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Laser ad Azoto DIY

Abstract : nell’immagine sopra vediamo un laser ad azoto TEA fatto in casa, in uso presso PhyscsOpenLab. L’intero laser è “open air” ed è integrato in un telaio in alluminio / ferro con elettrodi in ottone. Lo spark gap è visibile sul lato destro mentre la scarica trasversale lungo gli elettrodi genera un impulso laser UV visibile sullo schermo di carta come un punto verde fluorescente. Questa classe di laser produce impulsi di luce utilizzando una scarica elettrica trasversale in gas a pressioni atmosferiche. Poiché vengono utilizzate le pressioni atmosferiche, non è necessaria alcuna pompa a vuoto, questo rende questo laser molto economico da costruire. Le configurazioni TEA sono utilizzate per alcuni laser ad azoto e anidride carbonica. Per un laser TEA all’azoto, è possibile utilizzare semplice aria come mezzo laser attivo poiché l’aria è composta per il 78% da azoto !

Introduzione

Il laser ad azoto è un esempio di laser vibronico. Questo laser ha la sua oscillazione più importante a λ = 337 nm (UV) e appartiene alla categoria dei laser auto-terminanti. Lo schema dei livelli di energia per la molecola N2 è mostrato nella figura a lato. L’azione del laser si svolge tra il livello superiore e il livello inferiore.
La vita media del livello superiore è di 40 ns, mentre la durata del livello inferiore è di 10 μs. Chiaramente il laser non può funzionare in modo continuo ma può, tuttavia, essere eccitato su base pulsata purché l’impulso elettrico sia sensibilmente inferiore a 40 ns.
A causa degli alti valori del campo elettrico richiesto, viene normalmente utilizzata una configurazione laser TE (trasversale). Per ottenere l’impulso di scarica rapida richiesto (5-10 ns), il circuito di scarica deve avere un’induttanza il più bassa possibile. Per raggiungere questo obiettivo, il condensatore di scarica in pratica fa parte degli stessi elettrodi di scarica.
A causa dell’elevato guadagno della transizione, l’emissione laser ha luogo sotto forma di emissione spontanea amplificata e il laser può funzionare anche senza specchi. Di solito, tuttavia, un singolo specchio è posizionato a un’estremità del laser poiché ciò riduce l’energia elettrica di soglia e fornisce anche un’uscita unidirezionale con una divergenza del fascio inferiore. Gli impulsi che possono essere ottenuti sono larghi ∼10ns con alta potenza di picco e una frequenza di ripetizione fino a 100Hz.

Se il laser viene fatto funzionare a pressione atmosferica (760torr) la vita media del livello superiore è ancora più breve :
t = 36/(1+p/58) dove t è il tempo d vita del livello superiore ULL in ns e p è la pressione in torr
a 760torr la durata dell’impulso e di soli 2ns, quindi l’impulso elettrico di eccitazione deve essere veramente molto breve !

Per ottenere la scarica veloce nel laser ad azoto abbiamo usato una rete di formazione di impulso (PFN). È un circuito elettrico che accumula energia elettrica per un tempo relativamente lungo e quindi rilascia l’energia immagazzinata sotto forma di un impulso approssimativamente quadrato di durata relativamente breve. In un PFN, i componenti di accumulo di energia come condensatori, induttori o linee di trasmissione vengono caricati mediante una fonte di alimentazione ad alta tensione, quindi scaricati rapidamente su di un carico attraverso un interruttore ad alta tensione, come uno spark gap oppure un thyratron. I PFN vengono utilizzati per produrre impulsi elettrici di nanosecondi per alimentare dispositivi come tubi klystron o magnetron, laser a impulsi, acceleratori di particelle, tubi flash e apparecchiature di prova di alta tensione.

Il circuito è mostrato nello schema sotto. Il condensatore C1 viene caricato attraverso la resistenza di carica mentre C2 attraverso l’induttore di carica; la massima tensione che può essere raggiunta è data dalla distanza che separa gli elettrodi nello spark gap. Quando nello spark gap inizia una scarica il condensatore C1 perde la sua carica e raggiunge il potenziale di terra, l’induttore impedisce alla corrente di fluire verso C1, quindi si viene a creare un’alta differenza di tensione tra gli elettrodi laser e la scarica omogenea del plasma può avvenire nel canale laser.

Il nostro circuito è una sorta di linea Blumlein. Nel generatore Blumlein, il carico (nel nostro caso il canale laser tra gli elettrodi) è collegato in serie tra due linee di trasmissione di uguale lunghezza, che sono caricate ad una estremità da un alimentatore HV in continua. Per attivare l’impulso, un interruttore veloce cortocircuita la linea all’estremità dell’alimentatore, provocando un gradino di tensione negativa che si propaga verso il carico. Il gradino di tensione è parzialmente riflesso e parzialmente trasmesso, dando luogo a due gradini di tensione simmetrici di polarità opposta, che si propagano lontano dal carico, creando tra loro una caduta di tensione di V/2 − (−V/2)= V sul carico. Gli impulsi di tensione si riflettono alle estremità e ritornano indietro, terminando così l’impulso.
Lo schema seguente mostra le fasi che si svolgono durante il processo di scarica.

L’impedenza di una linea Blumlein può essere calculata con la seguente relazione :
Z = 337/√εr * (d/d+w) dove εr è la costante dielettrica, d è lo spessore del dielettrico e w è la larghezza della linea
Nel nostro caso εr=2.26, d=0.1mm, w=180mm -> Z=0.12Ω
È importante, al fine di raggiungere un’alta velocità di scarica, mantenere l’impedenza più bassa possibile.

Costruzione del Laser

L’immagine sotto mostra lo schema di base del laser ad azoto TEA.

Il nostro laser ad azoto viene realizzato su di una lastra di ferro zincato, spessore 2mm, con dimensioni “A4” 200x300mm. L’adozione del ferro ci permette di utilizzare magneti permanenti per il posizionamento degli elementi successivi. Sulla lastra vengono praticati due fori per lato sui due lati lunghi per il posizionamento delle guide ad U e dei piedini gommati di appoggio. I fori vanno svasati in modo che le viti non sporgano. L’immagine sotto mostra la lastra con i contorni dei due elettrodi segnati con pennarello indelebile.

La lastra base viene montata su due guide ad U di alluminio con dimensioni 20x20mm spessore 1,5mm. Le guide vanno tagliate a lunghezza inferiore alla base, ad esempio 250mm, sulle guide vanno praticati i fori in corrispondeza ai fori fatti sulla base. Inoltre andranno fatti i fori per le viti in plastica che mantengono in posizione gli elettrodi, su questi fori andranno incollati (con cianoacrilato o loctite) i dadi filettati per le viti in plastica, come mostrato nella immagine sotto. Le guide andranno inoltre forate al centro per fare uscire il fascio laser.

I piedini in gomma e le viti in plastica sono mostrate sotto. Le viti in plastica potrebbero essere M4 oppure M5 di lunghezza 25-30mm.

L’immagine sotto mostra il dettaglio di montaggio delle guide ad U, della base e dei gommini. Il tutto dovrebbe risultare robusto e ben fissato, facilmente trasportabile ed isolato rispetto al piano d’appoggio.

Come dielettrico abbiamo utilizzato un foglio plastico di formato A4 di spessore 0,10mm, di quelli normalmente utilizzati come slide per i proiettori. E’ importante che lo spessore non sia maggiore di 0,10-0,15mm altrimenti la carica che viene accumulata nei due condensatori potrebbe non essere sufficiente ad innescare il processo di generazione del fascio laser. Spessori più sottili possono però essere facilmente perforati da una scarica elettrica, bisogna quindi trovare un compromesso che permetta il corretto funzionamento della apparecchiatura, 0,1mm dovrebbe andare bene.
Al di sopra del dielettrico vengono posizionati le due lastre che costituiscono i condensatori e che saranno a contatto con gli elettrodi. Si tratta di due lastre in alluminio, spessore 1-2mm e dimensioni 135x180mm. La figura sotto mostra le due lastre, con i bordi arrotondati per diminuire la possibilità di scarica. Le due piastre vengono tenute in posizione mediante magneti permanenti al neodimio, come mostrato nelle immagini successive.

Il componente basilare del laser ad azoto sono gli elettrodi. Nello spazio compreso fra gli elettrodi affiancati, che devono essere assolutamente paralleli ed equidistanziati, durante la scarica si forma una “striscia” di azoto molecolare ionizzato che costituisce il mezzo attivo del laser. Per questo motivo le superfici attive degli elettrodi devono essere assolutamente lisce e parallele fra loro, distanziate 2-3mm. Per gli elettrodi abbiamo scelto un profilo ad L di ottone di spessore 1,5mm e lato 15mm. Abbiamo scelto l’ottone perchè meno deformabile rispetto all’alluminio. Gli elettrodi, lunghi 180mm come le piastre, vanno sagomati in modo che possano essere inseriti al di sotto del profilo ad U, gli spigoli vanno poi smussati. L’immagine sotto mostra i due elettrodi affiancati.

Le due immagini seguenti mostrano l’apparecchiatura completa. Al centro ci sono i due elettrodi affiancati e tenuti in posizione per mezzo delle viti in plastica. I due elettrodi possono essere messi in contatto fra loro con un resistore o con un induttore, nelle immagini sotto è stato utilizzato un resistore (500KΩ) messo a cavallo fra i due elettrodi di ottone. Le piastre dei condensatori sono fissate con i magneti a disco. Sulla sinistra si vede lo spark gap, anch’esso fissato con un magnete a disco ed in alto si vede il resistore HV da 1MΩ per il collegamento con il generatore HV da 10KV.

L’immagine sotto mostra il dettaglio dello spark gap. Sono due bulloni a testa tonda tenuti fermi da due dadi e due molle a compressione. Le due squadrette ad L sono fissate mediante magneti a disco. La distanza di lavoro dello spark gap è di circa 3-4mm, maggiore è la distanza e maggiore è il voltaggio e l’energia della scarica, aumenta però il rischio di perforare il dielettrico.

Per la sorgente di alta tensione abbiamo utilizzato un generatore compatto da 10KV alimentato con una batteria da 12V. E’ preferibile utilizzare generatori di piccola potenza alimentati a batteria in grado di erogare solo piccole correnti, in questo modo si corrono meno rischi nel caso di un contatto accidentale. Per aumentare la sicurezza è buona norma collegare a terra la piastra base e predisporre uno “scaricatore” al fine di scaricare le piastre dei condensatori dopo l’utilizzo. L’immagine sotto mostra il generatore HV ed il nostro scaricatore costituito da una resistenza HV da 1MΩ collegata al polo negativo / GND.

Al posto del resistore può essere utilizzato, per il contatto tra i due elettrodi, anche un induttore, ricavato semplicemente avvolgendo una ventina di spire di un cavo elettrico isolato attorno ad un supporto plastico, come mostrato nella immagine sotto.

Dati Tecnici & Materiali

Piastra base : lamiera zincata 200x300mm, spessore 2mm
Guide ad U : alluminio, 20x20mm, spessore 1,5mm, lunghezza 250mm
Piedini gommati
Viti e dadi in nylon : M5x25mm oppure M5x30mm
Dielettrico  : foglio plastico, spessore 0,1mm
Piastre per Condensatori : alluminio 135x180mm, spessore 1-2mm
Magneti Permanenti al Neodimio : diametro 25mm, spessore 3,5mm
Elettrodi : ottone, 15x15mm, spessore 1,5mm, lunghezza 180mm
Resistore di bias :  HV, 1MΩ
Generatore HV : 12Vin – 10KV out
C1 misurata : 3500pF
C2 misurata : 4000pF

Laser in Azione

Dopo aver assemblato il laser si tratta ora di farlo funzionare e non è cosa semplice. E’ necessario posizionare gli elettrodi in modo che siano piani, paralleli ed equidistanziati, la distanza fra gli elettrodi si aggira sui 2-3mm. Le condizioni giuste permettono l’instaurarsi di una scarica omogenea lungo tutto il canale laser, a bassa luminosità, con pochi archi elettrici. Bisogna però dire che in atmosfera libera a pressione normale è quasi impossibile eliminare del tutto i piccoli archi che si formano lungo gli elettrodi. L’immagine sotto mostra una fotografia della nostra scarica : come si vede è estesa lungo tutto il canale anche se sono presenti diversi punti caldi.

L’emissione laser avviene nell’ultravioletto e quindi non è normalmente visibile, per verificare la presenza dell’impulso laser si può ad esempio usare uno schermo di carta con dell’evidenziatore : l’impulso laser darà luogo ad un punto verde fluorescente, come mostrato nella figura sotto.


In alternativa si può utilizzare un colorante organico in soluzione (ad esempio rodamina o cumarina) : il passaggio dell’impulso laser attraverso la soluzione darà luogo ad una linea fluorescente come mostrato nelle immagini sotto.

Note sulla Sicurezza

Il laser ad azoto che abbiamo descritto prevede l’utilizzo di un generatore di alta tensione e, durante la configurazione ed il funzionamento, diverse parti dello strumento si trovano a potenziali elevati (∼5-10KV) e quindi pericolosi. Raccomandiamo l’utilizzo di un generatore a bassa potenza alimentato a batteria e l’adozione di uno scaricatore da utilizzarsi dopo lo spegnimento del laser per scaricare i condensatori. Ricordiamo che i condensatori possono mantenere anche per delle ore un quantitativo di carica sufficiente a provocare dolorose scariche. Inutile dire che tutte le regolazioni (spark gap ed elettrodi) vanno fatte ad apparecchiatura spenta.
Si raccomanda inoltre di non guardare direttamente il fascio laser, di proteggere gli occhi dalle radiazioni UV prodotte dalle scariche, di utilizzare protezioni acustiche e fare attenzione alla manipolazione dei magneti permanenti.

Conclusioni

Il laser ad azoto TEA in atmosfera libera è uno dei laser di più semplice costruzione, sicuramente alla portata di un “maker”. Vi sono comunque molti “dettagli” che vanno curati con attenzione altrimenti si rischia di passare molto tempo a vederlo “non funzionare”. Nel progetto che abbiamo proposto in questo articolo abbiamo adottato alcune soluzioni che ci hanno semplificato la costruzione e la regolazione : il piano base in ferro ci ha permesso l’utilizzo di magneti, le guide ad U con le viti in plastica aiutano nella regolazione e nel fissaggio degli elettrodi, gli elettrodi in ottone sono più rigidi di quelli in alluminio e quindi mantengono di più la linearità.

I passi successivi potrebbe essere l’utilizzo come laser di pompaggio per un laser a colorante e l’adozione di un canale di scarica ad azoto a bassa pressione in modo da aumentare la potenza dell’impulso.

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