Helium-Stickstoff-Laser (Stickstoff-Ionen-Laser)
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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.
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allgemeine Angaben zum Laser
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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.
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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.
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Justierung und weitere Tests
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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.
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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. |
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