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longitudinal angeregter Marx-N2-Laser
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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.
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genereller Aufbau der Pulsschaltung
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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.
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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.
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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.
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