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纯氮版本氮分子激光制作教程2022
电偶极子2022/07/17原创 强激光 IP:江苏

  大家好!相信对激光感兴趣的小伙伴们,都听说过氮分子激光器吧。这是一种比较适合DIY的激光器,成本相对较低,而且有着极高的峰值功率

对于这种激光器,国内爱好者成功案例较少,留下的有用经验很少。此贴就当作对于这一块的补充。

  话不多说,先上图。

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激光打在白纸上有明亮的荧光

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荧光染料中的光路

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淡紫色的放电通道(空气中)

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蓝紫色通道(纯氮)

  首先来介绍一下这种激光器吧。图中的这种是横向激励氮分子激光器,通过横向放电激发氮分子,从而产生激光。氮分子自发辐射寿命很短,大气压下一般为1至2纳秒,而另一个能级的寿命却很长,故不能形成连续的粒子数反转,因此只能脉冲工作,输出脉宽数百皮秒的激光。(感兴趣的可以去查一下氮分子能级结构)

  氮分子激光器的增益很高,往往不需要腔镜或单侧腔镜就能输出激光,并且在空气或纯氮中都可以运行(纯氮中运行能量更大)。因为其极短的脉宽,即使能量不是很大,峰值功率也会很高。对于一般的DIY作品,在空气中运转时峰值功率在几千瓦左右,通入纯氮的话功率大约可以达到到数十数百千瓦。

  一开始制作了在空气中运行的版本,放电长度20cm,单侧腔镜,峰值功率几KW不成问题的,聚焦在生锈的铁钉上可以产生很小的火花。

之后制作了纯氮版本,放电长度缩短到了10厘米,但是亮度提高了很多,峰值功率约几十至100千瓦。

 下面步入正题,给小伙伴们介绍一下制作方法吧。

PART1.电路设计.

  前面也提到,氮分子激光的原理是通过放电,使电子与基态氮分子碰撞并跃迁,进而造成粒子数反转。考虑到氮分子的自发辐射寿命极短,例如在760托的气压下仅有1至2纳秒,因此放电电流必须有很快的上升速度,才能形成足够的反转。一般氮分子激光器使用一种简单的Blumlein电路,其中包含两个电容器和一个放电间隙,一只电感。电路图如下。

24492.jpeg

  高压直流电为c1和c2充电,当电压达到一定程度时,火花隙发生击穿,使c1上极板电压快速下降。此时laser tube中的两个金属导轨之间的电压极快速的上升,并引起辉光放电,形成一条放电通道。

PART2.放电装置制作

  使用铝箔或铜箔和聚苯乙烯塑料膜就可以制作两个平行板电容器。

   IMG_20220716_185801.jpg

电容器大小适中即可,数百pF足矣。裁剪铝箔时注意裁去四个角,图中的形状即可防止沿面放电。塑料膜上方左侧极板连接火花隙,右侧极板连接HV+,两个极板之间使用电感连接。塑料膜下方极板连接HV-.当然,正负极对调并不影响结果。

  由于氮分子激光器需要上升速度很快的脉冲电流,因此对火花隙和放电导轨的电阻和电感就有较高要求,否则影响激光器输出的能量(注意是能量不是脉宽,脉宽往往取决于氮气压强,即自发辐射寿命。因此可以通过调节气压实现脉宽可调)。

  一般情况下,导轨之间电压的上升速度取决于放电间隙的电感。电感越小,上升速度越快。为了降低电感,放电间隙切不可采用弯曲的导线。如果有条件,可以向放电间隙中充入高压氮气,进一步降低其电感。

  电流的上升速度主要取决于放电导轨的电感和电阻。当然,并不是说电阻越小越好,比如使用紫铜和黄铜做导轨,效果都不如铝。原因是紫铜电阻太小,容易发生弧光放电,造成能量损失,而黄铜电阻过大,电流偏小。

  制作导轨时要保证高度平行,将L型铝条用砂纸打磨即可。

  将打磨后的铝条按照图中样式摆放,就可以当作一条放电导轨啦! IMG_20220717_171034.jpg IMG_20220717_171054.jpg

  注意氮分子激光器是一种典型的ASE现象,即自发辐射扩大。其单位长度的增益极高,导轨两端无需加装腔镜就可以输出激光。但由于缺少了谐振腔的选模作用,因此输出的光往往包含多个横模,光束质量较差。

  电源的选择没有额外要求,15kv以上的高压直流电都可以。

PART3.优化措施

  为了提高激光器的工作效率,除了刚刚提到的降低电感之外,还有几点可能有效的措施

 首先是尽可能避免弧光放电。最理想的情况是导轨间充满辉光放电等离子体。而如果某个部位率先击穿,那么就很容易形成高温电弧,很大一部分能量就会损失在电弧中,影响激光能量。

  解决方法也非常简单。尽可能将导轨打磨光滑,一般2000目左右砂纸打磨的效果就已经非常好了。

  对于长度很大的导轨,电弧放电显得无法规避。这时可以将导轨制作成分段形式。此外,采取电晕预电离的方法,可以在避免电弧的同时,提高气体中的自由电子密度,进而提高电流上升速度。感兴趣的可以搜索相关文献。

  另外一个有效措施就是提高氮气压力,提高工作介质密度。但值得注意的是,提高压力的同时,电压也要相应提高,即增加放电间隙距离。氮分子激光的工作效率与导轨间电场强度和气压的比值紧密相关,该值需要处于一个适中的范围。

  E.N.D.


  


[修改于 1年9个月前 - 2022/07/17 19:13:31]

来自:物理高能技术 / 强激光动手实践:实验报导严肃内容:教程/课程
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~~空空如也
电偶极子 作者
1年9个月前 IP:江苏
905804

相关视频资料:【100千瓦!很适合自己制作的一种氮分子激光器-哔哩哔哩】 XXXXXXXXXXXXXX/wgOdyX4

由于投稿之后删除了原视频,视频发不上来,所以只能给一个链接了


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二次元的创世科技
1年9个月前 IP:山西
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照片「右上-左下」对角线19/13处有一噪点,是不是一个脉冲下来被打了?


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电偶极子作者
1年9个月前 IP:江苏
905814
引用二次元的创世科技发表于2楼的内容
照片「右上-左下」对角线19/13处有一噪点,是不是一个脉冲下来被打了?

有两个噪点应该,大的YAG的全责,小的氮分子全责


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巨大橘子
1年9个月前 IP:河北
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大佬,在b站看到了几次推送首页的视频

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WJXHH007
1年6个月前 IP:北京
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能量还不够唉。应该能把白纸烧穿的。不过要完全是自己在家里DIY也真挺不容易的。赞一个!

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电偶极子作者
1年5个月前 IP:江苏
910080
引用WJXHH007发表于6楼的内容
能量还不够唉。应该能把白纸烧穿的。不过要完全是自己在家里DIY也真挺不容易的。赞一个!

不会烧着东西的,脉宽很短


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