Einfacher TEA-Stickstofflaser

Interessante Versuche aus dem Bereich der Physik.

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dg7acg
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Einfacher TEA-Stickstofflaser

Beitrag von dg7acg »

Einfacher TEA-Stickstofflaser

Es gibt viele Bauanleitungen für diese Art von Transversely Excited Atmospheric (TEA) N2-Laser im Internet und jeder Aufbau ist etwas anders. Deshalb kann ich hier auch nur von einer von vielen möglichen Varianten berichten. Dies betrifft sowohl die verwendeten Elektroden, als auch die Art der Funkenstrecke oder das Material der Grundplatte. Allen Aufbauten aber ist gemeinsam, das es möglichst kleine Induktivitäten geben muss, sonst ist der Misserfolg so gut wie sicher. Und die Spannung sollte auch ausreichend hoch sein, weniger als 10 kV sind nicht zu empfehlen. Mehr als 40 kV sollten es aus Sicherheitsgründen aber auch nicht werden.
Ein geeignetes Netzteil stelle ich in einem eigenen Artikel noch vor. Jedoch kann ich jetzt schon verraten, dass sich eine Hochspannungskaskade recht gut eignet, wenn man keine all zu großen Erwartungen an die Wiederholrate des Lasers hat. Der Aufbau kann „fest“ oder „fliegend“ sein, wie in diesem Fall. Natürlich kann man einen N2-Laser auch aufwendig mit Plexiglas und Verschraubungen bauen wie der „LASER-Guru“ Thomas Rapp auf seiner Seite www.pulslaser.de, die ich jedem wärmstens ans Herz legen möchte, aber ein Aufbau mit etwas Klebstoff reicht für den ersten Anfang allemal aus. Gerade für den ungeübten Nachbauer ist es von Vorteil, schnell mal etwas im Aufbau ändern zu können und ein Misserfolg schmerzt auch nicht so, als wenn man vorher viel Geld und Arbeitsaufwand investiert hat. Ein weiterer Vorteil dieser Bauart ist auch, auf eine Vakuumpumpe verzichten zu können, da der Laser bei Atmosphärendruck betrieben wird. Deswegen habe ich mich bewusst für den „Quick&Dirty“-Aufbau eines solchen Lasers entschieden, obwohl meine Perfektionistenseele es lieber etwas „stabiler“ hätte.


Hinweis:

Achtung! Hochspannung!
Der Laser arbeitet mit einer lebensgefährlich hohen Spannung von einigen tausend Volt. Bei Berührung der geladenen Kondensatorplatten kann es zu einem tödlichen Stromschlag kommen, auch wenn die Stromversorgung längst ausgeschaltet ist! Immer vorher mit einer gut isolierten Zange die Platten durch kurzschließen entladen, min. 10 Sekunden lang!
Achtung! Laserstrahlung! Nicht in den Strahl blicken! Gefahr von Netzhautverbrennungen!
Der Nachbau geschieht auf eigene Gefahr! Der Autor und Illumina-Chemie übernehmen keine Haftung für Sach- und Personenschäden durch Unfälle beim Nachbau und eventuellem unsachgemäßen Umgang!

Warnhinweis: hvWarnhinweis: laser

Materialien:

Hochspannungsquelle mit 12-25 kV min. 20 W
Ein Stück Spanplatte ca. 40 cm x 40 cm (Laminiert, glatt)
DIN A4 Kopierfolie min 140 µm dick
Alufolie (Haushaltsfolie)
Sechskant-Messingprofil 50 cm SW4-5
ca. 40 cm 1,5 mm² Installationsleitung (Kupferdraht)
2 Hutmuttern M4-M8 (als Funkenstrecke)
Kleine Metallsäge und Feile
Cuttermesser, Teppichmesser oder große Schere
Evtl. etwas Klebstoff

Vorbereitung und Aufbau:

Man schneidet zuerst die Alufolie auf die richtige Größe zu. Für die Massefläche wird ein ca. 30 cm x 18 cm großes Stück, für die beiden oberen Platten werden zwei Stücke mit 25 cm x 8 cm zugeschnitten. Nun wickelt man ein ca. 40 cm langes Stück Kupferkabel mit 1,5 mm² Querschnitt ungefähr 20 mal um einen Bleistift oder Schraubendreher, um eine Spule zu erhalten. Die Drahtenden sollte man auf Kupferplatten oder Münzen auflöten, so kann die Spule stabil stehen ohne umzufallen. Das Messing-Sechskantprofil wird einmal genau in der Mitte mit einer Metallsäge durchgesägt und die Schnittfläche mit einer Feile entgratet, diese beiden Stücke bilden später den Entladekanal des Lasers. Es ist sehr wichtig dass die Längskanten sauber und sehr glatt sind, da es sonst zu sog. „Break-Out-Points“ kommt, an denen bevorzugt Funken überspringen und so Energie für den Pumpvorgang verloren geht.
Als Funkenstrecke können einfach Hutmuttern auf Fünf-Cent-Stücke gelegt werden um ein Durchbrennen der Alufolie zu vermeiden.
Damit sind die Vorbereitungen abgeschlossen.

Man legt nun zuerst das große Stück Alufolie auf das Stück Spanplatte, wer möchte kann es mit etwas Klebstoff fixieren. Darüber wird die DIN A4 Kopierfolie so gelegt, dass an einem der kurzen Ränder ein etwa 1-2 cm langes Stück der Massefolie frei bleibt. Auch hier kann mit Klebstoff fixiert werden.
Nun legt man die beiden kleinen Alufolienstücke so auf die Kopierfolie, dass zwischen ihren Längsseiten ein etwa 0,7-1 cm (je nach SW des Sechskantprofils) breiter Streifen frei bleibt und sie möglichst genau über der Massefläche liegen. Stimmt ihre Lage, können auch sie verklebt werden. Diese Anordnung bildet einen (eigentlich zwei) Kondensator(en). Jetzt legt man die beiden Sechskantprofile so auf die oberen Folien über den 1 cm-Spalt, dass ihr Abstand an den sich gegenüberliegenden Kanten nur etwa 1mm bis 1,5mm beträgt und sie absolut parallel liegen. Man sollte die Profile etwas mit Gewichten beschweren, Fünf-Cent-Münzen oder Anglerbleie leisten hier gute Dienste. Man muss nur darauf achten die Profile nicht leitend zu überbrücken. Als Funkenstrecke können einfach zwei Hutmuttern auf Kupfermünzen gelegt werden, wovon eine auf die Massefläche und eine auf eine der oberen Kondensatorfolien gelegt wird. Die beiden runden Köpfe der Muttern liegen sich dabei in etwa 3-6 mm Abstand gegenüber. Es ist von Vorteil die Funkenstrecke mit etwas lichtundurchlässigem abzudecken, um so den grellen Blitz, als auch das laute Knallen der Funkenentladung etwas zu dämpfen. Nun wird die Spule auf die beiden oberen Alufolien gelegt und diese so elektrisch verbunden. Es fehlt jetzt nur noch die Spannungsversorgung, den Pluspol auf die obere Alufolie (nicht auf die mit der Funkenstrecke. Geht auch, wird aber meist nicht gemacht), den Minuspol auf die Massefläche (große Folie unten). Wenn nun die Hochspannung von min. 12 kV angelegt wird sollten sich entlang des Laserkanals Funken entladen und an den Seiten des Kanals die typischen blauen Leuchtpunkte auf weißen Papier zu sehen sein. Wenn nicht, sollte man den Laser noch mal ausschalten, entladen (!) und etwas die Sechskantprofile justieren oder den Abstand der Funkenstrecke vergrößern. Ist dieser Abstand zu klein, schlägt die Funkenstrecke schon bei zu kleiner Spannung durch und die Energie reicht nicht mehr um die Stickstoffmoleküle anzuregen.
Bild

Erklärung:

LASER ist die Abkürzung von light amplification by stimulated emission of radiation (Lichtverstärkung durch induzierte Emission von Strahlung)
Für einen Laser sind drei Wechselwirkungen von Energie und Materie von Bedeutung: Die Absorption, die spontane Emission und die induzierte Emission.
Wenn ein Atom von einem Photon (Lichtteilchen) getroffen wird, geht es in einen angeregten, energetisch höher liegenden Zustand über. Diesen Vorgang nennt man Absorption. Das geschied beim „Pumpen“ eines Lasers.
Aus diesem angeregten Zustand kann das Atom oder Molekül ohne äußere Einflüsse wieder in einen niedrigen Zustand zurückfallen, wobei ein Photon ausgesendet wird, dessen Energie der Energiedifferenz zwischen dem angeregten Zustand und dem niedrigerem Zustand entspricht.
Dieser Vorgang wird als spontane Emission bezeichnet.
Wenn ein bereits angeregtes Atom oder Molekül von einem weiteren Photon mit mindestens der gleichen oder höherer Energie getroffen wird, kehrt es durch aussenden eines weiteren Photons in den niedrigeren Energiezustand zurück, wobei das auslösende Photon nicht „verloren“ geht, es „fliegen“ also zwei Photonen davon. Dies ist die induzierte Emission.
Bild

Um Lasertätigkeit zu erreichen, muss die Zahl der Moleküle im höheren Zustand größer sein, als die Zahl der Moleküle im Grundzustand. Ist das der Fall, liegt eine Besetzungszahlinversion, und somit die Grundbedingung für Laserbetrieb vor.
Der Stickstofflaser ist ein sogenannter 3-Niveau-Laser und gehört zu den Molekülgaslasern.
Die Lasertätigkeit findet im N2-Molekül statt, welches durch Elektronenstöße in den angeregten Zustand gebracht wird. Dieser Zustand stellt praktisch ein Vibrieren des N2-Moleküls da und wird mit C3Piu bezeichnet. Die Lebensdauer dieses 11 eV über dem Grundzustand liegenden Energieniveaus beträgt bei Atmosphärendruck (1013mBar) nur 40 ns. Aus diesem Level fällt das Molekül durch spontane oder induzierte Emission, die durch die Photonen der spontanen Emission ausgelöst wird, unter Aussendung eines Photons mit 337,1 nm Wellenlänge zurück in einen um 3,7 eV niedrigeren Vibrationszustand mit der Bezeichnung B3Pig. Dieser Zustand hat eine Lebensdauer von 10µs (@1013mBar). Von hier aus fallen die Moleküle wieder in den Grundzustand zurück und geben ihre Energie als Wärme ab.
Man sieht, dass die Zeit in der eine Besetzungszahlinversion vorliegt beim TEA-Stickstofflaser sehr kurz ist. Das erklärt, wieso der Laser nur als Pulslaser betrieben werden kann und die geringe Induktivität so wichtig ist. Je größer die Induktivität, desto länger sind die Stromimpulse, und die müssen nun mal sehr kurz sein.
Ist die Zahl der Moleküle im unteren B3-Zustand oder im Grundzustand höher als die Zahl der Moleküle im C3-Zustand, werden Photonen absorbiert und die Lasertätigkeit endet. Ein solcher Laser wird als „self-terminating“ bezeichnet.
Während der Besetzungszahlinversion ist die Lichtverstärkung so stark (400 db/m), dass man ohne einen Resonator auskommt, solche Laser, zu denen vor allem der Stickstofflaser gehört, nennt man Superstrahler.
Soweit die Lasertheorie, nun zur Schaltung.
Der Laser arbeitet mit der Blumleinschaltung. Dabei sind die Ladekondensatoren als Bandleitungen ausgeführt (die Alu-Folien), wobei einer der Kondensatorpole als geteilte Platte aufgebaut ist, zwischen denen sich der Laserkanal (die Elektroden) befindet. Verbunden sind die beiden Plattenhälften über eine Ladeinduktivität (Spule), die sie Gleichstrommäßig leitend verbindet. Wird Spannung angelegt, laden sich die beiden oberen Platten auf, eine davon über die Ladespule. Ist die Spannung hoch genug, schlägt die Funkenstrecke durch und entlädt die mit der Funkenstrecke verbundene Plattenhälfte schlagartig. Durch die Spule, die diese schnelle Potenzialänderung nicht mitmachen kann (siehe dazu „Spule“ bei Wikipedia o.ä.) entsteht eine Potenzialdifferenz zwischen den beiden oberen Kondensatorplatten und es kommt zu einer Entladung über den Laserkanal. Diese (Glimm-)Entladung bringt die N2-Moleküle auf das C3Piu-Level und der Laserimpuls wird ausgelöst. Ist die Funkenstrecke durch die abfallende Spannung gelöscht, steigt die Spannung über die Ladespule wieder an und der Zyklus wird wiederholt. Die maximale Wiederholrate kann um die 100Hz betragen. Sie wird jedoch begrenzt durch die lange Halbwertzeit des B3Pig-Levels im N2-Molekül (10µs@1013mBar), sowie durch den Ladestrom, den das Netzteil liefert und den Abstand der beiden Funkenstreckenpole. Dieser darf nicht zu gering sein, da die Funkenstrecke sonst schon bei zu geringer Spannung zündet und sich so keine zum Pumpen ausreichende Energie am Laserkanal entladen kann.
Nur kurz angemerkt sei noch, das auch der Verlauf der Spannungswellenfront auf den Kondensatorplatten eine Rolle spielt. Das Stichwort lautet hierbei "Wanderwellenfeld". Es würde aber den Umfang dieses Artikels sprengen, dies im Detail zu erleutern.

Bilder:

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Die Funkenstrecke im Gehäuse

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Die Spule

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Die einzelnen Arbeitsschritte

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N2-Laser im Betrieb
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dg7acg
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Beitrag von dg7acg »

@xato: Lasergefahrensymbol, please! :mrgreen:
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Langer
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Beitrag von Langer »

Der arme Kerl :D
Aber bei dem Pulslaser hast du im Link nen Fehler eingebaut, da ist ein Komma zu viel...

PS: Ich finds echt klasse, dass du so viele Physiksachen postest.. Ist zwar ein Chemieforum, aber gerade solche Laser gefallen ja auch mir ;)
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dg7acg
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Beitrag von dg7acg »

Wo? :angel:
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Langer
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Beitrag von Langer »

Aber irgendwas an den Warnzeichen gefällt mir nicht :(
Bei der Hochspannung ist der Rahmen viel zu dick und beim Laser erkennt man irgendwie nichts :(

sry :(
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frankie
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Beitrag von frankie »

sehr schön - gefällt mir gut,... aber das bild ist imho leider grauenhaft unscharf :-) Oder hast du das mit einem Handy aufgenommen ?

mfg
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guitar_player
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Beitrag von guitar_player »

Du gibst dich mit nichts zu frieden :mrgreen:

Aber der Artikel ist wirklich gut geworden :D
Ich möchte mir ja selber mal nen N2-Laser bauen, da der noch einfacher zu bauen ist.
Nur, dein Link zu deiner Hochspannungskaskade funktioniert nicht, und ein Foto mit besserer Qualität würde dem Artikel auch nicht schaden ;-)

Ansonsten: gut gelungen :thumbsup:
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dg7acg
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Beitrag von dg7acg »

Ihr könnt immer nur meckern, meckern, meckern... :P :dita:
janö, mit dem "Foto" müsst ihr leben, bessere Qualität gibt die USB-Webcam die ich mir geliehen hab nicht her... seid froh das es überhaupt ein Bild gibt... :roll:

Dat mit dem Link zur Kaskade... isch gucke!
Tante EDIT sagt: Geht doch! Haste bestimmt wieder nicht richtig angeklickt... :dita: :mrgreen: :wink: könnte auch daran liegen das der Artikel in einem noch nicht frei zugänglichem forum liegt. der Physikbereich ist nur für mods sichtbar...
@xato: könnten wir doch nun langsam aufmachen das forum, oder?
...auf der Steuerflucht erschossen! :twisted:
guitar_player
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Beitrag von guitar_player »

Nein, also der Link funktioniert schon, aber der Artikel ist nicht mehr online bei mir: "Das gewählte Thema oder der Beitrag existiert nicht."
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dg7acg
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Beitrag von dg7acg »

dg7acg hat geschrieben:könnte auch daran liegen das der Artikel in einem noch nicht frei zugänglichem forum liegt. der Physikbereich ist nur für mods sichtbar...
klar das bei dir nix kommt, bist ja kein mod ;-)

EDIT soo, wehe es meckert noch einer über das Bild jetzt!! sonst machts doch besser :P :mrgreen: (thx an tanja, meine liebe Nachbarin mit der guten Digicam :P)
...auf der Steuerflucht erschossen! :twisted:
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Beitrag von guitar_player »

Wie hast du sie denn überredet... oder besser gesagt, hast du gesagt, dass einer dich immer wegen Fotos anmeckert? Wenn ja, dann schuldest du mir jetzt 1kg NaOH :mrgreen:

Ah! Schönes Foto ;-) Jetzt sieht man endlich die Details, da man sich in deinem Versuchsprotokoll :mrgreen: nicht immer ausgekannt hat
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frankie
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Beitrag von frankie »

Kritik wird zurückgezogen - Ex nunc :P

mfg
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dg7acg
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Beitrag von dg7acg »

guitar_player hat geschrieben:Wie hast du sie denn überredet...
Das verrate ich dir nicht, du bist erst 12! :P :dita: :angel: :lol: :wink:
...aber stimmt schon, das erste Bild war echt nicht so prall... mal sehen, vielleicht leiste ich mir nächsten monat mal ne eigene neue Cam, lohnt wohl doch, wenn noch mehr Artikel kommen (und die sind schon in arbeit... :mrgreen:
...auf der Steuerflucht erschossen! :twisted:
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Beitrag von guitar_player »

dg7acg hat geschrieben:
guitar_player hat geschrieben:Wie hast du sie denn überredet...
Das verrate ich dir nicht, du bist erst 12! :P :dita: :angel: :lol: :wink:
Gut das man mit zwölf aber trotzdem schon über alles aufgeklärt wird :mrgreen:
Zurück zum Laser, und zwar: wie kann man sich das Pumpen des Lasers vorstellen? Also was passiert im Atom?
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Beitrag von frankie »

Das verrate ich dir nicht, du bist erst 12! :P :yeah: :angel: :lol: :wink:
@gd7acq: vielleicht führt xato ja eine funktion ein die deine Artikel erst mit 16 freigibt :mrgreen:... baust du uns noch einen hübschen Farbstofflaser oder Rubin Laser mit dem wir sachen zerschneiden können ??

mfg
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