Der Stickstofflaser ist ein Gaslaser, der nur im Impulsbetrieb arbeiten kann.
Die Anregung erfolgt durch eine Hochspannungsentladung quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls.
typische Daten:
- Gasdruck: einige Millibar bis mehrere Bar.
- Energie: Mikrojoule bis Millijoule.
- Leistung: einige Kilowatt bis 1 Megawatt.
- Wellenlänge: stärkste Linie bei 337,1 nm (Ultraviolett).
- Impulsdauer: einige hundert Picosekunden bis einige zehn Nanosekunden.
Das bemerkenswerte am Stickstofflaser ist sein einfacher Aufbau (kein Resonator nötig!) und der mögliche Betrieb mit atmoshärischer Luft, sodass er mit einfachsten Mitteln auch von Hobbybastlern gebaut werden kann.
Elektrisches Pumpen
Stickstoff (wie auch Wasserstoff und Neon) können durch eine sehr kurzzeitige (um 1 ns) Gasentladung zum Lasern gebracht werden. Derart kurze und intensive elektrische Impulse können, wie u.a. Satyendra Nath Bose 1984 herausfand, durch Funkenstrecken und einen Blümleingenerator erzeugt werden. Solche Schaltfunkenstrecken arbeiten besonders schnell unter hohem Druck in Edelgasen.
Aufbau mit einfachem Wanderfeld
Die Form der Kondensatorplatten ergibt sich aus dem zu erzeugenden Wanderfeld:
Da ein Stickstofflaser meist länger ist als die Strecke, die Licht innerhalb 1 ns zurücklegt, muss man einen elektrischen Streifenleiter verwenden,
um den Impuls von der Funkenstrecke seitlich zu den Elektroden der Stickstoffentladung zu leiten.
Insbesondere bei langen Stickstofflasern ist die Entladungsstrecke während der Entladung sehr niederohmig (R < 10 Ohm), so dass eine daran angepasste Streifenleitung sehr flach und breit sein muss.
Zu hohe Induktivitäten von der Funkenentladung zum Wellenleiter werden vermieden, indem die Funkenstrecke direkt im Streifenleiter untergebracht ist (im Bild als Ring dargestellt).
Die elektrische Impulsfront trifft schräg auf die Elektroden der Stickstoffentladung, um über die gesamte Länge den durchlaufenden Laserimpuls jeweils im richtigen Zeitpunkt zu treffen.
Die Funkenstrecke wird mit einer separaten Hochspanungsquelle innerhalb 0,1...10 s (je nach Leistung) gemeinsam mit der Streifenleiterstruktur gespeist, um sich dann innerhalb 1 ns durch Spontanzündung der Funkenstrecke zu entladen.
Die Elektroden der Stickstoffentladung erhalten nur während dieses kurzen Impulses die zur Entladung führende Spannung -
nur dadurch können die Ionen der Stickstoffentladung die zum Lasern nötige Inversion erreichen, denn das obere Laserniveau entleert sich sehr schnell. Auch wird die Entladung dadurch homogener - sie hat keine Zeit, sich zu einzelnen Kanälen einzuschnüren.
Eine länger dauernde Entladung wird durch einen Kondensator an der zweiten Wand des Wellenleiters nahe (weniger als etwa eine Licht-Nanosekunde "entfernt") der Funkenstrecke verhindert: er entlädt sich ebenfalls und die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden wird null.
Dieser Kondensator verhält sich bei den kurzen Impulsen ebenfalls wie ein Streifgenleiter. Um möglichst wenig Energie in diesen zu verlieren, muss seine Impedanz möglichst schlecht an den eigentlichen Wellenleiter angepasst sein, d.h. er muss noch deutlich niederohmiger sein.
Um die Funkenstrecke nach ca. 1 ns wieder zu löschen, muss seine Kapazität kleiner als 10 nF sein (R·C = t).
Aufbau mit vollständigem Wanderfeld für große Laser
Der in denBildern gezeigte Wellenleiteraufbau verhindert Abstahlung und somit Leistungsverlust oder Störung anderer Geräte. Nur eine einzige hochohmige, hochinduktive Leitung führt von der Rückseite des Kondensators nach außen. Diese wirkt zusammen mit dem 10 nF Kondensator als 10 Hz - Tiefpass, schützt das Netzteil vor Kurzschluss und muss meist gekühlt werden.
Bei einem vom Normaldruck abweichenden Innendruck benötigt man seitliche Fenster, um den Laserimpuls auszukoppeln. Bei geeigneter Konstruktion wird fast nur in einer Richtung Laserstrahlung abgegeben.
In der Zeichnung rot dargestellt sind die Elektroden ober- und unterhalb des Laser-Kanales.
Die Funkenstrecke ist blau dargestellt.
Die konkave Endflächen des Dielektrikums um den Laser-Kanal herum sorgen für sog. Vorentladungen und damit zur Vorionisation des Laser-Kanales durch deren UV-Emission.
Dadurch wird eine homogenere Entladung erzielt.
Gleichmäßige Entladung
Man benötigt Koronaentladung und nicht Funken. Leider erklären die Artikel nicht, wie man hohe Leistung in die Korona bekommt. Und es steht nichts über die Ionenkonzentration in der Luft (1/mm3) und nichts über Vorionisation.
