Der Bau eines einfachen N2-Lasers
Warnung: Dieser Bericht ist keine Bastelanleitung für Jedermann. Personen, die keine ausreichende Erfahrung mit Hochspannung und Laserstrahlung haben, sollten nicht versuchen, dieses Experiment nachzumachen.
Berichte über selbstgebaute N2-Laser sind im Internet so häufig, dass es eigentlich nicht sinnvoll scheint, noch einen neuen hinzuzufügen. Die Besonderheiten des hier beschriebenen Lasers rechtfertigen vielleicht aber doch einen neuen Bericht. Es wird vorausgesetzt, dass die Funktionsweise eines N2-Lasers bekannt ist. Sie wird an vielen Stellen im Internet beschrieben. So kann man z.B. bei Wikipedia, oder Sam's Laser FAQ nachschauen. Der hier beschriebene Laser gehört (schon auf Grund der geringen verwendeten Spannung) zu den leistungsschwachen N2-Lasern. Er ist für Demonstrationszwecke geeignet, aber man kann mit ihm keine Farbstofflaser pumpen.
So sieht der fertige Laser aus:
Die Besonderheiten des Lasers:
1. Der Laser funktioniert mit einer vergleichsweise geringen Spannung von 3 kV (und weniger). Hier dient als "Hochspannungsgerät" ein ausgedienter Monochrom-Monitor, dessen Bildröhrenbeschleunigungsspannung ca. 3,5 kV beträgt. Die Zuleitung zur Bildröhre ist über einen Widerstand von 4 MW mit der Buchse verbunden, über die die Hochspannung nach außen geführt wird. Die Bildröhre ist hier ausgebaut. Das wäre nicht notwendig gewesen, macht das Netzgerät aber leichter. Vorsicht: Ich verwende in gleicher Weise auch Farbmonitore und kleine SW-Fernsehgeräte als Hochspannungsquellen. Diese liefern aber über 20 kV b.z.w. ca. 10 kV. Das ist nicht nur gefährlicher, sondern bereitet auch viel größere Probleme bei der Isolation.
2. Die Einzelteile des Lasers lassen sich für wenige Euro in Haushaltwarengeschäften und im Baumarkt besorgen. Das sind:
- Ein Brett (65cm x 33cm), auf dem der Laser aufgebaut wird.
- Eine Alufolie (44cm x 33cm), die auf das Brett gelegt und mit der Erdleitung (gelbes Kabel) des Hochspannungsgeräts verbunden wird.
- Eine Klarsichthülle (von Leitz), deren unterer Rand so abgeschnitten wird, dass man sie aufklappen kann. Sie hat dann die Abmessungen von 2x DIN A4 und wird auf die Alufolie gelegt. Natürlich kann man dafür auch eine andere Kunststofffolie nehmen. Frischhaltefolien eigenen sich aber nicht. Sie sind zu dünn und werden selbst von der relativ geringen Hochspannung durchschlagen. Auch die Klarsichthüllen, die nur an einer Seite offen sind, erwiesen sich als zu dünn und schlagen nach kurzer Zeit durch.
- Zwei kleine Alufolien (ca. 17cm x 28cm und 15cm x 28cm) die so auf die Kunststofffolie gelegt werden, dass sie die untere Alufolie nirgends berühren. Die beiden Folien haben einen Abstand von ca. 1cm voneinander. Sie sind unterschiedlich breit, damit die Schneiden, zwischen denen die Funkenbildung stattfindet, nicht im Bereich des Falzes der aufgeschnittenen Klarsichthülle liegen. Die im Bild oben angeordnete größere der beiden kleinen Alufolien ist mit dem Hochspannungsausgang des Netzgeräts verbunden (graues Kabel). Die aus aus dem blau ummantelten Kabel gewickelte Spule soll das Hochspannungsgerät vor dem bei der Entladung entstehenden Spannungsimpuls schützen.
- Die kleinen Alufolien sind durch die am linken Bildrand zu sehende braune (selbst gewickelte) Spule verbunden. Die Windungszahl (hier 12) ist unkritisch. Die Spule kann auch durch einen Widerstand mit ein paar kW ersetzt werden.
- Auf den kleinen Alufolien liegen parallel zu der Trennlücke die etwa 20cm langen Schneiden, längs derer sich die Funkenentladungen bildet, die den Laserimpuls erzeugt. Eigentlich sind diese Schneiden die Besonderheit des beschriebenen Lasers. Deswegen werden sie in einem eigenen Abschnitt ausführlich beschrieben.
- Rechts unten sind zwei Hutmuttern zu sehen, die die Entladungsstrecke bilden. Eine Hutmutter ist mit der geerdeten (unteren) Alufolie verbunden, die andere mit derjenigen der oberen Folien, die nicht mit dem Netzgerät verbunden ist. Die Größe der Hutmuttern ist unkritisch. Ihr Abstand (im Bereich von 1mm) bestimmt zusammen mit dem Ausgangswiderstand des Netzgeräts die Frequenz der Entladungen (und damit der Laserimpulse) und die Spannung, mit der der Laser arbeitet.
3. Als Werkzeuge benötigt man beim Aufbau des Lasers eine Schere, eine kleine Metallsäge und Schmirgelpapier. Mit der Schere (oder einem Cuttermesser) schneidet man die Folien zurecht. Beim Aufeinanderlegen der Folien muss man unbedingt darauf achten, dass diese möglichst eng und ohne Falten aufeinander liegen. Die Metallsäge benötigt man, um die Entladungsschneiden des Lasers auf die gewünschte Länge (hier 21 cm) zurecht zu schneiden. Das vordere und das hintere Ende der Schneiden sollte man mit dem Schmirgelpapier etwas abrunden, da die Entladung sonst hauptsächlich an diesen Stellen erfolgt.
Entladungsschneiden
Bei den bisher von mir gebauten N2 Lasern bestand das Hauptproblem darin, die Entladungsschneiden aus einer Aluminiumschiene anfertigen zu lassen. Im Wesentlichen muss eine Seite der Schiene in eine präzise Schneide umgearbeitet und diese an den Enden abgerundet werden. Vor kurzem entdeckte ich in einem Baumarkt Aluminiumleisten, die vermutlich zur Abdeckung des Übergangs zwischen Teppichböden und Türschwellen vorgesehen waren und als Meterware verkauft werden.
Im linken Bild ist das Profil der Leiste zu sehen. Wenn man vom Steg in der Mitte absieht, ist es ein flaches Trapez. (2,96/2,76 cm breit, 1,7 mm dick). Legt man die von der Leiste abgesägten Schneiden nebeneinander, so sieht der Laser (von vorne) so aus, wie im rechten Bild gezeigt.
Bei der Entladung zwischen den Schneiden fließt der Strom um einen Bereich, der hier als kritische Fläche bezeichnet wird und der eine Induktivität im Stromkreis der bildet. Je größer dieser Bereich ist, desto größer ist die Induktivität und desto langsamer läuft die Entladung ab. Wird die Besetzungsinversion zu langsam aufgebaut, so entsteht kein Laserimpuls. Die kritische Fläche darf also nicht zu groß sein. Bei den verwendeten Schneiden ist dieser Bereich sehr klein. Vermutlich ist das der Grund, warum der Laser selbst bei Spannungen von weniger als 3 kV zuverlässig arbeitet.
Der Laser in Betrieb: Man sieht deutlich den Fleck, an dem der Laserimpuls ein weißes Blatt Papier zum Fluoreszieren anregt. Das blaue Kästchen auf der rechten Seite deckt die Funkenstrecke ab, um das grelle Licht und den Lärm des Funkenüberschlags etwas zu dämpfen.
Kleine Abstände
Beim Betrieb des Lasers müssen die Abstände der Hutmuttern, die die Funkenstrecke bilden, und der Schneiden der relativ geringen Betriebsspannung angepasst sein.
Im linken Bild ist die Funkenstrecke zu sehen. Der Abstand der Hutmuttern sollte weniger als 1 mm betragen. Rechts sieht man die Schneiden. Der Spalt zwischen ihnen sollte sich von 0,9 mm (an der Austrittsstelle des Strahls) bis auf ca. 0,7 mm verringern. Am einfachsten lassen sich die optimalen Bedingungen einstellen, wenn man diese Abstände bei eingeschaltetem Netzteil mit einem isolierten Schraubenzieher einstellt und dabei die Auswirkungen auf das Verhalten des Lasers beobachtet.
Verwendung kleinerer Spannungen
Bei der Verwendung eines Netzteils mit einstellbarer Hochspannung stellte es sich wie zu erwarten heraus, dass der Betrieb des Lasers mit sinkender Spannung immer schwieriger wird. Bei 3 kV arbeitet der Laser zuverlässig, was in dem beigefügten Videoclip zu sehen ist. (Falls der Media-Player sich weigert, den Clip abzuspielen, klicken Sie den Link mit der rechten Maustaste an und wählen die Option "Ziel speichern unter". Wenn sich die avi-Datei auf ihrem Computer befindet, sollte der Media-Player in der Lage sein, sie abzuspielen. Alternativ können Sie den Clip auch als MOV-Datei laden, wenn Ihr Browser ein entsprechendes Plug-in besitzt.) Um die Laseraktivität besser beobachten zu können, trifft der Strahl hier auf ein orange fluoreszierendes Papierstückchen auf.
Auch bei 2,5 kV ist die Laseraktion noch zuverlässig, wenn auch deutlich weniger intensiv als bei 3 kV. Bei 2 kV müssen die Schneiden sehr sorgfältig justiert werden, um einen schwachen Laserimpuls beobachten zu können, der aber häufig aussetzt. Unterhalb von 2 kV konnte keine Laseraktivität beobachtet werden. Das liegt nicht zuletzt daran, dass der Abstand der Hutmuttern so gering gewählt werden muss, so dass statt eines einzelnen Funkenüberschlags ein kleiner Lichtbogen entsteht und damit die Voraussetzung der Erzeugung einzelner Laserimpulse nicht mehr gegeben ist.
Modifizierungen des Aufbaus
Ich habe den anfangs beschriebenen Aufbau abzuändern versucht, wobei das Netzgerät (d.h. der alte Monitor) und die Schneiden beibehalten wurden.
- Zunächst wurde der Aufbau auf das Format DIN A4 verkleinert (d.h. die oben angegebene Fläche wurde halbiert). Bei dem kleineren Aufbau konnte ich keine Lasertätigkeit beobachten.
- Die Verdoppelung der ursprünglichen Fläche auf DIN A2 bringt merkwürdigerweise keine Vorteile. Der Laser ist eher schwieriger zu justieren und die Laserimpulse scheinen eine geringere Intensität zu haben als beim ursprünglichen Aufbau. Der Grund ist mir nicht ganz klar. Möglicherweise ist die Ursache für dieses Verhalten darin zu suchen, dass mit der Kondensatorfläche auch dessen Kapazität und damit die Zeitdauer der Entladung ansteigt und dass daher die Voraussetzungen für eine Besetzungszahlinversion ungünstiger werden.
- Die aufgeschnittene Klarsichtfolie wurde durch eine gefärbte Vinylfolie ersetzt, wie sie in Baumärkten und anderen Geschäften als Meterware für Lacktischdecken für Gartentische u.ä. angeboten werden. Das hat den Vorteil, dass der Laser symmetrisch aufgebaut werden kann, weil die Folie keinen Falz besitzt, der die Justierung der Schneiden stören könnte. Der Laser funktioniert wie oben beschrieben.
- Die Schneiden wurden durch noch schmalere (und preiswertere) Aluminiumleisten ersetzt. Das änderte nichts am Verhalten des Lasers.
Ein Bild des Lasers mit der Vinylfolie. Der Laserimpuls trifft hier auf ein gelb fluoreszierendes Preisschild und erscheint daher besonders hell.
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