极客科技强激光
 
 
===DIY高能脉冲激光器 涉及的理论、经验、器材===
=================序言==============

本文初衷在于让各位从实验中深入了解、体会脉冲激光的结构、原理,为了安全,原则上不准许也不需要做成手持模块!


固体脉冲激光器是一种历史悠久,使用广泛,结构简单的激光器,但是由于它的瞬间功率极端大,在没有彻底完善的防护(封闭的实验室,警告标志,全体人员个人防护等)的情况下,绝不允许因非实验目的做成手持装置,原则上只允做成固定在桌面上,不容易改变角度的实验模块。一切违反基本操作规范、偷懒跳过安全检查步骤、出于好玩把激光器做成手持版本等的行为后果自负



由于这周要考期中考,我只把DIY高能脉冲激光器所涉及的理论、经验以及器材选择方法简单的写了一下,让KCer对此有初步的概念,也为我接下来要发的一系列教程、套件做理论铺垫。国内部分爱好者一个致命的错误就是先根据随手查的一点点资料买来各种零件磕磕碰碰地装出来一个有各种问题的作品,再发现理论知识跟不上导致一大堆问题,这样不仅会造成资金、时间的浪费,还养成了一种对新领域的错误探索方式。我个人感觉,先花几天时间看看论文再谷歌谷歌再看看国外的论坛上的作品(如果有)把原理弄清楚,可能遇到的问题弄清楚,再开工,事倍功半。

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DIY高能脉冲激光器所涉及的理论、经验以及器材选择方法

危险!本类制作将涉及到高于普遍致死阀值数百倍甚至数千倍的高电压、大电流,完成本制作的人员必须具备相当的高压防护能力与实验经验。

注意!在调整、使用过程中,此类设备输出能量可以在相当大的距离内引起火灾和致盲。实验过程必需佩戴激光防护眼镜,必须保证周围设备、人员的安全。



所有的光(即传统光源or激光光源),都是原子、分子能级变化所造成的。这些特定能级差别的吸收和释放都表现成为特定波长的光。光子射出的能量(焦耳)等于h*f,其中h是普朗克常数,f是频率的辐射,这适用于激光和传统的发光系统。光辐射能量在原子从高能态掉到低能态的时候放出。然而,一个原子想发光,首先必须吸收的能量,使得低能态原子被打到高能态,这在激光领域叫做“泵浦,pump”。所有光包括自发和激光需要一定量的能量吸收。
显然,没有哪个自发辐射光源能达到激光光源的光谱质量。这是因为传统光源是系统处在各种能级都有的杂乱辐射状态。传统光源的基本特征是宽光谱分布,随机极化,圆形和不规则的波阵面和较低的色温。激光的发射原理不同于常规光,不是各种能级加在一起的自发辐射产生的,而是受激发射,各种能级的原子被泵浦到较高的一个激发态上,由于维持的时间总体正态分布,大部分原子都在一段极短的时间内掉到同一个较低的能态上,这种发射方式导致光处在几乎一致的能量水平,也就是我们平常所说的激光单色性。
为了维持这种翻转的粒子数够多,必须有外部的能量把掉下来的原子搬到激发态上,这就需要脉冲激光(例如本教程要做的固态灯泵脉冲YAG激光器)中的脉冲氙灯,半导体泵浦激光(又叫DPSS激光,例如绿色的激光笔)中的半导体激光器,气体放电激光(例如氦氖激光器、CO2激光器)中的放电,化学激光(例如武器级的氧碘激光)中的化学反应等能量源来提供能量了。
世界上很多物质都能受激发光,但是,只有少部分物质能够发出有用的激光。激光物质必须有特定的粒子结构使得粒子翻转群可以被激发到一定的密度,一般是一些晶体或者气体、液体。这些激光物质一般被放在两个镜子之间,使得能量能够经过多次来回反射而放大达到能够使用的级别。一面镜子是全反镜,反射几乎所有的光,也叫HR,一面镜子是半反镜,也叫输出镜,OC,一般反射20%到80%的光,激光在两个镜子之间多次往返放大后,从这里打出来一部分做输出。
在现在成千上万种激光设备中,红宝石激光器是世界上最早的激光器,它由Schawlow & Townes在60年代制造出来。虽然他的结构极端简单,但是在现在还是一个常见的大能量脉冲激光器。它跟YAG、钕玻璃等同时属于固体激光器。红宝石激光器在脉冲氙灯照射下的工作效率只有大概0.1%, 但是由于荧光寿命很长,可以很容易用机械Q开关(一个旋转的全反棱镜去把脉冲压缩到ns量级,脉冲功率轻松突破兆瓦)。
这里简单解释一下Q开关。最简单的q开关就是一个马达连着一个镜子,没对准的时候没有来回往复的光,可以让高能态粒子的数量慢慢的聚集增多,在对准的瞬间释放,达到很窄而功率很大的脉冲。另外一种适合DIY的Q开关是被动式Q开关(passive q-switch),当光能量密度达到某一个阀值时候,他突然由不怎么透光变得很透光,使得之前聚集的高能态粒子得以瞬间释放,这种晶体比较难找,价格也比较高,只能碰运气。工业上用的比较多的有电光调Q、声光调Q等方式做的q开关,用在进一步压缩脉冲激光的脉冲或者使连续半导体泵浦的激光晶体输出峰值功率很高的脉冲激光,方便打标、切割。


欣赏一些图:

经典的红宝石激光器反射腔结构:左边是闪光灯,右边是红宝石棒,周围是反射材料(还没铺上镜面膜,可以YY一下效果)。 183484


机械Q开关:
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红宝石激光器在350毫焦耳输出光能的情况下,很轻易的打穿剃须刀刀片:
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浏览这段内容需要2学术分
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红宝石激光器的效率虽然不高,只有0.1%,产生的是暗红色的694.3nm光,但是由于它的结构极其简单,有代表性,跟我们要做的YAG激光器结构一致,能级(3能级系统)更加简单,分析起来比较好理解。笔芯粗细,手指那么长的红宝石棒就可以轻松的产生打穿铁皮、从月面上反射回来被检测到的激光束,这些激光器在没有发明效率高得多的YAG激光棒(1%-3%)的时候,被广泛的用在激光切割机、钻孔机上,许多军用的非致命性武器也采用更小的红宝石棒子。
红宝石是一种3能级的激光材料,见figure 2,一般是把光学性能很好的三氧化二铝晶体里面掺上0.03 - 0.4% 的Cr +3,做成人工红宝石,比一般的天然红宝石有好得多的光学性能。常见的红宝石棒尺寸从0.5cm到2cm直径,4cm到16cm长。看上去可能是很浅的粉红色玻璃棒样子或者很深的红棕色,这要看棒子的掺Cr浓度。用绿激光笔打进去会有很特别的颜色出来。详情见下图:
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一束532nm的绿色激光从侧面射入,在切断瞬间拍下荧光,如果有光纤光谱仪看更好:
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系统内的4A能级(低能态)原子们有一大半的原子被外部的能量泵到更高的能态,laser才能lase。从figure 2看出, 红宝石激光器的吸收大部分集中在两个区域,T1(紫外)、T2(绿光)。这些吸收范的效率比较高的区域光谱宽度大概1000A。被打到T1/T2状态的离子很快掉到2E能级,造成了2E翻转群体密度增大到能打出激光的阀值。在这个阀值密度以下,红宝石既不能发出激光,也不能用来放大激光(其实两个是一样的原理)。此后,从2E能态到低能态的时候,这些多出来的能量就以波长为6943A的光的形式发出。一个2E能级的离子掉到低能态时候发出的6943光促使了周围的2E也跟着掉,可以理解成一种比较低成功率的连锁反应。这幅图是一个极端简这幅图是一个极端简化、不准确的非比例模型。化、不准确的非比例模型,它没有展示出一些2E/4A能级里的精细能级, 我记得2E中文好像叫做亚稳态,具体细节可以谷歌一下。这些精细能级会把6943A的激光参杂进一些附近的杂峰。这个问题不影响一般的实验。如果需要特别纯净的光谱可以把激光棒冷却到大概75K,这时候线宽就会变成大概10-15 GHz窄了。  
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闪光灯

显然,要产生激光的先决条件是有一束富含紫外和绿光的强光束照射到激光棒内,使得离子翻转密度达到阀值。一种被广泛使用的方法就是用脉冲氙灯做强光源。结构很简单,只要把氙灯的光投射到棒子上就可以了。
闪光灯,有几个重要的参数。我们关心的其实就两个,弧长和1800v、电解电容下的炸灯能量。一般的,闪光灯为了适应工业用途,datasheet标称的工作电压是1500v以上的一个值,只有满足这个储能电压才能达到标称的光能密度和脉冲宽窄(主峰0.5ms以下,满足打孔的需要)。
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但是,对爱好者而言,最重要的参数不是光斑质量、脉冲宽度,而是一个脉冲所携带的能量。所以,把一个1800v的灯降到400V左右依然能够维持类似的适合YAG、红宝石吸收优良光谱特性(YAG在红外段有强烈吸收峰,降低能量使得闪光光谱分布偏向红外更能提高效率),脉冲宽度延续长到5ms甚至10ms量级,可以把1800v炸灯能量400J的灯安全地在2000J左右的脉冲储能下工作。降压驱动还有很多好处,获得几十倍的输出脉冲能量情况下仍然保持同样的器件要求,例如,一个YAG棒能够承受10J@1ms的功率密度,大概是10KW,如果保持同样的氙灯脉冲宽度,用10倍大能量的灯,粗略估算会造成棒子内有100KW的峰值功率,同样尺寸的YAG显然无法hold住,这就要用10倍体积的YAG了,同时造成了10倍甚至更高倍数的价格。然而,当我把同一个灯储能电压降低,使得脉冲宽度延长到10倍,能量增加十倍,同样的尺寸的灯在很低重复率的时候(EG, 100S/PULSE)可以很轻松的hold住同样的小棒子内的瞬间功率依然是10KW,但是输出能量就达到了恐怖的10倍。(↑重要)

主流的闪光灯有以下两种:
1、环形闪光灯
世界上第一个激光器用的是一种多圈环形闪光灯。效率没有直线闪光灯高但是耐受能量大得多。这种闪光灯一般难以买到,管长太大难以触发、脉冲整形网络难做、电容储能电压高,但是适合做可以承受非常大能量的闪光灯。这种闪光灯建模很难, datasheet数据很大区别,没什么普遍总结的规律。一般工作耐受能量超过2KJ。
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2直线闪光灯。
现在绝大部分工业激光器和业余激光器都采用这种氙灯结构。泵浦效率高,水冷方便,制造工艺简单,触发容易,是大部分激光采用这种结构的原因。这些闪光灯可以在淘宝上搜索“脉冲氙灯”买到工业配件氙灯,一个典型的值是10cm弧长8mm直径的氙灯在400V储能下可以轻易hold住2200J的能量。
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反射腔
实际上方法有很多,效率从80%到95%都有,在业余的条件下60%以上都可以接受。要知道用白纸把闪光灯和激光棒裹一圈都能达到60%。
1、椭圆镜面反射腔体(适合水冷,但是比较难加工。棒子的光分布不是特别均匀)
可以用好加工的材料做一个支架,蒙上一层镜面膜例如抛光后的铝箔纸or镀银的铜皮。或者直接用一截内部略微抛光带点漫反射的铝管压扁凑合用。除非你有很高的加工精度,或者想要达到很密的脉冲,不然不建议采用这种方式。
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1.1一种椭圆腔的变式-双椭圆反射腔,可以装两个灯,同时方便的水冷,达到很好的大能量准连续输出效果,许多80年代的激光武器都是这样做的。有能力加工的同志们可以考虑一下这种形式。下图是截面结构和一篇论文里用ZEMAX软件模拟出来的棒子截面光密度,光斑质量不是太好但是能够达到很大的能量,例如40mm直径90cm长的钕玻璃棒用这种结构做到2000J脉冲输出,这需要100kJ的电容储能,每一根闪光灯分担50KJ能量,易于减小体积同时方便水冷。
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2、    紧裹漫反射腔体
效率不必椭圆腔差多少,水冷的话可以用陶瓷、橡胶做,无需抛光,大大降低工艺,成为市面上90%以上工业用途所采用的方法。业余条件下一般不需要连续工作,没有必要水冷。一个比较好的方法是用铝箔纸紧裹,轻松达到90%以上的效率,如果有条件的话,铜皮镀膜银能进一步增高效率,结构一样简单。
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一篇论文中模拟出来的结果还不错,光斑质量已经让人满意。
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考虑到有些设备齐全的人会选择自己镀反射腔,给出两种常用抗腐蚀、光学性能优良的镀层材料(金、银)的反射率vs波长,请根据自己的棒子所需要的波长选择。
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金从500多纳米开始反射,这就使得他不适合红宝石激光器(大部分在紫外、绿光吸收),而适合YAG激光器(紫外会抑制激光的效率)。然而银在红外范围不如金,但是差别不是太大。可以根据自己的技术能力抉择。
水冷可以参照下图的结构做两端的防水结构(参考网上的作品):
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储能与触发
    对于入门级爱好者:储能部分跟线圈炮、轨道炮类似,尽量多的350-450v电解电容并联,鉴于高压电的危险性以及氙灯爆炸的破坏力,储能不要超过500焦耳,建议400v时候容量不超过7000uF, 450v不超过6000uF,350v闪光灯电容不超过8000uF。充电线路就用普通的zvs+EE变压器即可,与线圈炮不同的是,闪光灯在冷态(没有高压激发的时候)对于几百伏的直流电是近乎绝缘的,所以充电的时候电容阵可以连接在闪光灯两端,也就是说可以把电容永久的焊在闪光灯上,不需要开关、可控硅之类的东西,闪光灯本身就是一个触发开光。触发其实也很简单,在外壳上加一个瞬间的高压脉冲就可以了。如果没有了解过的同志们可以找一个一次性照相机拆开研究一下闪光灯管的触发结构。对于骨灰级爱好者,请自行斟酌你的灯能够承受多大能量的脉冲。提醒一下,处理这种量级的闪光灯务必戴好防护器具,充高压气体的玻璃管要是碎了碎片不是一般的厉害。
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实际上,触发高压产生方法有很多,只要满足1、脉冲够尖(例如zvs拉弧肯定不行,不把灯管烧炸也会把电容搞坏)2、电压够高(直接拆相机几cm长度,几mm直径的闪光灯触发线路显然不够击穿10cm长度,玻璃壁厚2mm的灯管)3、容易驱动(做一大堆控制线路结果触发器比整个激光还大不划算)。在这里举几个例子:
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(附件:183502)
+25  科创币   la45088d1   2013-10-25   感谢分享
+25  科创币   左哥   2014-07-28   高质量发帖
+50  科创币   darkorochi   2013-04-25   强烈顶!!!!今天分都给你了
+29  科创币   vocal@ルカ   2013-04-25   
+1  学术分   虎哥   2013-04-26   高质量发帖
+25  科创币   闪电侠007   2013-04-26   终于盼到教程了,嘿嘿。
+50  科创币   justinpiggy   2013-04-26   终于来了,果断顶!
+200  科创币   ehco   2013-04-26   无敌碉堡!
+50  科创币   托尼史塔克   2013-04-26   非常棒
+50  科创币   10班陈大葱22号   2013-04-26   喜闻乐见
+100  科创币   拔刀斋   2013-04-26   专业!
+1  科创币   自由的野牛   2013-04-26   真的是极高质量发帖 不但有理论 还有实际的经验  实在佩服 楼主真是难得的人才啊!
+25  科创币   的卢宝马   2013-04-26   高质量发帖
+50  科创币   tyl961115   2013-04-26   
+50  科创币   nhlijiaming   2013-04-26   高质量发帖
+25  科创币   maxlongint   2013-04-27   高质量发帖
+50  科创币      2013-04-27   
+50  科创币   牛逼大仙   2013-04-28   强人
+200  科创币   任某人   2013-04-28   强强强
+50  科创币   badboy-fly   2013-05-03   
+20  科创币   wanghailan9   2013-05-13   高能业余爱好者的先驱
+1  科创币      2013-06-17   我一直想做的,终于有人发出来了
RodTech(作者)
1楼
补充: 由于rmb的神圣不可侵犯不能拿来打, 特找了些350mj能量(算极其小的了)打穿某国硬币、勺子的图片
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要知道,YAG是一种效率非常高的晶体,随随便便100焦耳储能电容就能轻易打出2000mJ的能量,希望各位对YAG脉冲激光的危险性有概念。


注意!经过坛友指出,在这类危险实验中不建议甚至禁止做成手持模块。本类实验初衷是为了让大家更好的了解脉冲激光器的原理、能力,没有必要为了过瘾做成手持版本,这样非常的危险!
+200  科创币   苦丁茶   2013-04-25   优秀文章
+25  科创币   闪电坚果墙   2013-04-25   看的这篇文章 我瞬间明白 好吧 其实我在不久前刚明白各种激光的工作原理
+20  科创币   hefanghua   2013-04-25   期待下文,YAG部分。
+1  科创币   井蛙   2013-04-25   期待YAG棒尽快到埠!!!
+15  科创币   lnty   2013-04-25   貌似我就25分,这次加15分,下次加10分吧
+50  科创币   北落师门   2013-04-25   支持出扫盲帖
+50  科创币   badboy-fly   2013-04-25   高质量发帖
+25  科创币   yurifreeman   2013-04-26   高质量发帖
+25  科创币   wuncle   2013-04-26   LZ辛苦了,认真拜读。
+25  科创币   maxlongint   2013-04-26   LZ辛苦了,支持。
+50  科创币   blueness   2013-04-26   开拓新领域
+25  科创币      2013-05-02   感谢楼主的教程,让咱这个小白也明白了脉冲激光的原理。
4楼
这个装换效率和线圈炮差不多。。
RodTech(作者)
5楼
回 6楼(zhanglei) 的帖子
的确!但是1J动能线圈炮打穿硬币貌似。。有点困难。
这也是我推荐做脉冲激光的原因 [s:178] 做功效率高、能量集中
+100  科创币   leeqingyang   2013-04-26   这难道是封建腐朽落后黑暗的西方资本主义国家硬币?
6楼
以前翻到一根频闪灯管,手指长的,用一开关电源的滤波电容做储能,市电整流充到310V,用打火机电子点火做触发,闪倒是闪了,不过炸灯了,仔细看了下那灯的引脚居然是用金属箔引进去的[s:275] ,炸的就是那个脚...
原理基本没问题,主要还是硬件上的,YAG棒如果楼主能供货,那是解决一个大问题了,还有储能,本以为手头那堆电容储能是够了,看楼主动辄几千μF的容量,我虚了.....不过将近1KJ能量应该也够玩玩了,全部是100μF的闪光灯电容并联的。
还有不懂的地方是Q开关,如果在小能量的情况下,可以用Q开关来提升能量?而且这个的具体作用机理也不是很明白。不过,先把那棒子撸出光来再说吧[s:274]
+1  科创币   Τerminator   2013-05-02   电极和石英玻璃用钼箔实现非匹配气密封接
7楼
激励YAG用氪灯还是氙灯?
另外:YAG端部输出后的光束发散大不大?
RodTech(作者)
8楼
回 8楼(北落师门) 的帖子
频闪灯管绝对弱爆。标2000W的能承受100J已经万幸。它适合小能量频繁风冷放电,光谱也不适合YAG。货已经买了。正在usps寄过来的路上。经历priority mail发生在我身上那80%寄丢率我实在无法理解美国佬效率怎么会这么低,于是发了慢速UPS。运费略高要200多刀。。可能每根会提价一点点,但是能保证300or以下。

q开关不能提升能量,一般会损失50%以上能量。但是能把ms脉冲压缩到ns量级,典型例子就是ssy-1模块free run是300mj左右,q switched后就剩下30mj左右了,但是把功率从kw提升到了MW,可以轻松电离空气形成空中等离子球外加pia一声。
RodTech(作者)
9楼
回 9楼(zw1235) 的帖子
脉冲用氙灯好,几乎不发散。5米内无目视区别。
10楼
3mm *  65mm棒子够击穿硬币么?3mm粗的光束,不聚焦,行吗?
11楼
你的80mm直径90cm长的钕玻璃棒呢?[s:178]
12楼
回 10楼(cnxunuo) 的帖子
懂了,把能量压缩到一个较短的时间里释放,就能提升功率,虽然这样会损耗一部分能量,但是最终得到的功率还是比原来的大。那在手指上的效果一般是因为水的比热略大么?
吐槽80%的丢件率,国内平邮都没这么高[s:275]
RodTech(作者)
13楼
回 13楼(改装pcp) 的帖子
嘘。。。。这不好。。
发几个相对小的打算出给骨灰人物的吧 顺便欣赏一下
1、300mm长30mm直径钕玻璃,全新,毛子货
绿色是在白炽灯下,红色是在荧光灯下
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2、16英寸长7/8英寸粗,大概45cm长吧 美国劳伦斯利伏莫国家实验室(国家点火装置是他的项目)NOVA项目用的钕玻璃brewster角棒子,适合巨型kdp等倍频   镀膜有刮花。
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RodTech(作者)
14楼
回 12楼(zw1235) 的帖子
要打硬币必须聚焦。看照片
RodTech(作者)
15楼
回 14楼(北落师门) 的帖子
其实要说精细解释我也不清楚,不知道是碳特别厉害还是水难打,我猜是碳化层阻挡比较厉害。。
打铅笔心就算1J也只是一个小点变色凹下去。
16楼
回 16楼(cnxunuo) 的帖子
聚焦的结果就是只能在焦距这点距离玩玩了,
不聚焦估计那点威力也小的可怜了[s:274]
17楼
80*900的棒子????
准备打卫星的?
+1  科创币      2013-04-25   这种玩法不现实,这种想法档次太低了。想点有科学价值的实验例如热核聚变吧。
RodTech(作者)
18楼
回 18楼(zw1235) 的帖子
同样的能量,你的威力是什么标准的?请计算后再对比一下各种材料单位密度损伤阀值再下定论。我建议初学者不要聚焦,按照粗平行光束也很猛了。聚焦会遇到镜面反射、玻璃射流等问题。
19楼
水难打?用2.93的来打一下看看[s:178]
RodTech(作者)
20楼
回 21楼(改装pcp) 的帖子
那。。采血器这东西我还真的是没玩过。找天找找Er:YAG试试。还是掺什么的记不大清楚了。
21楼
采血器这东西是掺镱的。出2.93,专打有水分子的。
RodTech(作者)
22楼
回 23楼(改装pcp) 的帖子
那就应该是Er:YAG了。我还有几根小号的,可惜没合适的输出镜。
23楼
和氮份子激光器比起来怎么样呢。。用纯氮气[s:227]
24楼
苦等棒子中!另外卧槽楼主要期中考试....敢问楼主现在几年级...
RodTech(作者)
26楼
回 25楼(west_0830) 的帖子
跟氮分子比容易达到的能量大几个数量级但是峰值功率一般不如他。充纯氮气的准分子激光管我有一个从ebay买的很大号的TEA版本,峰值达到100MW。
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+50  科创币   badboy-fly   2013-10-04   感觉这是个正常人都能DIY的产品
27楼
“一个YAG棒能够承受10J@1ms的功率密度”这是为什么呢? 是什么因素造成YAG棒子输入功率不能高过某个阀值呢? 如过泵浦功率超过了这个值会发生什么?
28楼
终于来了,果断顶!
29楼
我准备了990V 1300uF的闪光灯电容组,75mm弧长氙灯,不晓得冲到900V发射会不会打爆氙灯。。。

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