Impulzusüzemű Nd:YAG lézer

 

 

Ezen az oldalon egy impulzusüzemű Nd:YAG lézer megépítéséről lesz szó. Ez a munka nagyon sok veszéllyel jár, először ezekkel kezdem, mert itt tényleg DANGER VAN!!! J

 

 

1.     A kondenzátorbankot szerelés előtt (és minden érintés előtt) ki kell sütni! Ez a bank maximális töltöttség mellett 100J energiát is tárolhat. (A kondibankot 600V-osra méreteztem.)

 

2.     A kondenzátorbankot figyelő műszereket, főleg a voltmérőt jól kell beállítani, különben az nem fogja a tényleges feszültséget mutatni, és ha a bankot túltöltjük, akkor az felrobban.

 

3.     Ha működik a lézer, akkor sem lehet szabad szemmel látni az általa kibocsátott 1064 nm-es sugarat. És attól hogy nem lehet látni, még veszélyes! Aki szemen lövi egy ilyennel magát, az minimum megvakul.

 

4.     Ha nem biztos benne az ember, hogy biztosan ki van sütve a kondibank, akkor először egy csavarhúzóval rövidre kell zárni a bank kivezetéseit! Vigyázat! Hatalmasat szól.

 

A működésről és az alkatrészekről:

 

 

Tehát a működés ott kezdődik, hogy ráadjuk a tápfeszültséget az áramkörre. J A 0-400V között változtatható inverter azonnal tölteni kezdi a D1 dióda által egyutasan egyenirányított feszültségről a C1 kondenzátorbankot, ami sok párhuzamosan és sorosan kapcsolt elektrolitkondiból áll. (Akár 100J-nyi energiát is képes lesz tárolni!) Ezzel párhuzamosan a stabil 400V-ot biztosító inverter tölti a C2 triggerköri kondenzátort. (Itt D2 gondoskodik az egyenirányításról.) A C1 kondenzátorbank feszültségét folyamatosan monitorozni fogjuk, mert egyrészt lehetőségünk lesz olyan számolásokat elvégezni, mint például a hatásfok kiszámítása. Másrészt viszont a feszültség monitorozása biztonsági okokból is szükséges. Pl. ha az inverter valami hiba folytán nagyobb feszültséget ad le, akkor a kondenzátorbank akár fel is robbanhat, ha nem kapcsoljuk ki sürgősen a töltő áramkört. Erre amúgy lesz beépítve egy védő áramkör, de az is meghibásodhat. (A fenti kapcsolási rajzon még nincsenek feltűntetve a védő áramkörök, de lentebb lesznek ezekről is doksik.) Szóval voltmérővel vagányabb… J Arról, hogy a mérő „műszerekkel” figyelhessük a kondenzátorbankon a feszültséget, szükségünk van egy feszültségosztó láncra, ami a kapcsolási rajzon az R1 és VR1 ellenállásokból áll (VR1 egy trimmer potméter). Ez a feszosztó lánc gondoskodik a 0-566V közötti feszültség 0-12V közötti feszültségre való leosztásáról. Ezt már figyeltethetjük a műszerekkel, ugyanis a VR1 és az R1 közös pontján a feszültség mindig egyenesen arányos lesz a kondenzátoron lévő feszültséggel.

Tehát ott tartottunk, hogy a C1 és a C2 kondenzátorok fel vannak töltve, és a lézer elsütésre készen áll. A K kapcsoló zárásával a feltöltött C2 kondenzátor a Tr1 gyújtótranszformátor primer tekercsén keresztül kisül. (Persze a K kapcsoló helyett egy bonyolultabb kapcsoló áramkör lesz, csak ezt az ábrán most egy kapcsoló szimbolizálja.) A gyújtótrafó szekunder tekercsében egy nagyfeszültségű impulzus (kb. 6kV) indukálódik. Ezt a nagyfeszültségű impulzust vezetjük rá a villanócső trigger kivezetésére. A nagyfeszültségű impulzus hatására a villanócsőben a töltőgáz plazmaállapotba kerül, ami azt jelenti, hogy a villanócső belsejében a gáz egy pillanatra vezetővé válik. Ennek hatására a C1 az L tekercsen és a villanócsövön keresztül kisül. A villanócsőben az elektromos energia elég jó hatásfokkal optikai energiává alakul, vagyis a villanócső villan egy nagyot J. De nem mindegy, hogy a villanócső milyen hosszú fényimpulzust ad. A megfelelő impulzushossz beállításáról az L tekercs gondoskodik. (Erről lentebb egy kicsit részletesen is írok majd.)

D3 diódára azért van szükség, mert ha jobban megnézzük az ábrát, akkor láthatjuk, hogy a C1 kondenzátorbank és a tekercs a villanócsövön keresztül egy párhuzamos rezgőkört alkot. A tekercsben az önindukció miatt keletkező feszültség pont rossz polaritással töltené vissza a C1 kondenzátorbankot. Ennek kivédésére van ott az a dióda (D3).

 

Kanyarodjunk vissza egy kicsit oda, hogy a villanócső villan egyet. Mivel a villanócső és a lézerkristály is egy ellipszis alakú rezonátorüreg egy-egy gyújtópontjában foglal helyet, a villanócső által kibocsátott fényenergia egésze a YAG kristályra fókuszálódik. A kristályban a szennyező Nd (neodímium) atomok gerjesztett állapotba kerülnek, létrejön a populáció inverzió is. És ha van populáció inverzió, onnantól a lézer a „A LÉZEREK MŰKÖDÉSÉVEL KAPCSOLATOS JELENSÉGEK, A LÉZEREK FAJTÁI, ÉS MŰKÖDÉSÜKcímű oldalon leírtak szerint működik. Szóval dióhéjban ennyi a működés… (…De csak dióhéjban, mert a védő berendezésekről még nem is írtam. J )

 

A neodímium atom energiaszintjei:

 

 

Ez a fenti ábra a neodímium atom energiaszintjeit mutatja. Tulajdonképpen a neodímium atomok adják az Nd:YAG kristály lényegi részét. A Nd atomokat egy ittrium-alumínium gránát, vagyis YAG tartja a helyükön. Innen származik az Nd:YAG lézer elnevezés is (Neodymium doped Yttrium-Aluminium Garnet). Ezek alapján a YAG-ot bulk-anyagnak mondjuk, mert ez a lézerműködésben nem vesz részt, csak az atomok megtartására szolgál. A bulk-anyaggal szemben az egyik legfontosabb követelmény az, hogy a lézerműködés hullámhosszán, és az abszorpció hullámhosszán jól áteressze a fényt. Egy másik követelmény, hogy jó legyen a hővezető képessége. (Ilyen szempontból a GGG jobb bulk-anyag mint a YAG –létezik Nd:GGG lézer is.)

Szóval az Nd:YAG lézer egy négyszintes rendszer. Ez azt jelenti, hogy a lézerműködés során négyféle energiaszint betöltöttsége fog változni. E1 energiaszint az abszolút alapszint, az ezen a szinten lévő atomok alapállapotban vannak. Innen 730-800 nm közötti fénysugárzás hatására ezeknek a neodimium atomoknak egy jelentős része E4 energiával jellemezhető gerjesztett állapotba kerül. Vegyük észre, hogy az E4 jelölés az összes olyan lehetséges energiaszintre vonatkozik, ami az E3 fölött van. Az E4-es energiaszintről egy nagyon gyors, nem sugárzásos legerjesztődéssel az atom E3 energiaszintre kerül. A nem sugárzásos legerjesztődés azt jelenti, hogy az atom energiája fénykibocsátás nélkül csökken. A neodímium atom esetében ez a nem sugárzásos legerjesztődés általában termikus legerjesztődést jelent, vagyis ilyenkor a rúd melegszik. A lézersugárzás szempontjából az E3 a gerjesztett szint, és az E2 az alapszint, de ismételten: csak a lézersugárzás szempontjából. Mivel az E2 => E1 átmenet nagyon gyors, olyan, mintha nem is lenne a lézersugárzás szempontjából vett alapszinten, vagyis E2-n részecske. Viszont az E4 => E3 átmenet is gyors, és ennek köszönhetően az E3 szinten mindig van részecske. Vagyis: populáció inverzió áll fent! Az E3=>E2 átmenet, vagyis a LÉZERÁTMENET többféle módon is létrejöhet. Spontán emisszióval vagy indukált emisszióval. (Ezek definícióját lásd a lézerek működését taglaló oldalon.) Az E3 gerjesztett szint élettartama átlagosan 230 mikroszekundum, ennek eltelte után az atom spontán emisszióval kerül le az E2 szintre. (Úgy is mondjuk, hogy a 230 mikroszekundum az Nd atom gerjesztett szintjének élettartama. De akár úgy is mondhatnánk, hogy ez az idő a YAG-rúd fluoreszcencia ideje.) Az is elképzelhető, hogy az atomot még a 230 mikroszekundum eltelte előtt indukált emisszióra kényszeríti másik atom spontán emissziójában keletkezett foton.

 

Egyszóval az a lényeg, hogy a Nd:YAG lézerrúd kap egy 230 mikroszekundumnál rövidebb fényimpulzust, és benne lézersugárzás keletkezik a rezonátortükrök segedelmével J. És itt jön a kapcsirajzon „L”-el jelölt tekercs a képbe!

Vagyis ez a tekercs arra kell, hogy megfelelően rövid (230 mikroszekundumnál rövidebb) fényimpulzust hozzunk létre. Ide akartam kilyukadni.

 

Az „L” tekercs méretezése:

 

Fentebb azt írtam, hogy az L tekercs és a C1 kondenzátorbank párhuzamos rezgőkört alkot. Ilyen szemszögből kell megvizsgálni ezt a problémát. Ha nem lenne veszteség, akkor egy ehhez hasonló harmonikus szinuszos rezgés írná le a feszültség időbeli változását a C1 kondenzátoron az elsütés után:

 

(Szinuszgörbe akar ez lenni, de a paint-tel nehezen bánok. J )

 

Egy ilyen rezgőkör periódusidejét vagyis „T”-t a Thomson-képlettel lehet kiszámolni:

 

 

És innen akár a rezgőköri frekvenciát is kiszámolhatjuk:

 

 

A valós probléma ez:

 

A fenti ábra a feszültség változását mutatja a C1 kondenzátorbankon az idő függvényében. A görbe zöld színű szakasza a C1 kondenzátorbank feltöltését jelenti. Ez addig tart, amíg a C1 feltöltését meg nem szűntetjük, és a lézert el nem sütjük. A kék nyíllal jelölt időpillanatban történik a gyújtás. Ekkor egy szinuszos rezgés indul meg, de ez erősen csillapodik, mivel a villanócső „megeszi’ az energiát-, azaz optikai energiává alakítja. (Ráadásul a körben van ohmos ellenállás is, ami szintén fogyasztja az energiát –vagyis hővé alakítja.) Ennek a szinuszos rezgésnek a periódusidejét a C1 kondenzátorbank kapacitása és az L tekercs induktivitása határozza meg. Ha jobban megnézzük az ábrát, akkor rájöhetünk, hogy ennek a szinuszos rezgésnek a negyedperiódusa alatt történik a villanócső működése. Vagyis a tekercset úgy kell megválasztani, hogy ez a negyedperiódus 230 mikroszekundumnál kisebb legyen. (Én ezt a negyedperiódust célszerűen 200 mikroszekundumnak fogom választani.)

 

Ha valaki más impulzusidővel szeretne számolni, akkor itt egy logikusnak tűnő levezetés ahhoz, hogy miként lehet ezt megtenni:

 

Hogyha azt akarjuk, hogy a negyedperiódus kisebb legyen 230 mikroszekundumnál, akkor tulajdonképpen ennek az egyenlőtlenségnek kell fennállnia:

 

 

Innen az egyenlőtlenséget a következők szerint alakítva kifejezhetjük L-t, vagyis a tekercs induktivitását, amit majd Henry-ben fogunk megkapni. Az a lényeg, hogy midig SI mértékegységrendszerben dolgozzunk, és az olyan prefixumokat, mint pl. a piko, nano, mikro, stb. jól használjuk.

 

Ha mindent jól csinálunk, akkor a következő összefüggést kapjuk az L tekercs induktivitására:

 

 

Természetesen a C1-et Henry-ben kell behelyettesítenünk az egyenlőtlenségbe, és így L-t Henry-ben kapjuk. Erre a fenti számításra azért van szükség, mert ha pl. C1-et megváltoztatjuk, akkor L-t is lehet, hogy meg  kell változtatnunk. És amúgy is a kondenzátorbank összerakása drágább, és kevesebb lehetőség van a kapacitásának megváltoztatására, így jobb ha a tekercset méretezzük hozzá a kondibankhoz…

 

Addig is: Képek

 

A lézer lényegi része egyben.

 

Szétszedve.

 

Az ellipszis alakú rezonátorüreg.

 

Az Nd:YAG rúd és a villanócső.

 

Így fog állni a rezonátorban a villanócső és a YAG-rúd.

 

Ez a kép jól mutatja a rúd színét.

 

Teljesen tiszta, jól átlátni rajta.

 

Két voltmérő.

 

Piros.

 

Zöld.

 

A voltmérők panelja (A Kókány Technology-ból kimaradt a H betű!!!)

 

A kondenzátorbankot alkotó kondik.

 

LED-soros feszültségmérő.

 

450V-os nagyfesz generátor.

 

Az impulzusformáló hálózat tekercsei. A Coilcraft-tól rendeltem őket… …Ingyen J

 

Minden együtt van egy jó barkácsoláshoz!