强激光
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===DIY高能脉冲激光器 涉及的理论、经验、器材===
RodTech 2013-4-25
=================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)。 pic


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)
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2013-5-6 10:19:34
150楼
给您纠正一下,CNC=Computer Numerical Control泛指一切可数控的机床,不单指车床。
在现代机械加工术语中,更多的是指一种技术,计算机数字控制加工技术。
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2013-5-6 10:56:01
151楼
回 154楼(ehco) 的帖子
这个嘛  大人-。 - 以前我也是这么认为的,直到后来找CNC加工清一色数控车床。。。然后我就怂了。。
社会上的人多是这样,容易受到社会影响,哪怕是错的。
毕竟在那个环境里面你说找CNC人家给你找来一堆数控车。。。下回你还说数控车嘛。。。嘛嘛。。惨剧呀[s:213]
+1  科创币    ehco   2013-05-06   呵呵,您这一说,让俺想起了俺们都吧“淬火”叫成“沾火”
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RodTech(作者)
154楼
回 150楼(ehco) 的帖子
没有了。。
内触发的元件耐压耐流要求有点高,耦合变压器难搞,
考虑工业用途,不如一直用小电流预燃,用IGBT把储能打进去。

至于加工反射腔(不是谐振腔),不需要很高的精度,只要后期用越来越细打磨膏到镜面再镀金银即可。

至于CNC。。我经常把它当作动词用。
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157楼
回 158楼(cnxunuo) 的帖子
汽车HID安定器的耦合变压器如何?
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RodTech(作者)
158楼
回 161楼(拔刀斋) 的帖子
应该内阻太大,耐受不住放电,peak可能不足以点燃10cm左右arc的氙灯。
anyway,我还没见过实物,我打算是搞磁鼓绕一个足料的试试吧。
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159楼
镀层抛光的问题,因为镀的是软金属,可以用一根光洁的电机轴或者玻璃棒或者任何坚硬的表面圆滑的东西来回刮压,不是抛光,而是利用平整表面把软金属表面压成光面,感觉类似压铸那样的。这个光洁度虽然可能达不到镜面抛光的等级,但是聚焦用用的应该是够了,主要是每个人的手工不同,不一定抛得光。这个方法是首饰加工的时候常用的,一般用的是玛瑙刀,淘宝可以搜一下
这个是用光驱轴压出来的银片,实际上还能更光洁,我随便搞搞的,灰尘粘上去了
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+1  科创币    delete   2013-05-06   学习
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RodTech(作者)
160楼
回 163楼(北落师门) 的帖子
学习了 主要的问题是,能拿来压的薄片一般都能找到镜面的,cnc出来的实心家伙压起来有一定难度啊
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RodTech(作者)
162楼
回 165楼(lnty) 的帖子
有种东西叫做超精细磨床,启动会发出喷气机的声音,几十万转每秒。。轻松把平面磨一个椭圆镜面出来。可惜,太贵了
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RodTech(作者)
166楼
回 168楼(北落师门) 的帖子
indeed
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167楼
也就是通过先镀一层相对较硬的金属来进行抛光,然后镀上一薄层的金,金是贴着镍表面的,所以也是镜面。这个办法很好,铜就算是完全打磨也很难达到镜面,何况是金。这个方法值得一试,只是多层电镀咱们是没做过,一层也觉得很麻烦了
镀金倒是能做,以前无聊的时候玩过的,把银戒指镀成金的~ 铜和镍没研究过,要镀到平整的还要试验一下
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+1  科创币    delete   2013-05-07   找时间跟您请教!
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168楼
回 171楼(北落师门) 的帖子
手工帝!镀层强度如何?
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170楼
我拆来的YAG激光腔

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171楼
回 172楼(rb-sama) 的帖子
一般使用没问题,蹭不掉,但是比较薄,人家上电磨抛光就磨掉了[s:274]
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172楼
请教楼主
弄到一套旧激光洗眉机,YAG的,带被动Q晶体的那种,收到时候,Q晶体脱落,按粘胶痕迹判断,原位粘牢,
启动后看到氙灯的闪光(从漏光判定)但是距离聚焦镜焦点位置放置黑纸片一张,没有任何反应,焦点前后反复移动也没效果,
这种情况是氙灯不行了?还是?棒子总不会坏吧,棒子没有拆下过,轴心孔目视观测,完整,端面无污染
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RodTech(作者)
173楼
回 176楼(zw1235) 的帖子
是储能或者棒子或者镜子老化使得q晶体达不到阀值。
你这一套好东西啊,正常使用聚焦一下可以击穿空气的。
晶体上图我看看,深棕色的,中心与外围无区别才正常。
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RodTech(作者)
174楼
回 176楼(zw1235) 的帖子
你可以把氙灯拆出来看看灯本身和腔体有无老化、污染、水沟。冷却水应该灌满了吧?
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175楼
回 177楼(cnxunuo) 的帖子
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是深棕色,透过对着灯光看,好像没啥缺陷, 表面镀膜看着也都一样
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176楼
回 178楼(cnxunuo) 的帖子
腔体拆开一看,傻掉了,那叫一个脏,惨不忍睹的脏!难怪不出光!


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RodTech(作者)
177楼
回 180楼(zw1235) 的帖子
炸过灯了。大概炸完又继续工作了几次,充电电流拉弧了。

棒子镀膜小心点,用牙刷加橡皮加有机溶剂对待棒子。

q开关完好,按厚度估计是比较低阀值的。
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178楼
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179楼
回 177楼(cnxunuo) 的帖子
激光洗眉机的说明书,可以参考安全部分
http://wenku.baidu.com/view/154d96ef19e8b8f67c1cb9ca.html
+1  科创币    【四方】   2013-07-27   对不起,该文档已被删除,无法查看
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RodTech(作者)
180楼
回 182楼(zw1235) 的帖子
没啥颜色属于低掺,适合长间隔大能量。
我那批是根本没有颜色的,更低掺,能量大。


灯情况如何呢?
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RodTech(作者)
181楼
回 183楼(拔刀斋) 的帖子
学习了。感觉洗眼线就算挡住了都是个无法接受的事情。。说不定水层当作光纤把激光导入晶状体。。
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182楼
回 181楼(cnxunuo) 的帖子
两端镀膜因为有端部金属护套,倒是没被损伤,棒子用酒精擦洗了了下
椭圆腔原本是白色涂层作为反射层的,看来也很难恢复了
不小心把氙灯端部掰裂了,还得再买根氙灯了,直径6mm的,貌似不多哦
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RodTech(作者)
183楼
回 186楼(zw1235) 的帖子
量一下弧长多少。
淘宝很多货源的。搜索 脉冲氙灯,量下弧长(两个放电电极之间的距离),外径。实在搜不到的话随便找一家问问应该都有的。
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2013-5-8 13:24:28
184楼
回 147楼(ehco) 的帖子
冷却水直接送进反射腔体外的水套外壳内,反射腔体、氪灯和棒都是直接泡在水里的。
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185楼
我搞了2天了,调不出鸡光。才想到脏,拆到这就定住了。[s:275]
有密封[s:273],
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186楼
估计拆出来有这磨大
,这是红宝石来的[s:274]
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+1  科创币    delete   2013-05-08   这磨针很唬人啊。。差点当成真激光棒了。
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187楼
我把YAG封到了有机玻璃管里面,用尼龙螺丝固定,镜片直接粘上去,不可拆卸。
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+100  科创币    delete   2013-05-08   实用艺术品。管子切割如何达到角度精度呢?
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RodTech(作者)
188楼
实用艺术品。管子切割如何达到角度精度呢?
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2013-5-9 00:16:25
189楼
拆啦,洗了后变浅色了,好奇怪。[s:275]
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190楼
回 192楼(cnxunuo) 的帖子
镜片紧贴棒子的,棒子比管子长
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191楼
回 194楼(tyl961115) 的帖子
这种做法很难保证镜面垂直于棒子的轴心
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192楼
回 193楼(改装pcp) 的帖子
你这腔体什么反射材料的?
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193楼
回 196楼(zw1235) 的帖子
是铝合金本身!
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194楼
回 197楼(改装pcp) 的帖子
不会的,铝合金很容易氧化,失去反光效果
里面要么是陶瓷,要么涂一层聚四氟乙烯
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195楼
回 198楼(zw1235) 的帖子
聚四氟乙烯吧。[s:274]
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198楼
我的结构确实比较简陋了,但是应为镜片镀膜的一面和棒子两端均是紧贴的,所以应该没有不平行的问题。粘镜片的胶水可以使用略有弹性的百得胶。缺点是不够牢固,棒子散热差,不过单个脉冲玩玩还是没问题的。但是我试验后发现这样的结构用1Kj的能量激发只出了能让塑料膜变形的能量。应该是YAG吸收峰的那部分能量被有机玻璃吸收了,所以效率坑爹了,大家不要学我。。。。
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