Einfacher TEA-Stickstofflaser

Transkript

1 Illumina-Chemie.de - Artikel Physik Es gibt viele Bauanleitungen für diese Art von Transversely Excited Atmospheric (TEA) N2-Laser im Internet und jeder Aufbau ist etwas anders. Deshalb kann ich hier auch nur von einer von vielen möglichen Varianten berichten. Dies betrifft sowohl die verwendeten Elektroden, als auch die Art der Funkenstrecke oder das Material der Grundplatte. Allen Aufbauten aber ist gemeinsam, das es möglichst kleine Induktivitäten geben muss, sonst ist der Misserfolg so gut wie sicher. Und die Spannung sollte auch ausreichend hoch sein, weniger als 10 kv sind nicht zu empfehlen. Mehr als 40 kv sollten es aus Sicherheitsgründen aber auch nicht werden. Ein geeignetes Netzteil stelle ich in einem eigenen Artikel noch vor. Jedoch kann ich jetzt schon verraten, dass sich eine Hochspannungskaskade recht gut eignet, wenn man keine all zu großen Erwartungen an die Wiederholrate des Lasers hat. Der Aufbau kann fest oder fliegend sein, wie in diesem Fall. Natürlich kann man einen N2-Laser auch aufwendig mit Plexiglas und Verschraubungen bauen wie der LASER-Guru Thomas Rapp auf seiner Seite die ich jedem wärmstens ans Herz legen möchte, aber ein Aufbau mit etwas Klebstoff reicht für den ersten Anfang allemal aus. Gerade für den ungeübten Nachbauer ist es von Vorteil, schnell mal etwas im Aufbau ändern zu können und ein Misserfolg schmerzt auch nicht so, als wenn man vorher viel Geld und Arbeitsaufwand investiert hat. Ein weiterer Vorteil dieser Bauart ist auch, auf eine Vakuumpumpe verzichten zu können, da der Laser bei Atmosphärendruck betrieben wird. Deswegen habe ich mich bewusst für den Quick&Dirty -Aufbau eines solchen Lasers entschieden, obwohl meine Perfektionistenseele es lieber etwas stabiler hätte. Hinweis: Achtung! Hochspannung! Der Laser arbeitet mit einer lebensgefährlich hohen Spannung von einigen tausend Volt. Bei Berührung der geladenen Kondensatorplatten kann es zu einem tödlichen Stromschlag kommen, auch wenn die Stromversorgung längst ausgeschaltet ist! Immer vorher mit einer gut isolierten Zange die Platten durch kurzschließen entladen, min. 10 Sekunden lang! Achtung! Laserstrahlung! Nicht in den Strahl blicken! Gefahr von Netzhautverbrennungen! Der Nachbau geschieht auf eigene Gefahr! Der Autor und Illumina-Chemie übernehmen keine Haftung für Sach- und Personenschäden durch Unfälle beim Nachbau und eventuellem unsachgemäßen Umgang! Materialien: Hochspannungsquelle mit kv min. 20 W Ein Stück Spanplatte ca. 40 cm x 40 cm (Laminiert, glatt) DIN A4 Kopierfolie min 140 µm dick Alufolie (Haushaltsfolie) Sechskant-Messingprofil 50 cm SW4-5 ca. 40 cm 1,5 mm² Installationsleitung (Kupferdraht) 2 Hutmuttern M4-M8 (als Funkenstrecke) Kleine Metallsäge und Feile Cuttermesser, Teppichmesser oder große Schere Evtl. etwas Klebstoff 1 von 6

2 Vorbereitung und Aufbau: Man schneidet zuerst die Alufolie auf die richtige Größe zu. Für die Massefläche wird ein ca. 30 cm x 18 cm großes Stück, für die beiden oberen Platten werden zwei Stücke mit 25 cm x 8 cm zugeschnitten. Nun wickelt man ein ca. 40 cm langes Stück Kupferkabel mit 1,5 mm² Querschnitt ungefähr 20 mal um einen Bleistift oder Schraubendreher, um eine Spule zu erhalten. Die Drahtenden sollte man auf Kupferplatten oder Münzen auflöten, so kann die Spule stabil stehen ohne umzufallen. Das Messing-Sechskantprofil wird einmal genau in der Mitte mit einer Metallsäge durchgesägt und die Schnittfläche mit einer Feile entgratet, diese beiden Stücke bilden später den Entladekanal des Lasers. Es ist sehr wichtig dass die Längskanten sauber und sehr glatt sind, da es sonst zu sog. Break-Out-Points kommt, an denen bevorzugt Funken überspringen und so Energie für den Pumpvorgang verloren geht. Als Funkenstrecke können einfach Hutmuttern auf Fünf-Cent-Stücke gelegt werden um ein Durchbrennen der Alufolie zu vermeiden. Damit sind die Vorbereitungen abgeschlossen. Man legt nun zuerst das große Stück Alufolie auf das Stück Spanplatte, wer möchte kann es mit etwas Klebstoff fixieren. Darüber wird die DIN A4 Kopierfolie so gelegt, dass an einem der kurzen Ränder ein etwa 1-2 cm langes Stück der Massefolie frei bleibt. Auch hier kann mit Klebstoff fixiert werden. Nun legt man die beiden kleinen Alufolienstücke so auf die Kopierfolie, dass zwischen ihren Längsseiten ein etwa 0,7-1 cm (je nach SW des Sechskantprofils) breiter Streifen frei bleibt und sie möglichst genau über der Massefläche liegen. Stimmt ihre Lage, können auch sie verklebt werden. Diese Anordnung bildet einen (eigentlich zwei) Kondensator(en). Jetzt legt man die beiden Sechskantprofile so auf die oberen Folien über den 1 cm-spalt, dass ihr Abstand an den sich gegenüberliegenden Kanten nur etwa 1mm bis 1,5mm beträgt und sie absolut parallel liegen. Man sollte die Profile etwas mit Gewichten beschweren, Fünf-Cent-Münzen oder Anglerbleie leisten hier gute Dienste. Man muss nur darauf achten die Profile nicht leitend zu überbrücken. Als Funkenstrecke können einfach zwei Hutmuttern auf Kupfermünzen gelegt werden, wovon eine auf die Massefläche und eine auf eine der oberen Kondensatorfolien gelegt wird. Die beiden runden Köpfe der Muttern liegen sich dabei in etwa 3-6 mm Abstand gegenüber. Es ist von Vorteil die Funkenstrecke mit etwas lichtundurchlässigem abzudecken, um so den grellen Blitz, als auch das laute Knallen der Funkenentladung etwas zu dämpfen. Nun wird die Spule auf die beiden oberen Alufolien gelegt und diese so elektrisch verbunden. Es fehlt jetzt nur noch die Spannungsversorgung, den Pluspol auf die obere Alufolie (nicht auf die mit der Funkenstrecke. Geht auch, wird aber meist nicht gemacht), den Minuspol auf die Massefläche (große Folie unten). Wenn nun die Hochspannung von min. 12 kv angelegt wird sollten sich entlang des Laserkanals Funken entladen und an den Seiten des Kanals die typischen blauen Leuchtpunkte auf weißen Papier zu sehen sein. Wenn nicht, sollte man den Laser noch mal ausschalten, entladen (!) und etwas die Sechskantprofile justieren oder den Abstand der Funkenstrecke vergrößern. Ist dieser Abstand zu klein, schlägt die Funkenstrecke schon bei zu kleiner Spannung durch und die Energie reicht nicht mehr um die Stickstoffmoleküle anzuregen. 2 von 6

3 Erklärung: LASER ist die Abkürzung von light amplification by stimulated emission of radiation (Lichtverstärkung durch induzierte Emission von Strahlung) Für einen Laser sind drei Wechselwirkungen von Energie und Materie von Bedeutung: Die Absorption, die spontane Emission und die induzierte Emission. Wenn ein Atom von einem Photon (Lichtteilchen) getroffen wird, geht es in einen angeregten, energetisch höher liegenden Zustand über. Diesen Vorgang nennt man Absorption. Das geschied beim Pumpen eines Lasers. Aus diesem angeregten Zustand kann das Atom oder Molekül ohne äußere Einflüsse wieder in einen niedrigen Zustand zurückfallen, wobei ein Photon ausgesendet wird, dessen Energie der Energiedifferenz zwischen dem angeregten Zustand und dem niedrigerem Zustand entspricht. Dieser Vorgang wird als spontane Emission bezeichnet. Wenn ein bereits angeregtes Atom oder Molekül von einem weiteren Photon mit mindestens der gleichen oder höherer Energie getroffen wird, kehrt es durch aussenden eines weiteren Photons in den niedrigeren Energiezustand zurück, wobei das auslösende Photon nicht verloren geht, es fliegen also zwei Photonen davon. Dies ist die induzierte Emission. Um Lasertätigkeit zu erreichen, muss die Zahl der Moleküle im höheren Zustand größer sein, als die Zahl der Moleküle im Grundzustand. Ist das der Fall, liegt eine Besetzungszahlinversion, und somit die Grundbedingung für Laserbetrieb vor. Der Stickstofflaser ist ein sogenannter 3-Niveau-Laser und gehört zu den Molekülgaslasern. Die Lasertätigkeit findet im N2-Molekül statt, welches durch Elektronenstöße in den angeregten Zustand gebracht wird. Dieser Zustand stellt praktisch ein Vibrieren des N2-Moleküls da und wird mit C3Piu bezeichnet. Die Lebensdauer dieses 11 ev über dem Grundzustand liegenden Energieniveaus beträgt bei Atmosphärendruck (1013mBar) nur 40 ns. Aus diesem Level fällt das Molekül durch spontane oder induzierte Emission, die durch die Photonen der spontanen Emission ausgelöst wird, unter Aussendung eines Photons mit 337,1 nm Wellenlänge zurück in einen um 3,7 ev niedrigeren Vibrationszustand mit der Bezeichnung B3Pig. Dieser Zustand hat eine Lebensdauer von 10µs Von hier aus fallen die Moleküle wieder in den Grundzustand zurück und geben ihre Energie als Wärme ab. Man sieht, dass die Zeit in der eine Besetzungszahlinversion vorliegt beim TEA-Stickstofflaser sehr kurz ist. Das erklärt, wieso der Laser nur als Pulslaser betrieben werden kann und die geringe Induktivität so wichtig ist. Je größer die Induktivität, desto länger sind die Stromimpulse, und die müssen nun mal sehr kurz sein. Ist die Zahl der Moleküle im unteren B3-Zustand oder im Grundzustand höher als die Zahl der Moleküle im 3 von 6 C3-Zustand, werden Photonen absorbiert und die Lasertätigkeit endet. Ein solcher Laser wird als

4 2-Moleküle auf das C3Piu-Level und der Laserimpuls wird ausgelöst. Ist die Funkenstrecke durch die abfallende Spannung gelöscht, steigt die Spannung über die Ladespule wieder an und der Zyklus wird wiederholt. Die maximale Wiederholrate kann um die 100Hz betragen. Sie wird jedoch begrenzt durch die lange Halbwertzeit des B3Pig-Levels im N2-Molekül sowie durch den Ladestrom, den das Netzteil liefert und den Abstand der beiden Funkenstreckenpole. Dieser darf nicht zu gering sein, da die Funkenstrecke sonst schon bei zu geringer Spannung zündet und sich so keine zum Pumpen ausreichende Energie am Laserkanal entladen kann. Nur kurz angemerkt sei noch, das auch der Verlauf der Spannungswellenfront auf den Kondensatorplatten eine Rolle spielt. Das Stichwort lautet hierbei "Wanderwellenfeld". Es würde aber den Umfang dieses Artikels sprengen, dies im Detail zu erleutern. Bilder: Die Funkenstrecke im Gehäuse 4 von 6

5 Die Spule Die einzelnen Arbeitsschritte 5 von 6

6 N2-Laser im Betrieb 6 von 6