TEA steht für Transversely Excited Atmospheric, also transversal angeregt und bei 1 bar Atmosphärendruck betrieben. Ein solcher Stickstofflaser lässt sich relativ einfach bauen. Man benötigt dafür nur

• 2 Metallschienen mit einer exakt geraden Kante
• einen Widerstand oder eine selbstgewickelte Luftspule als Drossel
• eine Funkenstrecke
• 2 Metallplatten oder 2 Alufoliestücke
• Overheadfolie zur Isolierung
• 1 größere Metallplatte oder 1 größeres Stück Alufolie
• eine DC-Hochspannungsquelle

Wie funktioniert so ein TEA-Stickstofflaser? Die anliegende Hochspannung lädt die beiden oberen Platten zunächst positiv auf. Beide Platten stellen durch die Isolierung von der Grundplatte je einen Kondensator dar (im Schaltplan C₁ und C₂). Beim langsamen Laden bildet die Spule L nahezu einen Kurzschluss und beide Platten werden auf dieselbe Spannung aufgeladen. Überschreitet diese Ladespannung einen bestimmten Wert, so zündet die Funkenstrecke FS auf der rechten Seite. Dadurch kann sich die rechte Platte (also der rechte Kondensator C₂) sehr schnell entladen und wieder entgegengesetzt laden.

Durch den schnellen Spannungsabfall auf der rechten Seite wirkt die Luftspule L wie ein großer Widerstand und verhindert einen Spannungsausgleich der beiden Kondensatoren. Deshalb liegt nun zwischen den beiden oberen Platten entlang des Laserkanals LK die doppelte Ladespannung an. Es kommt daher zu einer Glimmentladung zwischen den beiden Plattenkanten. Diese Entladung regt nun die dazwischen befindliche Luft, genauer gesagt die Stickstoffatome so stark an, dass der Kanal Laserlicht emittiert.

Quelle: http://www.homemade-electronics.com/index.php?s=Stickstoff%20Laser

Für dieses Experiment benötigt man wie schon erwähnt eine DC-Hochspannungsquelle. Diese habe ich mit basierend auf einem AC-Zeilentrafo in Kombination mit einer alten TV-Kaskade selbst gebastelt:

Die einzelnen Komponenten des TEA-Lasers:

Das Herzstück des Lasers, der Laserkanal gebildet aus zwei spitz zulaufenden Aluprofilen:

Die Luftspule, welche die beiden Kondensatoren parallel zum Laserkanal verbindet:

Die verstellbare Funkenstrecke bestehend aus zwei Schrauben mit Hutmuttern:

Hier nochmals die Bezeichnung der wichtigsten Bauteile:

Der Abstand der beiden Metallleisten muss überall exakt gleich sein, damit es nicht an wenigen Stellen zu Überschlägen kommt. Gewollt ist wie schon erwähnt eine gleichmäßige Glimmentladung zwischen den beiden Kanten (siehe Abbildung unten).

Hat man alles richtig gemacht, so sieht man auf dem hinter dem Kanal postierten Schirm einen blauen Laserfleck. Dieser entsteht aufgrund der Anregung des Weißmachers im Papier durch die Laserstrahlung mit λ = 337 nm (UV und eigentlich unsichtbar).

 

 

Ganz zufrieden bin ich mit dem Output noch nicht. Ich erhalte auch keine durchgängige Glimmentladung zwischen den Metallschneiden, sondern an einigen Stellen immer eine starke Funkenentladung trotz feiner Justierung der Schneiden. Diese ist eigentlich beim TEA-Laser unerwünscht. Im Internet kursieren einige Anleitungen, welche für den Laserkanal einen Sechskantstab verwenden. Dies möchte ich auch noch ausprobieren. Daher habe ich mir auf ebay zwei 175 mm lange Sechskantstäbe aus Messing bestellt:

Der Aufbau sieht dann so aus:

Die bisher verwendete A4 Overheadfolie war eigentlich zu klein für den Aufbau. Daher kaufte ich mir eine im A3-Format mit 100 micron (= 0.1 mm) Dicke:

Mit dieser kann ich nun alles schön abdecken, ohne stückeln zu müssen. Inzwischen sind auch die 6-Kant-Messingstäbe angekommen:

Da es fast ausschließlich an den Enden der Sechskantstäbe zu Funkenentladungen kam, musste ich die Enden mit sehr feinem Schleifpapier bearbeiten und Material abtragen bzw. die Ecken abrunden.

Im nachfolgenden Bild erkennt man die nicht ganz ideale Entladung im Laserkanal. Es sollte eigentlich nur eine bläuliche Glimmentladung vorkommen. Ich werde deshalb noch ein wenig probieren um dieses Problem in den Griff zu bekommen.

Am Blatt Papier erscheint aber trotzdem ein schöner, bläulicher Laserfleck:

 

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Dye-Laser

Den TEA-Laser kann man dazu nutzen, einen sog. Dye-Laser (engl. Dye für Farbstoff) umzusetzen. Ein solcher Farbstofflaser ist eine in der Wellenlänge abstimmbare Laser-Lichtquelle, bei dem als optisch aktives Medium ein spezieller Fluoreszenzfarbstoff verwendet wird. Die dabei als Laserfarbstoffe eingesetzten Emittermoleküle sind chemisch teilweise sehr unterschiedlich, um den Spektralbereich von nahem UV bis ins nahe IR abzudecken. Jeder einzelne Farbstoff deckt dabei einen spektralen Bereich von typischerweise 30–60 nm ab.

Hier gibt es ein schönes Video von Les’Lab zu Experimenten mit Selbstbau-Dye-Laser: https://www.youtube.com/watch?v=pCnXftuJ9Zo

Der TEA-Laser kommt dabei als Pumpquelle für den Dye-Laser zum Einsatz. Da die Wellenlänge des TEA-Lasers bei 337 nm liegt, verwende ich eine Quarzglas-Küvette für den Farbstoff. Deshalb Quarzglas, da dieses im UV-Bereich noch sehr transparent ist im Gegensatz zu normalen Glas bzw. transparenten Kunstoffen.

Bezugsquelle der Quarzglasküvette mit 4 transparenten Seiten:

Zum Fokussieren des UV-Laserstrahls kommt eine Zylinderlinse zum Einsatz. Auch diese gibt es auf aliexpress in unterschiedlichen Ausführungen:

In einem weiteren Youtube-Video (https://www.youtube.com/watch?v=Zv3DFTSs6NQ) werden auch die geeigneten Konzentrationen diverser Farbstoffe angeführt, wohlgemerkt gelöst in 99%igen Ethanol:

99%igen Ethanol gibt es im Baumarkt (z.B. Hornbach):

Fluoreszein habe ich bereits zuhause:

Das Rhodamin 6G kommt via Ebay aus der Ukraine:

Zum Erstellen der richtigen Verdünnung verwendete ich meine günstige Milligrammwaage. In 3 ml Ethanol kamen 4.5 mg Fluorescein (Vorgabe laut Youtube-Video 1–2 g/l):

Die Küvette mit dem gelösten Fluorescein platzierte ich vor dem Laserkanal:

Leider konnte mit dem seitlich aufgestellten Papier keinerlei Laseraktivität des Fluorescein nachgewiesen werden:

In der Zwischenzeit ist das Rhodamin 6G aus der Ukraine eingetroffen. Ich kann mir nach wie vor schwer vorstellen, wie der Alltag in einem Kriegsland vonstatten geht. Möge dieser schreckliche Krieg bald zu Ende sein 🙁

Ich habe rund 3 mg in 3 ml aufgelöst (Vorgabe laut Internet 0.6 – 1.2 g/l):

In Ethanol gelöst ergibt sich eine wunderschöne orange Färbung:

Die mit Rhodamin 6G gefüllte Küvette habe ich dann wieder vor den Laserkanal postiert und gehofft, rechtwinklig dazu Laseraktivität wahrzunehmen. Dem war leider wieder nicht so…

Damit das Licht der Funkenstrecke nicht stört, habe ich diese mit einem Karton abgedeckt:

Ich erhalte auch nach wie vor keine schöne durchgehende Glimmentladung. Habe aber schon einiges ausprobiert und variiert wie z.B. Abstand Funkenstrecke und damit einhergehend Ladespannung bzw. Breite des Laserkanals. Nichts brachte aber richtigen Erfolg. Was ich noch tun könnte wäre die Aluprofilkanten mit sehr feinen Schmiergelpapier (z.B. 1600er oder 2000er) gleichmäßig abzuschleifen. Vielleicht mache ich dies noch…

Seitlich von der Küvette war eben leider kein oranger Laserspot zu bemerken:

Ich befürchte, dass mein TEA-Laser doch zu wenig Leistung besitzt und es daher zu keiner Laseranregung kommt. Zudem ist wie schon mehrfach erwähnt die Entladung innerhalb des Laserkanals nicht ideal. Eventuell liegt es auch an der Konzentration des Farbstoffs, obwohl ich diese beginnend mit einer höheren Konzentration durch Ersetzen mit reinen Ethanol sukzessive reduziert habe. Mal schauen, ob ich mich der ganzen Sache noch einmal annehme…