Argon-Ionen-Laser (ALC60X)

Einleitung

Argon-Ionen-Laser sind mit ihren bis zu 10 Farblinien vom tiefen Blau bis ins Hellgrün die stärksten im sichtbaren Spektralbereich strahlende Gaslasersysteme. Auch sie finden heute noch, trotz den den immer näher tretenden Halbleiterlasern, in verschiedenen Gebieten der Wissenschaft und der Medizin oder für Showzwecke Anwendung. Übrigens, der stärkste jemals gebaute Argonlaser hatte eine Länge von ca. 2m mit 30mm Röhrendurchmesser, wurde mit 240A Röhrenstrom betrieben und besass eine kaum vorstellbare Ausgangsleistung von 500W! Neben den sichtbaren besitzt das ionisierte Argon noch weitere laserfähige Übergänge im Ultravioletten und Infraroten Spektralbereich, die mit speziellen Optiken zum Schwingen gebracht werden können. Oft wird in der Wissenschaft nur eine Wellenlänge benötigt, die mit einem im Resonator eingebauten Prisma selektiert werden kann.

Auf dem oberen Bild wurde der Strahl des ALC60X mit einem Prisma zerlegt. Deutlich sind die beiden Hauptlinien, 488nm blau und 514nm grün, zu erkennen.

Die 10 Linien eines Argonlasers:

454.6 nm sehr tiefes Blau
457.9 nm Tiefblau
465.8 nm Tiefblau 
472.6 nm Blau
476.5 nm hellblau
488.0 nm Türkisblau
496.5 nm Cyanblau
501.7 nm Grün
514.5 nm Grün
528.7 nm Hellgrün
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Der ALC60X

Diese Seite befasst sich mit dem mittlerweile fast legendären ALC60X, ein kleiner luftgekühlter Argonlaser, der Ende der 70er Jahren in den ersten Laserdruckern, den Xerox 9700, verwendet wurde. Gebaut wurde dieser Laser von der American Laser Corporation in Salt Lake City, USA. Seine Ausgangsleistung liegt je nach Optik und Zustand der Röhre im Bereich von 50-250mW. Mit einer relativ niedrigen Brennspannung von 100-110V benötigt dieser Laser hohe Ströme von 4 bis 10A und dem entsprechend eine ausreichende Kühlung, um die resultierende Abwärme abzuführen. Die Lebensdauer hängt am meisten vom Röhrenstrom ab und beträgt im Normalfall rund 5000-8000 Stunden.

Einen Blick in den geöffneten ALC60X:

In der Mitte ist die ca. 30cm lange Laserröhre mit ihren Kühlrippen zu erkennen. Links befindet sich die geheizte Kathode und rechts die Anode. Die Spiegel des Resonators sind in den beiden justierbaren Platten aus schwarz eloxiertem Alu untergebracht und die Röhre besitzt Brewsterfenster, die das Licht verlustfrei aus- und eintreten lassen. Die Platine mit den Kondensatoren ist der Starter-Teil. Dieser liefert kurze Hochspannungspulse, die das Gas in der Röhre ionisieren und bei angelegter Anodenspannung somit zur Zündung führen. Hier wird eine Gleichspannung von 350V benötigt, die zustätzlich vom Netzteil bereitgestellt werden muss.

Fast alle Argonlaser besitzen eine Röhre aus Berylliumoxid, ein sehr hitzebeständiges Keramik-Material, das den extrem hohen Temperaturen des Plasmas (1500-2000°C) Stand halten kann. Berylliumoxid kann, wenn es eingeatmet wird, schwere Lungenverletzungen verursachen, deshalb sind bei einer zerbrochenen Röhre die nötigen Sicherheitsvorkehrungen einzuhalten. Die Entsorgung sollte ebenfalls Fachgerecht unternommen werden!

Normalerweise wird der Laser mit einem grossen "Tarzan"-Lüfter gekühlt. Die warme Luft wird von der Öffnung am Gehäuse des Lasers über einen Kanal aus Blech nach aussen entführt. Doch leider ist diese Kühlvorichtung etwas umständlich und verursacht viel Lärm. Eine gute Alternative bietet einen direkt an der Öffung des Lasers angebrachten Lüfter, wie z. B. der Papst 6078, welchen man übrigens bei Distrelec zu einem angemessenen Preis findet. Der neue Lüfter wurde mit einem Rand aus Alu von 2cm höhe direkt am Lüftungsschacht des Laserkopfes angebracht. Um kleine Lecks zu vermeiden wurde zusätzlich mit Schaumstoff eine Dichtung realisiert. Mit seinen 420cbm/h reicht der "kleine" Lüfter vollkommen aus, obwohl der Tarzan mit etwas über 700cbm/h deutlich höher lag. Da der Blechkanal ausfällt, hat man auch besser Zugriff auf die hintere Resonatorplatte, das ist bei Justierarbeiten ganz klar von grossem Vorteil. Achtung: Das Anbringen von Lüftern auf der Seite des Lasers statt am vorgesehenen Lüftungsschacht ist abzuraten. 

Auf dem unteren Bild sieht man den ursprünglichen Tarzan-Lüfter ohne den Blechkanal.

 

Betrieb des Lasers

Ist alles bereit, so kann man als erstes die Heizung der Röhre einschalten und einige Minuten warten. Nun kann der Strom auf ca. 4-6A eingestellt und die Zündspannung angelegt werden. Hat der Laser gezündet, sollte der Röhrenstrom wieder auf 4A, den Standby-Strom, heruntergeregelt werden. Nach einigen Minuten kann der Strom vorsichtig bis zum gewünschten Wert erhöht werden. Wichtig ist, dass dies über eine gewisse Zeit geschieht, denn die Laserröhre ist empfindlich auf grosse Temperaturschwankungen und sollte ausserdem nicht nur für kurze Zeit (>30min) in Betrieb gesetzt werden. Ein ständiges Ein- und Ausschalten kann der Röhre ebenfalls erhebliche Schäden zuführen.

 

Analyse des Laserstrahls

Der Laserstrahl wurde durch ein Beugungsgitter aus einem alten Spektrometer zerlegt. Der stärkste Laserübergang bei 488nm (türkis) beginnt als erster zu schwingen und hat somit die niedrigeste Laserschwelle. Aufgenommen wurde das Bild bei einem Röhrenstrom von ca. 9A, bei welchem die grüne Linie gerade erst anschwingt.

 

Externe Erweiterung des Laserresonators

Es ist tatsächlich möglich, den Resonator eines Gaslasers durch einen externen Spiegel zu erweitern, um das Anschwingen weiterer Linien zu ermöglichen. So können bei einem roten HeNe-Laser, ohne den Resonator direkt verändern zu müssen, auch weitere Laserübergänge im roten, orangen, gelben oder sogar im grünen Spektralbereich zum schwingen gebracht werden.

Ein dielektrischer Interferenzspiegel als zweiter Auskoppelspiegel verstärkt die grüne Linie bei 514nm erheblich. Man merkt jedoch gut, dass diese Änderung mit gewissen Verlusten verbunden ist. Wegen der bereits sehr hohen Reflektion des hinteren Spiegels brachte dort ein zusätzlicher Spiegel keine Veränderung im Ausgangsstrahl.

Nach der Justierung des zweiten Auskoppelspiegels wurde die grüne Linie erheblich stärker und übertraf bei relativ geringem Strom schon fast die hellblaue Linie.

 

Anschlussbelegung des ALC60X

1 Kathode (a)
2 nicht verbunden
3 Erde
4 nicht verbunden
5 nicht verbunden
6 Anode
7 nicht verbunden
8 Ground (Masse)
9 nicht verbunden
10 nicht verbunden
11 Zündspannung
12 nicht verbunden
13 +12V DC
14 -12V DC
15 nicht verbunden
16 Lüfter (a)
17 Zündspannung über 100kOhm Widerstand
18 Lüfterbrücke (a)
19 nicht verbunden
 20 Lüfter (b)
21 Lüfterbrücke (b)
22 Kathode (b)
 

Ein paar Tipps:

Never touch a running system, sagt man immer wieder ;-) Resonatoren von Ionenlasern sind sehr schwierig zu justieren und sind besonders "hungerig", wenn es um Geduld geht ;-) Um sich das so vorstellen zu können, die Genauigkeit liegt bei ca. 0.1°! Ausserdem sind die optischen Kompomente wie Brewsterfenster sehr empfindlich und können z. B. bei einem Röhrenwechsel beschädigt werden, wodurch im schlimmsten Fall Luft in die Röhre gelangen kann. Vernachlässigt auch nicht die Sicherheit beim hantieren mit Lasern dieser schon hohen Leistungsklasse! Also, lässt euren Laser so wie er ist wenn er schon funktioniert und habt viel Spass damit! ;-)