Stickstoff-Ionen-Laser

Nach dem Erfolg mit dem Marx-Laser ist es nun Zeit für eine neue Gattung der longitudinal angeregten N2-Laser nämlich einem Ionen-Laser. Das Ziel war es einen Laser zu bauen mit dem die violette Linie bei 427,8 nm 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.

Konstruktionsdetails

Da ich nicht über besonders gutes Werkzeug und andere Hilfsmittel verfüge wurde beim Bau des Lasers an einigen Stellen zu hochwertigem Material gegriffen um Verarbeitungsmängel auszugleichen. Zum Beispiel besteht der haltgebende Unterbau aus 6 mm dickem FR4-Material, das nicht nur sehr robust und formstabil ist sondern sich obendrein auch noch leicht mit einer Laubsäge in die passende Form bringen lässt. Bei den Siegelhalterungen kamen besonders robuste und präzise gefertigte Spezialfedern zum Einsatz, da von diesen Federn die Justierung des Lasers abhängt und sie die Spannkraft über einen langen Zeitraum aufrecht erhalten müssen um zu verhindern, dass der Laser sich selbst de-justiert. Die für Testzwecke zu Verfügung stehenden Optiken stammen aus einem Multiline-Argon-Laser sowie einem defekten He-Cd-Laser. Um möglichst kurze Entladezeiten zu erreichen mussten die Abstandshalter an den Kondensatoren aus einem gut leitenden Material sein. Da Kupfer in der Form nur schwer erhältlich ist wurde Aluminium verwendet. Mangels Drehbank habe ich zunächst Scheiben aus reinem, 3 mm dickem Aluminiumflachmaterial ausgesägt und mit einer Bohrmaschine abgeschliffen. Etwa 40 solcher Scheiben wären nötig gewesen, wobei die Herstellung einer einzelnen Scheibe etwa 45 Minuten in Anspruch genommen hätte. Doch noch bevor alle Scheiben fertig waren bekam ich spontan Hilfe von Jemandem, der mir Zylinder aus Alu drehen konnte, die den Anforderungen gewachsen waren. Vielen Dank Andi für die großartige Hilfe bei diesem Projekt. Diese Zylinder sind absolut präzise gearbeitet und so werden keine Spannungen auf die einzelnen Bauteile des Lasers ausgeübt, wie es beim zweiten longitudinal angeregten N2-Laser der Fall war. Da durch diese Zylinder auch die Übergangswiderstände zu einem Großteil wegfallen (nur noch 2/11) bewirken diese Zylinder auch eine deutliche Verbesserung in der Entladecharakteristik der Schaltung und die Pulsleistung des Lasers dürfte deutlich höher sein als sie es bei Verwendung von Aluscheiben gewesen wäre. Beim Vorgänger-Laser hatte sich schnell herausgestellt, dass ein Verhältnis von 3:1 bei den Kapazitäten der Pulsschaltung zu besseren Resultaten führt als das in der Literatur für transversal angeregte Stickstofflaser angegebene Verhältnis von 1:1. Dies wurde bei diesem Laser von Anfang an berücksichtigt. Auch die Funkenstrecke wurde im Sinne der Minimierung parasitärer Induktivitäten und Isolationsproblemen optimiert. Die Hutmuttern aus Messing, die hierfür Verwendung fanden sind etwas abgeflacht um möglichst hohe Zündspannungen bei möglichst geringem Elektrodenabstand zu erreichen, wobei auf die Verwendung von Druckluft vorerst verzichtet wird. Im Großen und Ganzen ist dieser Laser recht schlicht aufgebaut aber nichts desto trotz war der Aufwand während des Baus höher als bei den drei anderen longitudinalen N2-Lasern, was nicht zuletzt mit der zeit- und arbeitsintensiven Herstellung der Messingteile zusammenhängt. Die hartgelöteten Elektroden sind äußerst knifflig in der Herstellung, so einfach sie erscheinen mögen (in Zukunft wird mehr mit Swagelok-Teilen gearbeitet:).

...weitere relevante 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 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 Wert von 10 kOhm bis 18 kOhm zum Einsatz. Aufgrund des großen Elektrodenabstands wird erst mit einer Zünd-Spannung von 25-30 kV eine sichtbare Laseremission erreicht. Der Abstand zwischen den Spiegeln des Resonators beträgt etwa 62 cm. Mit einer primärseitig auf 300 W begrenzten Hochspannungsversorgung wird je nach Ladewiderstand und Funkenstrecken-Abstand eine Repetitionsrate von 3-6 Hz erreicht (Korona-Verluste an den Schrauben des Unterbaus können und sollten noch weiter minimiert werden). Bis auf die Tatsache, dass das Verhältnis der Kondensatoren 3 zu 1 (Funkenstreckenseite) beträgt entspricht die Pulsschaltung der des zweiten longitudinal angeregten N2-Lasers.

Auf diesem Foto sieht man die HR-Seite des Lasers mit der Drei-Punkt-Spiegelhalterung. Der verbaute kleine Spiegel ist der hochreflektierende Spiegel (HR) 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.

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 unsichtbar mit dem Messingwinkel unterhalb der Elektrodenröhre weich verlötet. Letztere 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 einer Kraft ausgesetzt wird und sich dadurch krümmt oder im schlechtesten Fall sogar bricht.

Der Laser funktionierte auf Anhieb. Der Elektrodenabstand der Funkenstrecke beträgt etwa 8 mm. Die Repetitionsrate des Lasers liegt bei ca. 3 Hz und ist je nach verwendeter HV-Quelle recht gleichmäßig. Ein Hochlast-Draht-Widerstand mit 10 kOhm schützt die Hochspannungsversorgung vor Spannungsspitzen.

Der Fluoreszenzfleck der Superstrahlung bei 337,1 nm. Die Divergenz ist wie zu erwarten war sehr groß. Der Durchmesser des Laserspots beträgt hier etwa 4 mm.

Dieses Foto zeigt den Laserspot auf der OC-Seite des Lasers nach erfolgreicher Justierung. Deutlich ist die intensive Fluoreszenz im Bereich des Kernstrahls zu erkennen. 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. Speckles scheinen nicht aufzutreten oder zumindest sind sie nicht erkennbar. Dies mag daran liegen, dass die Verstärkung dieses Lasers ausgesprochen hoch ist und das Licht nur wenige Umläufe innerhalb des Resonators vollführt. Würde man Spiegel mit größeren Reflexionswerten sowie längere Pulszeiten einsetzen und den Betriebsdruck so weit verringern, dass die Verstärkung deutlich zurückgeht sollten auch mit diesem Laser die bekannten Speckles zu beobachten sein.

Erst in einer gewissen Entfernung vom Laserkopf erkennt man deutlich, was die Justierung bewirkt hat. Hier 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 4 mm. Die Divergenz des Kernstrahls dürfte sich also im Bereich von 1 bis maximal 2,5 mRad bewegen.

Aus der Nähe betrachtet sieht der Leuchtfleck nach etwas mehr als einem Meter dann so aus. man erkennt deutlich das ungleichmäßige Halo, das den Kernstrahl umgibt. Die Anordnung der Ringe des Halos lässt darauf schließen, dass zwar die Spiegel zueinander sehr genau justiert sind aber die Laserröhre dazwischen geringfügig von der optischen Achse abweicht 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. Eine genauere Justierung ist für die Tests als Ionen-Laser sinnvoll.