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longitudinal angeregter Marx-N2-Laser

Vor allem bei longitudinal angeregten Gas-Lasern sind hohe Anregungsspannungen (Spannung über die Entladungszone) sinnvoll. Grund hierfür ist, dass der Betriebsdruck, die Entladungslänge (gleichbedeutend mit Elektrodenabstand oder Länge der Entladungsröhre) und die Betriebsspannung ein zusammenhängendes System bilden und sich zu einem gewissen Grad gegeneinander austauschen lassen. Eine Verringerung des Drucks und/oder die Verringerung der Entladungslänge erlaubt eine Verringerung der Anregungsspannung aber sowohl die Verringerung des Drucks als auch die Verkürzung der Entladungslänge sind eigentlich nicht wünschenswert. Durch die Verringerung des Drucks sinkt die Verstärkung des Lasers wodurch zum Erreichen der Laserschwelle eine längere Entladungslänge notwendig wird. Die Verringerung der Entladungslänge hingegen reduziert zum einen die Ausgangsleistung und beeinflusst die Strahlqualität negativ und zum anderen erhöht sie das Risiko dass die kritische Entladungslänge, die zum Erreichen der Laserschwelle notwendig ist unterschritten wird. Warum das so ist können Sie bald in einem Theorieteil nachlesen. Durch höhere Anregungsspannungen hat man also die Möglichkeit längere Entladungsröhren und höhere Betriebs-Drücke zu verwenden und so die Ausgangsleistung zu erhöhen, die Strahlqualität zu verbessern und gleichzeitig einen Laser zu bauen der besonders leicht die Laserschwelle erreicht (aufgrund der hohen Verstärkung ist der zuletzt genannte Punkt bei Stickstoff aber ohnehin unkritisch). Diese hohen Anregungsspannungen lassen sich auf vielerlei Weise erreichen. So könnte man einen solchen Laser genauso aufbauen wie die hier und hier vorgestellten, longitudinal angeregten Stickstofflaser und lediglich die Betriebsspannung erhöhen sowie Kondensatoren mit höherer Spannungsfestigkeit einsetzen. Dies bringt aber den Nachteil der sehr hohen Korona-Verluste (und diese lassen sich nur mit erheblichem konstruktivem Aufwand reduzieren) und den aufwändigeren Bau einer Hochspannungsversorgung mit sich. Leichter ist es einen Marx-Generator als gepulste Hochspannungsquelle zu verwenden.
genereller Aufbau der Pulsschaltung
Der Marx-Generator besteht aus vier Stufen und somit ergibt sich bei einer Ladespannung von etwa 25 kV eine Ausgangsspannung von idealerweise 100 kV. Alle vier Kondensatoren weisen eine Kapazität von 2 nF bei einer Spannungsfestigkeit von 40 kV auf womit der Marx-Generator eine Pulsenergie von etwa 2,5 J bereitstellen kann. Bei den Ladewiderständen des Marx-generators handelt es sich um 11 W Drahtwiderstände im Keramikgehäuse mit einem Widerstandswert von je 33 kOhm. Um die Impulszeiten des Marx-Generators zu reduzieren wurde parallel zur Laserröhre ein Peaking-Kondensator bestehend aus vier in Reihe geschalteten Doorknob-Kondensatoren mit einer Kapazität von je 450 pF und einer Spannungsfestigkeit von je 50 kV geschaltet. Darüber hinaus wurde der Aufbau kompakt gehalten um Leitungs-Induktivitäten zu minimieren. Die Stromversorgung des Lasers erfolgt über eine Zeilentrafo-Ansteuerung auf Basis einer Sperrschwinger-Schaltung die weniger empfindlich auf die starken Störfelder der Pulsschaltung reagiert als ein anfänglich getesteter Royer-Converter (ZVS-Ansteuerung). Hier ist das vereinfachte Schema der Puls-Schaltung des Laserkopfes dargestellt.
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Nach anfänglichen Ausfällen der verwendeten Hochspannungsversorgung auf Basis eines Royer-Converters wurde diese deutlich robustere Sperrschwinger-Zeilentrafo-Ansteuerung verwendet. Sie ist zwar eigentlich in Form eines Gegentakt-Sperrschwingers aufgebaut aber für den Betrieb des Lasers wird lediglich eine Hälfte der Schaltung verwendet. Die Eingangsspannung der Schaltung betrug etwa 15 bis 20 V.
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Dieses Foto zeigt den Marx-Generator im Testbetrieb. Die Überschlagsweite beträgt hier etwa 9-10 cm (etwa 2/3 der maximalen Überschlagsweite bei der vorgegebenen Eingangsspannung). Die Wiederholrate (Repetitionsrate) ist relativ hoch, was dazu führt, dass drei Einzelblitze fotografiert wurden. Der Marx-Generator läuft sehr stabil und Korona-Verluste stellen bei den verwendeten Eingangsspannungen noch keine Probleme da so dass auch eine Hochspannungsquelle mit geringer Leistung verwendet werden kann.
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Auf diesem Foto ist der fertig aufgebaute Laserkopf zu sehen. Die Entladungsröhre aus Borosilikat-Glas hat eine Länge von 40 cm und einen Innendurchmesser von ca. 2 mm. Die leitfähigen Verbindungen bestehen aus 2 mm dickem Flach-Aluminium. Um die Übergangswiderstände im Laserkopf noch weiter zu reduzieren wäre es sinnvoll gewesen die Verbindungsstellen zwischen den Aluminiumbauteilen noch etwas sorgfältiger zu gestalten wobei dies ohnehin nur den unkritischen Teil des Marx-Generators betrifft. Wie auch bei den vorangegangen longitudinal angeregten Stickstofflasern wurden auch bei diesem Laser die Elektroden aus hartverlöteten Messingrohren und einem Messingflansch hergestellt. Als HR (hochreflektierender Spiegel) kommt bei diesem Laser eine polierte Aluminiumscheibe aus einer Festplatte zum Einsatz.
Test des Lasers im Superstrahlungsbetrieb
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First Light. Der Laserkopf funktioniert auch ohne den eingebauten Peaking-Kondensator, weist dann aber eine deutlich geringere Ausgangsleistung auf. Das Strahlprofil ist wie man es für einen Laser im Superstrahlungsbetrieb erwartet durch die von innen nach außen abnehmende Helligkeit geprägt. Umgeben wird der breite Laserstrahl von einem schwachen violetten Halo, das wohl auf spontane Emission zurückzuführen ist. Die Verstärkung des Lasers ist relativ hoch. Der Laserstrahl hat in einer Entfernung von 15 cm von der Entladungsröhre bereits einen Durchmesser von rund 9-10 mm. Da die Entladungsröhre gerade mal einen Innendurchmesser von rund 2 mm aufweist kann errechnet werden, dass eine Entladungslänge von nur 7,5-8,6 cm ausreicht, um die Superstrahlung zu erzeugen. Der Nachteil dieses hohen Verstärkungswertes ist, dass der Laserstrahl eine sehr hohe Divergenz aufweist, die sogar die Divergenz der vorangegangenen Laser übertrifft obwohl diese über Entladungsröhren mit 8 mm Innendurchmesser verfügten.
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Dank der hohen Verstärkung schwingt der Laser im Betrieb mit Stickstoff allen Anschein nach auf 2 Linien an, die mit Hilfe eines optischen Gitters getrennt sichtbar gemacht werden können. Hier ist das Maximum erster Ordnung zu sehen. Der hellere Fluoreszenzfleck ist Laserstrahlung bei 337,1 nm wohingegen es sich bei dem zweiten Fluoreszenzfleck (rechts) um Laserstrahlung bei 357,6 nm handeln dürfte.
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Der Laserstrahl durchquert auf diesem Foto ein Glaslinse aus optischem Glas. Deutlich zu erkennen ist die Fluoreszenz des Glases die als Anzeichen dafür gesehen werden kann, dass nicht alle Glassorten im nahen UV-Bereich so transparent wie reines Quarzglas sind.
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Auf dieser Aufnahme sieht man einen interessanten Effekt in der Entladungssäule. Um ihn besser sichtbar zu machen, ist der Druck auf diesem Bild etwas höher als sonst für den Betrieb des Lasers. Obwohl der Druck hier immer noch so niedrig ist, dass man eine gleichmäßige Entladung erwarten würde (getestet durch die Überbrückung des Marx-Generators), bilden sich Inhomogenitäten (hier sichtbar als weiße Steifen) aus. Mit Vorionisation durch die Funkenstrecken hat das sicher nichts zu tun, da hierzu eigentlich UV-Licht mit sehr kurzen Wellenlängen notwendig wäre, das von Funkenstrecken zum einen kaum erzeugt wird und zum anderen kaum die Entladungsröhre aus Borosilikat-Glas durchdringen würde. Außerdem würde man dann erwarten, dass diese Streifen nicht so ungeordnet und ohne Bezug zu den Funkenstrecken verteilt wären. Wahrscheinlicher ist es, dass die hohen Ströme und die daraus resultierenden magnetischen Felder das Plasma selbst einschnüren.
Mit Marx-Generatoren betriebene Gas-Laser sind ein lohnendes Selbstbau-Projekt, da mit ihnen sehr leicht die Laserschwelle überschritten und hohe Verstärkungen erreicht werden können. Die von einem solchen Laser ausgehenden elektromagnetischen Störfelder sind jedoch sehr stark und können schnell zu Störungen oder gar Schäden in Elektrogeräten führen wenn sich diese in unmittelbarer Nähe (1-2 m) zum Laser befinden oder über lange ungeschirmte Leitungen verfügen. Während der Tests dieses Lasers sind mehrere Elektro-Klein-Geräte, einschließlich eines Laserdioden-Treibers, im Umkreis von 1,5-2 m vom Laser durch die starken Störfelder dauerhaft beschädigt worden.