Stickstofflaser
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Der Stickstofflaser ist ein Gaslaser, der nur im Impulsbetrieb arbeiten kann.
Die Anregung des Stickstoffgases erfolgt durch eine Hochspannungsentladung quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls.
typische Daten:
- Gasdruck: einige Millibar bis mehrere Bar.
- Energie: Mikrojoule bis Millijoule.
- Leistung: Spitzenleistung einige Kilowatt bis 1 Megawatt, mittlere Leistung einige Milliwatt.
- Wellenlänge: stärkste Linie bei 337,1 nm (Ultraviolett).
- Impulsdauer: einige hundert Picosekunden bis einige zehn Nanosekunden.
Das bemerkenswerte am Stickstofflaser ist sein einfacher Aufbau (kein Resonator nötig!) und der mögliche Betrieb mit atmosphärischer Luft, sodass er mit einfachsten Mitteln auch von Hobbybastlern gebaut werden kann.
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[Bearbeiten] Aufbau und Wirkungsweise
Stickstoff (wie auch Wasserstoff und Neon) kann durch eine sehr kurzzeitige (um 1...10 ns) und intensive elektrische Gasentladung zum Lasern gebracht werden. Der Grund ist die sehr kurze Lebensdauer des oberen Laseniveaus der Stickstoffionen.
Laserbetrieb von Stickstoff ist auch bei normalem Druck von 1 bar möglich. Solche Laser heißen TEA-Laser (transversal elektrisch angeregte Atmosphärendruck-Laser), es gibt sie auch für CO2 als Lasermedium für die Wellenlänge 10,6 µm.
Je geringer der Stickstoffdruck, desto länger ist die Lebensdauer des oberen Laserniveaus - die Anforderungen an die Intensität und Kürze der Pump -Entladung sind dann geringer.
Stickstofflaser arbeiten als sog. Superstrahler, d.h. Laserbetrieb findet statt, ohne dass ein Resonator erforderlich ist.
Das ist durch die sehr hohe Verstärkung im Lasermedium möglich - lediglich die gestreckte Geometrie des Entladungskanales reicht aus, um gerichtete Laserstrahlung zu erzeugen.
Die zur Anregung erforderlichen kurzen und intensiven elektrischen Impulse können, wie u.a. Satyendra Nath Bose herausfand, durch Funkenstrecken und einen Blümleingenerator erzeugt werden. Hierfür geeignete Schaltfunkenstrecken müssen besonders schnell arbeiten und laufen daher teilweise in Edelgas und unter hohem Druck. Die Schaltung besteht im Wesentlichen aus einer parallel zu einem als Streifenleiter ausgebildeteten Kondensator 1 liegenden Schalt - Funkenstrecke und der Laser-Entladungsstrecke, an welcher sich ein weiterer Kondensator 2 befindet. Die Spannung liegt zuerst an Kondensator 1 und Funkenstrecke an, die Funkenstrecke bricht durch und die Spannung liegt in der Folge kurzzeitig an der Laser - Entladungsstrecke an. Diese bricht sofort durch, es fließt ein Strom durch den Strom-Kreis und beide Kondensatoren entladen sich.
[Bearbeiten] Aufbau mit einfachem Wanderfeld
Die Form der Kondensatorplatten ergibt sich aus dem zu erzeugenden Wanderfeld:
Da ein Stickstofflaser meist länger ist als die Strecke, die Licht innerhalb 1 ns zurücklegt, muss man einen elektrischen Streifenleiter verwenden, um den Impuls von der Funkenstrecke seitlich zu den Elektroden der Stickstoffentladung zu leiten. Insbesondere bei langen Stickstofflasern ist die Entladungsstrecke während der Entladung sehr niederohmig (R < 10 Ohm), so dass eine daran angepasste Streifenleitung sehr flach und breit sein muss.
Zu hohe Induktivitäten zwischen Funkenentladung und Streifenleiter werden vermieden, indem die Funkenstrecke direkt im Streifenleiter untergebracht ist (im Bild als Ring dargestellt).
Die elektrische Impulsfront trifft schräg auf die Elektroden der Stickstoffentladung, um über die gesamte Länge den durchlaufenden Laserimpuls jeweils im richtigen Zeitpunkt zu treffen.
Die Funkenstrecke wird mit einer separaten Hochspanungsquelle innerhalb 0,1...10 s (je nach Leistung) gemeinsam mit der Streifenleiterstruktur gespeist, um sich dann innerhalb 1 ns durch Spontanzündung der Funkenstrecke zu entladen.
Die Elektroden der Stickstoffentladung erhalten nur während dieses kurzen Impulses die zur Entladung führende Spannung - nur dadurch können die Ionen der Stickstoffentladung die zum Lasern nötige Inversion erreichen, denn das obere Laserniveau entleert sich sehr schnell. Auch wird die Entladung dadurch homogener - sie hat keine Zeit, sich zu einzelnen Kanälen einzuschnüren.
Eine länger dauernde Entladung wird durch einen Kondensator an der zweiten Wand des Wellenleiters nahe (weniger als etwa eine Licht-Nanosekunde "entfernt") der Funkenstrecke verhindert: er entlädt sich ebenfalls und die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden wird null. Dieser Kondensator verhält sich bei den kurzen Impulsen ebenfalls wie ein Streifenleiter. Um möglichst wenig Energie in diesen zu verlieren, muss seine Impedanz möglichst schlecht an den eigentlichen Wellenleiter angepasst sein, d.h. er muss noch deutlich niederohmiger sein. Um die Funkenstrecke nach ca. 1 ns wieder zu löschen, muss seine Kapazität kleiner als 10 nF sein (R·C = t).
[Bearbeiten] Aufbau mit vollständigem Wanderfeld für große Laser
Der in den Bildern gezeigte Wellenleiteraufbau verhindert Abstahlung und somit Leistungsverlust oder Störung anderer Geräte. Nur eine einzige hochohmige, hochinduktive Leitung führt von der Rückseite des Kondensators nach außen. Diese wirkt zusammen mit dem 10 nF Kondensator als 10 Hz - Tiefpass, schützt das Netzteil vor Kurzschluss und muss meist gekühlt werden.
Bei einem vom Normaldruck abweichenden Innendruck benötigt man seitliche Fenster, um den Laserimpuls auszukoppeln. Bei geeigneter Konstruktion wird fast nur in einer Richtung Laserstrahlung abgegeben.
In der Zeichnung rot dargestellt sind die Elektroden ober- und unterhalb des Laser-Kanales.
Die Funkenstrecke ist blau dargestellt.
Die konkave Endflächen des Dielektrikums um den Laser-Kanal herum sorgen für sog. Vorentladungen und damit zur Vorionisation des Laser-Kanales durch deren UV-Emission. Dadurch wird eine homogenere Entladung erzielt.
[Bearbeiten] Erreichen einer homogenen Entladung
Man benötigt eine Koronaentladung und keine Funkenentladung. Dies wird zum einen durch die kurze Impulszeit (die Entladung hat keine Zeit, sich zu Funken einzuschnüren) und zum anderen durch eine Vorionisation des Entladungkanales erreicht.
Die Vorionisation wird oft durch getrennte schwache Entladungen (Vorentladungen oder speziell dafür erzeugte Entladungen) erreicht, die durch ihre Ultraviolett-Emission das Gas im Laserkanal ionisieren.
[Bearbeiten] Anwendungen
Stickstofflaser haben hauptsächlich wissenschaftliche Bedeutung. Lange waren sie die einzigen verfügbaren Laser im Ultraviolett.
Die kurzen, intensiven Laserpulse werden u.a. zum Pumpen von Farbstofflasern, zur Untersuchung von Fluoreszenzfarbstoffen verwendet.
[Bearbeiten] Weblinks
- Sam's Laser FAQ - Alle Antworten zu Selbstbaulasern
- Blümlein - Generator
- Diane´s Selbstbaulaser-site
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Wiktionary: Stickstofflaser – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen |
