Zaprezentowany tutaj laser azotowy składa się z:
dwóch kondensatorów płaskich (jedna okładka - spodnia - jest wspólna),
dwóch elektrod między którymi zachodzi akcja laserowa,
przerwy iskrowej określającej napięcie wyzwalania
cewki ładująco/blokujacej jeden z kondensatorów.
Do spodniej strony folii polietylenowej przykleja się folię aluminiową (50x41cm). Folia polietylenowa musi być odpowiednio większa (55x45cm). Grubość folii polietylenowej zależy od napięcia zasilania (na 15kV wystarczy 0.3mm), jeżeli zachodzą przebicia trzeba użyć grubszej. Mamy już jedną okładkę wspólną dla obu kondensatorów. Po drugiej (wierzchniej) stronie folii polietylenowej trzeba przykleić 2 paski foli aluminiowej 50x20cm każdy. Pomiędzy paskami trzeba zostawić 10mm przerwy. Na te paski foli aluminiowej (które teraz tworzą okładki 2 kondensatorów) trzeba położyć 2 elektrody (wzdłuż tej przerwy między paskami). Dobrym i sprawdzonym sposobem na sporządzenie elektrod jest zakup 1m kątownika aluminiowego i przecięcie go na pół (2x50cm). Rogi kątownika należy zaokrąglić pilnikiem. Przed położeniem kątowników, nalezy lekko zwilżyć tą powierznie która będzie się stykała z folią aluminiową, poprawi to przewodność. Owe kątowniki położyć trzeba obok siebie zostawiając między nimi (wzdłuż) 2-3mm przerwy. Ta właśnie przerwa zawierająca powietrze jest ośrodkiem czynnym lasera azotowego (komora lasera). To właśnie tutaj podczas bardzo szybkich wyładowań poprzecznych między elektrodami powstaje wiązka laserowa światła ultrafioletowego. Obie elektrody (lub okładki kondensatorów do których one dotykaja) trzeba połączyć cewką. Cewkę nie musi być wykonana dokładnie, wystarczy ok. 20 zwojów o średnicy 2cm, długość cewki to kilka cm. Cewkę należy przymocować na jednym z końców lasera. Cewka działa w tym przypadku jak zawór, pozwala na względnie wolne ładowanie drugiego kondensatora, ale nie pozwala na bardzo szybkie rozładowanie przez nią samą (ze względu na to że nawet mała indukcyjność jest wielkim oporem przy impulsach rzędu 10ns). Wyładowanie następuje poprzez przerwę między elektrodami, na całej długości elektrod. Na tym samym końcu co cewka (nazwijmy to częścią tylną lasera), trzeba zrobić przerwę iskrową (z możliwością zmiany szerokości przerwy). Przerwa nie musi być skomplikowana, a nawet nie może być, żadnych zbędnych przewodów, które tylko zwiększają indukcyjność. Cała konstrukcja jest taka a nie inna, gdyż kluczowe dla działania lasera jest utrzymanie jak najmniejszej indukcyjności własnej. Wyładowanie, aby było efektywne musi być krótsze niż 10ns, a każda indukcyjność wydłuża jego czas. Do przerwy iskrowej (a nie komory lasera!) należy podłączyć zasilanie. Źródło wysokiego napięcia nie musi być duzej mocy, ale powinno dawać 10-20kV. Wystarczy do tego zwykły prosty generator WN który daje 5-7kV. Do tego trzeba zastosować powielacz 2-3razy tak aby uzyskać napięcie ok. 15kV. Źródło wysokiego napięcia łączy się z przerwą iskrową przy pomocy opornika dużej mocy i o oporze rzędu 50-100k, który zabezpiecza generetor WN przed uszkodzeniem.
Całość powinna być zmontowana według schematu (po prawej).

Strojenie i uruchomienie

Szerokość przerwy iskrowej trzeba ustawić tak, aby wyładowania występowały w tępie kilku na sekundę. Przerwę iskrową dobrze jest czymś przykryć aby zmniejszyć hałas i wyeliminować błyski światła które utrudniają pracę z laserem. Drugą, ostatnią i najtrudniejszą rzeczą jest ustawienie elektrod. Elektrody ustawić trzeba tak, aby wyładowanie zachodziło na całej długości elektrody. Nie mogą to być pojedyńcze jasnoniebieskie wyładowania łukowe (typowe dla rozładowania kondensatora), ale tysiące fioletowych iskierek rozsianych równomiernie na całej długości przerwy między elektrodami. Jeżeli uzyskałeś równomierne fioletowe wyładowania z ewentualnymi kilkoma jasnoniebieskimi przebłyskami (skoncentrowanymi w tylniej stronie lasera, czyli po stronie cewki i przerwy iskrowej), to powinieneś zaobserwować zachodzenie akcji laserowej. Z przodu lasera (lub z obu jego końców) powinno wychodzić ultrafioletowe promieniowanie laserowe, które można z łatwością wykryć przy pomocy białej kartki papieru (pojawia się niebieska plamka). Jeżeli nie zaobserwowałeś niebieskiej plamki, powinieneś, na pracującym laserze, lekko postukać (izolatorem) w elektrody w celu delikatnego ich przemieszczenia (zsunięcia lub rozsunięcia). Sprawdź też czy nic nie stoi na przeszkodzie wiązce laserowej, a szczególnie pofałdowana folia polietylenowa. Dociśnij również elektrody aby lepiej przylegały do folii aluminiowej.
Szerokość przerwy między elekrodami nie powinna spaść poniżej 1mm. Jeżeli nie możesz uzyskać fioletowego wyładowania na całej długości przerwy, postaraj się o inne elektrody (o ile nie używasz np. nowych kątowników aluminiowych, które są raczej na pewno dobre), lub o inne źródło zasilania.
Nie martw się jeżeli nie uda ci się od razu. Zanim powstał ten sprawdzony opis minęły 3 dni ciężkich zmagań.

Uwagi dodatkowe

Wiązka światła ultrafioletowego uzyskana za pomocą lasera azotowego jest co prawda spójna, ale nie jest idealnie równoległa. Zaraz przy wyjściu z lasera, plamka wydaje się być okrągła, o średnicy ok. 2mm. Pokonując odległość ok. 4m okazuje się, że plamka ma już szerokość 5cm i wysokość 1cm, i co ciekawe, składa się z wielu pionowych! prążków. Kąt rozbieżności wynosi więc ok. 0,75^o w poziomie i 0,15^o w pionie.
Jeżeli wiązka światła jest obserwowalna po obu stronach lasera, to po jednej (tylniej) stronie można umieścić lustro (zwykłe kosmetyczne) co spowoduje zwiększenie mocy lasera (o ile lustro będzie dobrze nastawione).
Światło generowane przez ten laser to bliski ultrafiolet (337,1nm), przechodzi więc przez szkło z niewielką stratą. Do odbijania wiązki laserowej można zastosować zwykłe lusterka. Po każdym odbiciu wiązka traci na intensywności.
Można również obejrzeć wiązkę laserową przechodzącą przez słoik z wodą. W celu lepszej obserwacji można do wody dodać trochę barwnika z żółtego fluoroscencyjnego flamastra. W tym celu kawałek folii należy pomalować flamastrem i włozyć go słoika i zamieszać. Barwnik z łatwością rozpuści się w wodzie. Wszelkie obserwacje najlepiej jest przeprowadzać w zaciemnionym pomieszczeniu, niektórych efektów nie da się zaobserwować w dzień.

Poniżej znajdują się zdjęcia laserów, których konstrukcja przyczyniła się do powstania tego opisu.

A tak wygląda laser w akcji

MYZLAB © 2002

Warszawa 25.08.2002

---