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Helium-Stickstoff-Laser (Stickstoff-Ionen-Laser)

Nach dem erfolgreichen Aufbau und Tests des Marx-N2-Lasers war es Zeit sich dem Bau einer weiteren Gattung der N2-Laser nämlich den N2+-Ionen-Lasern zu widmen. Das Ziel war nun also einen Laser zu bauen mit dem die violette Linie bei 427,8 nm des molekularen Stickstoff-Ions beobachtet werden kann. Um das zu erreichen wurde ein ähnlicher Aufbau wie beim zweiten longitudinal angeregten N2-Laser gewählt und dieser zusätzlich noch etwas angepasst und optimiert. So ist der Aufbau dieses Lasers etwas sorgfältiger ausgeführt und zwei externe Spiegelhalterungen wurden hinzugefügt. Auch wird bei diesem Laser von Anfang an eine Entladungsröhre mit einem geringeren Innendurchmesser eingesetzt, wie es auch beim zweiten N2-Laser geplant war aber nicht mehr umgesetzt wurde. Gleichzeitig sollte dieser Laser auch als dauerhafter Ersatz für diesen außer Betrieb genommenen zweiten N2-Laser (ein Neutralgas-Laser) dienen und so als Arbeitstier mit guter Strahlqualität bei 337,1 nm herhalten. Für die Anregung der 427,8 nm Linie des Stickstoffs muss Helium dem Lasergas zugefügt werden da hier die effektive Ionisation von N2-Molekülen durch den Ladungstransfer von Helium-Ionen aus erfolgt. Im Grunde handelt es sich also um einen He-N2-Laser.
allgemeine Angaben zum Laser
Die Entladungsröhre aus Borosilikatglas hat eine Länge von 40 cm und einen Innendurchmesser von ca. 2 mm. Die vier verwendeten Doorknob-Kondensatoren sind für eine Maximal-Spannung von 50 kV ausgelegt und haben je eine Kapazität von ca. 920 pF. Als Ladewiderstand kommt ein 18 W Hochlastdrahtwiderstand im Keramikgehäuse mit einem Widerstands-Wert von 10 kOhm zum Einsatz. Die Zündspannung der Funkenstecke wurde auf ca. 25-30 kV eingestellt. Der Abstand zwischen den Spiegeln des Resonators beträgt etwa 62 cm. Bis auf die Tatsache, dass das Verhältnis der Kondensatoren 3 zu 1 (kleinere Kapazität auf der Funkenstreckenseite) beträgt entspricht die Pulsschaltung der des zweiten longitudinal angeregten N2-Lasers und kann als klassische Verdoppler-Schaltung (manchmal auch als LC-Inversions-Schaltung bezeichnet) angesehen werden. Das Kapazitäts-Verhältnis von 3:1 weicht bei diesem Laser vom Literaturwert (ideales Verhältnis von 1:1) ab hat sich aber schon beim ähnlich aufgebauten zweiten longitudinal angeregten N2-Laser bewährt. Grund hierfür könnten besonders günstige Resonanz-Effekte dieses speziellen Aufbaus sein oder aber das die Frequenz des LC-Schwingkreises (gebildet aus Kondensator und Leitungsinduktivität auf der Funkenstreckenseite) bei Verwendung einer höhreren Kapazität ungünstig klein würde. Letzteres hätte zur Folge, dass die entstehende Entladung in der Entladungsröhre zu früh eine Umverteilung der Ladung der Kondensatoren erlaubt und somit die Differenzspannung über die Entladungszone nie ihren Idealwert vom doppelten der Ladespannung erreichen kann. Betrieben wird der Laser aufgrund der hohen Koronaverluste mit einer leistungsfähigen Zeilentrafo-Ansteuerung auf Basis des bekannten Royer-Converters (ZVS-Ansteuerung).
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Auf diesem Foto sieht man die HR-Seite des Lasers mit der Drei-Punkt-Spiegelhalterung. Der verbaute kleine Spiegel ist der hochreflektierende Spiegel (HR = High Reflector) eines Multi-Line-Argon-Lasers. Er weist nur einen geringen Reflexionswert bei 337,1 nm auf. Allerdings ist er auch gar nicht für diese Wellenlänge gedacht sondern für die 427,8 nm Strahlung, die bei einem Stickstoff-Ionen-Laser zu erwarten ist.
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Die Elektrodenhalter bestehen aus je zwei Aluwinkeln und einem unsichtbar verbauten kleinen Messingwinkel. Die eigentliche Elektrode, die aus Messingrohren und einer Messingscheibe als Endflansch hartgelötet wurde, ist zwischen den zwei Aluwinkeln eingeklemmt und von außen nicht sichtbar mit dem Messingwinkel unterhalb der Elektrodenröhre weich verlötet. Diese Maßnahme soll den übergangswiderstand verringern. Ein großer Nachteil dieser Elektrodenbefestigung ist die geringe Flexibilität und somit muss man sehr genau arbeiten um zu verhindern, dass die Laserröhre Scherkräften ausgesetzt wird und sich dadurch krümmt oder im ungünstigsten Fall sogar bricht.
Test des Lasers im Superstrahlungsbetrieb
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Der Laser funktionierte auf Anhieb. Der Elektrodenabstand der Funkenstrecke beträgt etwa 8 mm. Die Repetitionsrate des Lasers liegt bei ca. 3 Hz und ist recht gleichmäßig. Ein Ladewiderstand in Form eines 10 kOhm Hochlast-Draht-Widerstands schützt die Hochspannungsversorgung vor Spannungsspitzen.
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Der Fluoreszenzfleck der Superstrahlung bei 337,1 nm ist bereits unmittelbar hinter dem Auskoppel-Spiegel mehrere Millimeter breit und zeigt eine von außen nach innen graduell zunehmende Helligkeit. Die Divergenz ist also wie zu erwarten war sehr groß. Der Durchmesser des Laserspots beträgt hier etwa 4 mm.
Justierung und weitere Tests
Die Justierung der Spiegel erfolgte im Betrieb um die Superstrahlung des Lasers direkt als Indiz für die Spiegelstellung nutzen und im Fall der erfolgreichen Justierung dies sofort anhand der deutlichen Veränderung des Strahlprofils erkennen zu können. Mit zunehmend besser werdender Justierung nahm die Divergenz etwas ab und das Strahlprofil wurde gleichmäßiger. Sobald man einen der Spiegel verdeckte nahm die Divergenz auf der gegenüberliegenden Seite erneut deutlich zu. Dies ließ darauf schließen, dass zumindest ein Teil der Laserstrahlung vom Spiegel zurück in die Entladungsröhre reflektiert wurde und dort über Reflektionen an der Innenseite der Laserröhre bis zur gegenüberliegenden Seite vordrang. Aufgrund der Reflektionen an der Innenseite der Röhre wies das Strahlprofil in diesem Zustand mehrere deutlich erkennbare Ringstrukturen auf. Als nächstes wurden die Spiegel in vorsichtigen Schritten so eingestellt, dass diese ringförmigen Strukturen zunehmend gleichmäßiger und die einzelnen Kreise in etwa konzentrisch wurden. So konnten die Spiegel letztendlich erfolgreich justiert werden.
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Nach erfolgreicher Justierung war deutlich zu erkennen wie die Intensität der Fluoreszenz im Bereich des Kernstrahls zugenommen hat. Dieser innere Strahl von etwa 2 mm Durchmesser wird von einem eher diffusen äußeren Strahl umgeben. Dieses Halo ist ein Rest der Superstrahlung und weißt eine recht hohe Divergenz auf. Die für Laser sonst üblichen Speckles konnten trotz der erfolgten Justierung nicht beobachtet werden.
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Erst in einer gewissen Entfernung vom Laserkopf wird deutlich, was die Justierung bewirkt hat. Auf diesem Foto ist zu sehen, wie der Laserstrahl in einer Entfernung von etwas mehr als einem Meter vom Laserkopf entfernt auf ein Blatt Papier trifft. Auch wenn der Leuchtfleck aus der Ferne immer noch groß wirkt ist die Divergenz überraschend gering. In einer Entfernung von knapp 2 Metern beträgt der Durchmesser des Kernstrahls nicht mehr als etwa 4 mm. Die Divergenz des Kernstrahls dürfte sich also im Bereich von 1 bis maximal 2,5 mRad bewegen.
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Aus der Nähe betrachtet sieht der Fluoreszenzfleck nach etwas mehr als einem Meter dann aus wie auf nebenstehendem Foto. Man erkennt deutlich das ungleichmäßige Halo, das den Kernstrahl umgibt. Die Anordnung der Ringe des Halos lässt darauf schließen, dass zwar die Spiegel zueinander relativ genau justiert sind aber die Laserröhre dazwischen geringfügig zu der optischen Achse geneigt ist und somit der Strahl unter einem kleinen Winkel die Laserröhre durchquert. Als Folge dessen ist auch der Kernstrahl nicht absolut rund, denn ein Teil des Strahls streift die Laserröhre an der Innenseite. Eine genauere Justierung ist für die Tests als Ionen-Laser sinnvoll.
Das eigentliche Ziel nämlich den Laser als N2-Ionen-Laser zu betreiben wurde bislang noch nicht erreicht und Test mit dem dafür notwendigen Helium-Stickstoff-Gemisch stehen noch aus. Daher ist es momentan auch noch gar nicht sicher ob der Betrieb als N2-Ionen-Laser überhaupt mit einer solchen longitudinalen Anordnung ohne einen enormen Mehraufwand umsetzbar ist. Zahlreiche weitere Tests wie etwa die Verwendung externer Speicherkondensatoren zur Erhöhung der Entladezeiten und die Verwendung anderer Optiken sind darüber hinaus denkbar. Dieses Projekt ist also noch lange nicht beendet.

Dennoch stellt die Funktionalität des Aufbaus einen großen Teilerfolg und erhebliche Verbesserung in Bezug auf die vorangegangenen N2-Laser-Projekte dar.