Build an adjustable sealed laser
Construire un laser scellé réglable
Before realising this project, you must read the previous 10$ air laser simple project: no special gas, no chemical products, no vacuum and no glass work!
The 10$ air laser use L aluminium rules electrodes in a symmetrical way: |_ _| plasma is created between electrodes.
This is a very simple way but, due to the "open structure", laser uses air at normal pressure only. This laser is also noisy: spark gap is noisy and laser channel also: when electrical discharge occurs, a very high current (few 1000 A) flows for some ns (nanoseconds): the air temperature increase very fast: at each pulse, air very fast dilatation make a little "bang"
How to decrease noise, use air at a non atmospheric pressure or another gas like Nitrogen and be able to adjust electrodes distance and parallelism ?
Of course, we can use nice clear Plexiglass cylinders and many other pretty solutions... but it's a lot of work and low leakage is difficult. Here is a solution based on my experiment. I still want a modular solution: something easy to disassemble to exchange any parts. We glue only flat large surface to easily be completely proof.
Once more, we mustn't forget the inductor problem: parasitic inductor must be at an absolute minimum. The loop area from capacitor plate to plasma channel must be minimum.
My solution is based on 2 U aluminium rules glued with PCB (Printed Circuit Board without copper) plates to make a box:
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Inside this box are installed 2 L aluminium rules |_ _| with 2 horizontal push springs and 2 another vertical push spring, one per electrode.
Avant de réaliser ce projet, vous devez lire le précédent projet simple laser air à 10$ : pas de gaz spécial, pas de produits chimiques, pas de vide et pas de travail du verre !
Le laser à air à 10$ utilise des électrodes à règles en aluminium L de manière symétrique : |_ _| le plasma est créé entre les électrodes.
C'est une méthode très simple mais, en raison de sa « structure ouverte », le laser utilise uniquement de l'air à pression normale. Ce laser est également bruyant : éclateur est bruyant et canal laser également : lorsqu'une décharge électrique se produit, un courant très élevé (quelques 1000 A) circule pendant quelques ns (nanosecondes) : la température de l'air augmente très vite : à chaque impulsion, l'air est très bruyant. une dilatation rapide fait un petit "bang"
Comment diminuer le bruit, utiliser de l'air à une pression non atmosphérique ou un autre gaz comme l'azote et pouvoir ajuster la distance et le parallélisme des électrodes ?
Bien sûr, nous pouvons utiliser de jolis cylindres en plexiglas transparent et bien d'autres jolies solutions... mais cela demande beaucoup de travail et de faibles fuites sont difficiles. Voici une solution basée sur mon expérience. Je veux toujours une solution modulaire : quelque chose de facile à démonter pour échanger des pièces. Nous collons uniquement de grandes surfaces planes pour qu'elles soient facilement complètement étanches.
Encore une fois, il ne faut pas oublier le problème de l'inducteur : l'inducteur parasite doit être au minimum absolu. La zone de boucle entre la plaque du condensateur et le canal plasma doit être minimale.
Ma solution est basée sur des règles en aluminium 2 U collées avec des plaques PCB (Printed Circuit Board sans cuivre) pour réaliser un boitier :
A l'intérieur de ce coffret sont installés des règles en aluminium de 2 L |_ _| avec 2 ressorts de poussée horizontaux et 2 autres ressorts de poussée verticaux, un par électrode.
The bottom is closed with a rectangular PCB plate glued with epoxy. The top is covered with a clear plastic plate glued with silicon to be easily removed. On each end, a 10 x 10 mm hole is made, a 18 x 18 mm microscope glass slide is glued with silicon for laser output. Then the box is entirely closed.
How can we adjust electrodes distance and parallelism ? We use some special medical plastic or rubber bellows like an accordion. This allows user to adjust distance without leakage. It can be adjusted even while lasing !
Caution: due to vacuum, rubber bellows diameter must be little enough and push springs must be strong enough to prevent outside atmospheric pressure to push bellows and electrode inside ! (That's not the case on this prototype ;-)
Picture shows elements for this structure (CD-ROM is just for scale): from left to right: bottom PCB plate, U rules box glued to PCB plates, L electrodes and 2 horizontal and 2 vertical push springs, clear plastic top. (Microscope slides are missing)
Le fond est fermé par une plaque PCB rectangulaire collée à l'époxy. Le dessus est recouvert d'une plaque en plastique transparent collée au silicone pour être facilement retirée. A chaque extrémité, un trou de 10 x 10 mm est réalisé, une lame de verre de microscope de 18 x 18 mm est collée avec du silicone pour la sortie laser. La boîte est alors entièrement fermée.
Comment pouvons-nous ajuster la distance et le parallélisme des électrodes ? Nous utilisons des soufflets médicaux spéciaux en plastique ou en caoutchouc comme un accordéon. Cela permet à l'utilisateur d'ajuster la distance sans fuite. Il peut être ajusté même en laser !
Attention : en raison du vide, le diamètre du soufflet en caoutchouc doit être suffisamment petit et les ressorts de poussée doivent être suffisamment solides pour empêcher la pression atmosphérique extérieure de pousser le soufflet et l'électrode à l'intérieur ! (Ce n'est pas le cas sur ce prototype ;-)
L'image montre les éléments de cette structure (le CD-ROM est juste pour l'échelle) : de gauche à droite : plaque PCB inférieure, boîte à règles en U collée aux plaques PCB, électrodes L et 2 ressorts de poussée horizontaux et 2 verticaux, dessus en plastique transparent. (Il manque des lames de microscope)
.Pictures show the top structure without the bellows accessories, microscope slides, PCB bottom and clear plastic top:
We can see horizontal push springs (which act also as inductor) and 1 vertical push spring (this one pushes the non adjustable L electrode).
Les images montrent la structure supérieure sans les accessoires à soufflet, les lames de microscope, le fond du PCB et le dessus en plastique transparent :
On peut voir des ressorts de poussée horizontaux (qui font aussi office d'inducteur) et 1 ressort de poussée vertical (celui-ci pousse l'électrode L non réglable).
And the bottom: we see the 2 electrodes which distance is here set to about 1.5 mm (atmospheric pressure)
Et en bas : on voit les 2 électrodes dont la distance est ici fixée à environ 1,5 mm (pression atmosphérique)
Then this structure is put and attached on the 10$ air laser structure with capacitors, spark gap and XY adjustable rear mirror.
We then make preliminary high-tension tests with open air at atmospheric pressure (before gluing top bottom and slides)
A faucet is glued in a hole made on the clear plastic top, some accessories are added to help electrodes adjustment. A pressure meter and a fridge pump are added and it's ready for low pressure or non-air gas test.
Here, the sealed structure is finished, glued with epoxy and silicon, rubber accessories and a L aluminium rule and screws to adjust distance are installed, microscope slides are glued, clear plastic cover with a faucet. All that is put on the laser capacitors
Ensuite, cette structure est posée et fixée sur la structure laser à air à 10 $ avec des condensateurs, un éclateur et un rétroviseur arrière réglable XY.
Nous effectuons ensuite des essais préliminaires de haute tension à l'air libre et à pression atmosphérique (avant collage haut fond et coulisses)
Le robinet est collé dans un trou pratiqué sur le dessus en plastique transparent, quelques accessoires sont ajoutés pour faciliter le réglage des électrodes. Un manomètre et une pompe de réfrigérateur sont ajoutés et il est prêt pour un test de basse pression ou de gaz sans air.
Ici, la structure scellée est terminée, collée avec de l'époxy et du silicone, des accessoires en caoutchouc et une règle en aluminium en L et des vis pour régler la distance sont installés, des lames de microscope sont collées, un couvercle en plastique transparent avec un robinet. Tout ça est mis sur les condensateurs laser.
Bottom picture: bottom side is closed with a piece of epoxy PCB (printed board) epoxy glued. We can see a push spring through the output closed wit a microscope slide silicon glued.
Photo du bas : la face inférieure est fermée avec un morceau de PCB époxy (carte imprimée) collé à l'époxy. On aperçoit un ressort de poussée au travers de la sortie fermée par une lame de microscope collée au mastic silicone.
Sealed structure is installed in the laser. Even with air, using low-pressure make laser easier to lase and with stronger output with a lot of pressure/distance combinations.
Une structure scellée est installée dans le laser. Même avec de l'air, l'utilisation d'une basse pression rend le laser plus facile à utiliser et avec un rendement plus fort avec de nombreuses combinaisons pression/distance.
They are still mysterious things in these lasers: this laser use same capacitors and about same electrodes (a little bit shorter) as previous 10$ air laser, at atmospheric pressure, completely open, without glass windows and clear plastic top, this laser has less output than the 10$ air laser. Why ???
Ce sont encore des choses mystérieuses dans ces lasers : ce laser utilise les mêmes condensateurs et à peu près les mêmes électrodes (un peu plus courtes) que le précédent laser à air à 10$, à pression atmosphérique, complètement ouvert, sans fenêtres en verre et sans dessus en plastique transparent, ce laser a moins de puissance que le laser à air à 10 $. Pourquoi???
09/12/2023