Brief description:

The whole air laser is based on a rectangular A4 aluminium plate on which is disposed a rectangular A4 plastic sheet (European standard paper A4 dimensions 210 x 297 mm). 2 aluminium plates act as capacitors and 2 other pieces of metal (L) are used as electrodes for plasma channel. 2 U aluminium parts screwed on the main plate can hold all that with Nylon screws.

Nylon screws get electrical insulation and allow user to very easily change, modify or adjust plates, electrodes or plastic film.

A4 plastic film is a low cost very easy to find/repair dielectric solution.

Theory:

In fact, this air laser is a Nitrogen laser which use Nitrogen molecules in air to lase. Ordinary Nitrogen laser uses low pressure wide channel nitrogen like the old very well known "American Scientist" Nitrogen laser project: http://www.montagar.com/~patj/n2lmnu.htm

When a high current electric discharge passes through Nitrogen gas at low pressure, it can generate a coherent radiation at the wavelength of 337.1 nm (UV). The laser action begins when a molecule of Nitrogen absorbs energy by colliding with an electron that moves in the discharge. Molecule becomes in an unstable state and spontaneously falls to a state of lower energy by emitting a photon of radiation at 337.1 nm. The emitted photon may encounter another excited molecule of Nitrogen and merely by its proximity stimulate the molecule to emit an identical photon. The two particles of radiation proceed in the same direction with their waves lockstep. This is the laser action. It will continue as long as the growing pulse encounters more excited molecules of Nitrogen along its path that it does absorbing molecules. In the case of Nitrogen, the molecules on the average linger at a lower level longer that at the upper one before moving on to still lower states. The number of molecules at the lower laser level builds up rapidly, exceeding the number at the upper level and terminating the amplification. In fact, the gas quickly becomes strongly absorbing to 337.1 nm emission. The laser turns off even thought there are still excited molecules left. The turn off time is usually less than 10 ns.

That means that the maximum of energy must arrive in the very first ns. The laser structure must be very fast, avoiding parasitic resistors and mainly parasitic inductance. Using air at normal pressure is more difficult: Oxygen atoms tend to prevent laser emission. Normal pressure means low impedance and low width laser channel. That means that the laser structure must be faster.

Most Nitrogen lasers use Blumlein structure (this one also): 2 high tension capacitors (almost identical), one pole connected to ground and the other pole to an electrode. The 2 electrodes are connected together through a self and charged at a high tension. A spark gap is installed on an electrode: when tension is high enough, an arc occurs: a conductive plasma discharges very quickly one capacitor. One capacitor is about to ground, the other is still at a high potential. The huge tension difference between the 2 electrodes produces a plasma which induce laser beam. Then laser beam turns off, plasma stops and, later, other capacitor is discharged through the self. Then all that is charged again though high tension PSU (Power Supply Unit) and the process start again. That means that the structure must be fast enough to be able to deliver most of the energy in the very first ns: The spark gap capacitor fall time must be very low: parasitic resistors and inductors must be at the minimum.

Calculus:

(Here, we are just looking for orders of magnitude, not precise results)

On this prototype, we can consider that high tension is about 10 kV, each capacitor is about 2 nF (measured), "measured" spark capacitor fall time is about 11 ns, probably a little bit less.

CV=it: i=CV/t: 10 000 x 2 10-9 / 10 10-9 = 2000 A : a 2000 A current sink through spark gap for a few ns !

Total parasitic resistors must induce less than 1 kV to be negligible (compared with 10 kV): U=RI: R=U/I: 5 ohms which is easy to realise: parasitic resistors are not a problem (using copper, aluminium or iron isn't very important)

Total parasitic inductors V=Ldi/dt: L=V/(di/dt): 5 nH which is very little, L=u S n2/ l : S= L l / u n2, l=5 mm, u(air)=4 PI 10-7, n=1, =>20 10-6m2 => 20 mm2 is about 5 x 5 mm

That means that a conductor (spark gap connection for example) 5 mm width and 5 mm length to return to ground has an inductor that is not negligible! Parasitic inductors ARE a problem.

Global Nitrogen structure must be very flat and must keep spark gap connection to ground and capacitor, electrode connection to capacitor parasitic selfs at the minimum: loops area must be minimum.

One says there is a "travelling wave" in the capacitor during discharge. In those little amateur lasers, I don't think so. Anyway, accurately and safely measuring such high-tension very fast phenomena is difficult. You must own a fast oscilloscope and a very fast HT probe or using the ILS low-tension trick or a one turn self safely coupled to the Blumlein self

Structure:

We choose a structure simple to build, with very low parasitic inductor, easy to change and adjust: changing the plastic film, a capacitor plate, electrode or adjusting electrode distance is very easy. We use an A4 (210 x 297 mm European standard) main aluminium plate on which we dispose an A4 plastic film, and the 2 capacitor plates. We also install 2 U aluminium rules with nylon screws to press capacitors and electrodes that are L aluminium rules. The 2 electrodes are attached with 2 pull springs that act also as self. 2 nylon screws set distance.

To adjust electrodes distance, simply unscrew a little bit 2 U rules corresponding nylon screws, then adjust distance with the 2 horizontal screws. Once distance OK, screw again the 2 U rules corresponding screws.

A hole in each U rule allows laser to output on one side and to install a 3 screws + springs adjustable mirror on the other side.

Even if this project seems very simple, dimensions has been optimised: I recommend to build the project "as this" before trying to modify parameters.

Bill of material:

- One 210 x 297 aluminium plate (1.5, 2 or 2.5 mm thick)

- One 210 x 297 A4 plastic film (those for printer slide)

- Two 135 x 190 aluminium plates (1.5, 2 or 2.5 mm thick)

- Two 20 x 20 x 250 U aluminium extruded rules

- Two 10 x 20 x 250 L aluminium extruded rules

- Twelve M5 x 20 (or 25 or 30) Nylon screws (or M4 x 20)

- Four metal M3 x 10 screws (chamfered head) with corresponding nuts

- Some M3 metal screws and springs (4 push springs and 2 pull springs)

- Four rubber feet

- One Red + one Black ordinary connectors

- Some 1 Mohms 1W resistors (depending from PSU)

Picture: (CD is just for the scale, these temporary M3 plastic screws are not strong enough)

Construction : (l'ordre est destiné à une meilleure compréhension, pas à une meilleure efficacité ;-)

- Percer 4 trous d = 3,2 dans la plaque principale 210 x 297 : 2 le long d'un côté 297, 2 le long de l'autre côté 297 à 10 du côté, chanfreiner pour les vis chanfreinées (les têtes de vis doivent disparaître dans la plaque pour ne pas déranger la feuille plastique )

- Percez 2 trous d = 3,2 dans chaque règle en U et fixez les règles en U sur le grand côté de la platine principale avec les 4 pieds en caoutchouc

- Percer 1 trou d = 10 au milieu (face verticale) de chaque règle U pour les sorties laser

- Percez 8 trous d = 4,0 sur la face supérieure de chaque règle en U et vissez-la pour vis M5

- Disposer le film plastique A4 : 210 x 297 sur le plateau principal

- Arrondir (r = 5) les deux autres coins de la plaque 135 x 190 et l'installer sur la plaque principale à 10 de toutes les bordures

- Disposer les 2 règles de 10 x 20 L sur les plaques de manière symétrique : ( |__ __| ). Distance : 1 mm

- Installez 8 vis en nylon M5 x 20 dans chaque règle en U et vissez-la aux plaques de pression et aux électrodes en L.

- Chanfreiner le côté des règles L à 10 pour augmenter la distance entre la règle L et la règle U au minimum 10 mm

- Dans une règle en U, percez un trou de 2,3 et vissez-le pour M3, installez une vis M3 x 20 avec un ressort de poussée : c'est l'éclateur. Réglez-le sur 5 mm

- Dans une règle en U, percez deux trous d = 6,0, installez le connecteur Noir sans isolant : la liaison à la terre

- Percer 4 d = 4,0 trous et 1 d = 6,0 dans une électrode (et visser 2 trous en M5) et 3 d = 6,0 dans l'autre.

- Installez 2 ressorts de traction, 2 vis plastique M5 x 20 et 1 connecteur rouge sur les électrodes (Remarque : les ressorts de traction agissent également comme auto-électriques)

- Connectez 5 résistances R 1 Mohm 1 W entre le connecteur rouge et l'électrode (dans un tube en plastique transparent)

-Vous pouvez également ajouter trois trous M3 dans un U autour d'un trou de sortie et installer une petite plaque avec un miroir collé et 3 vis M3 x 10 et 3 ressorts de poussée. Ajustez les vis pour aligner l'axe optique du miroir et le canal plasma (avec votre œil ou un petit pointeur laser rouge)

Remarque : Comment aligner le miroir : prenez une feuille de papier blanc, faites un trou de 1 mm au milieu. Déconnectez et déchargez le laser. Regardez à travers le trou du papier jusqu'au miroir à travers le trou de sortie laser. Alignez votre œil avec les électrodes et les vis de réglage du miroir jusqu'à ce que le trou de papier soit juste centré entre les 2 électrodes.

Essais préliminaires en basse tension :

Sur ce prototype, les condensateurs mesurent environ 2 x 2 nF.

Alimenté en toute sécurité avec 10 VDC (uniquement), l'éclateur "remplacé" par un interrupteur ILS déclenché par un aimant, le temps de descente mesuré sur l'électrode à éclateur est d'environ 11 ns, le temps de descente sur l'éclateur est d'environ 60 ns. Le temps et la période de descente de l'auto-électrode dépendent uniquement du condensateur et de sa valeur propre. Ici, la self est réalisé avec les 2 ressorts d'électrodes, de toute façon la valeur de la self n'est pas très critique.

Photo : En gris, la tension des 2 électrodes, en noir la différence entre les deux électrodes. Le laser ne fonctionnera que pendant les premières ns : entre les curseurs. L'onde sinusoïdale est due à la combinaison du condensateur C et de l'inductance L.

HT (High tension) test:

Your laser is now ready to operate! You must connect HT supply set at 10 kV. Now, be very careful; take care to high tension and laser emission. Once laser disconnected, capacitors can keep high tension for a long time. Safely discharge it (with an insulated screwdriver first connect to ground and then to electrode) before touching anything. Or better, take the habit to short-circuit the Black and Red connectors when not powering. (Black connected first then Red)

Once distance between electrodes set to 1.3 mm, spark gap distance set to 3 mm and tension set to 10 kV for a first test. Install a white paper sheet aligned with the laser output at some 500 mm from the output. Put a plastic blackbox on the spark gap, keep away and power on.

If anything is correct, spark gap occurs several times a second (10 Hz for example), you can see a purple plasma band between electrodes without (too much) white sparks. And a white point (about 4 x 1 mm ellipse) appears on the white paper.

Picture: Here laser power is low: this is preliminary HT test, HT is low and everything must be adjust. HT is only an old photocopier 5.5 kV module, electrodes distance is set to 1.25 mm, rear mirror is installed, it has been adjust with the eye though a 1 mm hole in a paper sheet disposed at the laser output hole (when laser was disconnected of course!)

Laser works also without mirror but at lower output power

Test HT (Haute Tension) :

Le laser est maintenant prêt à fonctionner ! Il faut raccorder l'alimentation HT réglée à 10 kV. Maintenant, soyez très prudent ; faites attention à la haute tension et à l'émission laser. Une fois le laser déconnecté, les condensateurs peuvent maintenir une tension élevée pendant une longue période. Déchargez-les en toute sécurité (avec un tournevis isolé, connectez-le d'abord à la terre puis à l'électrode) avant de toucher quoi que ce soit. Ou mieux, prenez l'habitude de court-circuiter les connecteurs Noir et Rouge lorsqu'ils ne sont pas sous tension. (Le noir connecté en premier puis le rouge)

Une fois la distance entre électrodes réglée à 1,3 mm, la distance de l'éclateur réglée à 3 mm et la tension réglée à 10 kV pour un premier test. Installez une feuille de papier blanc alignée avec la sortie laser à environ 500 mm de la sortie. Placez une boîte noire en plastique sur l'éclateur, tenez-vous à l'écart et allumez.

Si tout est correct, l'éclateur produit un éclat plusieurs fois par seconde (10 Hz par exemple), vous pouvez voir une bande de plasma violette entre les électrodes sans (trop) d'étincelles blanches. Et un point blanc (ellipse d'environ 4 x 1 mm) apparaît sur le papier blanc.

Photo : Ici, la puissance du laser est faible : il s'agit d'un test HT préliminaire, la HT est faible et tout doit être réglé. Le module HT n'est qu'un vieux module de photocopieur 5,5 kV, la distance des électrodes est réglée à 1,25 mm, le miroir arrière est installé, il a été réglé à l'œil grâce à un trou de 1 mm dans une feuille de papier disposée au niveau du trou de sortie du laser (lorsque le laser a été déconnecté bien sûr!)

Le laser fonctionne également sans miroir mais avec une puissance de sortie inférieure

You can now modify parameters trying to get the strongest light.

In case of problem:

- Be very careful with L electrode side used for plasma: shape must be round and surface must be perfectly line and smooth.

- The 2 electrodes must be perfectly // and at the right distance. I recommend using calliper or car spark plugs adjustment tools: those little iron plates from various thickness. You can also use a CD that is 1.2 mm thin. If electrodes are not //, you see more white sparks at the end where there are nearest: you must then adjust nylon screw to correct it.

Comments and improvements:

- The same laser can be realised bigger to improve output power

- Of course, using Nitrogen instead air will also increase laser output power (far more boring and expensive too :-)

- At atmospheric pressure, air (Nitrogen laser) channel width is little and pumping a dye with it (for visible laser) may be difficult. (I will try soon)

- Adding an insulated plate or wire // and just upper laser channel that acts as a Corona can perhaps stabilise plasma, decrease white sparks and increase efficiency.

- Adding a probe made with and old CD player phototransistor connected to the scope will help to improve laser and increase output power. Of course, phototransistor isn't fast enough to show optical output pulses but stronger the displayed pulse is and stronger the optical output is. (With my CD player phototransistor sample, short wave bandwidth phototransistor is enough to measure 337 nm Nitrogen pulse laser).

This probe use an old CD player phototransistor, all outputs are connected in // and to a 22 ohms resistor: a fluorescent yellow paper with a little hole in front of the phototransistor make position adjustment easy.

Then probe is installed in front of the laser output (well, a luxurious 150$ PSU for a poor 10$ laser!) 

Ensuite, la sonde est installée devant la sortie laser (enfin, un luxueux bloc d'alimentation à 150 € pour un pauvre laser à 10 € !)