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 Betreff des Beitrags: Nd:YAG #2 - jetzt aber wirklich!
BeitragVerfasst: Do 2. Nov 2017, 22:56 
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Wie das so ist, manche Projekte gammeln ewig vor sich hin und nicht immer gilt gut Ding will Weile haben. Manchmal passiert auch gekonnt gar nichts.

Da es in der Laserabteilung ziemlich still geworden ist, hier mal wieder ein kleines Projektchen.

Bild

In dieser Schachtel ist ein Nd:YAG- Laserstab. Im Jahre 2010 erworben, das ist 7 verdammte Jahre her :ugly:
Irgendwo ein den Untiefen des Forums existiert ein entsprechender Thread aus diesem Jahr aber den verlinke ich jetzt bewusst nicht. Jedenfalls ist das Unterfangen recht schnell im Jahr 2011 gestorben da ich damals andere Dinge wesentlich interessanter fand (und rückblickend auch nicht so wirklich Ahnung hatte was vor allem die mechanische Konstruktion betrifft).

Bild

Das ist der Stab, mit 50x3mm einer von der kleineren Sorte. Zum Größenvergleich eine 5mm- LED.

Im September diesen Jahres habe ich den Stab mal wieder in der Hand gehabt und festgestellt, dass ich im Prinzip alles für einen neuen, besseren Aufbau da habe. Dieser sollte so einfach wie möglich werden und war letztlich binnen einen Tages fertig:

Bild

Laserstab und Blitzlampen sind in Alu- Halteblöcken befestigt. Verwendet wurde eine close-coupled- Anordnung. Rechts ne Lampe, links ne Lampe, in der Mitte den Stab und Alufolie als Reflektor drum. Fertig.
Die Blitzlampen hier sind mit 75mm Bogenlänge etwas stark fehlangepasst, 1/3 des Pumplichts geht so von vornherein verloren. Sonst ist nichts dabei, sind Lampen für Stroboskope, also keine speziellen Xe- Blitzlampen für Laser.

Ein alter Kühlkörper bildet die Grundplatte. Stab und Blitzlampen sind isoliert angebracht, so lassen sich die Blitzlampen einfach durch einen externen Hochspannungspuls zünden.
Die Spiegel sind einfache Planspiegel mit 20mm Durchmesser aus China mit 100% und 80% Reflexion (also 20% Transmission am Auskoppelspiegel). Gibts momentan für unter 10€/Stck. auf ebay. Um diese in kommerziellen 1"- Spiegelhaltern zu befestigen, habe ich Distanzringe/ Adapter aus Alu gedreht. Da es sich um einen plan-plan- Resonator handelt, ist es elementar wichtig, die Spiegel ganz genau justieren zu können.

Bild

Die Elektronik ist ebenfalls simpel gehalten. Hier noch in der ersten Version etwas overkill. Der Zündimpuls kommt aus einer Zündspule, einen entsprechenden Triggergenerator für solche Zwecke hatte ich mir vor einer ganzen Weile mal gebaut (schwarzer flacher Kasten vorne). Der Pulskondensator wird mittels Stelltrafo+ MOT+ fettem Begrenzungswiderstand geladen. Man betrachte die höchst professionelle Entladeeinrichtung mittels losem Draht und Fineliner. Über einen 1000:1- Spannungsteiler kann bequem die Ladespannung gemessen werden.

Der Ladewiderstand ist wichtig, damit man nicht ausversehen zu viel mittlere Leistung reinpumpt. Lampen und Stab sind nicht aktiv gekühlt, bei Pumpenergien von einigen 10J sollte man nicht mehr als zwei Schüsse pro Minute auslösen.

Der Kondensator selbst besteht aus 40µF/900V- Folienkondensatoren, 9 Stück für insgesamt 40µF/2700V. Geladen wird auf maximal 2.1kV entsprechend etwas über 80J.

Lange Rede, kurzer Sinn- so funktioniert der Laser ohne große Probleme. Beim Betrieb besteht ohne Frage Schutzbrillenpflicht. Fotos von diesem Aufbau in Betrieb habe ich keine brauchbaren gemacht, war auch nicht so wirklich spannend (ändert sich aber, siehe unten :mrgreen: ). Hat fokussiert für kleine Rauchwölkchen und Einschusslöcher in Klebeband gereicht. Die Laserschwelle ist sehr niedrig und liegt bei etwa 25J Pumpenergie.
Die Justierung ging besser als gedacht, mit einem HeNe vorjustiert war der Strahl schnell gefunden. Allerdings ist der Grad zwischen Funktion und Nicht-Funktion sehr schmal: verstellt man auch nur eine Einstellschraube eines Spiegelhalters um eine Achtel Umdrehung, kommt nichts mehr raus :moep:
Plan- Plan ist halt doof.

<Achtung eventuell langweiliger Physik- Part >

Vorletzte Woche habe ich den ganzen Krempel mal mit in die Uni genommen um im Optiklabor ein bisschen dran rumzumessen und zu -spielen.

Bild

Der Aufbau lies sich nochmal enorm vereinfachen. Es wird ja im Mittel eh nicht viel Leistung benötigt, also übernimmt die Stromversorgung ein CCFL- Inverter von Pollin. Eine Rasenmäherzündspule erzeugt den Zündpuls, die 400V für einen kleinen MKP werden über einen Spannungsteiler vom CCFL geklaut. Ein Thyristor übernimmt das Schalten.

Ebenso reichen 4 der Kondensatoren. Um zumindest ein bisschen Berührungssicherheit herzustellen, habe ich etwas Luftpolsterfolie auf die Anschlüsse gelegt. Die Blitzlampen habe ich auch getauscht, gibt etwas überteuert bei Conrad welche mit 46mm Bogenlänge. Sind zwar ziemlich klein, halten die 25J aber ohne weitere Probleme aus (hier wird mit maximal 50J geschossen, bei 1.5kV Ladespannung zünden die eh von selbst durch).

Und dann ging es daran, einige Konfigurationen durchzutesten und zu messen. Man hat ja nicht alle Tage schnelle vorverstärkte Fotodioden, Langpassfilter und ein 4Gs/200MHz Digitalscope zur Verfügung...

Der Laser verhält sich ziemlich genau so wie er sollte:

Bild

Der Pumplichtpuls (rote Kurve) ist etwa 150µs lang, viel länger sollte er nicht sein. Wurde optisch genug Energie in den Laserkristall gepumpt, setzt die Lasertätigkeit mit viel spiking (typisch für Festkörperlaser) ein. Der Laserpuls ist mit etwa 100µs kürzer.

Um die Ausgansleistung zu steigern, kann zuerst noch der Resonator optimiert werden. Bei einem plan-plan- Resonator läuft der Strahl recht schnell, bei schlechter Justierung bereits nach einigen Umläufen, aus dem aktiven Bereich. Bei konfokalen Resonatoren (ein oder beide Planspiegel werden durch Hohlspiegel mit passenden Krümmungsradien ersetzt) hat man dieses Problem nicht.

Allerdings sind passende Hohlspiegel teuer und nicht vorhanden. Aber eine Sammellinse im Resonator tuts auch :D
Der Output steigt dabei beträchtlich (Peaks erreichen schnell mehrere kW), auf eloxierte Alufolie fokussiert gibts die typischen kleinen Stichflammen:

Bild

In dieser Konfiguration steht die Linse vorm Rückkoppelspiegel und ist nicht mit im Bild.

...und auch die Pulsform ändert sich, das Spiking geht zurück:

Bild

Das Nachfolgende hat nicht so viel mit Optimierung zu tun, ist aber auch recht interessant wie ich finde.

Galliumarsenid eignet sich prima als Auskoppelspiegel. GaAs wird bei der Halbleiterherstellung verwendet und ist wie Silizium in Form von Wafern erhältlich.
Man kitte ein Bruchstück auf einen Spiegelhalter:

Bild

Und fertig, lasert genauso gut wenn nicht sogar besser:

Bild

Ist an dieser Stelle nicht ganz sauber justiert, aber egal. Der grüne Punkt ist der Laserspot.

Der Puls sieht wiederum anders aus, die Linse befindet sich nach wie vor im Resonator:

Bild

GaAs - auch in Form eines 0815- Wafer- Bruchstückes- eignet sich als Q-switch, also als Güteschalter. Ein Q- switch lässt den Laser nicht sofort anschwingen, sondern erst wenn die Besetzungsinversion genügend hoch ist. Die Folge sind weniger, aber höhere Pulse.
In diesem Fall lässt sich über weniger Pulse streiten, aber der allererste Peak ist immer ziemlich hoch und die Stichflamme noch mal einen ticken heftiger.

In kommerziellen Lasern wird oft Cr:YAG als passiver Q- Switch verwendet.

Bild

Und das ist doch dann doch noch mal was anderes:

Bild

Damit geht das kleine Ding doch ganz schön böse ab, mit 40J Pumpenergie kommen Pulszüge im ns-Bereich mit insgesamt einigen 10mJ Energie raus.

Bild

Irgendwann baue ich den Laser mal fest in ein Gehäuse ein. Das Update kommt dann hier im Thread.

Wenn ich etwas Zeit finde stelle ich noch ein bisschen was über ArKr- Laser (daran habe ich quasi das komplette letzte Jahr gearbeitet) ein und auch so stehen einige interessante Projekte wie ein Farbstoff- und ein Rubinlaser (konnte nicht widerstehen mir letztens einen 110x7mm- Stab auf ebay zu fangen :mrgreen: ) auf dem Plan.

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 Betreff des Beitrags: Re: Nd:YAG #2 - jetzt aber wirklich!
BeitragVerfasst: Fr 3. Nov 2017, 18:02 
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Tolle, spannende Sache und danke fürs Zeigen ;)

Mein longitudinaler Stickstofflaser wartet auch noch auf seine Umsetzung...


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 Betreff des Beitrags: Re: Nd:YAG #2 - jetzt aber wirklich!
BeitragVerfasst: Sa 4. Nov 2017, 14:53 
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Huhu,

sehr schönes Projekt! Danke für die Doku :)

Kannst Du vielleicht mal per PN einen Link zu den Spiegeln schicken? Ich habe auch
noch eine komplette, wassergekühlte Cavity und eine halbe, wo nur das Unterteil mit
YAG Stab (4x105mm) vorhanden ist. Die Stäbe sind allerdings etwas blass, fast farblos.
Ich meine mich erinnern zu können, dass die für cw sind? In der Cavity werden sowohl
Stab als auch Lampe (leider nicht vorhanden) von Wasser umspült.

Viele Grüße
Julian

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 Betreff des Beitrags: Re: Nd:YAG #2 - jetzt aber wirklich!
BeitragVerfasst: So 5. Nov 2017, 13:04 
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Vielen Dank für das Feedback :)

Zitat:
Die Stäbe sind allerdings etwas blass, fast farblos.Ich meine mich erinnern zu können, dass die für cw sind?

Genau, Stäbe für cw sind nicht so stark dotiert (<1%) und daher fast farblos.
Diese lassen sich aber auch im Impusbetrieb pumpen. Der Stab hier ist eigentlich auch für cw gedacht, Pulsbetrieb geht aber ohne weiteres. Die Schwelle ist durch die niedrige Dotierung niedrig, dafür ist die maximale Energie pro Puls begrenzt.

Wenn du eine passende Xe- Blitzlampe findest, könntest du mit Wasserkühlung ziemlich schnelle Wiederholraten erreichen. Hätte was :)

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 Betreff des Beitrags: Re: Nd:YAG #2 - jetzt aber wirklich!
BeitragVerfasst: Mi 13. Dez 2017, 15:07 
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Du hast nicht noch 2 Spiegel übrig? Also einen 100% und einen Auskoppelspiegel? Für Nd-YAG, sollte bei 60W CW nicht abbrennen. Bei meinem fehlen die nämlich noch.

Mfg verschrottix

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 Betreff des Beitrags: Re: Nd:YAG #2 - jetzt aber wirklich!
BeitragVerfasst: Do 14. Dez 2017, 22:01 
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Leider nicht, aber wie gesagt, einen Spiegelsatz gibts für unter 20€ auf ebay.

Hab auch solche Chinaspiegel verbaut und die halten ne Menge aus (was bei dielektrischen Spiegeln zu erwarten ist), da dürften 60W cw kein Problem sein.

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