Самодельный газовый лазер

Для начала остановимся на лазере на углекислом газе.
Мне попадался один файл с подробным описанием технологии как сделать лазер на углекислом газе. Меня это тогда очень заинтересовало. Но мне пообещали что отдадут готовую трубку и по этому я пока отошел от этого дела. Но могу поделиться своими набросками по этому делу. Итак, часть № 1:
Газовая смесь
Первый лазер на углекислом газе работал на 100% углекислом газе(дальше СО2). Но у него был очень низким КПД и он давал излучение мощности 1 мВт. С добавлением азота и гелия, КПД резко вырос(10% и более). Азот передает энергию накачки молекуле СО2 газа,а гелий выравнивает температуру по трубке(за счет высокой теплопроводности) и противодействует опустошению нижних уровней молекулы СО2 газа. Но этого как оказывается не достаточно. Потому что в ходе работы разрушается сама молекула СО2 газа(на СО и О2). Это основная проблема отпаянных трубок. Со временем, когда большая часть молекул СО2 газа разрушается, генерация полностью прекращается(СО газ может только давать генерацию при температуре жидкого азота, не ну можно заставить работать его и при комнатной температуре;добавить ксенон, т.е. смесь СО:He:Xe;при этом КПД доходит до 75%)Начались поиски ингибиторов, которые бы замедлил этот процесс. И нашли. Если делать электроды с платины или никеля. Ну для нас платина сразу отпадает(жирно слишком ), а вот никель остается. Ну тут своя проблема. Он начинает работать только при температуре 200 - 400 градусов. А это очень плохо. Остается подогревать сам электрод, но это довольно усложняет конструкцию лазера. Открыли другой метод. Добавить паров воды. Вообще молекулы воды тоже как и гелий защищают нижние уровни от опустошения, и ещё довольно неплохо замедляют распад молекулы СО2 газа. По этому в смесь довольно часто добавляют пары воды(или водород, только в нашем случае лучше пары воды). Смесь там:
9.5% - СО2
13.5% - N2
77% - He
Сколько нужно добавлять паров воды(чтобы через несколько минут роботы не пропадала генерация из-за того, что смесь накрылась)я точно не знаю(1-2% за счет гелия). Здесь надо экспериментировать. В трубках где газ прокачивается эта проблема стоит не так остро. Но в принципе сохраняется. Т.е. смесь надо обновлять. Но там и так скорость распада очень низка. Потому что система охлаждения не дает смеси сильно разогреваться. А именно при разогреве скорость распада увеличиваеться!Значит чем меньше температура газовой смеси тем лучше! С давлением смеси тут свои особенности. При условиях запаянной трубки, давление от 5 до 100 мм рт. ст.. В этом описании написано что оптимальное давление 8 мм. рт. ст. но можно и нужно экспериментировать. Попытаться поднимать давление до тех пор, когда разряд перестанет стабильно горесть в трубке. В награду получаем большее количество молекул на 1 кубический сантиметр. А значит будет больше мощности сниматься с 1 кубического сантиметра. А это означает повышение мощности в целом! Для систем с газовой прокачкой давление можно смело поднимать. Да и в принципе можно экспериментировать с пропорциями смеси. Ну, всё. Вроде всё написал, что касается газовой смеси. Да и в принципе можно экспериментировать с пропорциями смеси. Если что-то вспомню ещё, то напишу ещё.
Резонатор
Тоже, довольно серёзная задача. Где достать зеркала для резонатора? Там одно зеркало глухое(ничего не пропускает) с этим по проще. Полированная медь,золото, серебро, и т.д.. А вот с полупрозрачным проблема. Излучение 10.6 мкм пропускают: NaCl, KCl, GaAs, ZnSe, Si, Ge и т.д.. Зеркала на NaC или KCl не подходят, потому что их влага разрушит. А вот остальные подойдут, но где их достать? Выход: купить на eBay. И кстати довольно за неплохую цену. Кстати, не знаю точно за GaAs, но зеркала с ZnSe довольно опасны для кожы!Да и вообще для любых лазеров зеркала руками не лапать!Лучше брать в резиновых перчатках. Это лучше и для зеркала и для вас(возьмете в руки зеркало с соединения ZnSe и будет долго мучиться с заболеванием кожи)Ну, всё. Вроде всё написал, что касается резонатора. Да и в принципе можно экспериментировать с пропорциями смеси. Если что-то вспомню ещё, то напишу ещё.

Это первая часть, будет ещё. Просто у меня дел много. Переварите хотя бы это

 

если маломощная трубка(1-20 ватт), то я с тобой абсолютно согласен. А если 40 и более ватт, то самодельный получается дешевле

 

у меня есть зеркала для СО2 лазера, германиевые

 

ну и нормально

 

Итак,типа часть вторая
для начала я расскажу + и - газовых лазеров.
Ну вот их достоинства:
1. Высокая когерентность и монохромность
2. Высокая направленность
3. Некоторые газовые лазеры имеют огромный коэффициент усиления(к примеру азотный), который позволяет работать без резонатора
4. У импульсных лазеров энергия импульса может быть равна и даже превосходить энергию импульсов других лазеров(твердотельных и жидкостных)
5. Может быть получена длительность импульса(порядка 0.5-10 нс)
6. Высокие мощности в непрерывном режиме(СО2 лазер с продольной прокачкой и газодинамический СО2 лазер)
7. У некоторых лазеров КПД доходит до 75% и такой КПД реально получали(для лазера со смесью CO:He:Xe по всему спектру излучения)
8. Неограниченные энергии импульсов(для импульсных газовых лазеров). Хотя правильней сказать, что разрядные трубки в максимальных размерах ограничений не имеют(есть трубки и с длиной в 100 метров, но можно и ещё длиннее делать)
Теперь недостатки:
1. Большие размеры
2. Некоторые лазеры очень капризны(к примеру гелий-неоновый)
3. Питаются от высокого напряжения
Ну это основные + и -
Теперь к делу
Система охлаждения
Охлаждению СО2 лазера надо уделить большое внимание. Чем ниже температура газовой смеси тем ниже скорость распада молекул СО2 газа и тем выше КПД. Лучше всего охлаждать водой. Только воду лучше брать дистиллированную или в самом крайнем случае,воду которая дает как можно меньше(или шоб вообще не давала) накипи. Потому что со временем охлаждение трубки очень затрудняется из-за накипи, на стенках трубки, которую очень тяжело удалить с стенок, я бы сказал практически не возможно. Это вообще касается не только для тех, кто хочет сделать самому лазер, а и для тех кто купил или достал где-то трубку! Вообще, если мощность меньше 100 ватт, то в принципе должно хватить системы водяного охлаждения для компа. Но вообще лучше её немного модернизировать(поставить более мощный насос или поставить ещё один такой же насос, и тоже самое с радиатором,поставить побольше или ещё один такой же;при мощностях 30-60 ватт в принципе можно только увеличить по объему емкость для воды(поставить 7-10 литровую бутылку))Ну а вообще смотрите сами
Трубка
В принципе всё есть в файле 55 Watt Flowing Gas CO2 Laser Tube Assembly & Operation Instructions. Если кому-то хочется побольше мощности, то просто увеличьте длину трубки. Только при этом вам надо будет увеличивать напряжения питания!

 

я бы не сказал

 

о, вот я тут ещё вспомнил кое-что.
О резонаторе
Есть резонаторы:


Теперь я расскажу о некоторых из них.
Плоскопараллельный: С таким резонатором качество луча очень высоко и очень легко реализовать одномодовый режим работы(TEM00). Но очень тяжело юстировать(настраивать чтобы зеркала были параллельными друг к другу)
Конфокальный:Легко настраивать,но качество луча не очень, тяжело реализовать одномодовый режим.
Полусферический:Что-то между плоскопараллельным и конфокальным. Настраивать нормально, да и качество луча неплохое.

Скора я буду писать про питания лазеров(важно!). И если будет желание и время, то расскажу про TEA лазеры

 

Korol, точно у плоского резонатора качество луча выше, чем у сферического? Обычно без внутрирезонаторной диафрагмы в таком резонаторе возбуждается огромное количество поперечных мод, а уж одну продольную сгенерить можно только прибегнув к спецметодам синхронизации мод

 

Понимаешь, у конфокального пучок обычно неоднородный по строению. Но реализовать одномодовый режим роботы с конфокальным резонатором можно(как раз, это по-моему делают при помощи диафрагмы которой обычно служит сама разрядная трубка, по этому этот тип резонатора обычно используется в лазерах: гелий-неоновый(трубка в диаметре 1-2 мм), аргоновый, гелий-кадмиевый и т.д.). С плоскопараллельным резонатором легче это сделать(длина разрядной трубки и её диаметр,при учете, что диаметр разрядной трубки равен диаметрам зеркал,ну или почти-что равен). Но там ещё одна проблема, о которой я не писал. С плоскими зеркалами иногда может быть такое, что генерация не стабильная. С конфокальным резонатором этого нет. В том файле, что я дал, трубка разрядная в диаметре довольно большая(около 5 мм),а длина трубки для такого диаметра мала. И по этому там режим TEM01. Если уменьшить диаметр разрядной трубки до 2-3 мм и увеличить длину разрядной трубки. Он должен начать работать в режиме TEM00.
Теперь более понятным языком. Для плоскопараллельного резонатора другие моды(кроме TEM00) можна заглушить с увеличением длины резонатора или уменьшением диаметра зеркала. А с конфокальным такое далеко не всегда катит,там другие методы
Кстати, конфокальный и сферический резонатор это разные резонаторы

 

Это, я там кое в чем ошибся. И прошу извинения.
Гелий, в смеси СО2:N2:He, не противодействует опустошению нижних уровней молекулы СО2 газа. Он наоборот помогает чтобы это произошло. Т.е. гелий помогает возникновению инверсии населенности. Что и нужно для генерации

 

Следущая информация может быть полезна не только для тех, кто хочет самому сделать газовый лазер. Но и для тех, кто где-то достал трубку.
Питание
Вобще газовые лазеры можно питать любым током(переменным или постоянным),ну это только кроме некоторых лазеров(TEA,к примеру). Когда появился первый газовый лазер(гелий-неоновый), накачка была от переменного тока,высокой частоты(около 27 МГц,т.е. без электродов). Потом от накачки переменным током начали отказываться, потому что тяжело было регулировать мощность и сами источники питания были сложные. Щас, вроде, наоборот переходят на переменное. К примеру,основная проблема поднятия давления в трубки является нестабильный разряд в повышенном давлении(разряд перестает проходить по всему объему, а собирается в каналы и при этом смесь только сильно разогревается, а генерации нет), с переменным такое тоже возможно. Но разряд горит гораздо устойчивей. Ну и есть информация, что КПД такой накачки выше.
Может сейчас самый подходящий момент объяснить термины TE и TEA. TE - это продольный разряд в газе низкого давления, а TEA - это продольный разряд в газе при давлении близком к атмосферному или даже выше. У некоторых может возникнуть вопрос, шо почему в TEA лазерах давление большое, но работает. Он работает потому что там время существования разряда мало(несколько наносекунд) и он не успевает собраться в канал, т.е. эти лазеры работают только в импульсном режиме. Собственно с этого можно и сделать вывод почему разряд переменного тока горит более устойчиво чем постоянного.
В качестве источника питания для трубки хорошо использовать источник на базе строчник. Если не хватает мощности, то соединить их параллельно(но шоб они работали строго в фазе). Можно мотать самому,если есть желание и время.Это лучше всего. Не можно конечно купить высоковольтный трансформатор. Но он стоит не дешево.
И так со строчником. Можно брать любой строчник, даже с умножителем или диодом.
Вот на одном сайте чувак собрал питание для трубки на 12 ватт

и работает вроде ничё. Но мой выбор это мотать самому или параллельно соединить пару строчников. Ну а вы смотрите сами. Теперь самое главное, вот параметры некоторых заводских трубок. На которые нужно опираться:

эта таблица будет обновляться!

 

Инфа хорошая и правильная. Многое мне прояснила.
Но САМОДЕЛЬНЫЙ ЦО2-полный нереал. По крайней мере в домашних условиях. Основные проблемы-как засунуть зеркала в разрядную трубку. В моём 10 ватт ЦО2 одно сферическо зеркало стоит в трубке, второе стоит снаружи, за брюстерным окном. Окно из германия.
Так что ограничимся ТЕА лазерами. Кстати на ЦО2 тоже есть ТЕ лазер.

 

Я с тобой не согласен. Ты тот файл качал(я о 55 Watt Flowing Gas CO2 Laser Tube Assembly & Operation Instructions.pdf)?смотрел его?судя по всему нет.
Вот скачай просмотри его. Там такой проблемы о которой ты пишешь возникнуть не может

 

Я в самом начале писал.
Скачай тот файл и посмотри как он в роботе,там это есть.
Вот, в интернете я находил, по тому пособию сделали лазер. Только его немного усовершенствовали(увеличили длину трубки и соответственно напряжения питания).
Вот что у них получилось:


У меня ещё было видео, с таким лазером сделанным по той методике,которая описана в том файле