Ein Stickstoff-Laser im Eigenbau


Ein Bericht im Internet über ein Praktikumsprojekt der TU Berlin diente uns als Vorlage für den Bau eines einfachen N2-Lasers, der kurze Impulse im ultravioletten Wellenlängenbereich emittiert. Wir haben jedoch auch wichtige Informationen und Tips vom physikalischen Institut der Univ. Düsseldorf erhalten. Um den Laser zu betreiben, benötigt man eine Hochspannungsquelle, die 7 kV liefern sollte, und die in den meisten Physiksammlungen vorhanden sein dürfte. Der Laser besteht aus zwei Metallschneiden, die man ggf. von einer Werkstatt anfertigen lassen muß und aus Büro- und Haushaltsmaterial, das nur wenige DM kostet. Nimmt man eine geringere Strahlqualität und größeren Aufwand beim Justieren in Kauf, so kann man die Schneiden durch fertige Metallwaren ersetzen, die weniger als 10 DM kosten.

Eine einfachere Version dieses Lasers wird hier vorgestellt


Die ursprüngliche Idee
In der Juniausgabe 1974 des Scientific American steht eine Bauanleitung und eine kurze Erläuterung der Funktionsweise eines Stickstofflasers. Der Laser besteht im wesentlichen aus einem Plattenkondensator, dessen zweite Platte durch einen schmalen Spalt geteilt ist. Die beiden Plattenhälften sind jedoch durch eine Spule mit geringem ohmschen Widerstand verbunden, so daß sie beim Laden des Kondensators auf demselben Potential liegen. Ist eine hinreichend hohe Spannung erreicht, so wird eine Plattenhälfte über eine Funkenstrecke entladen. Die Verbindungsspule stellt bei dieser plötzlichen Entladung einen großen Widerstand dar, so daß sich zwischen den Plattenhälften eine hohe Spannung aufbaut. Diese Spannung verursacht nun eine Funkenbildung längs des Spalts, der die Plattenhälften trennt. Durch diese Funken werden Stickstoffmoleküle angeregt: Es entsteht eine Besetzungszahlinversion. Dadurch wird eine stimulierte Emission der Wellenlänge 337,1 nm ermöglicht. Selbst ohne optischen Resonator kann wie bei Eximerlasern ein kurzer Laserimpuls emittiert werden. Wegen des fehlenden Resonators handelt es sich bei der erzeugten Strahlung genaugenommen um verstärkte stimulierte Emission (ASE) und nicht um Laserstrahlung. Die folgende Skizze stammt aus dem erwähnten Artikel im Scientific American.

Stickstofflaser nach J. Small. Der Laser enthält eine selbstgebaute Hochspannungsquelle, ein Vakuumgehäuse und eine Gasversorgung. Diese Bestandteile erschweren seinen Nachbau. Für die Hochspannungsversorgung wurde ein Gerät aus der Physiksammlung unserer Schule verwendet, das Vakuumgehäuse und die Gasversorgung wurden weggelassen.

Eine vereinfachte Version
Die Bauanleitung des Scientific American hat einige Nachteile: Der Bau einer eigenen Hochspannungsversorgung ist sicher nicht ganz unproblematisch. Andererseits besitzen viele Schulen geeignete Hochspannungsversorgungen in ihrer Physiksammlung. Weiterhin hat es sich gezeigt, daß der Laser - wenn auch mit verminderter Leistung - auch mit gewöhnlicher Luft funktioniert, so daß der Vakuumteil und die Gasversorgung entfallen können. Ein derartig vereinfachter Laser wird in dem anfangs erwähnten Praktikumsprojekt der TU Berlin beschrieben und ist hier in der Frontansicht skizziert.
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Oberer Teil: Skizze der Vorderansicht des Lasers. Der Laserstrahl entsteht zwischen den Schneiden. Diese Stelle ist hier durch einen blau-gelb gezeichneten Funken angedeutet. Die Aluminiumfolien sind blau, das isolierende Dielektrikum grau angedeutet.
Unterer Teil: 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.

Unser erster Versuch
An die im Projektbericht beschriebene Anleitung haben wir uns zunächst weitgehend gehalten. Auf eine Glas- oder Kunststoffplatte haben wir ein 25 cm x 45 cm großes Stück Aluminiumfolie gelegt. (Statt einer dünnen Haushaltsfolie haben wir allerdings eine etwas dickere Folie für Bastelzwecke verwendet). Das war die Erdplatte unseres Kondensators. Als Dielektrikum haben wir Kopierfolie genommen. Das ist ein wichtiger Tip in der Berliner Anleitung. Haushalts- oder Klarsichtfolien für Aktendeckel haben keine hinreichend gute Spannungsfestigkeit und es gibt schon beim Anlegen relativ kleiner Spannungen Durchschläge. Auch durch die Kopierfolie gibt es ab und zu Durchschläge. Wir flicken die dadurch entstehenden Löcher, indem wir kleinere Stücke Kopierfolie darauflegen. Theoretisch sollte die Durchschlagsfestigkeit für Polystyrol (1000 kV/cm) und Polyethylen (800 kV/cm) am größten sein. Das haben wir jedoch noch nicht ausprobiert. Auf die Kopierfolie wurden dann zwei Aluminiumfolienstücke der Größe 15 cm x 25 cm gelegt, zwischen denen eine 1 - 2 cm breite Lücke freigelassen wurde. Das ist die zweigeteilte Hochspannungsplatte des Kondensators.
Auf die beiden Aluminiumfolien wurden dann zwei Stahlplatten gelegt, von denen je eine Längsseite als Schneide ausgebildet war. Leider haben wir die Längen der Stahlpatten mit 30 cm etwas zu groß gewählt. Eine etwas geringere Länge hätte besser zu den konfektionierten Abmessungen der Kopierfolien gepaßt. Nachträglich stellte es sich jedoch als entscheidender Nachteil heraus, daß unsere Stahlplatten sehr dick waren (1 cm) und daß sich ihre Schneiden nicht in der Plattenmitte, sondern an der oberen Kante befanden (die Platten hatten also ein trapezförmiges Profil). Die Schneiden wurden, wie in der obigen Skizze angedeutet, durch eine daraufgestellte Spule verbunden und möglichst parallel in einem Abstand von 1 - 2 mm ausgerichtet.
Wird nun Hochspannung zwischen die Aluminiumfolien gelegt, so entsteht bei einem durch die Länge der primären Entladungsstrecke einstellbaren Spannungswert eine Funkenentladung. Bei unseren ersten Versuchen haben wir mit ziemlich hohen Spannungen (15 - 20 kV) gearbeitet. Nach dem oben beschriebenen Mechanismus wird durch die primäre Entladung eine sekundäre Entladung zwischen den Schneiden ausgelöst. Diese sekundären Funken sollten dann den Laserimpuls erzeugen. Es ist ratsam, die primäre Funkenstrecke durch eine Papp- oder Plastikschachtel abzudecken, um das grelle Licht der primären Funkenentladung abzuschirmen und vor allem den mit einem Überschlag verbundenen Knall zu dämpfen. Dieser Krach kann auf die Dauer an den Nerven zehren.
Es war recht einfach, die Schneiden so zu justieren, daß sich längs des Spalts eine gleichmäßige Funkenentladung ausbildete. Doch ein Laserimpuls war zunächst nicht zu sehen. Auch die Variation des Abstands und der Spannung führte zu keinem Erfolg. Schließlich drehten wir (aus purer Verzweiflung) eine der Stahlplatten so um, daß die Schneide der einen Platte auf eine stumpfe Kante der anderen zeigte. Plötzlich konnten wir bei einigen der Entladungen deutlich Laserblitze erkennen, die auf weißem Papier ein intensiv blaues Leuchten erzeugten. Der Durchmesser des Strahls betrug in etwa 1 m Entfernung vom Laser 1 - 2 mm. In 3 m Entfernung betrug er etwa 1 cm. Auch die Messung der Wellenlänge mit Hilfe eines Gitters zeigte, daß es sich um die erwartete Emission bei ca. 340 nm handelte.
Leider war das nicht das happy end unseres Laserversuchs. Nach einer Neujustierung der Apparatur konnten wir unseren Erfolg kein einziges mal wiederholen.

Der entscheidende Hinweis
Nach vielen Stunden ergebnislosen und frustrierenden Experimentierens und Herumprobierens beschlossen wir, uns von kompetenter Seite Rat zu holen. Die für uns nächstgelegene Universität ist die Uni Düsseldorf und dort gehört der Versuch mit dem N-Laser zum Standardrepertoire der Experimentalphysikvorlesung. Als Dr. Wischgoll von der Uni Düsseldorf uns die dort aufgebauten Laser zeigte, fiel uns ein wichtiger Unterschied zu unserem Versuchsaufbau auf: Die Platten, zwischen denen sich die Entladung ausbildete, die den Laserimpuls erzeugte, waren viel flacher als unsere Stahlplatten (0,5 cm gegen 1 cm). Außerdem waren sie so angeschliffen wie es in der obigen Skizze angedeutet und auch im Berliner Projektpratikum angegeben ist. Die Schneide befindet sich also auf halber Plattenhöhe.
Den entscheidenen Hinweis gab uns dann Prof. Decker von der Uni Düsseldorf. Er wies darauf hin, daß der Strom bei der Entladung zwischen den beiden Schneiden sozusagen um den Bereich zwischen den Schneiden und der Erdplatte herumfließen muß. Ist die Fläche zu groß, so verzögert die damit verbundene Induktivität (L ist proportional zu A) die Entladung und die durch Elektronenstöße erzeugte Besetzungszahlinversion wird nicht schnell genug aufgebaut, um den Laserimpuls zu erzeugen. (s. obige Skizze).
Da in allen Abhandlungen über den N-Laser betont wird, wie wichtig eine schnelle Entladung ist, ist es uns zugegebenermaßen etwas peinlich, auf dieses Argument nicht selbst gekommen zu sein. Als Entschuldigung wollen wir aber erwähnen, daß in der Anleitung des Scientific American ein Laser beschrieben wird, bei dem die kritsche Fläche viel größer ist als bei unserem ersten Aufbau. Allerdings wird dieser Laser mit reinem Stickstoff bei reduziertem Druck betrieben und offensichtlicht ist das Zeitverhalten in diesem Fall nicht so kritisch.

Unser zweiter, dritter usw. Versuch
Mit den neuen Erkenntnissen war es nicht schwierig, einen zuverlässig arbeitenden Laser aufzubauen. Die Aluminiumfolien haben die Abmessungen 45 cm x 25 cm (für die geerdete Folie) und je 9 cm x 25 cm (für die beiden spannungsführenden Folien). Dazwischen liegt eine DIN A4 Kopierfolie.

Unser Stickstofflaser. Er ist hier auf einem höhenverstellbaren Arbeitstischchen aufgebaut, dessen obere Platte als Erdplatte des Kondensators benutzt wird. Rechts ist die Funkenstrecke, links oben die Verbindungsspule zu sehen. Diese liegt auf zwei Münzen auf, die verhindern sollen, daß die Drahtenden der Spule Löcher in die dünne Alufolie brennen. Wegen der geringen Abmessungen des Tischchens bauen wir den Laser im allgemeinen jedoch auf einem kunststoffbeschichteten Brett mit Folien auf, deren Maße im Text angegeben sind.

Die besten Ergebnisse erhielten wir mit zwei Al-Platten (l = 20 cm, b = 6 cm, h = 0,5 cm) deren Schneiden sich auf halber Höhe befinden. Eisen oder Stahlplatten sind ebenfalls geeignet. Das ist deswegen von Interesse, weil es einfacher ist, entsprechende Stahl- als Aluminiumplatten zu beschaffen. Die Enden der Schneiden sollten abgerundet sein oder mit Isolierband überklebt werden, um die sonst dort stattfindenden besonders starken Entladungen zu verhindern. Nach dem Düsseldorfer Vorbild besteht unsere Funkenstrecke aus zwei Schrauben, auf die Muttern mit abgerundeten Enden (Hutmuttern) aufgeschraubt sind. Die halbkugelförmigen Mutternenden bilden die Elektroden. Eine Schraube liegt auf der geerdeten Alufolie, die andere auf der spannungsführenden.

Die Funkenstrecke: Der Zwischenraum zwischen den Hutmuttern muß sich über der Isolierfolie befinden, da die Entladung sonst auf die Platten überspringen kann. Auch hier sollen die Münzen ein Einbrennen der Entladung in die Alufolie verhindern.

Die beiden Schneiden sind durch eine selbstgewickelte Spule verbunden (ein isolierter Kupferdraht wurde 20 mal um einen Bleistift gewickelt). Bei einem Schneidenabstand von ca. 1 - 2 mm entsteht bei jeder Entladung ein Laserimpuls mit elliptischen Strahlquerschnitt. Im Gegensatz zum Bericht im Berliner Projektpraktikum reicht bei uns eine Justierung nach der Methode Pi x Daumen mit Hilfe eines isolierten Schraubendrehers aus. Eine präziseres Vorgehen ist sicher angebracht, wenn die Laserleistung optimiert werden soll. Bereits bei Spannungswerten von 3 kV erhält man Laserimpulse, deren Leistung bei Erhöhung der Spannung deutlich zunimmt. Die Spannung kann durch den Abstand zwischen den Elektroden der primären Entladungsstrecke eingestellt werden. Üblicherweise betreiben wir den Laser bei 5 - 7 kV. Bei dieser relativ geringen Spannung sind Durchschläge durch die Isolierfolie und unerwünschte Überschläge selten.
Wir haben uns überlegt, wie man den Versuch noch weiter vereinfachen und damit der normalen Unterrichtssituation anpassen kann. Im Einzelfall kann es schwierig sein, die geeigneten Schneiden zu bekommen. Auf der Suche nach Alternativen sind wir in einem Baumarkt fündig geworden. Wir haben zwei 20 cm lange Inbusschlüssel für 3,80 DM pro Stück gekauft. (Das sind so hakenförmige Gebilde mit sechseckigem Querschnitt) . Die Entfernung zweier parallelen Sechseckseiten beträgt bei unseren Schlüsseln 8 mm. Legt man die Inbusschlüssel so hin, daß die kurzen Arme senkrecht nach oben zeigen, so hat man zwei parallele Sechseckkanten, die eine Entladungstrecke bilden können. Natürlich müssen die Schlüssel dabei auf den unterschiedlichen spannungsführenden Metallfolien liegen.

Zwei parallel gelegte Inbusschlüssel mit sechseckigem Profil bilden eine preiswerte Funkenstrecke für die Erzeugung eines Laserimpulses. Der Impuls ist relativ schwach und der Strahlquerschnitt stark elliptisch.

Bei einem Schneidenabstand von 1,5 mm erhält man wieder deutliche Laserimpulse, deren Strahlcharakteristik allerdings schlechter ist als bei den geschliffenen Platten. Der Strahlquerschnitt ist stärker elliptisch und die Intensität innerhalb der Querschnitts ist ungleichmäßiger.
Inzwischen hat es sich gezeigt, daß sogar die Entladung zwischen zwei Cuttermessern (Teppichschneidemesser) von 5 cm Länge, die direkt auf der Aluminiumfolie liegen, Laserimpulse erzeugen kann. Das Justieren der Schneiden erfordert allerdings einige Geduld und die Laserstrahlung ist recht schwach.
Natürlich sollte man zu solchen Notlösungen nur greifen, wenn man sich keine geeigneten Schneiden beschaffen kann. Uns hat nach der langen Durststrecke am Beginn des Projekts verblüfft, wie einfach der Laser realisiert werden kann, wenn man die sensiblen Punkte des Aufbaus kennt.

Der Nachweis der Laserstrahlung
Die Wellenlänge des Lichts, das der Stickstofflaser erzeugt, liegt im ultravioletten Teil des elektromagnetischen Spektrums. Trotzdem kann man die Strahlung leicht nachweisen. Am einfachsten geht das mit einem Blatt gebleichten Papiers. (Fast jedes Papier ist gebleicht) . Der Laserimpuls erzeugt auf diesem Papier ein intensives blaues Leuchten.

Der Laser in Aktion. Die Aufnahme erfolgte in Richtung der Laserstrahlung. Im Vordergrund befindet sich die Verbindungsspule und links ein Plastikkästchen, das die Funkenstrecke abdeckt. Deutlich sind die Funken zwischen den Schneiden und der Auftreffpunkt des Laserimpulses auf einem Blatt Papier zu sehen.

Statt auf gebleichtes Papier kann man den Laserimpuls auch auf floureszierende Plastikteile fallen lassen, die z.B. bei einigen LEGO-Bausätzen verwendet werden. Der ultraviolette Impuls erzeugt dort orange oder grüne Fluoreszenzstrahlung. Anstatt durch Floureszenz kann der Laserimpuls auch durch Phosphoreszenz nachgewiesen werden. Jede mit Leuchtfarbe bestrichene Schicht kann als Schirm verwendet werden.
Etwas aufwendiger als der Nachweis der Laserstrahlung ist die Messung ihrer Wellenlänge. Wir haben dazu ein Reflexionsgitter verwendet, eine CD tuts notfalls auch. Auf dem nächsten Bild sind die beiden niedrigsten Beugungsordnungen zu sehen, die auf einem karierten Papierstreifen aufgefangen wurden. An den Karos kann man die Entfernung von der Schirmmitte abzählen. Die Öffnung für den Strahl war ein Kästchen (0,5 cm) breit. Daher muß man zu den an den Karos gemessenen Längen noch 0,25 cm addieren. Das Gitter war 17,8 cm vom Schirm entfernt. Aus diesen Abmessungen ergibt sich ziemlich genau die in der Literatur angegebene Wellenlänge.

Dieses Foto zeigt das erste und zweite (gerade noch erkennbar) linke Beugungsmaximum, das ein Reflexionsgitter mit 640 Strichen/mm auf einem 17,8 cm entfernten Papierstreifen erzeugt. Die Öffnung, durch die der Strahl auf das Gitter gelangen kann befindet sich rechts und ist 0,5 cm breit. Damit ergeben sich als Entfernung der Maxima von der Mitte ca. 3,9 cm bzw 8,4 cm. Daraus erhält man eine Wellenlänge von 334 nm für das Laserlicht. (Wie oben angegeben, ist der korrekte Wert 337 nm)
Beim Experimentieren mit dem Stickstofflaser ist dieselbe Vorsicht geboten wie bei anderen Lasern. Messungen an der Uni Bochum haben ergeben, daß unser Laser eine maximale Impulsenergie von lediglich 30µJ besitzt. Dennoch sollte man gerade beim Experimentieren mit ultraviolettem Licht besonders vorsichtig sein.

Etwas Theorie
Wir haben in dem Teubner-Studienbuch LASER (von Kneubühl/Sigrist) eine Beschreibung der Vorgänge gefunden, die beim Stickstofflaser ablaufen. Der Stickstofflaser ist ein Dreiniveau-Laser. Durch Elektronenstöße werden Stickstoffmoleküle aus dem Grundzustand in einen Vibrationszustand gebracht, der mit C3Piu bezeichnet wird. Dieser Zustand liegt etwa 11 eV über dem Grundzustand und geht unter Aussendung eines Photons von 337,1 nm Wellenlänge in den ca. 3,7 eV tiefer liegenden Vibrationszustand B3Pig über.

Die Zustände des Stickstoffmoleküls, die für die Laseremission wichtig sind.

Von dort fallen die Moleküle stufenweise in den Grundzustand zurück. Bei der Funkenentladung ist die Anregungswahrscheinlichkeit für den C3-Zustand größer als für den B3-Zustand. Daher entsteht zunächst die für die Laseraktivität notwendige Besetzungszahlinversion. Die beim Übergang C3 - B3 emittierten Photonen treffen auf weitere Moleküle die sich im C3-Zustand befinden und durch stimulierte Emission entsteht ein Laserimpuls. Da jedoch der untere B3Pig-Zustand eine wesentlich längere Lebensdauer hat als der obere C3Piu-Zustand (10µs gegen 40 ns), baut sich die bei der Funkenentladung erzeugte Besetzungszahlinversion schnell ab. Wenn sich mehr Moleküle im unteren als im oberen Zustand befinden, absorbiert der Stickstoff die Laserstrahlung und die Lasertätigkeit hört auf. Solche Laser nennt man "self-terminating". Aus diesem Grund kann der Stichstofflaser nur kurze Impulse emittieren, die kürzer als 15 ns sind.

Nachtrag: Bau eines Hochspannungsnetzteils
Wenn man längere Zeit mit dem N2-Laser experimentiert, ist es günstig, ein eigenes Hochspannungsnetzteil für den Laser zur Verfügung zu haben. Wir stellen hier einen Schaltplan vor, der es ermöglicht, zum Preis von etwas mehr als 100 DM ein derartiges Netzgerät zu bauen. Es liefert in der gezeigten Dimensionierung eine Spannung von ca. 6,5 kV über einen Ausgangswiderstand von 20 MOhm. Das sind dieselben Werte, die auch das in unserer Sammlung verwendete Netzgerät der Fa. Phywe hat. Allerdings ist das selbstgebaute Netzgerät nicht regelbar.

Der Schaltplan unseres Hochspannungsnetzteils, das eine Kaskade mit 28 Stufen enthält und ca. 6,5 kV liefert. Es müssen spannungsfeste Kondensatoren und eine für Hochspannung geeignete Buchse verwendet werden. Die Verwendung eines Trenntrafos ist wichtig, um einen Pol der Hochspannung erden zu können.

Den Zusammenbau des Netzgeräts sollte nur ein erfahrener Praktiker durchführen. Das für unsere Versuche verwendete Netzgerät wurde von Herrn Menzel, der Physiklehrer an unserer Schule ist, gebaut.


Eine Sammlung von wissenschaftlichen Literaturstellen zum Thema Stickstofflaser ist bei folgendem Link zu finden.
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