Selbst gemachter Mangan-Dampflaser

In diesem Artikel zum 10-jährigen Jubiläum werde ich beschreiben, was eine logische Konsequenz ist, eine Fortsetzung meiner unabhängigen Laserindustrie. Nach dem Bau einer Stromquelle, die zum Pumpen gepulster Metalldampflaser geeignet ist, und dem Sammeln von Erfahrungen mit vorgefertigten aktiven Elementen von Kupferdampflasern und ihren Verbindungen blieb es nur noch, das aktive Laserelement (im Folgenden - AE) vollständig unabhängig mit einem neuen Arbeitsmedium herzustellen.



Die folgenden Anforderungen wurden an die Wahl eines Arbeitsmediums gestellt: Strahlung im sichtbaren Bereich, relativ hohe erreichbare Leistung, akzeptable Effizienz, leichte Zugänglichkeit und niedrige Kosten, nicht zu hohe Betriebstemperatur.

Die Lasererzeugung wurde für fast alle möglichen chemischen Elemente erhalten, aber nur wenige Einheiten erfüllen die obigen Bedingungen. Seltsamerweise ist die beste Wahl das gleiche Kupfer und seine Verbindungen, aber für mich ist dies bereits eine weitgehend bestandene Phase. Es gibt immer noch eine Reihe von Metallen als Kandidaten, die unter dem Anregungsregime eine mehr oder weniger anständige Lasererzeugungseffizienz aufweisen, ähnlich wie bei Kupferdampflasern: Barium, Strontium, Mangan, Blei, Gold. Barium und Strontium verschwinden sofort, weil ihre Erzeugungslinien im IR-Bereich liegen, der langweilig und hässlich ist. Bleibt Mangan, Blei und Gold. Gold fällt auch aufgrund der hohen Kosten und der zu hohen Arbeitstemperatur (über 1600 Grad Celsius) aus. Nur 2 Kandidaten blieben übrig - Blei und Mangan.Beide Metalle sind billig und sollten relativ erschwinglich sein - Blei befindet sich buchstäblich unter Ihren Füßen, entkernt eine Batterie oder ein Stück gepanzertes Hochspannungskabel, das im Müll ausgewählt wurde. Mangan wird häufig in der Eisenmetallurgie verwendet und in kolossalen Mengen hergestellt.

Mangan ist in der Lage, bei einer Wellenlänge von 534 nm (der Hauptlinie) und mehreren stärkeren Linien im IR und etwa 3-4 schwachen grünen Linien zu erzeugen. Die erreichbare Leistung für eine gut gefertigte AE und eine sorgfältig abgestimmte Stromversorgung übersteigt insgesamt 10 W für alle Strahlungsleitungen, die Betriebstemperatur liegt im Bereich von 1000-1100 Grad, was deutlich unter der von Kupfer liegt. Die optimale Pulswiederholungsrate variiert in Abhängigkeit von anderen experimentellen Bedingungen und muss ausgewählt werden. In jedem Fall passt es in den „Standard“ -Bereich von 5-15 kHz. In Blei liegt die Hauptgenerationslinie in der Grenzlinie mit dem IR-Bereich von 722 nm und es gibt einen weiteren Übergang mit einer Wellenlänge von etwa 405 nm, einer erreichbaren Leistung von Einheiten von W für die 722 nm-Linie. Ein Merkmal dieser Umgebung ist eine Rekordverstärkung von 600 dB / m.Die Betriebstemperatur beträgt 800-900 Grad und das optimale Chisi nach verschiedenen Literaturdaten unter 10 kHz. Das optimale Puffergas für beide Metalle ist Helium, obwohl auch Argon verwendet werden kann.

Ich entschied mich, meine Wahl für Mangan aufgrund der obigen Daten einzustellen - die Erzeugungseffizienz ist deutlich höher und die Wellenlänge ist deutlich angenehmer, sehr nahe an der üblichen "Referenz" 532 nm. Danach musste das Design des aktiven Elements festgelegt werden. Viele Materialien zu Manganlasern wurden in wissenschaftlichen Fachzeitschriften wie „Quantum Electronics“ und „Instruments for Scientific Research“ gefunden, die im Internet oder direkt verfügbar sind, wie im Fall von CE oder über den Hub (für die englische Version von PNI). Aus den besprochenen Artikeln wurde deutlich, dass die Erzeugung mit nahezu jeder Größe des Entladungskanals und in einem ziemlich weiten Bereich von Anregungsbedingungen möglich ist, während der optimale Anregungsmodus und Puffergasdruck für eine bestimmte AE ausgewählt werden müssen. Danach zeichnete ich eine grobe Skizze meiner zukünftigen AE,basierend auf den verfügbaren Teilen und fuhr mit der Herstellung fort.



Mit Blick auf die Zukunft werde ich sagen, dass es unerwartet schwierig war, Mangan für diesen Laser zu finden, und ich werde alle meine Prüfungen in diesem Bereich in einem separaten Spinoff-Artikel beschreiben.

Die Basis des aktiven Elements des Lasers ist also eine Keramikröhre mit einem Innendurchmesser von 14 mm und einer Länge von 800 mm, die der Entladungskanal ist. Mit Buchsen aus Porenbeton wird es in einem Quarzrohr mit großem Durchmesser befestigt. Der Raum zwischen den Wänden der Rohre ist mit Wärmedämmung gefüllt. Als erste Option für eine solche Wärmedämmung habe ich mich für die Verwendung eines dünnen Korundsandes entschieden, wie bei den frühen Kupferdampflasern.







Nach dem Zusammenbau des Entladungskanals mit dem Gehäuse und der Hochtemperatur-Wärmeisolierung wurde eine solche Vorrichtung erhalten.





An den Enden des äußeren Rohrgehäuses sind Elektrodenanordnungen aufgrund der durch die Flansche zusammengedrückten Gummidichtungen befestigt. Die Elektrodenanordnungen sind aus Aluminium gefertigte Flanschköpfe. Und für ihre Herstellung war es zuerst notwendig, die Rohlinge zu gießen.



Nach dem Wenden sind dies die Details.





Von der Innenseite der Köpfe werden eine Anode in Form eines Rohres mit kleinem Durchmesser und eine kegelförmige Kathode auf das Gewinde geschraubt. Beide Elektroden wurden aus nicht magnetischem Edelstahl gefertigt





Aluminiumköpfe sind mit Lamellen zur Luftkühlung ausgestattet. Die Resonatorspiegel sind mit kleinen Flanschen an den Enden der Elektrodenköpfe befestigt. Gummiringe zwischen den Spiegeln und dem Elektrodenkopf wirken als Vakuumdichtung. Gleichzeitig bieten sie eine gewisse Beweglichkeit der Spiegel für ihre Ausrichtung. Von den Seiten der Elektrodenköpfe befinden sich Armaturen zum Pumpen und zum Gaseinlass. Die Gasdosierung erfolgt mit derselben Insulinnadel, die in eine der Armaturen eingeklebt ist. Somit wurde ein vollständig koaxiales AE-Design erhalten, das einem werkseitigen ähnelt. Die Abmessungen der Teile sind auf den Skizzen zu sehen, die ich vor dem Drehen gezeichnet habe.





Nachdem ich alle Teile hergestellt hatte, führte ich eine Testanordnung der AE durch, bei der sofort "Kinderkrankheiten" festgestellt wurden. Hier sind die Elektroden selbst noch nicht installiert.







Zunächst musste Sand als Isolierung verworfen werden. Beim ersten Abpumpen aus dem Rohr begann sich die in den Hohlräumen in der Verfüllung eingeschlossene Luft zu lösen und warf große Mengen Sand an die Stellen, an denen dies nicht der Fall sein sollte, einschließlich des Absaugens in eine Vakuumpumpe, was ihm in keiner Weise zugute kam. Die Lösung wurde als Ersatz für Sand mit Keramikwolle gefunden. Die Luft ließ die Baumwolle bereits während des Pumpens ungehindert zurück.



Eine weitere unerwartete Schwierigkeit war die extreme Zerbrechlichkeit der gesamten Struktur. 2 Montage- und Demontagevorgänge von 3 endeten mit dem Abplatzen der Kante des Quarzrohrs zum Zeitpunkt des Festziehens der Flansche der Elektrodenköpfe, obwohl die Wand des Rohrs dick zu sein schien. Eine Lösung für dieses Problem würde eine radikale Veränderung der Köpfe und eine Befestigungsmethode erfordern, die bisher nicht durchgeführt wurde, da das Design experimentell ist. Während des Montageprozesses habe ich ein weiteres Element hinzugefügt - ein Aluminiumrohr um die gesamte AE, das als Rückstrompfad fungiert und die parasitäre Induktivität der AE verringert. Damit unter dem Gewicht dieses Rohres nichts brechen würde, fügte er Unterstützung vom anderen Ende hinzu.





Somit war die AE bereit für das Testpumpen und die erste Einbeziehung der Entladung in sie. Aber zu diesem Zeitpunkt hatte ich nicht genug Verbindungskabel. Für die Herstellung habe ich den gleichen Koaxialkabeltyp wie für den Kupferdampflaser und einen ähnlichen Stecker von LGI21 verwendet, der modifiziert werden musste. Danach war es erstmals möglich, die Entladung einzuschalten und im Leerlauf in den Betriebstemperaturbereich einzutreten. Als Arbeitsgas verwendete ich Argon bei einem Druck in der Größenordnung von 10 Torr. Ein weiterer Fehler trat hier auf - eine große Menge an Entladungsenergie floss durch die Unterstützung des Rückstromleiters durch die Rohrwand zum Boden, wodurch sich dieser stark erwärmte und weniger Energie als an die „Zielentladung“ abgegeben werden konnte.





Außerdem reichte eine interne Isolierung des Entladungskanals nicht aus. Ich musste die AE wieder zerlegen und diesen Träger in die entgegengesetzte Richtung bewegen und den Raum zwischen dem Quarzgehäuse und dem Rückleiter mit zusätzlicher Wärmedämmung aus derselben Keramikwolle füllen. Anstelle der Metallstütze, wo sie vorher war, wurde eine Hülse aus Porenbeton installiert. Somit wurden Energieverlust und Wärmeverlust beseitigt.





Bei der Montage wurde traditionell die Rohrkante gehackt, wodurch bei jeder Montage die gesamte Laser-AE leicht verkürzt wurde. Am Ende habe ich es geschafft, es zusammenzubauen, und ich konnte ein umfassendes Training ohne Arbeitssubstanz beginnen. Das Hauptziel eines solchen Trainings ist es, dem AE zu ermöglichen, sich auf Betriebstemperatur und darüber aufzuwärmen, um alle Reste flüchtiger Verunreinigungen, die buchstäblich sowohl vom Keramikrohr des Auslasskanals als auch von der internen Hochtemperaturisolierung wimmeln, vollständig auszubrennen, insbesondere nachdem das Öl von der Vakuumpumpe versehentlich in das Rohr gelangt. Um dies zu verhindern, habe ich eine Ölfalle in Form einer klassischen Drexel-Spülung in den Spalt im Vakuumschlauch eingesetzt. Seltsamerweise gibt es an einem herkömmlichen chemischen Abschnitt kein Vakuumleck. Die weißliche Farbe der Entladung zeigt die Freisetzung von Verunreinigungen an.Das Training musste auf mehrere Stunden verlängert werden, damit das gesamte verbleibende Öl verdampfte und verbrannte und der Ausfluss eine für Roson charakteristische normale rosa-blaue Farbe erhielt. Während des Trainings konnte die AE auf Betriebstemperatur erwärmt werden, und die Erwärmung der Elektrodenköpfe war unerwartet moderat, obwohl Anode und Kathode glühend heiß waren.
Trainingsprozess:





Am Ende des Trainings wurde die Farbe der Entladung zur charakteristischen Farbe für Argon.



Der Entladungskanal erwärmte sich wie die Elektroden sehr stark. Das Leuchten ist auch durch Wärmedämmung sichtbar.





Nach dem Training wurde das Rohr bis zum Atmosphärendruck mit Argon gefüllt, die Armaturen wurden geschlossen und es blieb in dieser Form.

Parallel dazu suchte ich nach der tatsächlichen Arbeitsumgebung des Lasermangans. Dies stellte sich als unerwartete Schwierigkeit heraus, alle bekannten Chemiker machten eine hilflose Geste und wussten nicht, wo sie Mangan bekommen sollten, Internet-Händler, die Mangan zum Verkauf hatten, die nur in Fässern-Wagen-Schiffen verkauft wurden und deren Reinheit weit von „Laser“ entfernt war - 95% der Hauptmenge Substanzen. Und auch im Internet gab es einzigartige Leute, die versuchten, 200 Gramm 99% Mangan zum Preis von einem Kilogramm Silber zu verkaufen, und selbst mit der Forderung "einen Monat warten, bis sie aus Deutschland liefern". Es gab auch kein Metallmangan im örtlichen Lager für chemische Reagenzien, aber es gab Salze davon, aus denen ich versuchte, selbst Metallmangan zu gewinnen. Mehr dazu im entsprechenden Artikel. Alle meine Schwierigkeiten endeten plötzlichals ein kleiner König von hochreinem Mangan vom Schöpfer der Website PeriodicTable per Post kam, wofür er sehr dankbar ist.



Danach mussten noch Quarzboote für die Arbeitssubstanz hergestellt und in den Abflusskanal geschoben werden. Die Boote mussten in einer Glasbläserei bestellt werden. Als sie fertig waren, trennte ich kleine Stücke vom König, legte sie in die Boote und die Boote selbst rutschten leicht durch die Löcher der Laserspiegel in den Entladungskanal.



Dann wurden die Spiegel an den Ort zurückgebracht und die Tests begannen.

Nachdem die Laserröhre auf das maximale Vakuum abgepumpt wurde, habe ich die Spiegel ausgerichtet, sie müssen unter Vakuum ausgerichtet werden, da sonst die Ausrichtung fehlschlägt, wenn die Dichtungen verformt werden. Ich habe übrigens vergessen zu sagen, dass aluminisierte taube Spiegel und planparallele Quarzplatten als Ausgabefenster als Spiegel verwendet werden. Die Spiegel wurden mit dem Helium-Neon-Laser der LGN-109-Schule eingestellt.

Laser vor dem Start.



Gassystem.



Dann startete ich einen kleinen Argonstrom mit einem Druck von 10 Torr. Ich beschloss, den Laser mit Argon zu „beschleunigen“, da es ziemlich viel Helium gab. Bei diesem Druck entzündete sich die Entladung leicht und der Laser begann sich aufzuwärmen. Er erwärmte sich ziemlich schnell, und als der Entladungskanal dunkelorange leuchtete, machte sich eine Änderung der Entladungsfarbe von rosa nach türkis bemerkbar.



Dann erschien in der Mitte des Flecks vor dem Entladungsglühen ein hellgrüner Fleck, in dem ein Schatten von den im Entladungskanal eingebetteten Booten erraten wurde, der die Lichtöffnung des Kanals teilweise blockierte. Generation wurde empfangen!



Nach Argon wurde Helium in die AE eingeführt und Argon wurde abgeschaltet, wodurch die Erzeugungsleistung sofort mehrmals erhöht wurde, und durch Auswahl des Heliumdrucks wurde eine maximale Leistung erreicht. Die Auswahl des Pumpmodus (Spannung, ChSI) ermöglichte es, das stationäre thermische Regime des Lasers beizubehalten und die Strahlung ein wenig zu betrachten. Ein heller, gut sichtbarer, giftgrüner Laserstrahl unregelmäßiger Form strömte aus dem Ausgangsfenster, weil Boote die Öffnung blockierten.









Gleichzeitig gibt es genug Kraft, um Holz und Pappe beim Fokussieren zu karbonisieren. Aufgrund der nutzlosen Form des Strahls fokussierte er ziemlich schlecht. In Anbetracht der Tatsache, dass ein schlecht fokussierter Strahl Sperrholz karbonisieren konnte, würde ich seine Leistung auf einen Wert von etwa 1 W schätzen, aber nicht mehr.









Nachdem ich genug gespielt und ein Bild aufgenommen hatte, schaltete ich den Laser aus und ließ ihn abkühlen. Nach diesem Experiment konnten mehrere Schlussfolgerungen gezogen werden. Die Hauptschlussfolgerung - die Platzierung der Arbeitssubstanz in Booten - ist eine mittelmäßige Idee. Die Lichtapertur leidet sehr und bis zu 70% des Potentials bleiben unrealisiert. Nicht umsonst bei Kupferdampflasern besteht der Entladungskanal aus einem variablen Querschnitt mit Abschnitten eines größeren Durchmessers. Genau in ihnen befindet sich das Arbeitsfluid, und die Kanalöffnung ist auf engere Abschnitte des Rohrs beschränkt. Wenn möglich, wird der Durchmesserunterschied so gering wie möglich gehalten. Die Schaffung eines gut funktionierenden „Arbeitsfluiddampferzeugers“ wurde zu einer separaten, nicht trivialen Aufgabe bei der Entwicklung industrieller AEs, deren Lösung die Herstellung einer Reihe verschiedener Prototypen erforderte. Unter meinen Bedingungen war es einfacher, den Verlust eines Teils der Macht zu ertragen,Sie können die Boote aber auch verlassen, wenn Sie dies wünschen. Die zweite unerwartete Überraschung für mich war, dass beim Zerlegen des Lasers im Entladungskanal nur noch wenig von den Booten übrig war. Es stellte sich heraus, dass geschmolzenes Mangan Quarz löst. Je mehr Sie brauchen, um die Boote loszuwerden. Aber wenn Sie nicht loswerden, dann machen Sie sie zumindest aus einem anderen Material, zum Beispiel Leukosaphir. Es scheint, dass dies die einzige Option für solch aggressive Bedingungen ist. Charakteristischerweise ist es einfach, ein geeignetes Werkstück zu erhalten - Natriumlampenbrenner bestehen aus Leukosaphir. Nun, die Montage der Elektrodenköpfe muss erneuert werden, da weitere Demontage- und Montagevorgänge das Lasergehäuse unbrauchbar gemacht haben. Im Übrigen kann ich diesen Laser in meiner Praxis zu Recht als exklusiv bezeichnen, da in der ehemaligen UdSSR kein einziges Unternehmen Manganlaser hergestellt hat.noch in der Welt. Der Manganlaser hat die Wände der Labors nie verlassen. Warum - ich verstehe nicht. Vielleicht, weil seine Wellenlänge sehr nahe an den Standard-532 nm liegt, die mit Festkörperlasern und Frequenzverdopplung erhalten werden und keine komplexe Hochspannungsquelle und keine zerbrechliche Laserröhre mit begrenzter Lebensdauer benötigen. Und wo eine Beugungsdivergenz von Strahlung mit hoher Leistung und auch bei sichtbaren Wellenlängen benötigt wird, gibt es bereits Kupferdampflaser, bei denen der Wirkungsgrad fünfmal höher ist. Trotzdem würde ich sagen, dass der Manganlaser zu Unrecht vergessen ist und sehr wohl vor der DPSS-Ära im Handel erhältlich sein könnte. Auch der Thalliumdampflaser, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 535 nm erzeugt, hat die Wände der Laboratorien nicht verlassen. Aber nein, ich werde es nicht tun,denn warum mit einem extrem hochgefährlichen Stoff und einem äußerst komplexen Pumpen arbeiten, wenn Mangan mit einer Wellenlänge von 534 nm viel einfacher zu verwenden ist? Ich habe zwar Blei ausprobiert, aber es wird auch einen separaten Hinweis zu diesem Nebenversuch geben.

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