Laser a vapori di rame

Disegno schematico della struttura del forno e della cavità laser

Premessa:

Vi prego di considerare questo articolo per quello che è, cioè una sorta di trattato didattico e non un manuale per la costruzione. 

 Le difficoltà realizzative sono infatti notevoli e anche se il lettore fosse molto attrezzato e motivato, gli consiglierei di puntare il proprio interesse per laser più "abbordabili", ad esempio quello a tecnologia DPSS, da me già presentato su questo stesso sito.

Sono cosciente anche che questo progetto non è del tutto inerente alla pura elettronica, se considerata solo un assieme di componenti elettronici, ma essendo il funzionamento di un laser caratterizzato proprio da principi di fisica atomica che in qualche modo sono gli stessi dell'elettronica, ho pensato fosse interessante da leggere.

Si tratta di un laser sperimentale di alta potenza che mette radiazione della gamma del visibile, da me realizzato negli anni '90 e successivamente abbandonato per problemi di difficile realizzazione su scala industriale.

Erogava un'energia di circa 8 Juole (corrisponenti a 8 watt secondo), adatto (magari in versioni maggiorate) ad impieghi industriali. 

L'articolo può avere un interessante valore didattico per comprendere come funziona un laser di potenza, adatto anche al taglio di materiali. Anche se difficilmente qualcuno si accingerà alla sua realizzazione, desidero mettere un chiaro avviso sulla sua ESTREMA PERICOLOSITA', in quanto oltre all'emissione laser, sono in gioco tensioni altissime ed intense correnti.

In altre parole ne SCONSIGLIO la costruzione, non solo ai neofiti ma anche agli esperti.  Ma intanto vediamo di che si tratta....

L'idea iniziale

Tutto cominciò molti anni fa, correva l'anno 1990 e in una notte buia e tempestosa, quando rivedendo per l'ennesima volta la videocassetta della trilogia di "Guerre stellari" ebbi un'improvvisa folgorazione : VOLEVO UN LASER !

Era un oggetto che mi aveva sempre affascinato, qualcosa di misterioso e irraggiungibile, di esotico e tremendamente HI-TECH.

La prima realizzazione fu uno striminzito laserino He-Ne da 5mW con un (allora) costosissimo tubo Philips.

L'alimentatore era realizzato con i classici moltiplicatori di tensione a traliccio diodo-condensatore.

Anche se l'emozione di ammirare per la prima volta la luce laser fu entusiasmante, mi resi immediatamente conto che cercavo qualcosa di più potente.

Il minuscolo puntino rosso arrivava a malapena a qualche decina di metri, alla luce solare era addirittura invisibile!

E poi non c'era soddisfazione nel comprare un tubo e assemblare il laser con una manciata di componenti, troppo facile!

Mi misi alla ricerca di informazioni sulla costruzione dei laser e rimasi stupito dell'assenza quasi totale di bibliografia in materia, evidentemente la costruzione di un laser a livello amatoriale era ritenuta (a ragione) impensabile.

Anche sui testi universitari non c'era traccia di informazioni utili.

In verità la teoria era trattata anche troppo pedantemente, con dovizia di nozioni di fisica atomica, stati energetici, livelli di eccitazione, bla bla bla. Ma era fin troppo evidente che chi li aveva scritti non aveva assolutamente idea di come fosse fisicamente fatto un laser.

Trovai qualche articolo interessante su un antichissimo numero di "Le Scienze", una pubblicazione che non esito a definire ottima per contenuti e rigore scientifico.

Quando approdai su Internet la prima mia ricerca fu la keyword "laser" ma anche qui i risultati furono scarsi se non nulli.

In compenso, in modo piuttosto fortunoso, riuscii a contattare un'altro italiano appassionato di laser, l'impagabile Massimiliano.

Max stava costruendo un laser ad Azoto, lavorando anche lui nel classico sottoscala.

Il laser a luce visibile non gli interessavano molto, però disponeva delle informazioni che cercavo da anni!

Aveva infatti degli articoli di una rivista Usa dove veniva descritto il funzionamento del laser Copper Chloride, redatto da un tizio che "ne aveva sentito parlare" da qualcun' altro (!). Da qui naque una sorta di collaborazione virtuale che generò il prototipo visibile nelle foto.

Purtroppo lo schema concettuale disponibile era piuttosto grezzo e teorico, mancavano i dettagli costruttivi, le dimensioni di certi particolari e delle foto del prototipo originale.

Da ciò ho immaginato che il laser in oggetto fosse rimasto allo stadio di "idea" e non fosse in realtà mai stato realizzato.

L'idea di tentare era forte, i concetti basilari del CuCl erano chiaramente espressi anche se difettava di tutta la parte pratica, ma questa era la mia specialità ;).

Iniziai perciò a progettare l'accrocco basandomi sulle informazioni che possedevo e sul supporto morale e tecnologico di Max.

Per arrivare alla release qui illustrata, ho ricostruito da capo il laser per ben 5 volte, migliorando di volta in volta i particolari costruttivi.

In seguito ho effettuato importanti modifiche, ma ne accennerò solamente perchè scarsamente documentate e gli schemi originali sono stati smarriti nella notte dei tempi. 

Apriamo una parentesi ed iniziamo ad elencare i vari ...

Tipi di laser

Di laser ne esistono moltissimi tipi ma possiamo suddividerli nelle seguenti famiglie:

Laser a gas :

Laser a elio-neon 

Laser a ioni di argon

Laser a ioni di kripton 4

Laser a ioni di xeno

Laser ad azoto

Laser ad anidride carbonica

Laser a monossido di carbonio

Laser a eccimeri

Laser chimici : 

Laser a fluoruro di idrogeno 

Laser a fluoruro di deuterio

Laser a coloranti organici :

Laser a rodamina

Laser a vapori metallici:

Laser a vapori elio-cadmio 

Laser a vapori elio-mercurio

Laser a vapori elio-selenio

Laser a vapori di rame

Laser ad alogenuri di rame 

Laser a vapori d'oro

Laser a stato solido

    Laser a rubino 

Laser Nd:YAG

Laser Er:YAG

Laser Nd:YLF

Laser Nd:YVO4

Laser Nd:YCOB (Nd:YCa4O(BO3)3)

Laser Neodimio-vetro (Nd:Glass)

Laser allo zaffiro di titanio (Ti:zaffiro)

Laser Tm:YAG (Tm:YAG)

Laser itterbio:YAG (Yb:YAG)

Laser DPSS

Laser a semiconduttori

Laser GaN 

Laser AlGaAs

Laser InGaAsP

Laser a elettroni liberi

Laser "simil-nichel" al samario

Laser a pompaggio atomico

Il laser oggetto di questo articolo rientra nella famiglia dei laser VAPORI METALLICI.

Teoria del laser a vapori di rame (Copper Vapor)

Il laser Copper Chloride è una variante del laser a vapori di rame, ideato nel 1966.

E' contraddistinto da un'elevata efficienza, stimabile circa nell'1%, tra le più elevate insieme al laser ad anidride carbonica. Ciò permette la realizzazione di un sistema con un rapporto potenza resa/consumo molto vantaggioso per tutte le applicazioni industriali da alta potenza.

Emette in due distinte lunghezze d'onda: 510.6 nm (giallo) e 578.2 nm (verde).

E' composto da un tubo in ceramica dove il rame polverizzato è portato ad alta temperatura (1650 gradi celsius +/- 50 gradi).

Nel tubo è presente un gas inerte a bassa pressione, ad esempio elio a circa 1 Torr.

La scarica elettrica ad alta tensione tra gli elettrodi presenti alle estremità del tubo provoca la collisione degli elettroni con gli atomi di rame allo stato gassoso, che emettono l'energia accumulata sotto forma di fotoni.

Il forte impulso di corrente (qualche KiloAmpere) necessaria per l'eccitazione è ottenibile con la scarica di un banco di condensatori collegati agli elettrodi.

Questo sistema permette perciò un funzionamento in modalità impulsiva e non continua.

Sono comunque allo studio dei laser a rame funzionanti in modalità continua (CW).

La durata tipica dell'impulso è di circa 100 nanosecondi.

La frequenza delle scariche può arrivare anche a 100 Hz, rendendo l'emissione apparentemente continua.

Le applicazioni del laser a rame sono diverse :

- Pompaggio di altri laser, ad esempio quelli a coloranti, sintonizzabili su diverse frequenze.

- Incisione di metalli e altri materiali.

- Taglio di metalli e polimeri.

- Fotografia stroboscopica ad alta velocita'.

- Rilevamento di impronte digitali.

- Cura del cancro (sperimentale) con la distruzione delle cellule cancerose rese sensibili alla specifica lunghezza d'onda del laser.

- Arricchimento dell'uranio 235 (al Lawrence Livermore Laboratories stanno sperimentando per questa applicazione un laser da 6 MW!)

- Effetti luminosi e scenografici.

- Olografia.

Le varianti del laser ad alogenuri di rame (Copper Chloride)

Il problema più arduo da risolvere nella costruzione del laser a vapori di rame è la relativamente alta temperatura di funzionamento.

Per ottenere l'emissione laser con temperature più basse si è provato a sostituire il rame metallico con dei sali di rame che vaporizzano a temperatura più bassa. Uno dei possibili candidati è il Clururo Rameroso (CuCl) che vaporizza a (soli) 390 gradi centigradi.

Un altro composto è il Bromuro di rame, che funziona in modo analogo.

C'è pero' un ulteriore problema da risolvere, e cioè la dissociazione del composto prima dell'eccitazione. A noi serve infatti la presenza di rame atomico nella cavità e non un composto del rame. 

Per far questo si ricorre ad una doppia scarica elettrica, la prima serve per dissociare il CuCl in atomi di Rame e Cloro, la seconda serve ad eccitare gli atomi di Rame. L'intervallo tra le due scariche è di circa 150 nanosec.

Per ottenere questa coppia di scariche è necessario ricorrere ad uno speciale alimentatore duale dotato di un dispositivo chiamato "pulser", una sorta di interruttore rotante in grado di erogare le forti correnti ad alta tensione con una certa precisione.

(Nota: nelle versioni successive, questo dispositivo è stato sostituito da un generatore elettronico a stato solido implementando degli interruttori a gas, vedi nota a fine articolo)

La commutazione avviene tramite le "spark gap", degli elettrodi posti ad una certa distanza dal disco rotante.

Regolando la distanza angolare delle spark gap si stabilisce il ritardo tra le doppie scariche.

La realizzazione del pulser è molto critica, da esso dipende infatti il funzionamento o meno del laser, dunque  la taratura delle spark gap deve essere effettuata con estrema cura.

Il sottosistema di alimentazione del laser è progettato per erogare delle rapidissime scariche di alcune migliaia di ampere, ad una tensione molto elevata.

Per evitare un dannoso effetto induttivo, le connessioni elettriche della sezione di scarica sono realizzate con conduttori in piattina metallica (flat line) al posto dei normali cavi elettrici. 

La zona in grigio nel centro del disegno è la "fornace", che sarebbe un vero e proprio forno riscaldato con una resistenza al nickelcromo da 2000W, inserita in un cilindro ceramico. La fornace è costruita con mattoni refrattari facilmente reperibili nel settore dell'edilizia. 

Il case metallico esterno è realizzato in lamiera di alluminio (vedere le foto dei miei prototipi).

All'interno del forno, che viene termostato a circa 600 gradi, è ospitata la cavità risonante formata da un tubo di pirex di diametro esterno 12 mm e lungo 500 mm. Alle sue estremità sono applicati due tubi in rame diametro 14mm , sigillati con resine siliconiche adatte alle alte temperature (silicone rosso).

Le estremità di questi tubi, che fungono da elettrodi, sono chiuse con dei manicotti in ottone realizzati al tornio, sui quali sono avvitati dei tappi forati che ospitano al loro interno delle finestre in vetro. Quella posteriore è uno specchio alluminato, mentre quella anteriore è un comune vetro trasparente.

Essendo un laser "superradiante" non è necessario il secondo specchio semiriflettente anteriore, tipico di altri tipi di laser.

Le piastre dotate di viti servono a regolare la planarità degli specchi.

Nella cavità risonante viene fatto il vuoto con delle apposite pompe. Io ho usato tre compressori da frigorifero collegati in serie. Il vuoto ottenuto con questo metodo è sufficiente alle nostre esigenze, anche se una pompa a diffusione sarebbe la soluzione ideale.

L'alimentatore

La tensione di rete alimenta i due trasformatori per insegne neon da 15 KV (corrente max 100 mA).

Tramite i due raddrizzatori ad alta tensione, formati ognuno da 50 diodi 1N4007 in serie, i trasformatori HT caricano i due condensatori da 18 nF e da 30KV lavoro (vedere in seguito i dettagli costruttivi). Il "pulser" inizia a ruotare e quando il primo contatto sfiora lo "spark gap" del primo condensatore, l'energia immagazzinata si scarica all'interno della cavità laser. Immediatamente dopo (dopo circa 150 nsec) il secondo "spark gap" scarica l'energia immagazzinata nel secondo condensatore, provocando l'emissione laser (vedere i dettagli in seguito).

Procedura di accensione: Per prima cosa viene inserita una piccola quantità di Cloruro rameico deidratato (circa 100 mg) al centro del tubo in pirex. Poi questo viene sigillato montando le chiusure all'estremità. Viene ora accesa la resistenza di riscaldamento che ha la funzione di portare la temperatura all'interno della cavità ad almeno 600 gradi. Nel frattempo vengono attivati i compressori in modo da estrarre l'aria presente all'interno.

Quando il vacuometro indica che il vuoto ha raggiunto il massimo possibile (pochi millibar) viene aperta la valvola del gas ELIO, che deve sostituirsi alle poche tracce d'azoto rimaste all'interno. Ora le pompe vengono di nuovo accese per riportare la pressione interna ad un massimo di 4 Torr (1 bar=750,06 Torr).

Dopo alcuni minuti nella cavità è presente solo elio rarefatto e le prime tracce di vapore di Cloruro rameico.

La presenza dell'elio è giustificata dall'esigenza di rendere conduttivo l'interno della cavità e permettere la scarica.

Il laser è pronto per l'attivazione, non ci resta che accendere l'alimentatore ad alta tensione.

Cosa succede esattamente all'interno della cavità?

La prima scarica serve a dissociare istantaneamente le molecole di cloruro di rame (in fase vapore surriscaldato) in atomi di rame e cloro. Queste hanno un tempo di latenza molto breve, perciò è necessario sparare subito una seconda scarica che ha lo scopo di "energizzare" i soli atomi di rame facendo saltare di livello le orbite dei suoi elettroni, acquisendo un livello energetico più alto.

Al termine dell'immissione di energia l'atomo deve ritornare alla stato originario e lo fa emettendo un fotone.

Una parte dei fotoni emessi viaggia lungo l'asse della cavità, eccitando altri atomi e rimbalzando sullo specchio posteriore, fino ad uscire dalla finestra trasparente anteriore, generando così il fascio laser.

Le successive scariche (fino a 100 Hz) ripetono la procedura descritta creando impulsi di luce ad alta energia.

I condensatori "custom"

Non trovando in commercio dei condensatori con le caratteristiche richieste ho dovuto costruirli da zero.

Per le armature ho usato dei fogli in alluminio spessore 2 decimi di millimetro, dimensioni 300x500 mm, mentre come dielettrico ho usato dei fogli in mylar di dimensioni maggiori rispetto alla armature (debordano di 60 mm per ogni lato).

Dopo aver applicato i reofori in lamierino alle armature ho avvolto strettamente il pacco mylar-alluminio-mylar-alluminio-mylar, intorno ad una barra di PVC.

I reofori a piattina sono disposti sui lati opposti del cilindro ottenuto e il tutto è stato infilato in un cilindro in PVC per usi idraulici del diametro di 50 mm.

L'interno è stato riempito di olio minerale e sigillato adeguatamente.

Con le dimensioni richieste la capacità è risultata di circa 18 nanoFarad mentre la tensione massima dovrebbe aggirarsi sui 30KV (fin'ora hanno resistito egregiamente).

Le "flat line"

Le connessione elettriche della parte di potenza del laser non sono state eseguite con normali cavi isolati.

La tensione è eccessiva per qualsiasi cavo di normale impiego ma il problema più grosso è dato dalle altissime correnti in gioco (sull'ordine delle centinaia di ampere). Si deve infatti considerare che la scarica deve essere violentissima e rapidissima per ottenere l'effetto desiderato.

Per ottenere questo sono necessarie delle linee di trasmissione a bassissima impedenza, le cosiddette "flat line". Sono costruite con lamiera di ottone o rame spesso 1 mm e 50mm di larghezza. Gli isolatori passanti sono realizzati in ceramica (anche questi fatti appositamente).

Vediamo anche qualche foto dei prototipi da me realizzati (ripeto, negli anni '90, perciò le foto non sono di alta qualità):

Ecco il laser in una foto d'insieme.

Possiamo osservare i due trasformatori HT, il pulser, il case in alluminio contenente la fornace (dentro la quale si trova la cavità laser), le flat line e il pannello di controllo. All'estrema sinistra si possono vedere i compressori usati come estrattori.

Lo strumento per la misura del vuoto, chiamato "vacuometro" e il pannello di controllo che comanda le pompe, il forno e l'alimentatore. 

Il multimetro visibile è usato come termometro, connesso ad una termocoppia.

Il "pulser" che genera la scarica sequenziale dei due condensatori. E' un disco in ceramica che ruota ad alta velocità.

I due condensatori (i due cilindri grigi) sono collegati alle due flat line in rame che formano gli "spark gap". 

Da sotto il disco parte la flat line che alimenta il laser.

Altra vista del "pulser", possiamo vedere il motorino elettrico che fa girare il disco in ceramica. La velocità era di 3000 giri al minuto.

ln questa foto (vista da sopra) si può vedere l'interno della fornace contenenti la cavità laser in pirex e gli elettrodi in tubo di rame.

Le flat line con collegate direttamente a questi elettrodi tramite delle fascette avvitate.

I tubi in plastica grigia di fianco ai trasformatori contengono i 50 diodi 1N4007 in serie che svolgono la funzione di raddrizzatore. Ogni tubo ne contiene 25. 

La valvola posta sul lato sinistro del case serve a sigillare la cavità durante il funzionamento.

Ad essa è collegato il tubo che porta alle pompe di aspirazione e alla bombola di elio dotata di riduttore di pressione.

Al centro del case in alluminio è visibile la termocoppia necessaria a monitorizzare la temperatura interna della fornace.

La scatola di floppy disk vicina ai trasformatori data la foto negli anni 90'

ln questa immagine sono indicati i vari elementi del sistema.

Dettaglio del "pulser"

una delle poche immagini del laser in funzione. Si nota la fornace arroventata al calor rosso. La luce ambientale nasconde la luminescenza verde prodotta dal fascio laser.

Misura della potenza emessa

Valutare anche grossolanamente la potenza effettiva emessa dal laser non è cosa semplice.

Innazitutto l'emissione avviene in diverse bande di radiazione, dunque è necessario misurarne l'insieme.

Inoltre, essendo un laser ad impulsi era necessario integrare in qualche modo l'energia emessa durante il funzionamento. Ho perciò provveduto a verificare questo con un semplice dispositivo.

Si tratta di un barattolo di vetro contenente una precisa quantità d'acqua, le cui pareti erano dipinte di nero.

Attraverso un foro sulla parete laterale il laser irraggiava l'interno del barattolo e l'energia luminosa riscaldava l'acqua contenuta.

Misurando la temperatura iniziale e quella finale dopo un certo tempo di funzionamento e conoscendo la quantità d'acqua presente, ero in grado di calcolare l'energia trasferita: circa 8 Joule appunto.

Conclusioni

Le foto e la descrizione si riferiscono alle prime versioni del laser in questione.

Successivamente tutto il gruppo pulser (fonte di vari problemi) è stato sostituito da un generatore di impulsi completamente elettronico che pilotava degli interruttori a gas progettati appositamente.

Non escludo che se c'è interesse da parte vostra per questo argomento potrei descrivere in un altro articolo come sono state costruite le versioni successive. Chiudo l'articolo raccomandando ancora una volta di non provare a realizzare questo laser, per questioni di pericolosità, costi e difficoltà tecniche. Oggi esistono modi più semplici di costruire un laser, ad esempio quelli DPSS, dunque investite il vostro tempo e denaro in altri modi.

Spero che comunque questo articolo sia stato utile per comprendere il funzionamento di questa particolare tipologia di laser.