极客科技强激光
 
 
===DIY高能脉冲激光器 涉及的理论、经验、器材===
RodTech 2013-4-25 20:04:11
=================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
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2013-4-26 09:07:37
RodTech(作者)
30楼
这只是一个例子。随手打的数据。YAG承受阀值单位是Kw/cm^2,如果给手指大小的棒子加上1兆焦耳的光能,棒子会因为光学吸收导致不均匀膨胀断掉,我这次拿的棒子尺寸是5-6mm直径,75mm长,光学饱和阀值5J@1ms 损伤阀值大于20J@1ms。这就需要几千焦耳上万焦耳的光能才能达到,一般的爱好者显然不会达到这么高的能量。再说,datasheet标注的损伤阀值是几千次发射后出现光学缺陷的阀值,几百次发射要损伤还要再增大5倍左右能量,要想把我引进的这批棒子打坏起码需要20KJ的储能,估计还没达到5kj灯就炸了。。

按照这样推断,用低压长脉冲激发的氙灯,可以安全的使棒子输出50J以上能量而不损伤。(50J@10ms~5J@1ms~5kw/截面积)
2013-4-26 09:18:04
31楼
回 32楼(cnxunuo) 的帖子
啊,就是因为棒子能量吸收产生热效应造成输入光功率不能太高对吧

另外这次教程做的是有Q开关的还是没有Q开关的呢?
RodTech(作者)
33楼
回 33楼(10班陈大葱22号) 的帖子
对。在脉冲情况下,主要的问题是峰值功率vs横截面积。
这次打算做无q开关的,简单一点。如果想做机械q开关的话自己加一个就是了,很简单的
36楼
回 17楼(cnxunuo) 的帖子
激光打到物体上应该是直接汽化,人体含水量大,水的比热和汽化潜热比较大,所以激光打到人体损伤不大。
37楼
回 32楼(cnxunuo) 的帖子
这个的使用频率能达到多少?一秒钟几次?或者几秒钟一次?
38楼
请教版主大人,5mm直径的平行光束能达到啥杀伤效果?
能不能秒穿包装箱纸壳哇?
RodTech(作者)
39楼
回 39楼(hanbreen) 的帖子
无水冷,平均泵浦功率10W,没有灯的参数显然算不了。你按照自己的参数算吧
水冷,平均功率1000W。
+10  科创币   hanbreen   2013-04-26   明白了,原来是按平均功率算的。
42楼
回 32楼(cnxunuo) 的帖子
请教以下如何控制脉冲长度,是使用脉冲形成网络用电感控制?
那样我觉得在初次测试时候是不是接上一个小感抗电感然后用示波器观测脉冲长度比较能防止炸灯?
特别是我们知道灯的准确参数时候更可以通过示波器调整脉冲长度了。
RodTech(作者)
43楼
回 40楼(ehco) 的帖子
肯定可以。平行光束也有很大的功率密度的。会伴随着等离子爆鸣 [s:230]
RodTech(作者)
44楼
回 44楼(justinpiggy) 的帖子
类似。但是如果按照datasheet的参数你需要很大能量的灯啊。PFN到正常应用参数一根淘宝的灯只能承受400J左右。其实我觉得收窄脉冲没啥意义,也不会窄到能击穿空气,能量还小了。
45楼
回 45楼(cnxunuo) 的帖子
那有意思额,一套下来价格几何? 准备入个玩玩
46楼
回 46楼(cnxunuo) 的帖子
现在找到了一根弧长80mm,外径7mm的脉冲氙灯,然后在Sam's Laser FAQ里发现一个型号为FXQ-1304-3的闪光灯,外径8mm,弧长76mm,应该说三围上很接近,它的参数是最低储能电压600V,最低触发电压15kV,爆炸能量在脉冲100uS时候是600J,脉冲1ms时候是1800J。
但是Sam还提到脉冲功率和爆炸能量比值对氙灯寿命影响,
[ZZ]Sam's Laser FAQ
Eo/Ex     Life Expectancy (Shots)
-----------------------------------
  0.1               >106
  0.2               >105
  0.3            104 - 106
  0.4          1,000 - 30,000
  0.5            200 - 3,000
  0.6             50 - 300
  0.7             10 - 75
  0.8              4 - 20
  0.9              2 - 5
  1.0            1 or less

100%的寿命可能只有1次左右。所以我现在想法是通过电感来控制脉冲长度,尽量到1ms左右,这样在储能600J时候Eo/Ex只有0.3左右,能达到上万次寿命。
+200  科创币      2013-04-26   我很想把这个寿命关系也通俗地讲出来结果还是放弃了。。这个信息很重要,PRO!
47楼
回 32楼(cnxunuo) 的帖子
这样是不是可以在损伤阈值内和同时满足温度的条件下无限加长脉冲时间来达到更大的能量输出?当然前提条件是灯要受得了。
+1  科创币      2013-04-26   
50楼
回 49楼(hanbreen) 的帖子
我听说过YAG激光使用连续氪灯,猜想那个是不是就是使得氪灯连续放电工作,然后连续激发YAG棒子,当然有强力水冷同时冷却棒子和氪灯,这样产生的激光功率也不小,但是是CW的。
RodTech(作者)
51楼
回 52楼(justinpiggy) 的帖子
没错,然后用Q开关转成脉冲,用来靠大的脉冲功率和大平均功率达到快速打标、切割。省去了闪光灯的预燃、PFN等麻烦。但是对棒子要求略高,太小散热功率不够会断掉
52楼
回 楼主(cnxunuo) 的帖子
很专业的文章,把工业和科学领域常用的脉冲泵浦固体激光器的原理和实现方式科普的很清楚,这是强激光的王道。

另外期待关于强激光安全防护尤其是如何选择激光防护眼镜(防护原理、波长、功率等级)等的科普,淘宝上的货鱼龙混杂。

从安全角度来说,正规的实验室和工厂里使用强激光器时都要固定安装并仔细考虑周围物体的布置,甚至要加装安全连锁装置。
因为强激光尤其是脉冲激光的危险性很高,甚至反射、散射光就可能致盲,而且是瞬间致盲,根本来不及眨眼之类反应。

没有固定安装的强激光很容易意外照射到反射性物体而射向意想不到的方向,具备潜在的“全屏杀伤”能力。
如果一定要这样使用,所有在场人员都要戴防护眼镜,一不注意就可能出危险。

我们现在的光固化机器使用紫外光源,封装外壳还没做完。平常自己操作戴防护眼镜,但外面来参观的人还是偶尔有中招的。
虽然在这种情况下短时间受到的紫外辐射剂量只相当于在户外活动几个小时的太阳辐射,但假如换成强激光一次就亮瞎了。

多年前给我们学校安装激光诱导荧光(PLIF)流体测量系统的供应商说他们卖的上一个客户也是某著名军工学校
有个研究生安装的时候违章操作把头伸进仪器被打瞎了一只眼睛……后来继续违章操作,又被打瞎了另一只眼睛。
+1  科创币   darkorochi   2013-04-26   网上买游戏设计教程,一个讲解者当年就是学高能物理的,30w激光打中护目镜,至今散光。。。。
RodTech(作者)
53楼
回 54楼(拔刀斋) 的帖子
谢谢指导!我将在涉及制作细节的文章里做好安全保护设备例如红激光指示器和某些容易产生强反射的物体的禁止实验对象,再测试一下廉价的防护措施,才把能够把详细到使不具备防护经验、能力同志也能看懂的教程发出。原则上只允许有充分准备、有防护知识的人做这类实验。毕竟感觉表面上看起来不怎么危险导致粗心大意造成危害的概率比能才出事概率大得多吧。我正在努力找到权衡方法。
54楼
YAG是1064nm的不可见波段,尤其危险
55楼
回 55楼(cnxunuo) 的帖子
把激光器紧固在底座上,预先考虑光路布置,注意操作时序(尤其注意电容的储能)防止意外通电出光。
这些是实验室里和防护眼镜并列的最基本和有效的安全措施。
RodTech(作者)
56楼
回 57楼(拔刀斋) 的帖子
学习了!看起来不怎么危险的东西的确难以保证手持时候不出任何差错。
我打算把详细版本教程加上每一关键步骤短路电容,安全开关短路闪光灯两端等安全措施。原则上是固定在一块板上操作,不建议把半成品做成手持的调试。

淘宝上很多吸收模式的防护眼镜都无法应付脉冲YAG,我会找一些廉价的反射模式眼镜做破坏性测试再判断。总感觉这个项目落到小白手里实在难以控制。不知有无对策?
58楼
回 50楼(cnxunuo) 的帖子
预定一套,您货备齐了麻烦开贴或短消息告知一声,大赞!
59楼
lz大人最好能连反射腔体,水冷夹套等啥的一起提供了,这样方便大众哇

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