Хабрахабр

[Из песочницы] Самодельная лазерная установка «Lightsaber» — как это было, часть 1

Приветствую всех, в данной статье пойдет речь об одном из моих самых сложных проектов – самодельной установке с лазером на парах меди. Оговорюсь сразу, что проект выполнен успешно, доведен до полностью готового изделия и оправдывает то название, которое я ему дал. Я считаю нужным рассказать во всех подробностях, как он осуществлялся и с чем пришлось столкнуться на пути к его осуществлению. История создания установки довольно длинная, поэтому её придется разделить на несколько частей.

Представленная информация показана в ознакомительных целях, автор не несет ответственности за последствия попыток повторения описанного. И ещё один небольшой дисклеймер: этот проект был осуществлен из-за моей большой любви к искусству получения лазерного излучения, во многом ради процесса его реализации, посему попрошу не задавать вопрос «зачем это надо» в комментариях.

Картинка для привлечения внимания.

image

Все дело в том, что я, наверное, один из тех многих людей, которые когда-то мечтали о своем световом мече или лазерной пушке, по крайней мере в том виде, в котором это возможно при нынешних технологиях. А продолжение — под катом.
Сначала придется сделать некоторое лирическое отступление. С начала студенческих времен я увлекся электротехникой, а именно – получением высоких напряжений и высоких частот. И как оказалось, всё возможно, если над этим поработать. Одновременно с этим я понял, что меня особенно притягивает эстетика дизельпанка, а именно хотелось, чтобы все мои изделия выглядели, будто попали ко мне прямиком из лабораторий Франкенштейна или самого Теслы. Так я для себя открыл такое интересное устройство как трансформатор Тесла в его многочисленных проявлениях с использованием самых разных топологий и самой различной элементной базы. Тем не менее, оказалось, что уже трудно кого-то удивить даже довольно длинным разрядом от трансформатора Тесла. Именно поэтому я пускал в ход элементную базу, состоящую из старых масляных трансформаторов, мощных радиоламп, мотор-генераторов повышенной частоты (умформеров), измерительных щитовых приборов в карболитовом корпусе итп. А именно – посвятить свое хобби лазерной технике. Поэтому я решил изменить направление деятельности, заняв ту нишу, в которую рискнули пробраться очень немногие люди. Шло время, я изучал много литературы, общался с разными людьми, накапливался постепенно опыт по изучению, настройке и ремонте лазеров в лабораториях и добытый «хабар» в виде целых лазеров и их фрагментов, которые изучались мной самым подробным образом. Моей мечтой всегда было разобраться в том, какие бывают лазеры, раскрыть секреты их устройства и работы, наконец, построить свой собственный генератор когерентного излучения.

Когда удалось увидеть и пощупать такой лазер в работе в одной из лабораторий, он создал у меня самые мощные впечатления. Среди всего многообразия лазеров, один из них заслуживает куда большего внимания чем остальные – лазер на парах меди. Это самый эффективный лазер, работающий в видимом диапазоне спектра, способный иметь мощность излучения в десятки Ватт на длинах волн 510 нм (ярко-зелёный) и 578 нм (насыщенный жёлтый). А все дело вот в чем. Была поставлена цель обзавестись таким лазером. Луч, содержащий обе линии излучения, имеет неповторимый зеленовато-лимонный цвет и способен прожигать различные горючие материалы не хуже луча инфракрасного СО2-лазера.

Слишком она крупная, тяжелая и дорогостоящая. Во время работы с подобным лазером в лаборатории, я понял, что рассчитывать на приобретение готовой установки не могу, не смотря на предпринятые попытки. Вот как выглядит одна из самых ранних моделей такого лазера – ЛГИ-101. Как и любой лазер, она состоит из двух основных частей – излучателя и источника питания. А весит как 4 холодильника. Излучатель почти 2 метра длиной, а источник питания имеет размер «полновесного» домашнего холодильника. 5 кВт. Заявленная мощность лазерного излучения суммарно по обеим линиям излучения составляет 5 Ватт при потребляемой в 2. Внешний вид излучателя и источника питания можно видеть на фотографиях:

image

image

Источник же питания состоит из ряда функциональных блоков, о которых ниже. Излучатель в свою очередь состоит из своего набора частей: самой главной – активного элемента, потом зеркал резонатора, системы охлаждения и корпуса в котором это все собрано воедино. Через ещё некоторое время, с неоценимой помощью от моих знакомых, мне наконец-то пришел по почте заветный деревянный ящик, с совершенно новым активным элементом типа УЛ-102 «Квант», более свежей разработкой по сравнению с ЛГИ-101. Посему пришлось ограничиться поисками лишь незаменимой части — активного элемента (газоразрядной лазерной трубки), а потом мобилизовать весь свой опыт и хабар на то, чтобы построить всё то, чего не хватает. 5 раза меньше, т.е. По сравнению с ЛГИ-101, УЛ-102 почти вдвое меньшего размера, выдает точно такую же мощность излучения, а потребляемая мощность в 1. «Голый» активный элемент (АЭ) УЛ-102 выглядит так. он гораздо экономичнее.

image

Именно внутри него происходит преобразование электрической энергии в сильноточный газовый разряд, от тепла которого испаряется металлическая медь, и в котором атомы меди переходят в возбужденное состояние. Это массивное устройство из металла, керамики и стекла. Для того чтобы свет беспрепятственно мог проходить через лазерную трубку и усиливаться в ней, на торцах находятся массивные оптические окна, а чтобы на нагрев меди до температуры её испарения затрачивать меньшую мощность требуется хорошая теплоизоляция внутренней керамической разрядной трубки, которая заключена в наружный корпус из розовой керамики. При переходе из возбужденного состояния в основное атомы излучают фотоны, которые, сталкиваясь с другими возбужденными атомами, вызовут излучение новых фотонов, итак пока свет не усилится до максимально возможной величины, которая определяется степенью возбуждения активной среды. Именно разряд в неоне служит первичным источником тепла для испарения меди, расположенной в виде небольших кусочков внутри разрядного канала, в холодной трубке паров никаких нет, и разряд зажечь было бы невозможно, будь там полный вакуум. Электрическая энергия подводится к двум металлическим электродам снаружи, а внутри трубки находится неон под пониженным, относительно атмосферного, давлением. Вместе с лазерной трубкой мне достался и набор зеркал резонатора.

image

Таким образом, самые важные детали уже у меня появились.

Нужно было придумать оптимальную систему термостабилизации активного элемента, собрать все воедино в виде лазерного излучателя, и самое главное – построить источник питания. У меня уже было представление о принципе работы этого лазера и что нужно для того, чтобы из набора запчастей получить мощное когерентное излучение.

Частота следования импульсов для трубки УЛ-102 может меняться от 6 до 16 кГц. Из литературы известно, что лазер на парах меди может работать только в импульсном режиме. Идеально, если крутизна фронта тока через разряд будет на уровне 50 наносекунд, что соизмеримо со временем жизни возбужденного состояния атомов меди, а величина тока в импульсе составит несколько сотен ампер при длительности импульса от 300 до 1000 нс. Каждый отдельный импульс питания должен иметь крутой фронт нарастания тока через разряд. Надо ещё отметить, что напряжение на электродах трубки в предпробойный момент должно быть не менее 10 кВ, а лучше больше. Вообще говоря, лазерная генерация получится и при меньшей крутизне фронта, на уровне 100 нс, и даже 300 нс, но эффективность её будет гораздо хуже. Были и хорошие новости: у паров меди высочайший коэффициент усиления. Средняя мощность, вкладываемая в разряд отдельными импульсами, должна быть достаточной для разогрева и поддержания оптимальной температуры паров меди, и для УЛ-102 минимальное значение этой мощности равно 1600 Вт. Кроме того коэффициент усиления тем выше, чем выше концентрация атомов меди в разряде, т.е. Это значит что требования к точности юстировки резонатора очень либеральные (не нужны специальные высокоточные приспособления для крепления и регулировки положения зеркал). Это очень облегчало задачу постройки первичного макета, т.е. если разогреть достаточно сильно, то генерация может быть получена не с двумя, а одним зеркалом, а то и вовсе без них (однопроходное усиление спонтанного излучения или «сверхлюминесценция»). Теперь о питании. задача упрощалась до постройки только лишь источника питания, а постройку излучателя можно отложить на тот момент, когда будут отработаны тонкости с питанием. Буквально несколько деталей, при использовании простейшей топологии, которая в литературе называется «схема прямого возбуждения». Если глянуть на схему питания трубки, то на первый взгляд все предельно просто.

image

Все просто пока не присмотреться к номиналам деталей и предъявляемым к ним требованиям. Все просто – 2 индуктивности, 2 конденсатора, коммутирующий тиратрон, трансформатор управления тиратроном. Желательный минимум импульсного тока для тиратрона — 500 ампер. Поскольку стоит задача получить хорошую крутизну фронта импульса тока через активный элемент, то тиратрон нужен быстродействующий, с водородным наполнением, высоким обратным напряжением и высоким коммутируемым током. Обратное напряжение нужно хотя бы 20, лучше 25 кВ. Лучше – 1000 или более. Но мне повезло. Такие тиратроны обычно применялись в радарах и достать их не просто. Взгляд пал на красивый стеклянный ТГИ-700\25, размером с двухлитровую бутылку газировки. Парочка завалялась в завалах хабара. Конденсаторы. По номинальным параметрам подходит, смутило только сравнительно низкое (700 Гц) заявленное быстродействие, но решено пока попробовать воспользоваться им. Тьфу, всего-то. От 1000 до 3300 пФ основной накопительный и 235-470 пФ дополнительный между электродов трубки. Рабочее напряжение нужно от 15 кВ. Но! Мне ведь нужно получить короткий фронт тока через трубку, иначе не видать когерентных фотонов как собственных ушей. И крайне желательны малые потери на высокой частоте, паразитная индуктивность должна быть сведена к минимуму. Фффух, можно выдохнуть, такие у меня тоже есть, ведь накопились со времен, когда я занимался «теслами». Значит, годятся только керамические конденсаторы с высокой допустимой реактивной мощностью, которые применяются в ламповых радиопередатчиках и тех же радарах. А вот с ними уже сложнее… До текущего момента мне не были нужны дроссели в моих поделках, по крайней мере такой величины, в 0. Индуктивности. Такой дроссель нужен для т.н. 5 Гн, да ещё и без сердечника, с высокой электропрочностью. В таком режиме процесс заряда происходит с максимальной эффективностью, а напряжение на конденсаторе можно удвоить относительно питающего. «резонансного заряда» накопительных конденсаторов. Соединяя нужное число секций можно было индуктивность регулировать ступенями, а изменяя расстояние между ними, индуктивность можно подстраивать плавно в некоторых пределах. Пришлось наматывать такой дроссель из нескольких секций, благо опыт имеется. Поэтому я тоже намотал на каркасе, разделенном на секции. Со вторым, блокирующим дросселем, который нужен для предотвращения протекания постоянного тока через активный элемент намного проще – там необходимая индуктивность составляет 100-300 мкГн, но электропрочность нужна тоже высокая. Вот так выглядел первый «суповой набор» для самой главной, как я её назвал, силовой части источника питания.

image

Для того чтобы тиратрон нормально работал – нужен источник напряжения для накала катода – появляется первый увесистый трансформатор. Но, этого всего мало. Наконец нужен генератор достаточно мощного управляющего сигнала для отпирания тиратрона. Для того чтобы поджигать разряд в лазерной трубке и коммутировать его – нужен источник высокого постоянного напряжения, при этом очень желательно иметь возможность регулировать его от 0 до 7-8 кВ. С последним тоже было проще, так как остались блоки от неудачного проекта ламповой катушки Тесла с импульсным режимом работы, достаточно было перенастроить их для работы на нужной частоте. Появляется ещё один непростой блок для его генерации.

Он состоял из двух силовых трансформаторов, дававших в последовательном включении до 8 кВ переменного напряжения, выпрямителя в виде диодного моста на столбах КЦ201Д, фильтрующего конденсатора к41-1а на 2 мкФ 10 кВ, ЛАТРа на 9А в первичной цепи силовых трансформаторов, кнопок включения и отключения по отдельности управляющего генератора и ИВН, приборов для контроля напряжения и тока. Был собран вот такой макет подсистемы анодного напряжения силовой части, названный «ИВН» — источник высокого напряжения.

image

image

image

image

Оба блока выполнены на лампах – в задающем используется блокинг-генератор на лампе 6н6п с предварительным усилителем на тиратроне ТГИ1-10\1. Управляющий генератор (подмодулятор) состоит из двух основных блоков – задающего генератора и усилителя мощности. Питание анодных цепей выпрямляется кенотроном.

image

Анодное напряжение в 2 кВ получается с помощью удвоителя напряжения, также на кенотронах 6д22с. Второй блок – усилитель мощности, на данном этапе был собран на лампе ГМИ-5, состоит из собственно усилителя и обвеса в виде источников смещения для первой и второй сетки, также на кенотронных выпрямителях. Оттого и так много в этом блоке ламп.

image

Это выглядело вот так. Наступил момент, когда нужно соединять все элементы в единую схему.

image

Схема же силовой части расположилась на столе рядом, и была собрана «на соплях», так как возможно придется что-то переделывать, подстраивать номиналы деталей.
Запуск последовал незамедлительно.

image

image

image

Трансформаторы гудят, в лазерной трубке зажегся разряд, слышен характерный писк с частотой 10 кГц, коммутирующий тиратрон светится, но ещё предстоит увеличить напряжение питания до «проектных» 6 кВ. На первый взгляд все компоненты взаимодействуют правильно. Тут-то дело и застопорилось. Строго говоря, напряжение не играет определяющую роль, важно достичь определенной средней мощности вкладываемой в разряд лазера, которая для данной трубки должна быть не менее 1600 Вт. Поигравшись с частотой следования импульсов (далее – ЧСИ), емкостью основного и дополнительного конденсатора, индуктивностью зарядного дросселя (из больших секций) удалось этот рубеж преодолеть и выйти на рубеж сначала в 1000, а потом и 1500 Вт. На рубеже в 500 Вт тиратрон терял управляемость, попросту зависая в открытом положении приводя к КЗ у ИВН. Оставалось только ждать постепенного нагрева и выхода трубки на рабочий температурный режим.

image

Да и стало заметно, что с тиратроном что-то не так! Однако, через небольшое время, порядка 10 минут снова тиратрон потерял управляемость, замкнув ИВН. Его анод раскалился докрасна!

image

Но этой температуры для разрядного канала ещё совершенно недостаточно. За время, пока устройство работало стабильно, разрядный канал в лазерной трубке тоже успел нагреться докрасна, для него это в отличии от тиратрона более чем штатная работа.

image

Пришлось извлекать из другого импульсного лазера тиратрон ТГИ1-1000\25, заодно я поменял топологию силовой части на более «продвинутую» схему, т.н. После нескольких попыток перезапуска стало ясно, что в тиратроне данного типа потери мощности слишком велики, нужен другой тиратрон, более подходящий. «генератор Блюмляйна».

image

Да и макет полностью преобразился – исчез длинный соединительный кабель между лазерной трубкой и силовой частью.

image

Схема работала вполне устойчиво и удалось достичь энерговклада в разряд на уровне 2000 Вт. В такой топологии дела сразу пошли лучше. Начался устойчивый разогрев разрядного канала.

image

С оранжевого неонового он становился сначала розовым, потом светлел, пока не становился практически белым, после этого он приобретал грязный зеленовато-желтый оттенок. Примерно через полчаса работы, стало заметно изменение цвета разряда. Наконец на фоне света от разряда стало проявляться сравнительно яркое зеленое пятно переливающееся «спеклами». Появлялось спонтанное излучение меди, которая начинала испаряться. без зеркал резонатора. Началась лазерная генерация в форме сверхлюминесценции, т.е. Яркость пятна лазерного света быстро увеличивалась, за несколько минут оно стало ослепительно-ярким.

image

Если с одной стороны трубки установить глухое зеркало резонатора и поймать правильное его положение то яркость увеличивается ещё примерно в 5 раз, а расходимость пучка сильно уменьшается

image

image

Хорошо виден лазерный луч!

image

Что говорит о том, что световая мощность как минимум 0. А если на пути луча поставить линзу – то он уже способен выжигать на фанере. И это только с одним зеркалом резонатора. 5-1 Вт. Для самодельной лазерной установки это уже большой успех! Так что имеется ещё большой резерв выходную мощность увеличить путем установки второго зеркала. Особенно когда такие схемы питания осваиваются впервые.
Если отразить луч осколком CD-диска в стену, то видно что в луче есть 2 компонента – зелёный и желтый, желтая составляющая пока ещё выражена слабее зелёной.

image

А именно – неустойчивость работы тиратрона в режиме, когда лазер уже разогрет до рабочей температуры. Тем не менее, не смотря на полученные результаты, оставалась одна проблема, которая никак не позволяла перейти к окончательной сборке. Но ЛАТР уже находился в аварийном состоянии, изоляция его обмотки была серьезно повреждена. Новой тщательной подгонкой режима работы удалось немного улучшить стабильность, а добавленная быстродействующая защита от КЗ позволяла просто перезапускать ИВН раз за разом. Решено было сосредоточить усилия на постройке излучателя. Эксперименты пришлось на время прекратить. Он нужен для того, чтобы термостабилизировать весь излучатель, чтобы от очень горячей боковой поверхности АЭ не нагревался корпус лазера. В первую очередь был изготовлен кожух с водяной рубашкой, внутрь которого помещалась лазерная трубка. Это позволяет несколько уменьшить паразитную индуктивность АЭ. Также он выполняет функцию обратного проводника тока, расположенного коаксиально с АЭ. Труба была обточена до нужного размера, а из обшивки были вырезаны кольца и наружная часть. На его изготовление пригодился кусок трубы от фонарного столба, купленный в приемке металлолома и фрагменты обшивки старого холодильника. Получилась металлическая труба с двойными стенками. Кольца наделись на трубу, поверх обернут один слой листовой обшивки, и все это было пропаяно твердым припоем. Помимо этого было сделано ещё 2 алюминиевых диска, на которых крепятся зеркала резонатора, и один текстолитовый, на котором размещено секторное крепление АЭ. Снизу был приварен крепежный фланец, которым эта часть стыкуется с алюминиевым диском. «Горячий» электрод АЭ во избежание пробоя отделен от кожуха самодельным текстолитовым изолятором. Все эти диски стянуты между собой резьбовыми шпильками для получения цельной и жесткой конструкции. Потом втулка сохла. Текстолит был тоже самодельный – из стеклотканевой ленты моталась втулка, каждый слой промазывался эпоксидкой. После полного засыхания эпоксидки втулка была обточена на токарном станке до получения нужных размеров.

Каркас излучателя с водяной рубашкой.

image

С установленным активным элементом.

image

image

Так выглядит изолятор активного элемента.

image

image

Корпус разъема позаимствован от серийного лазера ЛГИ-21, сердцевина разъема самодельная. Был изговтолен соединительный кабель с большим коаксиальным разъемом, рассчитанным на напряжение 50 кВ. Роль дополнительного конденсатора 470 пФ теперь играет распределенная емкость этого соединительного кабеля совместно с паразитной емкостью монтажа. Кабель – антенный РК-50 из радара, с монолитной изоляцией центральной жилы.

image

image

Оставалось сделать только наружный декоративный кожух, для которого уже была припасена канализационная труба диаметром 250мм. В итоге была получена вот такая конструкция собранного излучателя. Нужно было убедиться, что излучатель работает нормально. Но эту часть работы я пока откладывал.

image

image

image

image

Состояние обмотки «до»: Продолжать работу с практически сгоревшим ЛАТРом было нельзя, поэтому решено было ЛАТР перемотать, превратив его в автотрансформатор с фиксированными отводами.

image

И «после»

image

В ход пошли компоненты подвижной части ЛАТРа. Под эту обмотку и каркас бывшего ЛАТРа пришлось изготовить специальный многопозиционный переключатель.

image

В сборе с обмоткой получилось вот так.

image

image

Переделанный автотрансформатор установлен на свое место.

image

Можно начинать новую серию экспериментов. Также была добавлена к быстрой защите от КЗ «медленная» в виде автомата в белом корпусе. Она натекла воздухом по спаям ножек со стеклом. Попытка запуска не задалась – по непонятным причинам обнаружена испортившейся лампа ГМИ-5 в усилителе мощности управляющего сигнала. В немедленном порядке лампа заменяется керамическим тиратроном ТГИ-270\12. Возможно от недостаточного охлаждения. Это потребовало некоторых переделок в схеме усилителя, в частности теперь цепи питания сеток стали не нужны.

image

image

Все это время активный элемент лежал в коробке. Должен отметить, что на все потребовавшиеся переделки понадобилось примерно 2 месяца времени – на изготовление каркаса излучателя, переделку автотрансформатора и усилителя мощности. Снова неуспешная. После окончания всех переделок, он был оттуда извлечен, излучатель полностью собран и была предпринята попытка запуска. Так выглядит разряд в нем, для фотографии АЭ был изъят из излучателя. Активный элемент обнаружен натекшим воздухом.

image

Продолжение будет в следующей части. В тот момент проект пришлось останавливать на неопределенное время.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть