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Diane's Laser Page


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von

Diane Neisius

Aktualisiert: 04. Oktober 2013



Inhalt

I. Vorgeschichte - der Strahl und ich

II. Größtenteils selbstgebaute Laser

III. Kommerzielle Laser, Köpfe, Röhren (hauptsächlich Argon)

IV. Diane's Laser Sammlung (17 Bilder)

V. Links




Der Strahl und ich

Erinnert ihr euch noch an die ersten Folgen von "Raumschiff Enterprise" im Fernsehen? Na das war doch wohl etwas für Kinderherzen. Und ja, da *war* eine Frau in einem Raumschiff (also erzähl mir nicht, Mädchen können nicht in den Weltraum, Du dummer Junge!!!), und vor allem hatten sie diese *Phaser*, mit denen sie in ihren Abenteuern durch die Gegend feuerten. Nichtsdestoweniger war ich schon ein Großes Mädchen (10) und wußte, das Ganze war eine Fernsehserie. Nicht mehr als eine Art wissenschaftliches Märchen.
Umso mehr war ich überrascht, als ich in der Stadtbibliothek ein bestimmtes populärwissenschaftliches Buch in die Finger bekam. Da waren Typen, die richtige Strahlen machten, wirkliche, nicht als Tricksequenz im Fernsehen. Ich verstand nicht viel von dem, was dort beschrieben war, nur soviel, daß in dem Gerät Spiegel und ein Rubin waren. Sie nannten es L.A.S.E.R., und es war wirklich.
Aus dem Grund, daß mein Großvater wirklich alles selbermachen konnte, wie ich glaubte (er reparierte zu der Zeit so ziemlich jedes elektrische und mechanische Gerät in unserer Familie, auch scheinbar aussichtslose Fälle), war ich fest davon überzeugt, er (und also ich auch) würden auch unseren eigenen Laser bauen können, wenn wir nur einen dieser furchtbar teuren Rubine hätten. Ich wußte schon sehr gut, daß ein Rubin ein wertvoller Edelstein war.
Als ich meinen Großvater fragte, erzählte er mir etwas von "Präzision" und daß man die nicht so leicht im Wohnzimmer eines Amateurs erreichen kann. Na gut, vielleicht konnte ich mir keinen Rubin von meinem Taschengeld kaufen. Aber von diesem Tag an war ich überzeugt, daß ich eines Tages meinen eigenen Laser haben würde. Eines Tages.

Die Träume der Kindheit endeten irgendwann. Naja, um ehrlich zu sein, sie schliefen nur, bis ich in der Abiturvorbereitung steckte. Das war am Anfang der 1980er Jahre, und ich war zu der Zeit regelmäßige Leserin von "Spektrum der Wissenschaft". Und eines schönen Tages fand ich die berühmte Beschreibung des Quecksilberdampflasers in der Ausgabe vom Dezember 1980.
Ups - da hatte jemand seinen EIGENEN Laser gebaut?
Das Fieber kam zurück. Wenn der das konnte, dann ich auch, entschied ich. Nichtsdestoweniger wußte ich inzwischen eine ganze Menge mehr über Physik, und ich hatte auch schon ein wenig Zeit mit dem kleinen HeNe-Laser der Schule verbracht. Ein bißchen wußte ich schon darüber, was es braucht, um einen Laser zum Funktionieren zu bringen.
Ein paar Telephonanrufe machten die junge Diane sehr, sehr unglücklich. Ich fand heraus, daß man im Prinzip alles kaufen konnte, was man für einen Laser benötigt. Natürlich zu einem entsprechenden Preis. Einem HOHEN Preis. Da war wieder mein altes "Rubinproblem": alles, was mit Lasern zu tun hatte, war einfach zu teuer.
"Du Verrückte, man kann keinen Laser selbstbauen", lachte ein Mitschüler über mich, "sowas gibt's eben nur in Forschungslaboratorien." Ich hätte ihm besser nichts von meinen Ideen erzählt. Also dachte ich nur: "Man kann nicht? Wir werden sehen."

Fragt mich heute bitte nicht, warum ich angefangen habe, Mathematik zu studieren. An unserer Uni gab es ein ziemlich berühmtes Institut für Quantenoptik, und vielleicht wäre ich besser in Richtung Lasertechnik gegangen (obwohl ich dann heute vermutlich genauso arbeitslos wäre). Aber damals waren Computer noch interessanter als Laser für mich. So war es eben. Aber als Studentin hatte ich natürlich endlich Zugriff auf wirkliche wissenschaftliche Literatur. Ich lernte eine Menge über die theoretischen Grundlagen der Laser, und aus Laserzeitschriften auch etwas über die technische Umsetzung des Ganzen. Ich sah mir eine ganze Reihe von Beschreibungen der verschiedensten Laser an und entschied schließlich, mich an einem blitzlampengepumpten Farbstofflaser zu versuchen. Der, so dachte ich, braucht wenigstens keinen Rubin. :)
Um eine traurige Geschichte kurz zu machen, ich fand heraus, wie man Stroboskopröhren mit Hilfe von Spannungsverdopplern und richtig GROßEN Kondensatoren in tausend Stücke sprengt, und ich schätze auch, daß diese netten rosa Farbstoff-Flecken vom Rhodamin bis heute nicht aus dem Teppich in meiner alten Studenten-WG herausgegangen sind. :(
Soviel zum Thema Farbstofflaser.
Aber ich wollte noch immer meinen eigenen Laser, und nach ein paar Telephonaten mehr hatte ich endlich eine schöne Siemens HeNe-Laserröhre bei mir zuhause (es war eine neue 1.5 mW LGR7621). Muß ich noch erzählen, wie oft ich jenes unheilvolle "Brzzzz" aus selbstgewickelten Transformatoren hörte, ehe ich endlich klug wurde und mir aus dem Lichtreklamehandel einen gebrauchten Neontransformator besorgte? Ich war noch immer eine wahre Enkelin meines Großvaters...
Also verbrachte ich von nun an meine Zeit damit, ein Gehäuse für alles das und einen Gleichrichter aus Serien von 1N4007-Dioden zu bauen (das mit den Dioden sollte man lieber keinem Elektrotechnik-Studenten erzählen. Ich hab das getan, und der arme Junge kriegte fast einen Herzanfall).
Nebenbei bemerkt sind diese alten HeNe-Laser ziemlich robust. Ich habe einmal einen Kurzschluß verursacht, der den Anodenwiderstand buchstäblich detonieren ließ (eine weitere Lektion über GROßE Kondensatoren). Nachdem die tanzenden Lichter vor meinen Augen so langsam verblaßt waren, habe ich ängstlich nachgesehen, ob von der Laserröhre noch irgendetwas am Leben war. Nun ja, sie hatte eine Menge feiner Risse in der Kapillare, aber nachdem ein frischer Widerstand eingelötet war, zündete sie und strahlte friedlich vor sich hin (falls das hier zufällig irgendwann von einem Siemens-Ingenieur gelesen wird, ich habe die Röhre immer noch, und sie funktioniert auch nach 17 Jahren noch - siehe "Diane's Laser Museum"). Tapferer kleiner HeNe. :)

Nach einiger Zeit wurde HeNe langweilig für mich. Eine Röhre mit internen Resonatorspiegeln ist eine Sache, ein komplett selbstgebauter Laser wie der aus "Spektrum der Wissenschaft" eine ganz andere. Also begann ich mit vorbereitenden Experimenten in dieser Richtung.
Ich beschaffte mir eine billige Wasserstrahlpumpe und eine unverschlossene Neonröhre und machte Versuche mit Gasentladungen. Um es kurz zu machen, ich mußte eine ganze Menge von Experimenten durchführen, um die Grundlagen des Arbeitens mit Vakuum, über das Ausgasen von Materialien und die Reinheit von Gasen zu lernen. Über die Jahre wuchs mein kleines Labor: ein selbstgebauter Spannungsverdoppler zu meinem Neon-Transformator, ein selbstgemachtes Quecksilber-Barometer, eine bessere Pumpe, Edelgase in Literflaschen, ein kleines Spektroskop, längere Entladungsröhren. Um richtig zu funktionieren, brauchte es für all das Jahre der Übung.
Dann kam wieder ein Schlag, natürlich wieder vom "Spektrum der Wissenschaft". Diesmal war es der Kupferdampflaser. Wie aufregend... besonders, da ich mir im Klaren darüber war, daß ich bisher überhaupt keine Erfahrung mit Laseroptik hatte. Aber die superstrahlenden Kupfer-Linien würden auch ohne Resonatorspiegel anschwingen. In anderen Worten, ich hätte sofort anfangen können, diesen Laser zu bauen.
Aber anders als in meinen Jugendtagen las ich zuerst noch ein bißchen mehr über superstrahlende Laser, bevor ich blindlings zu basteln begann. Und so fand ich einiges über den noch einfacheren N2-Laser heraus.
Ich entschied, es damit zu versuchen.
Und eines schönen Tages im Jahr 1991 war es soweit: eine komplett selbstgebaute 10-cm-Teströhre aus Plexiglas mit Quarzfenstern gab schwache UV-Laserblitze ab! Das gab einen Tanz in meinem Wohnzimmer, als ich es nach 10 Jahren Mühe und Mißerfolgen endlich geschafft hatte!

Weil die 10-cm-Röhre eine ziemlich schlappe Leistung hatte, beschäftigte ich mich in der Folge mehr mit N2-Laser-Design. Das Hauptproblem war, daß ich mit meiner Spannungsversorgung nur auf 10 kV kam, also ziemlich niedrige Energiedichten in der Entladung erreichte. Längere Röhren strahlten auch schwächer als erwartet, selbst mit einem Metallspiegel an einem Ende. Irgendwie mußte ich folglich die Entladung einengen, aber in einer Kapillare aus Plexiglas hätte das schnell die Wände überhitzt und zu Rauchwolken geführt. In dieser Zeit schrieb ich schon an meiner Doktorarbeit, und in dem Forschungszentrum, in dem ich arbeitete, fand ich das Wertvollste, was der Amateurphysikbastler lesen kann: eine komplette Ausgabe (von Nr.1 von 1929 an) des "Review of Scientific Instruments". Eine Goldgrube für alle, die einen Laser oder Teilchenbeschleuniger bauen wollen oder ähnlich esoterische Interessen haben, ich empfehle besonders die Ausgaben aus den 1930er Jahren für Letzteres. ;)
Nun, nach einigen Stunden des Suchens fand ich die nützlichste Publikation über Laser vom N2-Typ, die ich kenne. Sie handelt vom "Strip Line" Laser mit segmentiertem Entladungskanal, der von den Autoren ursprünglich für die UV-Linien des Wasserstoff-Lasers gedacht war [1].
Ein wenig mußte ich das Design an meine Hochspannung anpassen, und ich schnürte die Entladung noch ein wenig mehr ein, indem ich kurze Duranglas-Röhrchen in die Segmente hineinschob (siehe "Die Querflöte"). Glaubt mir, es war eine elende Arbeit, Löcher für 56 Elektroden zu bohren und sukzessive die Duranröhrchen vom Ende des Plexiglasrohres hineinrutschen zu lassen, aber schließlich hatte ich einen schönen 3 mm x 98 cm Entladungskanal mit einer hübsch hohen Energiedichte. Weil sie mit den vielen Elektroden so merkwürdig aussah, taufte ich die Röhre "Querflöte".
Die ersten Tests zeigten, daß dieses Baby so ziemlich aus allem Laserstrahlung herausholte, was auch nur ein bißchen Stickstoff enthielt, sogar aus normaler "schmutziger" Luft oder Luftverunreinigungen in Helium. Schade, da hatte ich doch leider keinen "Heliumlaser" entdeckt... :)
Spiegel waren überflüssig, ich erhielt Strahlung auf allen drei UV-Linien des Stickstoffs, die ich mit einem "Wasserprisma" und einem Fluoreszenzschirm sichtbar machte (Das Wasserprisma besteht aus drei Mikroskop-Objektträgern, die auf eine Unterlage geklebt sind. Das Ganze wird mit Wasser gefüllt und absorbiert UV sehr viel weniger als ein massives Glasprisma).
Natürlich probierte ich auch andere Gase aus, und die superstrahlende grüne Neonlinie bei 540.1 nm erschien in dieser Röhre ebenfalls stark. Mit der Zeit wurde das mein Lieblingslaser. Bei einigen Gelegenheiten erschien bei niedrigerem Druck auch die schwächere orangefarbene Neonlinie bei 614.3 nm, normalerweise verschwand sie aber relativ schnell wegen ausgasender Verunreinigungen. Die noch schwächere goldgelbe Linie bei 594.5 nm habe ich leider noch nicht beobachtet.

Verunreinigungen waren es, die mich des ganzen Aufwandes schließlich müde machten. Üblicherweise betrieb ich die "Querflöte" im Durchfluß-Betrieb, sonst unterdrückten ausgasende Verunreinigungen den Laserbetrieb stets schon nach Sekunden. Bei einer Gelegenheit versuchte ich, die Röhre mittels Helium-Bombardement zu reinigen, was einige Stunden in Anspruch nahm. Aber nachdem ich fertig war, erschien das "Dreckspektrum", wie ich es nannte (N2 Band von ausgasender Luft, H alpha von Wasserdampfspuren und Hg Linien von Quecksilber aus dem Barometer), innerhalb einer halben Stunde wieder. Wann immer ich meinen Laser aufbaute, mußte ich Stunden und Tage davor zubringen, um überhaupt das Vakuum-System einigermaßen sauber zu bekommen. Und die Kosten für Neon fraßen mir die Haare vom Kopf - reines Neon ist nicht dasselbe, was in Neonröhren gefüllt wird, sondern ziemlich teuer. Und dann, wieder ein paar Jahre später, hatte ich einen bleistiftgroßen Laserpointer, der grob die doppelte Ausgangsleistung brachte wie mein selbstgebauter Riesenapparat. Das war ziemlich deprimierend.
Manchmal im Leben hat man Krisen und trennt sich von Liebgewordenem. So war es auch mit meinem Laser, für ein paar Jahre stand er bei einem Physiker, der Kuriositäten sammelte, aber inzwischen habe ich ihn zurück. Immerhin ist es mein *Baby*.

Und dann besuchte ich Freunde, und ich war sehr überrascht, bei ihnen einen gelben HeNe-Laser zu sehen. Sie erzählten mir, daß sie ihn für die Beleuchtung von großen Natur-Quarzkristallen benutzten, weil sie das goldgelbe Streulicht in ihnen so sehr mochten.
Sie wußten wenig bis nichts über Laser, und ich hielt einen ungefähr einstündigen Vortrag aus dem Stehgreif an diesem Nachmittag. Wir sprachen auch darüber, daß blau oder grün beleuchtete Kristalle noch schöner wären. Vielleicht mit einem Argon-Ionen-Laser.
Nun, in den Tagen des Internet ist es eine einfache Sache, das Stichwort "Laser" in Google.de zu füttern und zu sehen, was passiert. So stieß ich zuerst auf "Sam's Laser FAQs", wo die englische Version dieser Geschichte jetzt zwischen vielen anderen zu lesen ist.
Der Traum vom Argonlaser erfüllte sch erst spät (2007/2010), diese Geräte waren lange Zeit selbst gebraucht immer noch viel zu teuer, und DPSS Laser sind viel einfacher zu bauen ... ich hab das zwischenzeitlich (2005) einfach mal getan. Xenotim heißt der Kleine.

Mein erstes Baby war 2003 ganze 11 Jahre alt und seine Röhre nicht mehr im besten Zustand. Insbesondere die Lagerung bei dem befreundeten Physiker hat ihr nicht gutgetan, irgendetwas gaste aus oder leckte gewaltig.
Aber irgendwie komme ich davon nicht los - es war immerhin mein größter und erfolgreichster Laser, und deshalb habe ich mich Anfang 2006 dazu entschlossen, ihn von Grund auf zu restaurieren (Neubau der Entladungskapillare, Austausch aller Dichtungen und des Dielektrikums, Reinigung und Test aller übrigen Teile).
Schließlich...
"Es geht nun mal nichts über einen Gaslaser!"

Und was ich sonst noch so basteln werde, darüber werde ich von Zeit zu Zeit hier schreiben. :)

~D. N.




Die Querflöte - ein selbstgebauter Laser



Die "Querflöte" kam zu ihrem Namen, weil während des Baus 1992 die frisch gebohrte Außenröhre wie eine Flöte aussah. Und da das Ganze ein querangeregter Laser werden sollte, war Querflöte einfach der passendste Name.
Wie schon oben beschrieben, bin ich zu dem von [1] inspirierten segmentierten Entladungskanal gekommen, weil ich höhere Energiedichten in der Entladung erreichen wollte. Außerdem rechnete ich mir Chancen aus, dann auch andere Gase als Stickstoff zum Lasen zu bekommen - was mindestens für Neon ja auch zutraf.

Die folgenden Bilder zeigt den Laser noch vor der Restauration 2006; die Veränderungen wären aber ohnehin auf den Bildern nicht erkennbar.
Das Vakuumsystem wurde um ein Dosenbarometer (-1 bis +1.5 bar) ergänzt, um bei künftigen Untersuchungen im höheren Druckbereich messen zu können.



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Diagramm des Lasers (GIF, 353 k)

Bild 1 - Gesamtansicht des "Querflöte"-Lasers (Komposit aus drei Aufnahmen).
Man erkennt neben und hinter dem langen Laserkopf rechts die einstufige Drehschieber-Vakuumpumpe, hinten die isolierten Gehäuse von Hochspannungstrafo und Spannungsverdoppler und links die Gasversorgung mit Niederdruck-Gasdose und Quecksilber-Barometer.
Der Laserkopf hat eine Plexiglas-Frontscheibe, so daß man die Röhre im Betrieb beobachten kann.

Hires-Version des Bildes (207 k)

Bild 2 - Noch einmal die Gesamtansicht, diesmal von vorn.
Wie zu sehen ist, bevorzuge ich für die Vakuum-Leitungen Glasrohre, die mit kurzen Stücken Vakuumschlauch verbunden sind. Dieser Aufbau verursacht meiner Erfahrung nach nur geringe Ausgasraten.
Die Hochspannungskabel sind gewöhnliche Zündkabel aus dem Kfz.-Handel, sie halten ca. 40 kV aus.

Bild 3 - Nahaufnahme der Laserröhre. Man erkennt auf dem Bild den segmentierten Aufbau. In einer Außenröhre aus Plexiglas liegen Duranröhrchen von 3mm Innendurchmesser. Zwischen ihnen ragen alternierend die Elektroden in die Röhre.
Die beiden Seiten des Blümlein-Generators bilden die obere und unterste Lage des hinter der Röhre befindlichen Kondensatorstapels. Der gemeinsame Leiter befindet sich in der Mitte zwischen ihnen (nicht sichtbar) - der Blümlein-Generator ist also gefaltet.
Der oberste Leiter ist geschlitzt, damit sich die Entladungslänge variabel einstellen läßt; die Funkenstrecke sitzt auf dem unteren Leiter.

Bild 4 - Das hintere Ende der Laserröhre mit dem externen Aluminium-Spiegel. Dieser sitzt auf einem isolierenden Holzstab und läßt sich von außen mit drei Schrauben justieren - man gerät so nicht in die Nähe der Hochspannung.
Der Spiegel muß so nahe wie möglich an der Glimmentladung sitzen, damit der reflektierte Laserpuls während der Entladungsdauer die Kapillare noch durchlaufen kann (daraus läßt sich übrigens eine einfache Methode zur Messung der Pulsdauer ableiten). Gut zu erkennen sind hier auch die Vakuumanschlüsse und die Quarzfenster der Röhre, die mit Flanschverbindungen angebracht sind, um austauschbar zu sein.

Bild 5 - Kontrastverstärkt. Laserbetrieb mit Neon.
Es ist sehr schwierig, einen Nanosekunden-Lichtpuls auf weißem Untergrund zu photographieren, dieses Bild ist der eine Treffer aus 39 Belichtungen (!). Zur Verdeutlichung ist der Laserpunkt noch einmal vergrößert in das Bild eingesetzt, das Grün wird leider zu blaß wiedergegeben - es sieht sonst eher so aus.
Ganz rechts ist im letzten Segment der Röhre die lachsrote Glimmentladung in Neon zu erkennen.

downloaden
eines kurzen Films
einer Neon-Laser Pulsfolge
(MPG, 524 k)

Bild 6 - Die violette Glimmentladung bei UV-Laserbetrieb mit Stickstoff auf ganzer Länge der Röhre.

Bild 7 - Fernfeld-Aufnahme (10 m) der Fluoreszenz des UV-Laserstrahls auf weißem Druckerpapier (es enthält einen Weißtöner, der bei Bestrahlung mit UV blau fluoresziert).
Langzeitaufnahme, viele Pulse überlagert. Man beachte den für Stickstofflaser ungewöhnlichen fast kreisförmigen Strahlquerschnitt.

Technische Daten des Querflöte-Lasers
Typ querangeregter Puls-Gaslaser
mit Blümlein-Generator
und freilaufender Luft-Funkenstrecke
Länge der Bandleiter 10+10 cm
Kapazität der Bandleiter 10+6 nF
Ladewiderstände 29x 1 MOhm
Betriebs-Spannung 10 kV
Gespeicherte Energie p. P. 0.8 J
Elektrodenabstand 14 mm
Elektrische Feldstärke 6700 V/cm
Pulsfolge (grob einstellbar) 0-50 Hz (unregelmäßig)
Pulsdauer ca. 3 nsec
Länge der Entladung 98 cm
Durchmesser der Entladung 3 mm
Entladungsvolumen 6.9 cm3
Strahldivergenz ca. 3.0 mrad (gemessen)
möglicher Druckbereich 0-120000 Pa (-1 bis 0.2 bar [c]
Gasverbrauch ca. 10 l/h

Beobachtete Lasertätigkeit
Stickstoff - 4650 Pa (35 Torr) 337 nm 4-5 mW (mittl. [a])
Luft - 4650 Pa (35 Torr) 337 nm 1.5 mW (mittl. [a])
Neon - 7700 Pa (58 Torr) 540 nm 0.6-1 mW (mittl. [a])
Neon - 930 Pa (7 Torr) 614 nm (sehr schwach)
Helium-Stickstoff (?) - 1333 Pa (10 Torr) N2 + 1 bar (?) He - 428 nm ? (nur bei einer Gelegenheit, bisher nicht reproduziert.
Strahlung ging durch UV-Blockfilter, um die ebenfalls
erzeugte 337 nm Strahlung von N2 auszublenden,
kann also keine Fluoreszenz des Schirms sein!)

Untersuchte Gase ohne Lasertätigkeit [b]
Helium - 0 - >13333 Pa (Durchflußbetrieb)
Argon - 0 - >>13333 Pa (Durchflußbetrieb)

[a]
Messung mit Silizium-PIN-Photodiode. Ich habe keine Ahnung, ob die Diode für die Messung von intensiven Nanosekunden-Pulsfolgen geeignet ist, die wirkliche Leistung könnte also höher liegen.

[b]
Im sichtbaren Spektralgebiet von 400 - 700 nm sowie den daran anschließenden nahen IR- und UV- Bereichen, die mit einfachen Indikatoren zugänglich sind (insgesamt etwa 300 nm - 1.4 µm). Bei dem verwendeten Argon handelte es sich um Rohargon für Schutzgas-Schweißgeräte.

[c]
Es ist in Helium in der Tat eine stabile Glimmentladung bis über den Atmosphärendruck hinaus möglich, theoretisch wahrscheinlich sogar bis zu noch höheren Drücken. Allerdings fliegen an der Querflöte bei ca. 0.5 bar Überdruck die Vakuumschläuche von den Oliven. :(




Janus II - Selbstbau-Laser mit Marx-Generator



Das Janus-Projekt nahm seinen Anfang 1995, als ich überlegte, ob man nicht auch aus einem kurzen Abschnitt der Querflöte einen kleineren Laser bauen könnte. Ich dachte dabei an zwei Segmente, die von einem gemeinsamen Kondensator gespeist wurden - auf diese Weise hätte man eine Art Bastard zwischen quer- und längsgepumptem Gaslaser. (Daher die Namenswahl.) Kurz, ich habe es ausprobiert, es funktionierte nicht so, wie ich wollte - von den beiden Segmenten zündete immer nur eines. Laserbetrieb war mit Neon bei 614 nm möglich, im Prinzip war das der kürzeste Gaslaser, den ich je gebaut habe (~5 cm), aber nicht, was ich wollte. Das war das Ende von Janus I.

2004 nahm ich das Projekt wieder auf, allerdings "halbiert" - dadurch wurde es denn doch nur ein einfacher Longitudinal-Laser. Nichtsdestotrotz habe ich den Namen beibehalten, auch wenn sonst fast nichts mehr an das ursprüngliche Projekt erinnert.
Janus II sollte sich von vorneherein an den Laser von Erikson und Lidholt [2] anlehnen, mit dem diverse Edelgase untersucht worden waren. Die Kapillare ist hierbei sehr viel länger, wodurch es notwendig wird, extrem hohe Spannungen anzulegen. Nun ja, ich hatte schon immer mit dem Bau eines Marx-Generators geliebäugelt, das war der geeignete Anlaß dafür.
Die Anregung geschieht bei longitudinalen Nanosekunden-Lasern nämlich durch ein Netz von zwei Kondensatoren, die durch eine Funkenstrecke und einen (ohmschen/induktiven) Widerstand gekoppelt sind. Der Speicherkondensator kann dabei ohne weiteres von einem Marx-Generator gebildet werden, der Pulskondensator wird zur Erzielung einer möglichst kleinen Induktivität direkt koaxial auf die Kapillare der Laserröhre gewickelt. Dieses Prinzip hatte bei Janus I funktioniert. Für die längere Röhre von Janus II benötigte ich allerdings eine Spannung von 60kV - was für mein Netzteil einen 6-stufigen Marx-Generator bedeutete.


Bild 1 + 2 - Janus II mit dem Marx-Generator, Vakuumsystem und Hochspannung. Das untere Bild zeigt die eigentliche Laserröhre deutlicher.

Deutlich zu erkennen vorn im Röhrengehäuse der silberne Zylinder des Pulskondensators (500pF / 100kV), der koaxial auf der Entladungskapillare sitzt und mit möglichst kurzen dicken Metallteilen direkt mit den Elektroden verbunden ist. Das Dielektrikum, eine aufgewickelte PVC-Folie, ragt 10 cm über das Kondensatorrohr hinaus. Links erkennt man in der Mitte die dünne Glaskapillare.
Im Hintergrund ist der große Kasten des Marx-Generators zu erkennen. Man beachte auch den besonders dick isolierten 60-Kilovolt-Anschluß.

Diagramm 1 - Die Ladungstransfer-Schaltung schematisch dargestellt. Die beiden Kondensatoren sind durch einen niederohmigen Widerstand R (ca. 10 Ohm) und eine Funkenstrecke SG getrennt. Der Speicherkondensator C2 sollte mindestens die dreifache Kapazität des Pulskondensators C1 haben [3].
Prinzipiell kann die Kombination aus C2 und SG durch einen n-stufigen Marx-Generator ersetzt werden, wie das durch die rot gepunktete Linie angedeutet ist. In diesem Fall muß die Reihenkapazität der Kondensatoren im Marx-Generator mindestens dreimal C1 betragen.


Janus II hatte für mich allerdings einige Überraschungen parat. Schon der Marx-Generator allein macht recht eindrucksvolle 6 cm lange Funken. Zusammen mit dem Pulskondensator bildet er aber ein System gekoppelter Oszillatoren, das ziemliche Überspannungen erreichen kann [3] - ich habe bis zu 10 cm lange Funken beobachtet, wenn die Röhre nicht evakuiert wird (E/p Messungen bei Lasertätigkeit bestätigen, daß die Entladungsspannung bei ca. 90kV liegt).
Erste Versuche zeigten, daß der ultraviolette Stickstofflaser bei 337 nm und der orange Neonlaser bei 614 nm bei sehr niedrigen Drücken auch in dieser längs gepumpten Röhre beobachtet werden können. Allerdings hat Janus II auch gravierende Nachteile:
(1) Die extreme Spannung ist für ein Heimlabor letztlich zu unhandlich. Alle betroffenen Teile müssen wegen der notwendigen Isolation sehr voluminös sein. Die Standard-Kabel sind ebenfalls nicht genügend isoliert.
(2) Die lange dünne Kapillare läßt sich bei niedrigem Druck im Durchflußbetrieb nur schwer kontinuierlich betreiben. Üblicherweise läßt sich die Lasertätigkeit nur für einige Pulse aufrechterhalten, dann muß abgeschaltet werden, bis sich die Kapillare "durchgespült" hat. Bei Neon (~200 Pa) ist das besonders gravierend.
Aus diesem Grund habe ich das Janus-Projekt nun ein zweites Mal abgebrochen.




Xenotim - DPSS ist einfach zu bauen und leistungsstark



Es stand eigentlich zu erwarten, daß ich irgendwann mal den Versuch mit einer Laserdiode und Kristallen mache, weil es so einfach geht und gute Ergebnisse zu erwarten sind. Und weil keins meiner Laserprojekte ohne Namen auskommt, muß auch dies hier einen Namen haben - den des Minerals Xenotim (YPO4), das ein natürlicher Verwandter des Vanadat-Laserkristalls (YVO4) ist. Der Name kommt aus dem Griechischen und bedeutet "gastfreundlich" - weil es leicht Seltene Erden wie Neodym in sein Kristallgitter einbaut, genau wie Vanadat. Ich fürchte aber, daß natürliche Xenotim-Kristalle ebenso wie natürliche Rubine nicht für Laserversuche taugen.

Bild 1 - Gesamtansicht des Xenotim-Lasers - ein wenig kleiner als meine sonstigen Versuchsaufbauten (s.o.)! Im Hintergrund das Netzteil mit Stromregler für die Diode und Spannungsversorgung für die Peltier-Kühler.
Die Kabelverbindungen sind nach Farben geordnet: Rot/Blau für die Diode, Gelb/Schwarz für die Peltier-Kühler und Grün/Grün für die Heizung.

Bild 2 - Detailansicht des Laserkopfes, Abdeckung entfernt. Links ist die Pumpdiode in ihrem TO-3-Gehäuse zu erkennen; die Kollimatorlinse wird durch Messingklammern vor dem Fenster gehalten. In der Mitte die Fokuslinse (senkrechtes Messingblech) und der Kühlkörper, auf dem der DPM-Kristall mitsamt Kühlung und Heizung montiert ist (unter dem Plexiglas-Schutz). Rechts das Teleskop, das den grünen Laserstrahl kollimiert.
Sowohl das Diodenmodul als auch das Kristallmodul lassen sich von der Grundplatte abnehmen und für andere Versuche verwenden. (Mit dem kollimierten Pumplaserstrahl kann man schöne feine Lochblenden aus schwarzer Pappe herstellen... ;)

Ich habe mich für eine 500mW-Pumpdiode (808 nm) und einen Casix-Hybridkristall DPM 1101 entschieden, was eine finanzielle Investition in der Größenordnung eines der besseren grünen Laserpointer bedeutete - in der Hoffnung, sehr viel mehr Leistung als von einem Pointer zu erhalten. Letztere wurde erfüllt. :) Alle anderen Teile sind aus dem gewöhnlichen Elektronikhandel, Baumarkt oder ausgeschlachteter Optik.

Netzteil:
Das Herzstück des Netzteils ist ein Labornetzteil-Modul aus dem Elektronikhandel, das es erlaubt, Strom und Spannung seperat zu regeln. Ich habe mich für eine Belastbarkeit von 3 Ampere entschieden, um Raum für spätere Erweiterungen zu haben. Die Spannungsgrobeinstellung habe ich so justiert, daß mit der Feineinstellung Diodenspannungen von 1.5 bis 2.5 Volt möglich sind - das sollte kompatibel zu einer ganzen Reihe von Laserdioden sein. Gespeist wird das Modul von einem Standard-25W-Trafo.
Die Vorversuche mit einem Laserdiodensimulator (2 Si-Gleichrichterdioden und 0.2 Ohm in Reihe) zeigten allerdings, daß die Spannung beim Ein- und Ausschalten ganz hübsche Spitzen hat - es war also nötig, eine Einschaltverzögerung mit einzubauen. Jetzt wird der Diodeneingang erst 1 sec. nach Einschalten freigegeben, beim Ausschalten wird er sofort getrennt. Im ausgeschalteten Zustand ist die Diode kurzgeschlossen (Schutz vor statischer Entladung). Nach gegenwärtig etwa 40 Betriebsstunden und 30 Ein/Aus-Zyklen hat die echte Laserdiode damit bisher keine Probleme bekommen.
Ein zweiter Trafo im Netzteilgehäuse liefert die Spannungsversorgung für die Peltierkühler von Vanadat und und Diode. Ich habe es mir hier einfach gemacht und einfach über einen Gleichrichter Festspannungsregler entsprechender Leistung gespeist. Die Spannung der Peltiers wird über Leistungswiderstände eingestellt.
Ein Ausgang steht mit regelbarer Heizspannung für einen KTP-Heizer zur Verfügung.

Pumpdiode:
Die Laserdiode ist eine 500mW-Diode des Typs L081T500m, Hersteller HTOE. Mein Exemplar hat laut Herstellerangaben eine Wellenlänge von 806.7 nm bei 25 Grad und leistet 500 mW bei 570 mA. Das TO-3 Gehäuse der Diode habe ich mit einem 4W-Peltierkühler auf einen reichlich dimensionierten 1.1 K/W Kühlkörper montiert - auch hier ist also noch mehr möglich. Die Rückseite des Kühlkörpers enthält die Verpolungsschutz-Diode sowie ein RC-Glied als Schutz vor statischen Entladungen. Die Buchsen sind so angebracht, daß ein Kurzschlußstecker als Transportsicherung eingesteckt werden kann.

Pumpoptik:
Die Pumpoptik stammt aus dem ausgeschlachteten Pickup eines verstorbenen CD-Brenners. CDs werden bei einer Wellenlänge von 785 nm gelesen/geschrieben, deswegen eignen sich die Antireflex-Beschichtungen auch noch gut für 808 nm. Die kurzbrennweitige (f = ~3.5 mm) Objektivlinse, auf ein kleines Messingblech geklebt, ist jetzt Kollimatorlinse für die Pumpdiode und Bestandteil des Diodenmoduls. Leider läßt es die numerische Apertur der Linse nur zu, etwa 85% der sehr divergenten Pumpstrahlung zu sammeln, diese werden aber in einem wenigstens auf einem halben Meter halbwegs parallelen Strahl gebündelt. Wegen des Astigmatismus hat der Strahl einen rechteckigen Querschnitt wechselnder Gestalt; die Fokuslinse sitzt in etwa an dem Punkt, an dem der Strahlquerschnitt quadratisch ist.
Die Fokuslinse (f = ~8 mm) ist auf ein eigenes versteiftes Messingblech aufgeklebt. Es kann durch übergroße Befestigungslöcher horizontal und einen Stapel Gummi-O-Ringe und Unterlegscheiben zwischen Blech und Grundplatte vertikal justiert werden.

DPM-Kristall:
Wie schon erwähnt, ist der Kristall ein optisch kontaktierter Hybridkristall DPM 1101 (nicht zu verwechseln mit dem geklebten Kristall DPM 0101) des Herstellers Casix. Er kombiniert 0.5mm Nd:YVO4; 2mm KTP; Spiegel 1: AR @ 808nm, HR @ 1064nm, HR @ 532nm; Spiegel 2: HR @ 1064nm, AR @ 532nm in einem Kristallmodul. Der winzig kleine Kristall muß bei der Höhe der Pumpleistung gekühlt werden - jedenfalls der darin enthaltene Vanadat, der die Leistung hauptsächlich absorbieren soll. Ich habe den Kristall also mit dem Vanadat-Ende an einen Kühlfinger aus Messing geklebt, und zwar mit Epoxidharz, dem ich reichlich Silberpuder zugesetzt habe (im flüssigen Zustand etwa bis zur Konsistenz von Zahnpasta). Dabei durfte selbstverständlich die verspiegelte Endfläche nicht "versaut" werden, eine nicht einfache Operation. Der Kühlfinger ist auf einen 4W Peltierkühler geklemmt, und mit meinem selbstgebrauten Silberepoxy ist eine ganz gute thermische Anbindung des Kristalls gewährleistet (das habe ich vorher mit einem Dummy getestet).
Das frei abstehende KTP-Ende des Kristalls ist von einer Heizspirale (NiCr, 0.3 Ohm) berührungslos umgeben, mit der ggfs. der KTP temperiert werden kann. Natürlich ist das hier nur eingeschränkt möglich, da Vanadat und KTP in direktem Kontakt stehen. Siehe hierzu auch Bild 3 (unten).

Teleskop:
Das Teleskop hat die Aufgabe, die Divergenz des grünen Laserstrahls etwas zu reduzieren - bei einem Hybridkristall ist sie wegen des kurzen Resonators (2.5 mm) nicht so berühmt. Die Linsen stammen aus einem alten 24.5mm-Mikroskop-Okular und sind unbeschichtet, was leider einige Reflexionsverluste erzeugt. Die alte Okularhülse habe ich zersägt und mit Kupferfittings verlängert, so daß ein 2:1 Teleskop entsteht. Es kann ebenfalls mit übergroßen Befestigungslöchern und untergelegten Gummiringen auf den Strahl hin justiert werden.

Bild 3 - Vergrößerte Detailansicht der Kristallmontierung. Der Kristall selbst ist nur schwer erkennbar, deutlicher zu sehen sind nur der Messing- Kühlfinger, an dem das Vanadat-Ende mit Silberepoxy klebt, und die NiCr-Heizspirale, die das KTP-Ende frei umgibt.
Unter der transparenten Plexiglas-Klemmfassung ist teilweise auch der thermoelektrische (Peltier-) Kühler zu erkennen.

Diagramm 1 - Die Orientierung des DPM-Kristalles ist nicht egal, weil der Vanadat polarisatonsabhängig absorbiert. Wegen der angesetzten Glasplättchen am DPM 1101 läßt sich das gut darstellen, hier ist die Orientierung gezeigt, die ich für meinen Kristall ermittelt habe. Die Absorption der Pumpstrahlung ist in dieser Ausrichtung rund doppelt so groß wie um 90 Grad gedreht. Um das zu messen, braucht man übrigens die Pumpoptik nicht unbedingt, es genügt, die Schwächung des nur kollimierten Pumpstrahles niedriger Leistung mit einer Photodiode oder Solarzelle zu messen.

Die Temperaturregelung von Diode und Kristall erfolgt manuell. Ich habe eine ganze Menge Meßreihen durchgeführt, um die Temperatur der Diode bei verschiedenen Stromvorgaben und Einstellungen des Peltierkühlers für eine bestimmte Umgebungstemperatur zu ermitteln. Auch die Einstellung des Vanadat-Kühlers bei einer bestimmten Umgebungstemperatur und die davon abhängige Ausgangsleistung habe ich systematisch vermessen; zum Laser gehört jetzt also eine Tabelle, die abhängig von Umgebungstemperatur und Diodenstrom die optimalen Einstellungen der Kühler (und der Heizung) vorgibt.
Der Einfluß des KTP-Heizers ist hochgradig nichtlinear. Oft ist ja zu lesen, daß er bei den kleinen Hybridkristallen nicht einsetzbar ist. Meiner Erfahrung nach stimmt das so nicht. Bei niedriger bis mittlerer Pumpleistung kann durch Feinjustierung der Heizung die Ausgangsleistung um 5-10% erhöht werden.

Niedrige Pumpleistung:
In diesem Bereich reicht die Erwärmung des Kristalls durch die absorbierte Pumpstrahlung nicht, um den KTP auf optimale Temperatur zu bringen. Vanadatkühlung nicht notwendig (hat sogar negativen Einfluß), KTP-Heizung bringt Erhöhung der Ausgangsleistung.

Mittlere Pumpleistung:
Die absorbierte Pumpleistung ist hier schon so groß, daß eine Kühlung des Vanadats dringend notwendig wird. Der optische Fluß im Resonator ist aber noch nicht so groß, daß der KTP gegen die Vanadatkühlung genügend erwärmt wird. Heizung des KTP-Endes (in einigen Fällen schwach, in anderen stärker) bringt hier teilweise immer noch Erhöhung der Ausgangsleistung.

Hohe Pumpleistung:
Pumpleistung und optischer Fluß im Resonator machen jetzt eine starke Kühlung des Vanadates notwendig. Die Verluste erwärmen jetzt aber den KTP genügend, so daß die KTP-Heizung eher schadet.

Es kann natürlich darüber spekuliert werden, ob die Heizung vielleicht nur eine Feinregulierung der Temperatur des gesamten Kristalles bewirkt. Ich habe das nachgemessen, indem ich das Verhältnis der 532nm- zur 1064nm- Laserstrahlung am Ausgang mit Hilfe von Filtern bestimmt habe (meine Filter waren leider von nicht so guter Qualität, so daß ich die totale Leistung nicht direkt messen konnte). Auch wenn die totale Strahlleistung (532 + 1064nm) nicht viel zunimmt, ändert sich das Verhältnis zugunsten der grünen Komponente doch ziemlich, was für einen Einfluß der KTP-Temperatur spricht:

  ohne KTP-Heizung optimale KTP-Heizung
532 nm 0.5 mW 0.6 mW
1064 nm 1.3 mW 0.9 mW
808 nm 0.2 mW 0.4 mW
(Pumpleistung ca. 180 mW, Diodentemperatur nicht optimiert, Messung mit Lochblende)

Man kann hier schön erkennen, daß die Leistung (532:1064nm) sich von fast 1:3 auf etwa 1:1.5 verbessert. Diese Messungen wurden ebenso wie alle folgenden mit einer monokristallinen (blauen) Si-Solarzelle durchgeführt. Die spektrale Empfindlichkeit bei den verschiedenen Wellenlängen ist berücksichtigt.
Die erreichbare grüne Ausgangsleistung des Xenotim-Lasers mit allen Einstellungen auf (bis jetzt) optimalen Werten gibt abhängig vom Diodenstrom die folgende Tabelle an. Sie gilt allerdings nur für die optimale Position des Pump-Fokus im Vanadatkristall, der in diesem Fall sehr dicht an der gekühlten Fläche liegt. An anderen Punkten, etwa mitten auf der Kristallfläche, erreicht die maximale Leistung nur etwa 15 mW (bei 400 mA) und kann dann auch durch Erhöhung der Pumpleistung nicht mehr gesteigert werden. Das zeigt ganz klar den Einfluß der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Vanadat, die etwa so hoch wie die von Glas ist.
Die Werte entsprechen größenordnungsmäßig in etwa dem, was Casix im Datenblatt vom DPM 1101 verspricht, sofern die Reflexionsverluste im Teleskop berücksichtigt werden:

Diodenstrom Netto-Pumpleistung Laserleistung @ 532 nm
210 mA 80 mW (Schwelle)
250 mA 110 mW ~1 mW
300 mA 160 mW 3 mW
400 mA 250 mW 13-15 mW
500 mA 385 mW 22-24 mW
570 mA 425 mW 30-33 mW

Bild 4 - Ansicht des Strahls in der Abenddämmerung, Leistung etwa 30 mW. Das Bild wurde *ohne* die Verwendung von Nebel oder Rauch aufgenommen, lediglich die natürliche Streuung des Laserstrahls an in der Luft vorhandenen Staubpartikeln läßt ihn sichtbar werden.

Bild 5 - Strahlreflex in ca. 12 m Abstand an meiner Wohnzimmerwand. Der Kernstrahl ist überbelichtet und erscheint daher auf dem Bild weiß. Ebenfalls nur auf dem Bild sichtbar ist der rötliche Bogen unterhalb, hier hat die Kamera offenbar den nicht absorbierten Anteil der Pumpstrahlung aufgenommen. Mit bloßem Auge ist er unsichtbar, läßt sich aber mit dem IR-Indikator nachweisen.
Die irregulären grünen Flecken sind Reflexionen an den unvergüteten Linsen des Teleskopes.

Bild 6 - Was hier wie ein Blick in den Lichtbogen eines Elektro-Schweißgerätes erscheint, ist ein Photo der gestreuten Pumpstrahlung im geöffneten Lasergehäuse. Mit dem bloßen Auge ist nur die verhältnismäßig schwache gestreute grüne Laserstrahlung zu sehen (hier z.B. auf den Kühlrippen des Kristallmoduls, Rest ist überstrahlt). Die vollkommen weiß überbelichtete Pumpstrahlung ist mit bloßem Auge nur in Form eines winzigen roten Pünktchens auf der Endfläche des Kristalls zu sehen - eine deutliche Demonstration, wie sehr das *sichtbare* Laserlicht aus einer Pumpdiode täuschen kann!

Im Strahl finden sich erhebliche Anteile unsichtbarer infraroter Laserstrahlung, sowohl von nicht absorbierter Pumpstrahlung als auch infraroter Strahlung, die aus dem Resonator entweicht (schließlich ist nicht mal ein hochreflektierender Laserspiegel vollkommen perfekt). Diese hat in beiden Fällen die Größenordnung des erwünschten grünen Laserstrahles, ist also durchaus nicht unerheblich. Ich habe das für einen bestimmten Fall mal im Detail durchgemessen:

Messung bei 500 mA Diodenstrom
Diodentemperatur 24.3 Grad (entspr. 806.1 nm), Vanadat-Kühlfinger 14 Grad, KTP-Heizer "aus"
Umgebungstemperatur 18.5 Grad
1064nm-Strahlung läßt sich im Fernfeld ca. 1 Durchmesser neben der 532nm-Strahlmitte nachweisen.
Wellenlänge Wert
elektrische Eingangsleistung Diode: - ~900 mW
Pumpleistung Diode: 806 nm 460 mW
Nettoeingangsleistung Kristall: 806 nm 390 mW
nicht absorbierte Pumpleistung (divergent): 806 nm >15 mW
Leistung Kristall infrarot: 1064 nm 20 mW
Leistung Kristall grün: 532 nm 28 mW
Pumpstrahlung hinter Teleskop: 806 nm 13 mW
davon Anteil im Hauptstrahl (mit Lochblende): 806 nm 1.5 mW
Infrarot hinter Teleskop: 1064 nm 17 mW
Grün hinter Teleskop: 532 nm 24 mW

Diagramm 2 - Die Tatsache, daß meine Diode ein bißchen kurz in der Wellenlänge ist und das kalte Winterwetter im Januar 2005 machten es möglich, das untere Ende vom Vanadat-Absorptionspeak zu vermessen. Die Absorption wird hier durch die Laserleistung wiedergegeben. Eingangsleistung konstant niedrig ~160 mW (300 mA Diodenstrom), Vanadat-Kühlung und KTP-Heizer beide abgeschaltet. Wellenlänge über Temperaturregelung der Diode im Bereich von +7 Grad bis +26 Grad variiert.
Man beachte das lokale Maximum bei etwa 804 nm, das einem der Nebenabsorptionsmaxima innerhalb des 808-nm-Peaks von Vanadat entspricht.
Wird im Sommer aktualisiert...! :)

Fazit:
Es muß nicht immer eine 1W oder 2W Pumpdiode sein, die einen DPM-Kristall fast zu Tode röstet, um mit einem einfachen Aufbau zu beachtlichen Ausgangsleistungen zu kommen, wie das so oft in Hobby-Laser Foren gepostet wird. Etwas Temperaturoptimierung tut's auch bei moderater Pumpleistung, und der Kristall wird es durch langes Leben danken.
Der Xenotim-Laser war trotz der vielen Regelmöglichkeiten der einfachste Laser, den ich je gebaut habe, einer der billigsten, er ist mit Sicherheit der energiesparendste und bei weitem am leichtesten zu transportieren. Einmal aufgewärmt und auf optimale Leistung eingestellt, kann ich ihn für Stunden praktisch unbeobachtet laufen lassen, sofern die Umgebungstemperatur halbwegs konstant ist. Er benötigt keine Verbrauchsmaterialien. Und er gibt Laserstrahlung in einer bisher unerreichten Größenordnung ab.
Dennoch scheue ich mich, den Xenotim-Laser als echten Eigenbau zu bezeichnen. Er ist sicher ein vielseitig verwendbares relativ robustes Werkzeug, doch ist sein Herzstück, der DPM-Kristall, bereits ein fertig gekaufter Laser ähnlich einer HeNe-Laserröhre. Letztlich habe ich wenig mehr getan als ihn mit Pumpenergie und Kühlung zu versorgen.




Argonlaser ALC60X flottgemacht



Im Jahr 2007 habe ich günstig einen der legendären ALC60X- Köpfe ergattert. Nachdem die anfänglichen Prüfungen gut aussahen, wollte ich ihn natürlich auch richtig in Betrieb nehmen. Leider hat das bis jetzt (2010) gedauert. Der Job...
ACHTUNG - das hier beschriebene Netzteil für den ALC60 und ähnliche Laser ist nicht geeignet für den unbeaufsichtigten Betrieb! Mein Forschungsobjekt ist der Laser selbst, Anwendungen wie Lightshows finde ich eher uninteressant.

Bild 1 - Der ALC60 im gegenwärtigen Zustand (Nov. 2010) im Betrieb. Links hinter dem Laserkopf der DC-Filter, rechts hinten von unten nach oben: Hochspannungstrafo für die Zündbox davor, 115V- Trafo für die Luftkühlung, ganz oben schließlich der Heiztrafo. Unter dem Tisch steht die Elektroheizung, die als Lastwiderstand dient. Die einzelnen Komponenten werden weiter unten noch ausführlich beschrieben.

Testen des Kopfes
Einen neuen Argon- Laserkopf testet man zunächst auf Sicht. Durch die (rot durchscheinenden Resonatorspiegel) schaut man, ob die Kapillare nicht blockiert ist. Als nächstes ist die Gasintegrität wichtig. Mit einer kleinen Teslaspule oder einem Piezozünder aus dem Feuerzeug erzeugt man kurze Hochspannungspulse und versucht zu sehen, ob an den Glasteilen das violette Glimmen von Argon zu sehen ist.
Ausführlicher kann das getestet werden, wenn man an die Anode und einen der Filamentanschlüsse eine Hochspannungsquelle anschliesst, die über einen Variac geregelt werden kann. Für diesen Test alle Elektonik aus dem Kopf entfernen und externen Strombegrenzungswiderstand nicht vergessen! Jetzt kann man bequem die Spannung aufdrehen und erfährt so nebenbei noch die genaue Zündspannung, die so in der Größenordnung 4-5kV liegen solte. Nach der Zündung brennt eine Niederstrom- Glimmentladung von einigen Milliampere in der Kapillare, die durch den hinteren Spiegel schwach violett gesehen werden kann. Die Spannung bricht dabei auf ungefähr 500V ein. Sollte all das nicht funktionieren, hat die Röhre Luft gezogen und ist nur noch zum Auschlachten gut.
Falls bis hierher alles gut gegangen ist, darf die Kathode angeheizt werden, weil nicht mehr die Gefahr besteht, daß sie in eingedrungener Luft verbrennt. Die ALC60-Kathode nimmt bei 3V einen Strom von 25A auf. Zum Testen ist Gleichstrom ok, später im Betrieb nicht mehr. (Dazu und dem Selbstbau eines Heiztrafos unten mehr.) Die Kathodenspirale sollte hellorange zu glühen anfangen. Durch den Kathodenseitigen Spiegel kann das beobachtet werden, die glühende Spirale sollte gleichmäßig rund aussehen und nicht in den Strahlengang hängen (da der Kathodenraum von der orangenen Glut erleuchtet ist, kann die Kapillare nun dunkel gesehen werden - sie sollte frei in der Mitte der glühenden Spirale sein).
Die Heizspannung sollte übrigens unbedingt direkt an den Filamentanschlüssen der Röhre gemessen werden, da bei solchen Strömen auch das dickste Kabel einen merklichen Spannungsabfall hat.
Wenn bisher alles gut gegangen ist, lohnt sich ein weiterer Test. Dafür baut man sich ein kleines Netzteil, in dem über einen Brückengleichrichter ein dicker Elko auf etwa 300V geladen wird. Durch einen Bgrenzungswiderstand von 22 Ohm entlädt sich dieser Elko später in die Röhre und erzeugt einen kurzen Laserblitz, wenn alles ok ist. 100-200uF reichen für diesen Test. Das Test- Netzteil sollte unbedingt noch durch eine HF-Brücke vor dem Zündpuls geschützt werden, ein Y-Kondensator für Funkentstörung leistet hier gute Dienste.
Dann Kathode vorheizen, Elko laden, und jetzt sollte bei jedem Zündpuls ein kurzer blauer oder blaugrüner Laserblitz zu sehen sein. Kühlung ist jetzt noch nicht erforderlich. Kommt man so weit, lohnt der Bau eines stabileren Netzteils für den CW-Betrieb, weil der Laser noch Leben in sich hat.

Bild 2 - Platine mit Testnetzteil für Pulsbetrieb. Die HF-Brücke ist entfernt, weil ich sie später im DC-Filter verbaut habe.



Der Heiztrafo
Der Heiztrafo wird auf vielen Webseiten und in Foren etwas vernachlässigt, oft liest man, "wickele ein dickes Kabel auf einen Ringkerntrafo und gut is". Ganz so einfach ist das leider nicht, und deshalb widme ich dem Heiztrafo des Argonlasers hier den ausführlichsten Abschnitt.

Bild 3 - Mein Heiztafo war ursprünglich mal der Ofentransformator eines abgebrochen Metalldampflaser- Projektes. Als Basis dient ein 300W- Ringkerntrafo, die originale Sekundärseite ist jetzt einfach trockengelegt.
Die Feinregelung des Heizstromes erfolgt mit einem Dimmer, der für den Ofen des Metalldampflasers ohnehin vorhanden war (siehe dazu den Text).
Die Lüfterhutze wurde erst ganz am Schluß nachgerüstet.

Grundsätzlich ist die Verwendung eines Ringkerntrafos natürlich am einfachsten. Ich würde den keinesfalls zu sparsam dimensionieren, ich hatte halt gerade einen 300W-Kern da, 200 sollte aber auch schon reichen, um die 75W für die Heizung ohne grosse Drosselung liefern zu können.
Ich habe auf meinen Kern zwei Wicklungen jeweils mit doppelt genommener 4mm2-Litze aufgebracht, die genaue Zahl der Windungen muß experimentell ermittelt werden (bei mir sind es 7 Windungen pro Wicklung). Beide Wicklungen werden in Reihe geschaltet, in die Mitte kommt später der negative Pol des Netzteils.
Im Leerlauf bringt mein Trafo so etwa 4 Volt, unter Last bricht die Spannung jedoch auf etwa 3.3V ein. Etwas Reserve muß hier wegen des Spannungsabfalles an den Kabeln eingeplant werden.
Die Feinregelung erfolgt über einen Dimmer für Halogentrafos, der die Primärseite des Heiztrafos regelt. Grundsätzlich soll man so etwas eigentlich nicht machen, da Dimmer die Phase der Wechselspannung anschneiden. Die Kathode eines Argonlasers braucht jedoch Wechselspannung, damit der sogenannte Kathodenfleck, aus dem die Elektronen emittiert werden, ständig an der Spirale entlangwobbelt und damit kein Teil der Kathode überhitzt wird. Würde man z.B. einen dicken 12V-Trafo nehmen und mit dem Dimmer runterregeln, hätte die Heizspannung keinen vollen Sinus mehr, sonden nur noch kurze positive und negative Spitzen an einer Nulllinie. Folglich würde der Kathodenfleck die meiste Zeit in der Mitte der Spirale bleiben und nur ab und zu mal nach rechts oder links rutschen. Der Punkt in der Mitte der Spirale würde schnell massiv überhitzen, sputtern und vielleicht sogar durchbrennen.
Bei meinem Trafo ist die Spannung hingegen schon fast passend und muß nur noch etwas abgeregelt werden. Mit dem Oszilloskop konnte ich sehen, dass dabei nur eine kleine Ecke aus dem Sinus der Heizspannung ausgeschnitten wird, was einer Spannungsregelung von etwa 0.2V entspricht. Das gab bis jetzt keine Probleme und scheint zulässig zu sein.
[Nachtrag: für die LGR 7801- Röhre (siehe unten) konnte ich den Dimmer nicht benutzen und habe daher meinen Variac zum Regeln verwendet. Das geht viel genauer und ist auch thermisch stabiler, so daß ich es inzwischen nur noch so mache und den Dimmer ganz rausgeworfen habe.]
Wegen des schon erwähnten Spannungsabfalles an den Kabeln habe ich ein Amperemeter zur Kontrolle eingebaut. Vorsicht hier - das Ding muss nicht nur die 25A anzeigen können, sondern viel mehr aushalten! Beim Einschalten geht der Strom gerne über 50A und sinkt dann langsam, wenn die Kathode heiß wird und ihr Widerstand steigt (dieser Effekt ist bei Wolfram, dem Material der Spirale, besonders ausgeprägt). Zusätzlich läuft der Anodenstrom später über die beiden Heizkabel und die Mittelanzapfung am Trafo zurück zum Netzteil.
Und dann ist da noch der "positive delta-T" Effekt einer intakten Kathode: im Betreib emittiert sie grosse Mengen Elektronen aus dem Kathodenfleck, verliert also Energie. Folglich sinkt die Temperatur und damit der Widerstand der Spirale, was einen Anstieg des Heizstromes zur Folge hat. Bei meinem Laser liegt der Strom durch das Meßgerät im Heizkreis bei nur 4A Anodenstrom bereits bei 30A! Zu schwach dimensionierte Messgeräte geraten hier schnell ans Auslöten der Magnetspule (so geschehen bei meinem ersten).
Eine Fehlinformation, die oft in Foren zu finden ist, lautet etwa: "der XYZ-Argonlaser hat im Leerlauf 3V Heizspannung, im Betrieb sinkt sie auf 2.xy Volt ab".
FALSCH.
Absinkende Heizspannung deutet nicht auf eine natürliche Eigenschaft der Plasmaröhre hin, sondern auf einen zu schwach dimensionierten bzw. schlecht gekühlten Heiztrafo und eine dadurch sputternde und damit langsam sterbende Kathode. Wie oben schon erwähnt, zieht eine gute Kathode durch den delta-T Effekt im Betrieb mehr Heizstrom, die der Trafo dann auch liefern muss. Ein zu kleiner Trafo reagiert mit einem Spannungseinbruch.
Dadurch ist die Kathode nicht mehr heiß genug, um genug Elektronen liefern zu können, was zwei Folgen hat. Erstens sinkt die Laserleistung, weil weniger Ionen produziert werden. Zweitens verlagert sich ein Teil der heissen Plasmasäule aus der Berylliumoxid- Kapillare näher zur Kathode. Dadurch schlagen mehr Ionen in die Kathode ein, was einerseits zwar auch Elektronen befreit, andererseits aber auch die Oberfläche der Wolframspirale zerstäubt (das ist das berüchtgte Sputtern). Der Wolframstaub setzt sich überall da ab, wo er nicht erwünscht ist (u.a. Brewsterfenster), und zusätzlich begräbt er noch Argon unter sich dabei. Die Folge ist langfristig der Tod der Röhre.
Der momentane Leistungsverlust des Lasers ist übrigens nicht unwesentlich. Wenn ich meinen Heiztrafo nicht aktiv kühle, steigt durch die Erwärmung des Kupfers der Widerstand der Sekundärwicklung an, und die Heizspannung sinkt innerhalb einer halben Stunde auf etwa 2.8V. In der Folge sinkt die Leistung des Laserstrahls um etwa 10%! Deshalb habe ich auch die große Lüfterhutze auf meinen Trafo aufgesetzt.
Meiner Erfahrung nach ist für die ALC60- Röhre der zulässige Bereich der Heizspannung im Betrieb 2.9 - 3.1 Volt.


Die Zündbox
Für die Zündung verwende ich die Schaltung, die auch Mark Csele auf seiner Laserseite benutzt, weil sie mit meinem ohnehin vorhandenen Hochspannungstrafo zusammen die denkbar einfachste Lösung bildet.

Bild 4 - Blick in die geöffnete Zündbox. Man erkennt die aus Reihenschaltungen gewöhnlicher Bauteile bestehende Diode und den Kondensator. Der grosse Ferritkern stammte noch von einem anderen Projekt und bildet hier den Zündtrafo. Primär 2.5 Windungen, sekundär 8 Windungen. Der Kupferdraht muss dick genug sein, um den Anodenstrom der Röhre aushalten zu können.

Die Zündschaltung ist insofern interessant, als daß sie der Schaltung einer "Oudin-Spule" entspricht, die für die Zündung von Argonlasern z.B. auf Sam's Laser FAQ empfohlen wird. Nur wird keine Teslasäule, sondern ein Ringtrafo am Ausgang verwendet. Das Resultat ist das gleiche: beim Drücken des isolierten Plastikknopfes verengt sich die gefederte Funkenstrecke, und es springt gespeist durch den Kondensator periodisch ein Funken über, was auf der Sekundärseite des Trafos zu einer hochfrequenten Hochspannungsschwingung führt. Im Leerlauf kann ich mit meiner Zündbox 8mm lange Funken ziehen, was etwa 8kV entspricht. Leuchtstofflampen in der Nähe beginnen zu flackern. Die Plasmaröhre ist bei einer "leeren" Zündung bis in die Glasteile von einem violetten Glimmen erfüllt.
Üblicherweise reichen 3-4 Pulse zu 0.5 Sekunden Dauer aus, um meinen Laser zu starten. (Um das Thema Kathode noch einmal aufzugreifen, bei zu geringer Heizspannung startet der Laser meiner Erfahrung nach auch schwerer).
Das Brizzeln in der Box beim Zünden hört sich übrigens in etwa so an, wie man das in einem schlechten Science-Fiction- Film der 1950er Jahre erwarten würde...


Der DC Filter
Den Anodenstrom meines Argonlasers liefert eine ganz altertümliche Angelegenheit. Denn ein Argonlaser ist zunächst einmal eine Röhre. Womit hat man früher, in der Zeit der Röhrenradios eigentlich die Anodenspannung erzeugt? Antwort: mit einem Pi-Filter direkt aus der Netzspannung.

Bild 5 - Blick in mein Netzteil. Ganz links der Brückengleichrichter auf seinem Kühlkörper mit dem Gehäuse verschraubt. Die dicken Pötte sind Kondensatoren in Parallelschaltung, dazwischen in der Mitte Drosseln in Reihenschaltung. Auf der Frontplatte sind Meßgeräte angebracht. Ganz rechts an den Ausgangsbuchsen nur teilweise zu sehen die HF-Brücke. Im Inneren des Netzteils wurde für die Verbindungen 4mm2- Litze verwendet.
Eingebaut ist das ganze in ein 19"-Gehäuse aus Stahlblech - falls einer der Elkos mal platzt...

Pi-Filter haben eine ganz erstaunliche Fähigkeit, die Welligkeit einer Gleichspannung zu unterdrücken (jedenfalls für eine Schaltung nur mit passiven Komponenten). Für einen Argonlaser muß man den Filter jedoch für einen Strom von 10A dimensionieren. Das braucht dicke Kondensatoren und Drosseln: ich habe 5000uF + 36mH + 5000uF verbaut. Wie immer gibts das natürlich nicht von der Stange zu kaufen, deshalb auch die oben erwähnten Reihen- und Parallelschaltungen.
Als Lastwiderstand verwende ich eine alte Elektroheizung, die ich für genau diesen Zweck schon seit fast 10 Jahren durch mein Leben schleppe. Sie läßt sich zwischen 1000 und 2000 Watt umschalten, was einem Widerstand von 48 bzw. 24 Ohm entspricht. Im Kurzschlussbetrieb limitert die Stellung "24 Ohm" den Strom durch den Pi-Filter auf 12A. Ich empfehle solche Tests nur im Winter, weil das Labor sich bei der umgesetzten Leistung schnell in eine Sauna verwandelt...
Die Brummspannung vor dem Lastwiderstand betrug bei diesem Test nur rund 50mV. Das war viel besser, als ich es erwartet hatte. Pi-Filter sind einfach megacool.
Wenn der ALC60 angeschlossen ist, stellt sich mit 48 Ohm ein Anodenstrom von 4A ein, mit 24 Ohm sind es 7A. Das Umschalten der Elektroheizung möchte ich natürlich nicht als Stromregelung bezeichnen, und das Verheizen von bis zu 1500 Watt Leistung im Widerstand ist auch nicht so toll für meine Stomrechnung. Hier wird selbstverständlich noch eine Verbesserung folgen. 115V-Trafos sind schon eingeplant, und spätestens im nächsten Sommer gibts eine sparsamere Stromregelung.
Mit einer Solarzelle und einem Oszilloskop habe ich auch den Einfluss des Restbrummens auf den Laserstrahl gemessen. Bei 4A hat die 488nm- Linie einen 100Hz- Anteil von 5%, das HF-Plasmarauschen ist noch mit 1% der Gesamtleistung vertreten.


Der Laserkopf
Wie Mark Csele auf seiner Webseite richtig bemerkt, ist der ALC60-Kopf nicht so sehr gut geeignet, um mit Hochspannung beschickt zu werden. Die Röhrensockel führen die volle Spannung und sind nur durch relativ dünne Teflon-Scheiben vom Gehäuse isoliert. Ich bekam am Anfang fast ständig Überschläge von den Zündpulsen. Böser ist es, wenn zwischen Sockel und Boden ein Lichtbogen von einigen Ampere zu brennen beginnt - statt in der Röhre. Unbedingt Schutzleiter mit dem Gehäuse verbinden, damit im Zweifelsfall sofort die Sicherung fliegt!!!
Ich entschloss mich daher, drei Dinge mit dem Laserkopf zu tun.
Erstens verbannte ich sämtliche Elektronik aus dem Kopf.
Zweitens ersetzte ich die Metallschrauben der Sockel in der Bodenplatte durch Nylonschrauben.
Drittens ersetzte ich die Zuleitungen der Röhre durch eine Konstruktion von Kabeln und Buchsen, die halbwegs hochspannungstauglich sind.

Bild 6 - Blick in den modifizierten ALC60-Kopf. Deutlich zu sehen sind die transparenten Plastikscheiben, die als "Dummies" die Platinen ersetzen. Sie sind notwendig, um den Luftstrom weiterhin in der vorhergesehenen Weise zu lenken.
Man beachte auch die weißen Nylonschrauben an den Röhrensockeln. Die Zuleitung zur Anode ist leider nur schlecht zu sehen, hier wurde Hochspannungskabel verwendet, um Überschläge zu verhindern.

Die Elektronik aus dem Laserkopf flog aus mehreren Gründen raus. Ich bin nun mal der Meinung, daß sensibles Silizium nichts in der Nähe von temporärer Hochspannung zu suchen hat. Noch wußte ich, ob die Elektronik überhaupt noch funktioniert. Außerdem werde ich niemals ein Originalnetzteil für den ALC60 verwenden, sondern hatte von Anfang an vor, meine eigenen Module zu bauen.
Die Schrauben in der Bodenplatte zu ersetzen klingt heikel, weil die Röhre ja präzise auf den Resonator ausgerichtet ist. Der Austausch geht aber problemlos, wenn stets nur eine der vier Schrauben gelöst wird, weil die anderen drei die Röhre dann jederzeit fest halten. Die Originalschrauben sind natürlich im zölligen Maß, sie lassen sich aber durch M4 ersetzen (zusammen mit ihren Muttern).
Das Anodenkabel habe ich durch normales Hochspannungskabel ersetzt, das durch eines der Löcher in der Rückwand zu einem erhöht stehenden isolierten Anschluß führt. Die Filamentkabel wurden so weit gekürzt, daß sie nirgends nahe ans Gehäuse kommen und ebenfalls zu Buchsen in vorhandenen Öffnungen der Rückwand geführt (s.u.).

Bild 7 - Blick auf die Rückwand des modifizierten ALC60-Kopfes. Rot die erhöhte Buchse für das Hochspannungskabel zur Anode. Es führt durch das Loch, das früher für die Lüfterkabel diente.
Die beiden grünen Filamentbuchsen sind in eine Plastikplatte im Loch des früheren großen Hauptsteckers geführt.
Die beiden schwarzen Buchsen führen zur Lichtsensorbox, die ich außen am Auskoppelspiegel drangelassen habe. Vielleicht ist das Ding nochmal zu gebrauchen.
Silbern der Schutzleiteranschluß für das Gehäuse - lebenswichtig!
Das schwarze Rechteck oben in der Deckplatte ist der Betriebsstundenzähler. Ihm habe ich daneben (nicht gut zu sehen) einen 115V-Anschluß spendiert, der mit dem Lüfter verbunden wird.



Inbetriebnahme des Lasers
Wichtig ist ausreichendes Vorglühen der Kathode (2 Minuten minimal). Heizstrom auf 25 bis 25.5 Ampere einstellen, der ganaue Wert hängt von den Toleranzen des Meßgerätes ab. Kondensatoren vorladen, ehe der DC-Filter auf vollen Betrieb geschaltet wird. Wenn alles eingeschaltet ist, den Lastwiderstand auf 48 Ohm stellen (meine kleine Diva mag nur bei 4A richtig starten). Lüfter einschalten nicht vergessen, und dann die Zündbox mit Hochspannung versorgen. Nach wenigen Pulsen startet die Röhre normalerweise, und die Hochspannung für die Zündbox kann wieder abgeschaltet werden.
Wenn sie einen schlechten Tag hat, fängt die Röhre nicht sofort, und es kann nach einer Reihe von Pulsen zu einer Zündung zwischen Röhrensockel und Gehäuse kommen. Das knallt laut und läßt die Sicherung rausfliegen. In diesem Fall heißt es: alles zurück auf Anfang und nochmal... glücklicherweise bedeutet es aber keinen bleibenden Schaden.

Bild 8 - Der ALC60-Kopf im Betrieb bei 4A Anodenstrom. Dank der transparenten Platinendummies ist das Glimmen in den Glasteilen der Röhre gut durch die Lüftungsschlitze zu beobachten.
Der Lüfter ist über einen Adapter aus Winkelaluminium- Leisten auf den Kopf aufgesetzt. Er wird über einen seperaten Trafo mit 115V versorgt.
Das gelbe Kabel gehört zu einem Thermofühler: Ich habe das Lüftergehäuse schräg angebohrt, so daß ein Temperaturfühler bis zur Berylliumoxid- Kapillare eingeschoben werden kann. Der Anzeigeteil liegt links neben dem Laserkopf. Die Kerntemperatur läßt sich so jederzeit überwachen, sie beträgt 55°C bei 4A und 90°C bei 7A.
Bild 9 - Zwei (schlechte) Photos der Laserlinien bei 4A (oben) und 7A (unten). Ein einfaches Diffraktionsgitter läßt sich aus einer ungebrannten CDR anfertigen, mit ihm können die Laserlinien sichtbar gemacht werden. Die wunderbaren Farben sind hier leider nicht zu erkennen.
Gesamtleistung ca. 5mW bei 4A (davon 80% bei 488nm), ca. 25mW bei 7A, nachdem der Resonator nachgetuned wurde.
Bild 10 - Ein Schnappschuß vom "first light" meines ALC60X. Der Laserreflex auf meiner Hand ist ziemlich überbelichtet.

Hinweis: die folgenden Werte gelten für meine Röhre. Argonlaser sind ausgeprägte Individualisten, also ist die Tabelle nicht allgemeingültig.

Meßgröße Vorglühen R = 48 Ohm R = 24 Ohm
Anodenspannung 0 98 Volt 112 Volt
Anodenstrom 0 4 Ampere 7 Ampere
Heizspannung 3.00 Volt 2.95 Volt 2.90 Volt
Strom im Heizkreis (AC+DC) 25 Ampere 29 Ampere 31 Ampere
Laserleistung 0 5 mW 25 mW
Laserlinien - 2 (488+476nm) 7 (454-496nm)
Kerntemperatur - 55 °C 90 °C



Fazit
Einen Argonlaser zu betreiben ist wie Dampflokomotive fahren: man muß die Faszination der robusten Technik spüren wollen und Enthusiasmus mitbringen. Genau wie Dampfmaschinen haben Argonröhren ihre Launen und Zicken, für die der Operator ein Gespür entwickeln muß. Dann wird man mit einem echten Erlebnis solider Technik und brodelnder Energie belohnt, das keine Diode jemals so liefern kann.
Wer nur Power für eine Anwendung will, ist mit einem Argonlaser überfordert. Ebenso wie die moderne schnelle und wirtschaftliche Eisenbahn nicht mehr mit Dampf fährt, soll der reine Laseranwender lieber einen sparsamen und seelenlosen DPSS verwenden.

Nichts ist so wie ein Gaslaser.




Ein ganz alter Traum wird wahr: LGR 7801



Das Jahr 2010 brachte mir zum Julfest ein ganz besonderes Geschenk: mein Schatz hatte bei Ebay einen Lasos LGK7812 - Argonlaserkopf günstig ersteigert. Das Besondere daran ist die Laserröhre im Kopf, ein Nachfolger der LGR7801, die ich zum ersten Mal ungefähr 1985 in einer Siemens- Werbeanzeige sah und die mir buchstäblich schlaflose Nächte bescherte. Natürlich konnte ich sie mir damals, als Erstsemesterstudi, nicht leisten.
Siemens hat seinen Laserbereich Ende der 1990er Jahre an Carl Zeiss Jena verkauft, von wo aus er sich nach kurzem Zwischenspiel unter dem Namen Lasos verselbstständigte. Viele Röhren aus der Siemens-Zeit werden von Lasos heute noch immer hergestellt. Unter anderem die LGR7801- Nachfolger.
Röhren dieser Bauart sind in Köpfen der Serien LGK7801 (multiline ca. 12mW), LGK7812 (multiline ca. 25mW) und LGK7872 (multiline ca. 40mW) im Einsatz, und zwar mit verschiedenen Multiline- und Singleline- Optiken.
Meine Röhre sah bei den ersten Tests sehr gut aus: die Kathode hängt nicht, die Zündspannung ist niedrig (ca. 1000V), der Kopf war insgesamt sehr sauber von Innen. Ein dezent plazierter Betriebsstundenzähler zeigte etwas weniger als 2000h an. Die Röhre selbst hatte außer der BeO-Warnung leider überhaupt keine Beschriftung, nur außen am Kopf fand sich ein Aufkleber, daß sie 1998 getauscht worden war. Also: alt, aber wenig benutzt und zündet gut. Sehr vielversprechend.
Bild 1 - Die Lasos LGR 7801 ML (ich bezeichne sie mangels besserem Wissen einfach mal so) auf meinem Labortisch, umgeben von Meßgeräten. Im Hintergrund die Netzgeräte, die ich mir für den Betrieb des ALC60- Kopfes gebaut habe, mit denen läßt sich so ein Lasos- Kopf natürlich auch ganz gut versorgen. Einziger Unterschied: wegen der geringeren Heizleistung der Kathode kann der Dimmer nicht verwendet werden, stattdessen benutze ich hier meinen Variac vorgeschaltet.
Im Gegensatz zum ALC60 läßt sich die LGR7801 auch ohne Gehäuse betreiben. Im Laserkopf steckt nämlich eine Stützstruktur unter dem Blech, die sich herausnehmen läßt. Diese Struktur kann, über die Röhre gestellt, den abgeschraubten Lüfter tragen, so daß die Röhre auch ohne Gehäuse in der vorgesehenen Weise gekühlt werden kann.
Die Lasos-Röhren sind, soweit ich weiß, die einzigen Argonröhren, die heute noch mit Glaskolben hergestellt werden. Das violette Glimmen im Inneren ist leider überbelichtet. Ganz links der blaugrüne Laserspot auf meinem Solarzellen- Powermeter.
Nachtrag: ich habe es endlich geschafft, die richtigen Farben der lasenden Linien einzufangen. Das kleine eingesetzte Bild unten zeigt die 8 Linien bei 4.4A.

Bild 2 - Detailaufnahme des Glaskolbens mit der glühenden Kathode. Die Kathode bereitete mir bezüglich der Heizung einiges Kopfzerbrechen. Im Datenblatt für die LGR 7801 (gibt's zum Runterladen auf der Homepage von Lasos) steht nämlich eine Spannung von 2.25 Volt bei einem Strom von 18 Ampere. Beim langsamen Anfahren zum Testen sind bei 18A aber noch lange keine 2 Volt erreicht. Allerdings glüht die Kathode bei diesem Strom schon so hellorange, wie man das vom ALC beim Blick durch den kathodenseitigen Spiegel gewohnt ist. Hier hab ich anfangs einen kapitalen Fehler gemacht, denn beim Vergleich der Glühfarbe muß man natürlich bei BEIDEN Lasern durch den hinteren Spiegel schauen. Der filtert natürlich auch das Licht der glühenden Kathode. Beim ALC kann man ja nicht direkt reinschauen... aber wenn das bei beiden gleich aussieht, dann stimmen auch die 2.25Veff aus dem Datenblatt. Nur wollen die Röhren der höheren Leistungsklassen halt mehr Heizstrom, in meinem Fall 21A.
Nachtrag: ich hab inzwischen den Kaltwiderstand der Kathode gemessen, das sind wie beim ALC60 etwa 20 Milliohm. Da die Wendel sichtbar ist, kann man auch etwas rechnen: Draht quadratisch mit etwa 1mm Kantenlänge, 6.5 Windungen, Durchmesser der Spirale 8mm. Das paßt eigentlich besser zum spezifischen Widerstand von Tantal, der fast dreimal höher als der von Wolfram ist. Vermutlich liegt es aber eher daran, daß Kathoden aus gesintertem Wolframpulver bestehen, im Prinzip also nicht den vollen Querschnitt eines massiven Wolframdrahtes haben.

Bild 3 - Bei etwas anderer Perspektive wird das "Höllentor" sichtbar, der Eingang in die Berylliumoxid- Kapillare, in der wahrhaft höllische Temperaturen herrschen. Wenngleich der Plasmakern in der Kapillare noch immer überbelichtet ist, stimmt hier wenigstens halbwegs die Farbe des Glimmens im Kolben.
Leider habe ich es nicht geschafft, ein anderes außerordentlich interessantes Phänomen auf ein Photo zu bannen: um die glühende Kathode ist mit dem Auge ein schwacher grauer Saum zu erkennen, der das Spektrum von neutralem Argon zeigt. Wenn im Betrieb die Heizspannung reduziert wird, wird diese Schicht dünner, und ab etwa 2.0V erreicht das violette Plasma die Spirale. An diesem Punkt wird dann wohl das Sputtern der Kathode beginnen. (Zum Wohl der Wissenschaft habe ich etwas Lebensdauer der Röhre geopfert, um das Verschwinden des neutralen Saums zu demonstrieren.)
Das ist das, was mich an der LGR 7801 immer fasziniert hat: man kann all diese spannenden Dinge im Betrieb einfach sehen.

Die Röhre hat beim Testen ganz nett losgelegt. Das mag daran liegen, daß sie nur etwa 2000 Stunden auf dem Buckel hat. Mit 48 Ohm Lastwiderstand läuft sie bei 4.4 Ampere (85 Volt Röhrenspannung), die Laserleistung liegt dann schon bei 17.5mW Gesamtleistung in 8 Linien von 514- 457nm. Das ist einges mehr, als mein ALC60 noch bringt.
Bei 24 Ohm Last liegt der Strom bei 8 Ampere (95 Volt Röhrenspannung), und dann bläst die Kleine satte 83mW raus. Der unfokussierte Strahl "sticht" schon auf der Fingerkuppe, und er schmilzt auch schon eine kleine Grube in einen roten Schraubenziehergriff. Zusätzlich zu den 8 Linien ist dann auch noch 454nm zu sehen, verschwindet aber nach einiger Betriebszeit (nur wenn das Gehäuse offen ist). Die beiden stärksten Linien sind 514nm und 488nm, gefolgt von 457nm auf Platz 3.
Die Lasos-Röhre läuft heißer als die ALC, der BeO-Kern hat bei 4.4A (ohne Gehäuse) schon eine Temperatur von etwa 85°C, bei 8A sind es 152°.
Bild 4 - Es gibt im Web wenige Bilder von dieser Röhre, deshalb habe ich mich entschlossen, hier noch ein paar online zu stellen. Ansichten eines kompletten Laserkopfes findet man in Foren (nach "LGK 7872" suchen).
Seitenansicht der LGR 7801 ML. Welche Subversion das ist (oder ob die Bezeichnung überhaupt stimmt), kann ich nicht sagen, da die Röhre selbst außer der BeO-Warnung keinerlei Bezeichnung trug. Ich bin mir auch nicht sicher, ob 1998 eine originale 25mW- Version getauscht oder eine heißere 40mW- Version eingesetzt wurde. Auf dem Bild sind die Schutzkappen über den Resonatorspiegeln entfernt.
Mit dem Siemens-Prototypen LGR 7801 von 1985 hat die Röhre außer der äußeren Form nicht mehr so viel gemeinsam, wenn ich mich richtig erinnere. Damals waren die Spiegelrohre kürzer, das Anodenende bestand auch aus Glas, die Kathode war zusammen mit einem Getter mehr seitlich angebracht, und der Metallschild zwischen Glaskörper und BeO-Kapillare fehlte noch. Die Siemens-Röhre war Singleline 488nm und produzierte nur etwa 2mW.

Bild 5 - das kathodenseitige Ende der Röhre mit dem HR-Spiegel. Die original darüber befindliche Aluminium-Röhre ist mit einigen Blobs Silikongummi festgeklebt, läßt sich durch vorsichtiges Hin- und Her-Drehen aber losbekommen. Die Silikonreste können dann mit einer langen Pinzette entfernt werden, und dann läßt sich das Rohr abziehen.
Die Justierschrauben des Spiegels sind zu erkennen. Durch (sehr vorsichtiges) Drücken im Betrieb habe ich schon festgestellt, das sich die Röhre noch nachtunen läßt, es sind etwa 90mW bei 8A drin.
Der Glaskolben wird im Betrieb übrigens sehr heiß, das scheint aber normal zu sein, da das Gehäuse in diesem Bereich keine Luftströmung vorsieht (keine Schlitze).
Das Aluminiumrohr bringt man übrigens besser wieder an, denn das heiße Glasrohr reagiert sehr empfindlich auf Luftzug und die daraus resultierenden thermischen Spannungen. Die Laserleistung kann rund 25% einbrechen. Als Ersatz für das entfernte Silikon habe ich einen Streifen schwarzen Schaumstoff eingesteckt, wie er auch zum Schutz von Halbleitern verwendet wird. Die Löcher, durch die ursprünglich das Silikon eingespritzt wurde, sollten verschlossen werden, soweit sie nicht ohnehin durch die Aufkleber verdeckt sind, um kalte Luft abzuhalten.

Bild 6 - das anodenseitige Ende der Röhre mit dem Auskoppelspiegel (OC). Die Anode ist in eine bernsteinfarbene Folie gewickelt, um sie gegen den Sockel zu isolieren. Das gab bis jetzt nie Probleme mit dem Zündpuls.

Nachtrag: die Lasos-Röhre ist sehr anspruchsvoll, was das Temperaturmanagement angeht. Beim Einbau in das Original-Gehäuse traten thermische Spannungen auf, die die Laserleistung um bis zu 50% einbrechen ließen. Das liegt offenbar daran, daß auf der Kathoden- (HR-) Seite durch Öffnungen kalte Luft einströmt und das oben schon erwähnte Problem mit thermischen Spannungen noch verschärft. Teilweise ließ sich durch gezieltes Zuhalten von Löchern mit dem Finger die Leistung "regeln".
Das Endblech und die Kabeldurchführungen müssen gut abgedichtet sein, dann bleibt die Leistung stabil. Wer also Probleme mit Leistungseinbruch bei einem LGK 7801, LGK 7812, LGK 7872 oder einem anderen Kopf der Lasos LGK 78XX- Serie hat, sollte kontrollieren, ob die Dichtungen zwischen Front- und Rückseitenblech und dem Gehäuseoberteil noch in Ordnung sind.
Mit Gehäuse steigt die Kerntemperatur übrigens auch ein paar Grad weniger an. Bei 8A bleibt die 9. Linie bei 454nm nun auch ständig sichtbar.

Hinweis: die folgenden Werte gelten für meine Röhre. Argonlaser sind ausgeprägte Individualisten, also ist die Tabelle nicht allgemeingültig. Gegenüber einer früheren Version sind die Werte korrigiert, weil mein Leistungsmeßgerät einen Kalibrationsfehler hatte.

Meßwert Vorglühen R = 48 Ohm R = 24 Ohm
Anodenspannung 0 83 Volt 95 Volt
Anodenstrom 0 4.4 Ampere 8 Ampere
Heizspannung 2.25 Volt 2.25 Volt 2.25 Volt
Strom im Heizkreis (AC+DC) 21 Ampere 21.5 Ampere 22 Ampere
Laserleistung 0 17 mW 83 mW
Laserlinien - 8 (514-457nm) 9 (514-454nm)
BeO-Kerntemperatur - 83 °C 142 °C


Nachtrag 2: Joe aus dem Laserfreak Forum hatte mir schon vorletztes Jahr eine schöne alte "Vintage" LGR 7801 überlassen. Sie sieht genauso aus wie die Siemens-7801, an die ich im Jahr 1985 mein Herz verloren hatte. Hier ein paar Bilder dieses Schatzes aus meiner neuen Wohnung.

Bild 7 - Totale von meiner Spielecke in der neuen Wohnung. Hinten stehen Variac mit Kathodenheiztrafo links und das große Schaltnetzteil vom ALC909 rechts. Man kann das SNT auch für kleine Röhren verwenden, nur muß man dann 3 Ohm in die Anodenleitung schalten, damit der Strompuls beim Zünden der Röhre nicht den Überstromschutz des Netzteiles ansprechen läßt. Links vorne in dem flachen Gehäuse befindet sich die Zündplatine aus einem LGK7812-Kopf.
Die alte LGR7801R lasert hier bei etwas über 3A, Anodenspannung 78 Volt.

Bild 8 - Die Röhre vergrößert. Wie üblich für meine nackten Röhren liegt sie seitlich in der Ansaugöffnung des Tarzan-Lüfters vom ALC 60. Deutlich zu sehen ist hier das blaue Anodenlicht. Im Gegensatz zu den neueren Lasos-Röhren hatten die alten, noch im Siemens-Stil gebauten auch an der Anode noch Glas. Die Form der Kupferkühlbleche ist gleichfalls etwas anders. Die Anode ist kleiner und hat nur zwei Bleche.
Nur schwer zu erkennen in der überbelichteten Entladung im Kolben ist die querliegende kleinere Kathode, die mit nur 12.5A geheizt wird. Die korrekte Spannung ist auf dem Etikett handschriftlich vermerkt: 2.07 Volt. Die wurde zu jener Zeit offensichtlich noch für jede Kathode individuell ermittelt.

Bild 9 - Noch einmal die Röhre, diesmal mit dem Laserspot an der Wand. Interessanterweise hat diese alte Röhre Multilineoptiken.




Eine China-CO2-Laserröhre



Bild 1 - Die CO2-Laserröhre in ihrer monentanen Form (Ende Januar 2011). Im Hintergrund die Hochspannungsversorgung aus zwei parallelen Neontransformatoren, die über einen Variac geregelt werden. Sie speisen eine Doppelkaskade, die die benötigte Spannung von rund 20kV erzeugt.
Die Wasserkühlung besteht aus einem Eimer mit etwa 5 Litern destilliertem Wasser unter dem Tisch, in dem eine kleine Teichpumpe steht. Pumpleistung ist rund 10 Liter pro Minute.
Im Bild erzeugt der Laser eine Leistung von etwa 11W, was sich in einem hell glühenden Punkt auf dem Strahlfänger aus Keramikbruchstücken deutlich erkennen läßt. Die Röhre ist zwar eine Standard-40-Watt-Type des Herstellers Coletech (Provinz Anhui/VR China), zum Experimentieren reichen jedoch schon wenige Watt völlig aus. Das ist auch weniger gefährlich.

Als ich Ende 2010 beim Stöbern auf Ebay über die wirklich günstigen Angebote für abgeschmolzene CO2-Laser aus Glas gestolpert bin, juckte es mich in den Fingern. Die Verwendung solcher Röhren in preiswerten Gravier- und Schneidgeräten für den Massenmarkt hat die Preise solcher Röhren aus chinesischer Fertigung ins Bodenlose fallen lassen. Ähnlich wie es bei Laserdioden war. Also hab ich mir eine Röhre bestellt, um zu sehen, was bei mir ankommt und wie weit ich damit komme. Insbesondere fand ich den Gedanken interessant, die Leistung über eine längere Lagerungszeit zu messen.

Bild 2 - Coletech verspricht in seinem Webshop sofortigen Ersatz, falls die Röhre beim Transport zu Bruch geht. Für einen solchen Fall sollte man aber das Auspacken per Photo dokumentieren. Meine Röhre kam heil an, ich brauchte die Bilder also nicht, deshalb gebe ich sie hier zur Erbauung verkleinert wieder. Wie zu sehen ist, jede Menge chinesische Zeitungen. Der Röhrenkarton selbst wird von zwei dicken Schaumstoffpuffern gehalten. Im Karton ist die Röhre mit Puffern aus Styropor, Schaumstoff und Klebeband fixiert.
Ich denke auch der schnelle Versand trägt seinen Teil dazu bei, daß die Röhre heil angekommen ist. Geliefert wurde innerhalb von drei Tagen per Luftfracht. Die kurze Zeit läßt natürlich weniger Gelegenheiten für einen Schadensfall.

Die Röhre selbst ist ein absolutes Kunstwerk des Glasbläserhandwerks (Details siehe unten). Sie trug außer den unverkennbaren Laserwarnschildern keinerlei Markierungen. Mit viel Mühe (und der Hilfe von Leo.org) habe ich die Aufschrift des Kartons als "Technisches Glasgerät - Vorsicht! - Sorgfältig ablegen/stapeln" ungefähr übersetzt. Technische Spezifikationen gibt es nur auf der Webseite des Herstellers:
Zündspannung 22kV, Betrieb bei 18mA @ 15kV, Ausgang 40W TEM00 @ 10600nm, Strahldurchmesser 1.95mm.
Bei ersten Tests zündete die Röhre gut, und schon ab 2.5mA läßt sich eine stabile Entladung aufrechterhalten. Ich fahre sie meist bei 5mA, weil das das Limit meiner Kaskade ist. Entspricht 27.5% des Nennstromes; dementsprechend erzeugt die Röhre bei diesem Strom mit gemessenen 11W auch 27.5% der Nennleistung von 40W (bei CO2-Lasern hängt die Leistung linear vom Strom ab). Wie ich schnell herausfand, reicht das für Experimente völlig aus.

Bild 3 - Das Kathodenende der Röhre mit dem flachen Auskoppelspiegel. Letzterer besteht bei meiner Röhre aus Germanium mit einem Kühlmantel aus Glas. Das Kühlwasser benetzt das Germanium direkt, anders als bei Zinkselenid-Spiegeln, deren Kühler einen geschlossenenen Metallmantel besitzen, denn ZnSe wüde sich schon bei Kontakt mit leicht saurem Wasser zersetzen. Germanium hingegen ist gegen nicht zu starken Säuren und Laugen beständig und ungiftig.
Die Kathode besteht bei abgeschmolzenen CO2-Lasern meist aus Nickelblech, das die Regeneration von zersetztem Lasergas katalysiert. Sie ist üblicherweise deutlich größer als die Anode und befindet sich auf der Auskoppelseite.
Bild 4 - Das Anodenende der Röhre. Der hochreflektierende Spiegel besteht aus Glas mit einer Goldschicht, am Rand trägt er die Markierung "3>", was ich mal als Krümmungsradius von 3 Meter interpretiere.
Beide Spiegel sind mit durchsichtigem Epoxy auf die Röhre aufgeklebt. Die Verklebung sieht hier allerdings bedeutend besser aus als die Abbildungen auf Webseiten, die ältere chinesische CO2-Laser zeigen (das Epoxy ist da meist eine breite Zone gelbweißen verschmierten "Schnupfens"). Die Qualität hat offensichtlich also um einiges zugenommen.
Bild 5 - Die Röhre in Betrieb. In jedem Fall muß der Strahl eines solchen Lasers durch ein feuerfestes Ziel abgefangen werden. Bei 10W Leistung erscheint schon wenige Sekunden nach dem Einschalten ein rotglühender Punkt. Die geringste Unachtsamkeit kann hier bereits einen Brand auslösen. Ich benutze kaputte Badezimmerkacheln als Strahlstopper. Der dicke Balken dahinter dient als zweite Verteidigungslinie, denn Keramik springt unter den starken Wärmespannungen schon mal (der Scherbenstapel war am Anfang mal EINE Kachel).
Unnötig zu erwähnen, daß blankes Metall nichts im Strahlengang zu suchen hat. Es geht auch nichts ohne Augenschutz, denn der infrarote Strahl kann zwar nicht ins Auge eindringen, wohl aber die Hornhaut irreparabel verbrennen. Wenigstens die 5 Euro für eine Staubschutzbrille aus dem Baumarkt sollte auch das knappste Budget eines Amateur-Forschers hergeben. Deren Plastikscheibe hält einem Volltreffer zwar vermutlich nicht lange stand, schützt aber wenigstens vor Streustrahlung.
Letztere ist nicht unerheblich und kann mit der Haut als Wärme gespürt werden, wenn man die Hand SEITLICH neben die Kachel hält (NIEMALS in den Strahlengang fassen!). Das fühlt sich an, als sei die ganze Kachel heiß, obwohl sie am Rand in Wirklichkeit kühl ist. Haut kann kleine Mengen 10um-Strahlung gut wahrnehmen, große Mengen verkochen die Nerven, ehe die etwas registrieren. Man merkt dann am Geruch, daß etwas schiefgegangen ist, so wird erzählt...
Nun finde ich eine solche gläserne Röhre zwar äußerst dekorativ, aber zum Rumkokeln ist sie mir zu schade. Was mich wirklich interessiert ist ihre Leistungsfähigkeit über die Zeit. "Soft sealed" -Röhren haben eine begrenzte Lebensdauer, aber es gibt einige Tricks, um sie bei Laune zu halten. Einige davon werden zum Beispiel auf Sam's Laser FAQ verraten, im Kapitel über HeNe-Laser, die früher auch verklebte Spiegel hatten. Sam selber schreibt, daß er einen solchen jahrzehntealten HeNe besitzt, der dank täglicher Pflege immer noch schwach lasert.
Voraussetzung für Messungen an einem CO2-Laser ist dann natürlich ein Meßgerät für die abgegebene Strahlung. Bei der Höhe der Leistung geht das am einfachsten mit einem Kalorimeter.

Bild 6 - Mein "Tassen-Kalorimeter". Ein poliertes Messingblech lenkt den Strahl um, so daß er senkrecht nach unten in eine Tasse mit einer definierten Menge Wasser fällt. Der Strahl trifft das Wasser dabei nicht direkt, sondern wird in einem kegelförmigen Einsatz aus dünnem Aluminiumblech mehrfach reflektiert und absorbiert, so daß möglichst wenig Strahlung nach oben zurückgeworfen wird. Der Kegel ist von innen lackiert (es tut jeder Kunststofflack, er muß nicht schwarz sein, da alle Kunstoffe bei 10um gut absorbieren); er ist in dem eingesetzten kleineren Bild links unten einzeln zu sehen.
Die Pappblende und das Klebeband drücken den Kegel in das Wasser, damit er nicht aufschwimmt. Ein Thermoelement mißt die Wassertemperatur. Gemäß der Formel: "1 Kalorie erwärmt 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius" kann man über die Temperaturerhöhung die eingestrahlte Kalorienzahl errechnen, rechnet die in Joule um und bekommt über die Bestrahlungsdauer in Sekunden dann die mittlere Leistung in Watt.
Die Keramiktasse isoliert das warme Wasser ganz gut, solange die Temperaturdifferenz nicht zu groß wird (etwa 10 Grad höchstens). Ich verwende meistens 200ml Wasser und eine Meßdauer von 10 Minuten (600s).
Ergebnisse
Die Charge Röhren auf Ebay, die ich entdeckt hatte, war etwa ab Anfang Dezember 2010 im Angebot, deswegen gehe ich bei der Herstellung von Ende November aus. Ich habe die Röhre Mitte Dezember 2010 bestellt und ab Ende Dezember die Leistung bei jeweils 5mA Entladungsstrom monatlich gemessen. Im Rahmen der Meßgenauigkeit waren es anfangs rund 11W, was gegenüber dem Nennstrom von 18mA etwa 27.5% der Nominalleistung von 40W entspricht.

Diagramm 1 - Entwicklung der Ausgangsleistung der CO2-Laserröhre über die Monate. Ein schleichender Verfall der Leistung läßt sich schon im 3. Monat beobachten, die Werte liegen jedoch noch innerhalb der Herstellergarantie (80% der Nennleistung nach 3 Monaten Lagerung).
Horizontal ist die Anzahl der Monate aufgetragen, vertikal die gemessene Ausgangsleistung in Watt bei 5mA Entladungsstrom. Während jeder Meßkampagne von 5-6 Einzelmessungen scheint die Röhre sich jeweils etwas zu erholen. Die Farbe der Entladung wechselt dabei jeweils auch von einem weißlichen Violett zu einer etwas rötlicheren Nuance.
Die roten "C"s markieren jeweils zweistündige "cleaning"-Läufe, die einen deutlichen Einfluß auf die Leistung hatten.
Letztere Beobachtung stimmt auch mit dem Verhalten der alten "soft sealed" HeNe-Laser überein: regelmäßige Inbetriebnahme reinigt das Gas wenigstens teilweise und verlängert die Lebensdauer erheblich.




Wie ein vernachlässigtes Kätzchen: ILT 5490



Als ich diesen Laser gekauft habe, rührte es wirklich mein Herz. Wie ein vernachlässigtes Kätzchen im Regen stand er eben da. Dabei waren sowohl Netzteil als auch Kopf in der Grundsubstanz noch original. Anders als sonst beschloß ich daher, den Laser zu restaurieren, d.h. möglichst in den Urzustand zu versetzen. Normalerweise kaufe ich nur den Kopf und nehme ihn auseinander, um ihn an meine Labor-Netzteilmodule anzupassen.
Wenngleich das Gehäuse schrecklich aussah (mindestens ein Jahrhundert lang nicht mehr geputzt) und jede Menge Teile fehlten, dafür aber andere mit wenig Sachverstand angeflanscht waren, ergab ein erster Funktionstest, daß das arme Laserchen noch ging. Die Röhre machte viel Grün, was üblicherweise ein gutes Zeichen ist: dann ist noch genügend Gas vorhanden.

Bild 1 - So schick kann ein 20 Jahre alter Laser aussehen. Dieses restaurierte "vintage" ILT Modell 5490 ACM, multiline, multimode, stromgeregelt, bringt bei 10A noch die 100mW, die in alten Prospekten stehen, bei Imax sind es etwa 120mW (extrapoliert, ich reiße den Hahn nicht ohne Not bis zum Anschlag auf). Emission im Idle-Mode (6A) auf den 5 Linien 515, 496, 488, 476 und 457 nm bei knapp 20mW. Ab 7.5A kommt noch 502nm dazu.
Das Netzteil ist ein Modell 5400C, das offensichtlich für den europäischen Markt angepaßt wurde. Es läuft mit 230V. Das Innere schien, soweit ich das sehen konnte, seit langem unverändert zu sein, im Gegensatz zum Kopf.


Diagnose
Mein ILT wurde zuerst in der Schweiz verkauft, im Jahr 1990. Ein echter "Vintage" also und ein Grund mehr, ihn zu restaurieren. Mehrere Aufkleber und Markierungen lassen mich vermuten, daß er zuerst bei einem Stageverleih für kleine Lasershows vermietet wurde. Bestimmte Macken im Lack sind recht typisch für Geräte, die zwischen Roadcases gestapelt wurden. Ich vermute mal, irgendwann ging er an einen Zwischenhändler, der ihn "gepimpt" (Lichtsensor rausgerissen, Stromregler an den oberen Anschlag) an einen Amateur mit viel Enthusiasmus, aber nicht so glücklichen Händchen verscherbelt hat. Möglicherweise ist er mehrfach weiterverkauft worden, hat die letzten Jahre dann in irgendeinem Keller Staub angesetzt, weil nicht das rauskam, was erhofft war, und ist schließlich für ein Butterbrot an mich vertickt worden. Viel gelaufen ist er insgesamt nicht.
Als er bei mir ankam, war es der dreckigste Laser, den ich je bekommen habe, so siffig war nicht mal der ALC. Erster Eindruck: die Resonatorabdeckungen fehlten, dafür ragte da eine absonderliche Sammlung von langen Schrauben in die Welt. Durch die fehlenden Abdeckungen pustete natürlich die ganze Kühlluft durch die Spiegelträger ins Freie, was einer der Vorbesitzer durch einen zusätzlichen gräßlichen Miefquirl aus dem Elektronik- Supermarkt zu kompensieren versucht hatte. Leider brachte das nicht nur nicht viel, weil die darunterliegende Gehäusedichtung schon lange verrottet war, sondern beim Einbau war auch noch das Gehäuse nachhaltig vermurkst worden.
Der Betriebsstundenzähler zeigte zwar erfreulich niedrige Werte an, das mußte aber nichts heißen. Kann erstens manipuliert sein oder wenn nicht, zweitens die Röhre die ganze Zeit mit Volllast gelaufen sein. Dann ist sie auch nach kurzer Zeit schon hin. Immerhin machte sie noch viel Grün, was mich hoffen ließ. Der Stromregler stand auf Maximum (10.8A), was recht mäßige 60mW bescherte. Naja, bei dem Sammelsurium an Justierschrauben im Resonator kein Wunder...
In Netzteil und Kopf sahen die Platinen alle gut aus, waren von innen nur recht staubig. Das kann bei einem 20 Jahre alten Gerät aber auch ruhig erwartet werden. Pinsel und Staubsauger schaffen Abhilfe. Der graue Siff außen am Gehäuse läßt sich übrigens mit Glasreiniger einfach entfernen.

Gasreinigung
Beim Stöbern in den Laserforen bin ich auf ein paar Postings von Steve Roberts gestoßen, in denen er beschreibt, daß der 5490 dauernden Betrieb mit maximalem Strom nicht mag. Die Getter reinigen das Gas am besten bei langem ununterbrochenen Betrieb (24h) bei Idle-Strom. Das funktioniert nur dann nicht, wenn die Röhre trotz optimaler Spiegeljustierung nur noch die blauen Linien zeigt, dann ist sie unwiderbringlich am Ende. Übrigens auch dann, wenn trotzdem die Brennspannung hoch ist - das kommt dann vom Wasserstoff. Ist der weggegettert, ist's vorbei mit dem Gasdruck und Ende.
16 Stunden Lauf bei 6A brachten bei mir schon mal 10% mehr Leistung, ohne daß ich die Schraubensammlung auch nur angefaßt habe.

Bild 2 - Die Rückseite des laufenden ILT 5490. Gestreutes Laserlicht in den beiden Teflonblöcken, die die Brewsterfenster und Spiegel schützen, ist durch die laufenden Ventilatoren deutlich zu sehen.
Die moderne Variante des 5490 hat statt dieser Teflonblöcke Metallbälge. ILT stellt zwar schon lange selbst keine Laser mehr her, aber einige Firmen (z.T. mit der alten Belegschaft der Produktion von ILT) verkaufen grundüberholte Laser von ILT mit neuen Röhren und deutlich besserer Spec als früher. Ein solcher moderner 5490 mit 200mW kostet etwa 4000 Euro.


Kühlung
Voraussetzung für Kühlung bei ILTs ist, daß das Gehäuse dicht ist. Die Ventilatoren drücken Luft nach Innen, und durch den Überdruck strömt die Luft durch den Kühlkörper zur Öffnung im Oberteil. Das Abbauen von Gehäuseteilen ist da gar keine gute Idee. Wenn dann noch externe Bohrlöcher die Auflage der Rückwand vermurksen (die wurde zum Teil mit einer Kneifzange abgeknabbert, schauder), dann ist es kein Wunder, wenn hinterher alles verzogen ist und nicht mehr dichtet. Zusatzlüfter helfen da auch nicht mehr viel.
Das bedeutet, es mußte mit Zange, Feile, Schleifpapier und Spachtel alles wieder soweit möglich in den Urzustand versetzt werden. Die fehlenden Resonatorabdeckungen lassen sich aus Aluminium oder Kunststoff nachbilden.
Fehlende Gehäuseschrauben kann man aus alten PCs ausschlachten: die Halteschrauben von Festplatten haben das gleiche zöllige Gewinde wie die Gehäuseschrauben am ILT.
Die obere Ventilationsöffnung im Gehäusedeckel hat eine Schaumstoffdichtung. Solche Dichtungen waren bei bisher allen Argonlasern, die ich in die Finger bekam, verrottet und mußten ersetzt werden.
Ach ja, die Farbe zum Ausbessern der Kratzer, das "Amiga-Beige" der späten 1980er gab es nicht zu kaufen, es kann aber aus Elfenbein und Grau gemischt werden.

Resonator
ILT schreibt in seinen Manuals, daß der Benutzer Spiegel und Brewsterfenster nicht selbst reinigen soll, weil die Montage bei der Herstellung in einem Reinraum erfolgt ist. Steve stimmt damit überein. Justieren kann man selbst, allerdings muß das sehr feinfühlig geschehen, da die ILT-Spiegel recht kurze Krümmungsradien haben.
Die Schrauben am Resonator können ausgetauscht werden, ohne die Grundjustierung zu verlieren: immer nur eine einzige Schraube lösen und solange nichts anderes anfassen oder verändern, bis die Schraube wieder drin ist und man den Strahl wieder hat! Auf diese Weise können sukzessive, immer eine nach der anderen, alle Schrauben ausgetauscht werden. Auf die x-Achse des Resonators gehören M3x20 Schrauben, auf die y-Achse M3x10 Schrauben. Die eigentliche Justierschraube (großes Loch) ist dabei eine normale Inbus. Die Pivots (kleine Löcher) sollen eigentlich Madenschrauben sein. Wer so etwas im Baumarkt nicht findet, kann von normalen Schlitzschrauben den Kopf soweit abdrehen, bis er bündig mit dem Gewinde ist.
Es bringt übrigens gar nichts, all diese Schrauben mit Gewalt festzuknallen. Ein Resonator dieser Bauart soll im Betrieb einfach nachzustellen sein (das ist sogar im Manual beschrieben). Deshalb nur so weit anziehen, daß sich die Justierschrauben mit einem kleinen Innensechskantschlüssel noch mit der Hand drehen lassen.
Das eigentliche Justieren ist auf Sam's Laser FAQ im Kapitel "Walking the Mirrors" erschöpfend beschrieben. Bitte lesen und verstehen.

Bild 3 - Der nachgerüstete Lichtsensor. Insider werden die "Kupfernase" des ALC60 hier noch unschwer wiedererkennen. Ich habe inzwischen aber eine TNC-Buchse mit Schraubdeckel darübergeklebt, damit das Gebilde möglichst original aussieht.
Der originale Lichtsensor ist bei ILTs ein Teil mit der Resonatorabdeckung. Mit dem vom ALC verpflanzten Sensor ist das natürlich nicht möglich, ich habe ihn daher mit M3-Schräubchen auf meiner nachgebildeten Abdeckplatte befestigt.
Im Bild läuft der Laser im Idle-Modus bei 6A mit etwa 19mW. Der Strahl streut nur am natürlichen Staub in der Luft. Das links unten eingesetzte kleine Bild zeigt die 5 aktiven Laserlinien bei 6A.


Lichtsensor
Bei lichtgeregelten Lasern werden die Sensoren von skrupellosen Zwischenhändlern gerne mal rausgerissen. Die Lichtregelung im Kopf sieht dann nichts mehr und dreht den Strom entsprechend stärker auf, bis die Begrenzung des Netzteiles anspringt. Ergebnis ist ein Laser, der bei der Vorführung einen beeindruckend starken Strahl macht. Leider ist er nach ein paar Monaten bei Imax dann auch im Eimer.
Mein ILT ist glücklicherweise stromgeregelt (bei ILTs bdeutet das "C" in der Modellnummer "current regulated"). Der Regler war zwar auch auf den oberen Anschlag gedreht, das ließ sich mit einem kleinen Schraubenzieher aber schnell ändern. Den Lichtregler braucht man hier eigentlich nicht, und bei den ILTs, die heute noch verkauft werden, ist bei "C"-Modellen auch kein Lichtsensor mehr dran. Ich konnte aber nicht herausfinden, ob das früher auch schon so war. Da ich von meinem ALC60 noch einen Lichtsensor übrig hatte, hab ich den einfach nachgerüstet. Die Regelung erfolgt dabei aber immer noch nur über den Strom, einziger Unterschied ist, daß an den "Laser Power" Buchsen jetzt die Leistung mit 0.1V/mW ausgegeben wird.

Bild 4 - Das Kathodenende des geöffneten Laserkopfes. Der blaue Pfeil zeigt die Pins auf dem Lichtsensor-Board, an die ein Sensor angesteckt werden kann. Der obere Pin ist mit "+" markiert, hier wird der Pluspol einer kleinen Solarzelle erwartet, wie sie im Sensorgehäuse seitlich vom Strahlteiler sitzt. (Ich habe das vorher mit einer Photodiode und einer Solarzelle geprüft, für die ich ein Kabel nach draußen gelegt hatte; ich wollte sicher sein, daß die Regelung nicht plötzlich merkwürdige Dinge tut.) Mit einer Solarzelle klappt's, und bei maximaler Aussteuerung liefert der OpAmp an den "Laser Power" Buchsen dann 13.5V. Eichen muß man dann durch Vergleich der Spannung mit einem Referenz-Laserpowermeter.
Auf dem Bild ist unten auch die hintere Abdeckplatte für den Resonator zu sehen. Im Gegensatz zum Original hat sie ein kleines Fenster in der Mitte (es ist mit einem gekippten Stück Mikroskop- Objektträger verschlossen). Zum einen läßt das den "waste beam" austreten, ich benutze es aber hauptsächlich, um beim Einschalten zu sehen ob die Kathode glüht.


Hinweis: die folgenden Werte gelten für meinen ILT 5490 Baujahr 1990 mit etwa 2600 Betriebsstunden. Argonlaser sind ausgeprägte Individualisten, also ist die Tabelle nicht allgemeingültig.
Meßwert Vorglühen Idle
Anodenstrom 0 6 Ampere 7 Ampere 8 Ampere 9 Ampere 10 Ampere 10.25 Ampere
Anodenspannung 0 102.2 Volt 103.9 Volt 105.6 Volt 107.5 Volt 109.3 Volt 110.0 Volt
Heizspannung 2.70 Volt 2.65 Volt 2.64 Volt 2.64 Volt 2.63 Volt 2.63 Volt 2.64 Volt
Laserleistung 0 18.5 mW 32.1 mW 50.0 mW 71.9 mW 95.5 mW 100.0 mW
Laserlinien - 5 (514, 496, 488, 476, 457nm) 5 (514, 496, 488, 476, 457nm) 6 (514-476, 457nm) 6 (514-476, 457nm) 6 (514-476, 457nm) 6 (514-476, 457nm)


Bild 5 - Ich hatte den ILT 5490 mit auf dem Laserfreak- Treffen 2011 in Essen, bei dem diese schöne alte "Gaslaterne" bei einigen der Teilnehmer recht nostalgische Gefühle aufkommen ließ.

Bildwiedergabe mit freundlicher Genehmigung von decix aus dem Laserfreak.net Forum.




Eine seltene Innova60-Röhre



Ein glücklicher Fund auf Ebay war eine Coherent Innova 60 - Röhre. Bei dem Preis, den ich erzielt habe, war mir ehrlich gesagt egal, ob sie tot war: dann gäbe sie ein schönes Stück für meine Röhrensammlung ab (ich hab nicht nur Laserröhren, so nebenbei).
Tot war sie nicht, aber halt alt, verkalkt und mit abgesackter Kathode. Kalk läßt sich natürlich mit Essig entfernen, gasintakt war sie noch (wie der Verkäufer versprochen hatte), wie ein kurzer Test mit meinem Hochspannungsnetzteil zeigte. Anti-Sag wird auf Sam's Laser FAQ beschrieben, also hab ich das kurzerhand ausprobiert.
Immerhin hatte die Kathode noch Durchgang (etwa 25 Milliohm). Einzig ein zweites Paar an Anschlüssen am Kathodenende mit 80 Milliohm verwirrte mich etwas. HeCds haben ja manchmal eine Reservekathode, aber ein Argonlaser...?

Bild 1 - Die Coherent Innova 60 - Röhre während der "Anti-Sag" Behandlung. Die Röhre liegt auf dem Kopf, und die abgesackte Kathode wird auf dunkler Rotglut gehalten, um sie bei etwa 700°C weich zu bekommen. Hoffnung dabei ist, daß sie zurücksackt.
Ich habe fast zwei Tage des Herumprobierens gebraucht, um die richtige Stromstärke zu finden (9.5A). Insgesamt hat die Behandlung wenig gebracht (statt etwa 66% ist die Kapillare jetzt vielleicht zu 80% frei). Mittendrin machte die Röhre jedoch plötzlich ein "singendes" Geräusch, und danach war die Spannung bei einer bestimmten Stromstärke plötzlich 10% höher als vorher. Ich vermute, hier hat sich eine vorher kurzgeschlossene Windung der abgesackten Kathode plötzlich geöffnet.
Die beiden kleineren Extraanschlüsse sind am Kathodenende zu erkennen, es sind die ohne Kabel dran. :)
Neben Heiztrafo und Variac steht mein DPSS-Lasernetzteil, das ich als Konstantstromquelle für die Messung des Kathodenwiderstandes benutzt habe. (1A durch die Filamentanschlüsse fließen lassen und mit dem DMM die Millivolt messen. Bei 1A gilt nach Ohm's Gesetz: Volt = Ohm.)

Wegen der merkwürdigen Anschlüsse brachte mir auch Tante Google so überhaupt gar keine neuen Ergebnisse. Ich hab schließlich Steve Roberts (ja, DER Steve Roberts) gefragt, der mir folgendes dazu sagte:


Interessante Info's über Innova-Röhren gibt es auch im Coherent US Patent 4,378,600 - ein echtes Kunstwerk. Innen sind Wolframscheiben in fetten becherförmigen Kupfereinsätzen. Die weiße Keramik ist hier übrigens Aluminiumoxid, also nicht giftig (im Gegensatz zu BeO). Alles, was weiß ist, muß bis auf 1cm kurze Enden wassergekühlt werden. Ich werde nicht mal die Kathode ohne Wasserkühlung voll anheizen.

Wasserkühlung
Bild 2 - Da die Keramik der Röhre durchscheint, wie ich bei den "Anti-Sag"- Experimenten mit der Kathode bemerkt habe, habe ich mir einen transparenten Kühlmantel geleistet.Ein 50mm-Plexiglasrohr wird auf beiden Seiten von PVC-Rohren aus dem Baumarkt gehalten. Am billigsten ist es übrigens, dafür einen DN50-Verbinder zu kaufen und in der Mitte auseinanderzusägen. Gummimuffen für 1 1/2-Zoll-Rohre gibt es in der passenden Größe, um die Enden zu verschließen, man muß sie nur kürzer schneiden, damit sie in das kurze PVC-Rohr passen.
Schlauchanschlüsse habe ich auf gebogene Messingbleche gelötet und mit Silikondichtmasse auf das PVC-Rohr geklebt (natürlich muß da vorher ein passendes Loch gebohrt werden!!!). Das ganze wird mit Kabelbindern stabilisiert.



Magnet
Es ist wenig bekannt, daß große Argonlaser auch mit Permanentmagneten betrieben werden können. Ich fand den Gedanken interessant. In der Literatur gibt es eine Arbeit, in der das abwechselnde Längsfeld in hintereinander befindlichen Ringen beschrieben wird [4]. Die zugehörige Gleichung ergibt für Ringe, die etwa den gleichen Durchmesser wie die Länge haben, und auch voneinander den gleichen Abstand wie den Durchmesser, daß das Längsfeld auf der Achse etwa 1/10 der magnetischen Flußdichte im Ringmaterial hat, und zwar zwischen den Ringen in der gleichen Feldrichtung und innerhalb der Ringe entgegengesetzt. In der zitierten Arbeit wurden damit für eine Reihe der üblichen Argonlaser sehr gute Ergebnisse erzielt.
Bild 3 - Permanentmagnete hatten es mir angetan. Aus 288 kleinen NdFeB- Supermagneten habe ich mir dafür vier große Magnetringe gemacht. Die kleinen Stäbe sind sehr stark und gehen nicht freiwillig in derselben Polung so dicht zusammen. In einen Außenring aus starker lackierter Pappe habe ich zuerst jeden zweiten Doppelstab eingeklebt. Die anderen sind dann nach dem Trocken hineingedrückt, die starke Abstoßung preßt sie nach außen in den Ring.
Solche Magnetringe sind sehr stark und ziehen bereits aus 30cm Entfernung Eisenteile an. Vorsicht also damit!!!

Bild 4 - Kühlmantel und darüber 3 Magnetringe auf die Röhre aufgezogen. Ich hatte ursprünglich 4 Ringe auf der Röhre, der äußerste Ring ragt dabei aber bis über die Kathode. Eine Zündung der Entladung war damit nicht möglich, auch nicht mit der stärksten Einstellung meiner Zündbox. Ob das an dem 4. Magnetring oder vielleicht doch einem zu hohen Gasdruck liegt, konnte ich bisher nicht herausfinden. Das Experiment geht also weiter.

Nachträglich habe ichan der Innova-Röhre nochmals gemessen und festgestellt, daß durch meine Experimente die Zündspannung von 5kV auf über 11kV angestiegen ist. Offensichtlich gaselte da irgend etwas mächtig aus. Es ist jetzt nicht mehr möglich, irgend eine Reaktion bei einem Zündversuch zu erreichen.
Ich werde dem inzwischen hier eingetroffenen ALC-909-Schaltnetzteil und vor allem seiner Zündbox noch einen Versuch geben, wenn das nicht klappt, kann ich eigentlich die Röhre nur noch als tot abschreiben. Vielleicht eignet sie sich für Wiederfüll-Versuche, ich bin mir da noch nicht im Klaren drüber, wie es dann weitergeht.
Bild 5 - Eine tote Röhre kann man aufsägen. Anhand der hier sichtbaren, völlig verformten Kathode wird jetzt auch klar, wieso die "Anti-Sag" Experimente nur sehr mäßigen Erfolg gezeigt haben. Beim Versuch, etwas daran zu biegen, ist mir die gesamte Konstruktion auseinandergebrochen, so daß ich mir jetzt wohl Gedanken um selbstgefummelte Kathoden machen muß. Wolframdraht habe ich schon, ein erster Glühversuch im Vakuum zeigte schnell, daß der Draht nach dem ersten Erhitzen spröde wird und in der Tat nicht mehr biegsam ist.
Der geöffnete weiße Kasten unten auf dem Bild ist übrigens der mysteriöse Getter, der am Boden der Kathodenglocke anlag. Ein grau beschichtetes, gefaltetes Metallband.

Ich habe mittlerweise die Flansche der SP2017-Röhre auf die Innova umgerüstet. Zwei kaputte Röhren sind mir zuviel für weitere Experimente, und für die I60 habe ich immerhin schon einen Kühlmantel und die Magnete.

Stay tuned!




Untote Röhre: Spectra Physics 2017



Ich habe dieses Jahr eine Spectra-Physics Argonlaserröhre vor dem Müll gerettet. Die Röhre war ohnehin tot, Luft gezogen, Kathode offen, also die Gelegenheit, hineinzuschauen. Die Bilder habe ich vor einiger Zeit schon ins Laserfreak Forum gestellt.
Im Laufe der Diskussion fragte ich mich, ob man vielleicht mit dem noch intakten Röhrenkern etwas anfangen kann. Es war wieder Steve Roberts (ja, genau der...), der mich darauf brachte, das Ding gepulst zu betreiben. Also zog Fr. Dr. Frankenstein sich die Gummihandschuhe über...

Pathologie
Unten ein paar Bilder von der Demontage der Röhre. Ein wichtiges Detail ist in diesem Zusammenhang, daß bei Röhren mit Wolfram-Kupfer Einsätzen das weiße Außenrohr aus Aluminiumoxid- Keramik besteht, die nicht giftig ist. Bei Röhren aus Berylliumoxid ist wegen des giftigen Staubes, der bei einer versehentlichen Beschädigung der Keramik entstehen kann, sehr viel mehr Vorsicht geboten.

Bild 1 - So sieht eine nackte Spektra-Physics Argonlaser-Röhre aus, wenn sie aus ihrem dosenförmigen Resonatorrahmen ausgebaut ist. Länge etwa 70cm. Der Aufbau mit internen Spiegeln ist sehr kompakt. Die Schraubflansche sind natürlich für den Bastler ein Geschenk.



Bild 2+3 - Die Anodenseite der Röhre vor und nach dem Zerlegen. Zwischen den beiden Flanschen klemmt eine Kupfer- Schneidringdichtung. Am herausgefallenen Spiegel wird auch klar, wie die Luft in die Röhre gelangt ist. Ich frage mich allerdings, wie es möglich ist einen derart dicken Glasblock zu zerbrechen.



Bild 4+5 - Die Kathodenseite der Röhre. Ebenfalls klemmt hier eine Schneidringdichtung zwischen den Flanschen. Der kathodenseitige Spiegel ist noch intakt. Die beiden Schraubanschlüsse für die Kathodenheizung sind gut erkennbar. Der kleine Aufkleber trägt den Text "Spectra Physics - Model No. 021" und die vierstellige Seriennummer der Röhre.



Bild 6+7 - Die Kathodenglocke der Röhre ist am Außenrand geschweißt. Die Schweißnaht läßt sich vorsichtig auffeilen (Vorsicht bei Nickel-Allergie!). Danach kann man den Kathodenaufbau herausnehmen.
Der Blick in den Röhrenkern zeigt nun die erste der dicken gelochten Kupferscheiben, die die Wolframeinsätze der Entladungskapillare tragen. Die Löcher am Rand dienen zum Rückfluß des Gases, das durch Kataphorese zur Kathode "gepumpt" wird.
Der Kathodenaufbau zeigt die Wolframspirale mit dem gebrochenen Schweißpunkt. Das Wolfram hat noch eine glatte silbrige Oberfläche, was zeigt, daß die Luft nicht während des Betriebes in die Röhre gelangt ist und die Kathode während ihrer Lebenszeit nicht sehr gesputtert hat. Da man sie mit Amateurmitteln nicht flicken kann, hilft das leider wenig.


Modifikation für Pulsbetrieb
Eine Argonlaserröhre zu pulsen ist für den Amateur viel einfacher, da man weder Magnet noch geheizte Kathode braucht. Dafür muß man einen Vakuumpumpstand besitzen, um das Argon kontinuierlich durchpumpen zu können, und natürlich eine geeignete Hochspannungsquelle. Beides hab ich von meinen Selbstbaulasern. ;)

Die Kathode habe ich entfernt (die Schweißpunkte sind spröde und brechen leicht) und durch ein Aluminiumrohr ersetzt, ähnlich wie bei einem HeNe-Laser. An den Enden sind Aluminiumzwischenstücke mit seitlichen Anschlußrohren zwischen den Flanschen eingefügt, siehe unten.


Bild 8+9 - Hier sind der Kathodenaufbau mit einem Alurohr (ähnlich wie bei einem HeNe-Laser) und die Anodenseite mit dem geflickten Spiegel zu sehen. Die Aluminiumadapter zwischen den Flanschen hat nr_lightning aus dem Laserfreak-Forum für mich gefräst (noch einmal danke dafür!).
Das Kathodenende ist jetzt mit einem DN50-Flansch versehen, die passende Dichtung liegt unter dem Kathodenaufbau. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Kathodentypen testen.



Bild 10 - Der Aufbau ist zumindest schon mal dicht. Im Bild ist ein Pumpversuch mit meiner Drehschieberpumpe zu sehen. Die Klebestellen und Flansche hielten alle dicht, nachdem das anfängliche Ausgasen beendet war.

Ich habe mittlerweise die Flansche der SP2017-Röhre auf die Innova 60 umgerüstet, die ebenfalls verstorben ist. Zwei kaputte Röhren sind mir zuviel für weitere Experimente, und für die I60 habe ich immerhin schon einen Kühlmantel und die Magnete.
Die Reste der SP2017 sind als Teilelager inzwischen für andere Projekte aufgebraucht. :(





Diane's Laser Sammlung



Bild 1 - Die letzte Spur meines Farbstoff-Laserprojektes aus den frühen 1980er Jahren ist eine Zeichnung. Der Entwurf trägt noch deutliche Spuren des "Farbstoffküvette statt Rubin" - Gedankens. Ich habe ihn so wie gezeichnet gebaut, er hat natürlich nicht funktioniert.
Auch spätere Umbauten brachten keinen Erfolg, so daß ich ca. 1985 aufgab.

Bild 2 - Nachdem meine alte Siemens-HeNe-Laser-Röhre nach fast 20 Jahren verstorben ist, mußte ich Ersatz besorgen und fand diese Melles-Griot 05LHP122 bei einem Händler. Sie ist NOS (new old storage), aber der Händler konnte mir auch nicht sagen, wie lange sie gelegen hat. Meinem Meßgerät zufolge macht sie noch etwa 2mW.
Im Spektroskop betrachtet sind in der Glimmentladung die beiden gelben Spektrallinien nicht mehr ganz gleich stark, die Röhre hat daher über die Jahre vielleicht etwas Helium verloren.
Im Hintergrund von der Glimmentladung beleuchtet der Ballastwiderstand.
Update: ich habe inzwischen noch eine zweite Röhre aus der gleichen Quelle, die 3.0mW macht, aber den gleichen Helligkeitsunterschied der beiden gelben Spektrallinien hat. Sind also vielleicht einfach Fertigungstoleranzen, wer weiß...

Bild 3 - Fernfeld-Aufnahme (4 m) des HeNe-Laserstrahls. Schön rund TEM00 mit einigen ringförmigen Reflexionen.

Bild 4 - Ein roter Dioden - Laserpointer der ersten Generation (670 nm Wellenlänge). Zeitweilig war das der einzige funktionierende Laser, den ich noch besaß. Ich benutze den Pointer noch, um den Spiegel der Querflöte und Janus II Laser zu justieren.

Bild 5 - Noch einmal der Pointer mit rotem Laserpunkt. Durch die lange Belichtung erscheint der Punkt allerdings viel zu groß.

Bild 6 - Ein Nd:YVO4-Mikrolasermodul, daß ich von einem professionellen Laseringenieur geschenkt bekommen habe (danke, Peter!).
Ich habe nur den Kühlkörper und den Batterieblock hinzugefügt. Insgesamt ein schöner Laser für das Reisegepäck, klein und leistungsstark. Je nach Temperatur gibt er 5-10 mW bei 532 nm ab.

Bild 7 - Aus der selben Quelle wie der Laser im obigen Bild stammt eine Handvoll "defekter" Nd:YAG- Module. Einige davon gingen noch, der Rest wurde nach und nach ausgeschlachtet.
Im Hintergrund eines der Module so, wie ich sie bekommen habe. Davor die Baugruppen im Inneren, v.l.n.r: Adapterplatine für die Anschlußkabel des Moduls, Pumpdiode, Pumpoptik; ein Schritt nach vorn in der Mitte das Kristallmodul; liegend die Baugruppe der Kollimatoroptik/ Beamsplitter/ Photodiode; ganz rechts der größte Teil des jetzt leeren Außenrohres mit dem Grünfilterfenster. Im Vordergrund vor dem Kristallmodul liegen die Einzelteile eines halbierten Kristallmodules.
Ich habe eines der Pumpdiodengehäuse geknackt, drin war der größte Laserdiodenchip den ich je gesehen habe: ungefähr 3x1mm groß.
Die Module lassen sich am besten mit einem Rohrschneider zerlegen.

Bild 8 - Eine große Überraschung war: die kleinen Nd:YAG- Module sind intern volldiskret aufgebaut. Ich hab ungefähr zwei völlig ruiniert, ehe ich heraushatte, wie sie von Innen aussehen. Oben ein liegendes Kristallmodul, unten die Einzelteile noch einmal zu einem Längsschnitt zusammengelegt (die beiden äußeren Rohrteile sind dabei entfernt).
Neben je einem externen hochreflektierenden Spiegel (HR, R=~20mm) und Auskoppel- Spiegel (OC, flach) ist ein massiver Nd:YAG- Kristall von 3mm Durchmesser und 6mm Länge verbaut. Der KTP hat 2x2x7mmm. Die Bauteile waren in ihren jeweiligen Aluminiumrohren mit einer Art weißem Epoxy verklebt. Zu Kühlzwecken ist das Rohr um den HR/Nd:YAG sehr massiv am HR-Ende. Der KTP liegt mit dem OC in einem Rohr, ersterer eingeklebt in einen V-förmigen Alublock.
Die Kristallmodule haben eine so gute Qualität, daß einige von ihnen schon anfangen zu lasen, wenn sie nur in einen unfokussierten(!), kollimierten Pumpstrahl gehalten werden. Ich zerlege jetzt nur noch diejenigen weiter, die diesen Test nicht bestehen, um die Kristalle und Spiegel auszuschlachten.

Bild 9 - Die Pumpdiode meines Xenotim-Projektes bildet auch für sich allein einen eindrucksvollen Diodenlaser. Die Leistung von 500 mW bei 807 nm reicht aus, um schwarze Gegenstände für den ahnungslosen Zuschauer in eindrucksvoller Weise anzubrennen... :)

Bild 10 - Als die ersten violetten Lasermodule in bezahlbare Regionen kamen, konnte ich nicht länger widerstehen. Dieses GaN-Lasermodul gibt einen schönen violetten Strahl von etwa 7mW Leistung ab.
Da es im Web genug Beispiele davon gibt, wie schlecht sich der Strahl fotografieren läßt, strahlt der Laser hier einen natürlichen Rubin an und erregt rote Fluoreszenz. Ich frage mich, ob es irgendwann Rubinlaser geben wird, die auf diese Art funktionieren...?

Bild 11 - Auch ein Geschenk von meinem Schatz - es ist einfach der reine Wahnsinn, wenn die Lebensgefährtin das eigene Hobby unterstützt.
Ein grüner HeNe aus der Baureihe Siemens / Carl Zeiss Jena / Lasos. Diese Röhre, eine LGR 7774, wurde 1996 bei Carl Zeiss Jena hergestellt. Sie ist alt und viel benutzt (das ist an den braunen Ablagerungen in der Kapillare zu erkennen), bringt aber immer noch 0.6mW.
Im Bild hängt sie an meiner Labor-Spannungsversorgung, ich habe aber auch noch ein Original-Netzteil dafür. Brennspannung 2000V bei 6.5mA, ich fahre sie meist aber nur mit 5.5-6mA, um noch ein bißchen Lebensdauer rauszukitzeln.
Aufgrung der geringen Verstärkung der 543nm-Linie hat der Strahl sehr gute Kohärenzeigenschaften. Die Speckle-Interferenz (das "körnige" Aussehen der Strahlreflexe) ist bei diesem Laser am stärksten von all meinen Lasern ausgeprägt.

Bild 12 - Ein ehemaliger Dermatologie-Laser ist dieser kryptongefüllte ALC 909D, mein einziger wassergekühlter Ionenlaser. Leider ist mein Pi-Filter mit der Versorgung dieses 80cm langen Monstrums etwas überfordert, so daß ich bei 13A nur knapp über den Threshold der roten Linie bei 647nm komme. Die Brennspannung beträgt dann 240 Volt, der Strom durch die Magnetwicklung ergibt bei etwa 2,5A den hellsten Strahl.
Die Kathode wird mit 25A / 3.2V geheizt. Wasser muß mit etwa 5 Liter/min. kühlen, die Schläuche sind im Bild leider nicht zu sehen. Da ich in einer ehemaligen Küche experimentiere, ist ein Wasserhahn in nächster Nähe. Versuche mit der Teichpumpe im Eimer waren nicht erfolgreich, die 10 Liter Wasser waren bereits nach einer Minute zu warm.

Bild 13 - Noch einmal der ALC 909D, hier mit dem Strahlreflex der roten Kryptonlinie. Bei 13A ist der Strom nur etwa 1A über der Laserschwelle, die Leistung liegt bei mageren 20mW. Durch die geringe Verstärkung hat der Strahl aber ähnlich gute Kohärenzeigenschaften wie ein grüner HeNe, was sich in starker Speckle-Interferenz bemerkbar macht.
Mehr Details über diesen Laser habe ich in einem Thread im Laserfreak Forum gepostet.

Bild 14 - Eigentlich wollte ich für den schönen Kryptonlaser nur ein passendes Schaltnetzteil, aber dann landete bei mir ein kompletter ALC 909 Z, der kürzere Argon-Bruder des 909 D oben. Im Bild läuft er mit 15A. Wieviel Power das ist, kann ich nicht sagen, da meine Solarzelle ab etwa 400mW Sättigungserscheinungen zeigt. Es sind in jedem Fall mehr als 600mW. Trotz eines schwarz eloxierten Kühlkörpers als Strahlblocker wird das Zimmer von dem Reflex noch indirekt beleuchtet.
P.S.: Es sind bei 15A rund 1W Leistung, wie ich inzwischen mit einem TEC-basierten Selbstbau-Meßkopf (geeicht auf dem Laserfreak-Treffen 2011) herausfinden konnte.

Bild 15 - Im Dezember 2011 übernahm ich diesen Omnichrome 3056 Helium-Cadmium- (HeCd) Laser. Er ist schon alt, hat aber eine wenig benutzte Austauschröhre drin. Wie viele Omnichrome HeCd-Laser leidet auch diese Röhre an Helium- Überdruck durch die lange unbenutzte Lagerung. Glücklicherweise lasert sie aber bei veränderter Einstellung mit reduzierter Leistung trotzdem noch. Wenn im Lauf der Zeit mehr He abbrennt, wird sich das langsam normalisieren.
Die 3056 ist eine Röhre aus der Omnichrome 56X- Serie, die auf der UV-Linie bei 325nm lasert. Der Strahl wird im Bild durch die Fluoreszenz in einem Becherglas mit verdünnter Rhodamin 6G- Lösung sichtbar. Z.Zt. beträgt die Laserleistung etwa 1mW.
Das Netzteil, das ich gewissermaßen als Dreingabe erhielt, war bis auf einen durchgebrannten Filamentregulator noch intakt. Original ist es ein Omnichrome 100, das zu irgendeinem Zeitpunkt bei Melles Griot repariert wurde. Es ist nicht ganz klar, ob es dabei zu einem 100B umgebaut wurde. Es hat im Gegensatz zum originalen Omni 100 NT, das intern zwei parallele 10k-Hochspannungs- Ballastwiderstände besitzt, nur einen 2.5k- Hochspannungs- Ballastwiderstand. Sam G., der mir mit Rat und Tat bei der Wiederbelebung dieses Lasers zur Seite stand, hatte auch keine Erklärung dafür. Jedenfalls verstehen sich NT und Laserkopf, die der Vorbesitzer aus verschiedenen Quellen hatte (und nie zusammen ausprobiert), prächtig.
Auch über diesen Laser habe ich in einem Thread im Laserfreak Forum noch mehr Details und Bilder gepostet.
Bild 16 - Das Jahr 2012 brachte mir kurz nacheinander zwei Melles/Omni 643 Weißlichtlaser ein. Zuerst den grauen Omnichrome 643-YB, der hell die gelbe 568nm-Kryptonlinie produziert, sowie mehrere blaue Argon-Linien. Die Röhre ist alt, hat aber wenige Betriebsstunden. Daneben der schwarze Melles Griot 643-RYB von kilovolt aus dem laserfreak.net Forum (auch aktiv bei Mosfetkillers).
Beide sehen im inneren IDENTISCH aus. Lediglich die schwarze Dose vorn am MG beherbergt einen Lichtsensor, der dem am Omni sehr ähnlich ist

Bild 17 - Mit dem Melles 643 RYB kann man hervorragend Experimente mit externen Spiegeln machen. Hier zu sehen die grünen Kryptonlinien, die ich mit dem OC aus dem toten SP2017 erhielt. Bis zu 15 Laserlinien oszillieren dabei gleichzeitig (10 blau, 3 grün, 1 gelb, 1 rot). Ich habe den grünen OC inzwischen permanent in der schwarzen Lichtsensordose installiert. Das ist jetzt ein 643-RYGB. :D
Mit einem zusätzlichen roten Kr-OC noch davor oszilliert auch die 676nm Linie als Nummer 16. Ein Laser mit drei OCs in Reihe ist schon was verrücktes...




Links


Sam's Laser FAQ's -- DIE Goldgrube für alle Laserbastler im Web (englisch)! Diskussion, Erfahrungsaustausch, Anleitungen und Tips für so ziemlich jeden Lasertyp.

Stephanies's Laser Page -- eine andere Laserbastlerin mit ziemlich cleveren Ideen, was das Recycling von DVD-Brennern angeht... (englisch).

Mark Csele's Laser Page -- Umfangreiche Bildersammlung und Beschreibung einer ganzen Reihe von Selbstbaulasern (englisch).

LaserNet.at -- schöne deutschsprachige Website für Laserbastler. Sehr gut illustrierte Bauanleitung für einen DPSS-Laser.

LaserFreak.net -- Laser Forum in deutsch, englisch, französisch und holländisch. Manchmal bin ich da anzutreffen.


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Danksagung

Mein Dank gilt Christine Seibel für die Photos vom Janus- und Xenotim-Laser und Ilka Wenning für den Schnitt des Neon-Laser-Videostückes (für die niedrige Qualität des Rohmaterials bin ich aber selbst verantwortlich).
Sam Goldwasser danke ich für die Hilfe bei der Inbetriebnahme und Wiederbelebung des Omnichrome 56 HeCd-Lasers.
Und ein ganz besonderer Dank geht an meine liebe Jutta für ihre wundervollen Geschenke.


*

Referenzen

[1] Kirkland, Dogett & Kim:
    Vacuum-UV H2-Laser excited by a travelling-wave discharge,
    Rev. Sci. Inst. 52(1981) p.1338
    
[2] Erikson & Lidholt:
    Superradiant transitions in argon, krypton and xenon
    IEEE J. Quan. Elec. QE-3(1967) p.94
    
[3] Papadopoulos & Serafetinides:
    Investigation of the electrical characteristics of charge transfer circuits used in gas laser excitation,
    J. Appl. Phys. D 24(1991) p.1917

[4] Kesik, J., Warda, P., Wolinski, W.:
    New method of power enhancement of argon ion laser,
    in:
    Wolinkski/Jankiewicz (eds.):
    Laser Technology VI: Progress in Lasers.
    Proc. of SPIE Vol. 4237 (2000), p.189




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