Chế Tạo Thiết Bị Laser Rẻ Tiền Dùng Nitơ cuả Không Khí

Chế Tạo Thiết Bị Laser Rẻ Tiền
Dùng Nitơ cuả Không Khí
Vietsciences-Võ Quang Nhân 27/09/2005

Những bài cùng tác giả

Hôm nay, 16/05/2008, kỷ niệm ngày nhà vật lý Mỹ Theodore Maiman dùng
tinh thể hồng ngọc, chế được tia Laser đầu tiên cách đây 48 năm.
Maiman vừa mất năm ngoái, ngày 5/5/2007. Vietsciences xin giới thiệu lại
bài này

(phỏng dịch từ Build a 10$ air laser! --Price doesn't include high voltage
PSU)
Ảnh1: Thiết bị laser tự chế.
Lời người dịch:
Đối với SV/HS chúng ta tự làm lấy một thiết bị laser có vẻ như chuyện
"nằm mơ thấy chị Hằng". Nhưng thực ra trong điều kiện hiện nay tự chế 1
thiêt bị laser rẻ tiền không phải là điều quá khó. BBT đã cố hết sức tìm ra
những bài viết khả dĩ thích hợp. Dĩ nhiên vìệc tiến hành sẽ đòi hỏi các bạn
phải đọc và phân thích theo các hình thiết kế và bản vẽ thật kĩ. Hãy cố
gắng đọc hết tài liệu khá dài dòng này trước khi bắt tay vào việc. Trong
ngôn ngữ dịch sẽ khó tránh đươc một số thiếu sót (do tác giả baì viết có
câu văn tối nghĩa hay do sự hạn hẹp về hiểu biết cuả ngưòi dịch) Tuy
nhiên bài này khá đủ chi tiết hy vọng sẽ có ích cho các bạn naò muốn đưa
laser vào tầm tay. Trường hợp không hiểu rõ hay xem thêm nguyên bản
đính kèm sau bài dịch. BBT cũng chân thành cảm ơn các bạn nào có nhã ý
đóng góp thêm về đề tái này cũng như về các sai sót không tránh khỏi khi
lược dịch. Mọi liên lạc về nội dung bài viết này xin vui lòng gửi về:

Một điều khá quan trọng cần lưu ý: khi đụng đến dòng cao thế (~10KV)
là phải đề cao yếu tố an toàn. Hãy thật sự vô cùng cẩn thận ngay cả khi

mạch điện đã bi ngắt vì các tụ điện làm ra bởi các tấm nhôm vẫn đủ cao
để gây tai nạn chết nguy hiểm. Chúng tôi đề nghị khi tiến hành phải có ít
nhất vài người để kiểm soát hành vi của nhau nhằm tránh các đáng tiếc có
thể xảy đến bất ngờ.
Chúng ta mô tả một dụng cụ laser rất đơn giản: Không cần khí đặc biệt,
không có sản phẩm hoá học, không có bồn chân không và cũng không có
công việc luyện thuỷ tinh!
Thiết bị Nitrogen laser này dùng không khí ở áp suất thông thường (phòng
thí nghiệm- người dịch). Tất cả những vật liệu cần thiết là vài bộ phận kim
loại và khoảng 10kV, 1mA nguồn cao thế một chiều (DC)
(Tất cả các kích thước đo dùng đơn vị mm)
Mô Tả:
Tất cả các phần cuả laser không khí gắn trên một miếng (phiến) nhôm (làm
đế -- người dịch) khổ A4 (210x297 ) mà miếng này lại được đặt trên 1 tấm
plastic (nhựa). Có 2 tấm nhôm giữ vai trò như là các tụ điện và 2 miếng
kim loại (L) khác được dùng như là các điện cực cho kênh plasma (plasma
panel). 2 bộ phận nhôm hình U được bắt bù lon trên miếng nhôm chính
(miếng đế), cả hai có thể giữ chặt tất cả bằng các con bù lon nhưạ (nylon
screws)
Các bù lon nhựa có đặc tính cách điện và cho phép chúng ta dể dàng thay
đổi, sưã chưã, hay điều chỉnh các điện cực và tấm plastic. (plastic film)
Dùng tấm plastic A4 vì nó rẻ tiền và dễ kiếm để sữa chưã các điện dung
(dielectric solution)

Lý thuyết:
Thực ra, dụng cụ air laser này la một laser Nitơ, nó dùng phân tử Nitơ trong
không khí để phát tia laser (lase). Laser Nitơ thông thường dùng áp suất
thấp mở rộng kênh Nitơ như là đồ án nổi tiếng đã lâu, "Khoa học gia Hoa
Kỳ", trong: (xem bài số 1)
Hình 1: Đồ thị về sự nhảy bậc đìện tử

Khi có sự nẹt xả điện cuả 1 dòng cao thế qua hơi Nitơ ở áp suất thấp, nó có
thể phát xạ sóng ở 337.1 nm (cực tím). Hiện tượng laser bắt đầu khi một
phân tử Nitơ nhận năng lượng do sự đụng chạm với một điện tử chuyển
động trong lúc xả điện. Phân tử này sẽ ở vào trạng thái không bền và lập
tức rơi vào trạng thái năng lương thấp hơn (để được ở trạng thái bền hơn --
người dịch) bằng cách phát ra lượng tử (photon -- hay còn dịch là hạt ánh
sáng -- người dịch) bức xạ ở 337.1 nm. Luợng tử phát xạ này có thể tham
gia kíck thích phân tử Nitơ khác và một cách đơn giản châm ngòi cho phân
tử này phát xạ cùng một lượng tử hoàn toàn giống với lượng tử ban đầu. Cả
hai hạt bức xạ này có cùng hướng và bước sóng. Đây là hiện tượng laser.
Hiện tượng sẽ tiếp tục trong khi xung này lớn lên và kích thích các phân tử
Nitơ hấp thụ chúng dọc theo dường đi cuả chúng. Trong trường hợp cuả
Nitơ, các phân tử dao động thường nằm ở trạng thái mức thấp lâu hơn là ở
mức cao trước khi chuyển về trạng thái nghỉ ở mức thấp. Số lượng phân tử
ở mức laser thấp sẽ sinh ra nhanh chóng, và vượt qua số lượng ở mức cao
và làm tắt khả năng khuếch đại. Đúng ra, hơi (Nitơ) nhanh chóng trở nên
hấp thụ mạnh bước sóng phát ra ở 337.1nm. Laser tắt mặc dù vẫn còn các
phân tử bị kích thích. Thời gian bị tắt thuờng nhỏ hơn 10ns.
Điều đó có nghiã là năng lượng tối đa phải đạt đến trong nano giây đâu
tiên. Cấu trúc cuả thiết bị laser phải rất nhanh, tránh các điện trở kí sinh và
quan trọng là điện dẫn ký sinh. Sử dụng không khí ở áp suất thông thường
thì càng khó khăn hơn: nguyên tử Ôxy có xu hướng ngăn chận sự phát xạ
laser. Áp suất khí quyển có nghiã là tổng trở nhỏ và độ rộng cuả kênh laser
thấp. Tức là cấu trúc laser cần phải nhanh hơn nưã.
Hầu hết laser Nitơ (kể cả thiết bị này) dùng cấu trúc Blumlein:
2 tụ điện cao thế (hầu như hoàn toàn giống nhau), một cực nối (dây) đất
và cực kia nối vào một diện cực. Cả hai được gắn qua 1 cái bản thân (self)
và được nạp cao thế. Một khoảng cách lửa điện được cài đặt trên một diên
cực: khi điện thế đủ cao, sực đánh điện xãy ra: một dòng dẫn plasma xã
diện rất nhanh trong một tụ điện. Một tụ diện thì lại ở điện thế đất, trong

khi ca'i khác đang ở cao thế. ự sai biệt khổng lồ giưã 2 điện cực tạo ra
plasma cái mà gây nên chùm tia laser. Tiếp theo, chùm laser tắt, plasma
ngừng và, sau đó, tụ diện sẽ xã điện qua cái bản thân. Sau đó, tất cả lại
nạp điện qua PSU cao thế (PSU = Power Supply Unit -- dịch là đơn vị cấp
điên) và quá trình này tái diễn. Nghiã là, cấu trúc cuả thiết bị phải đủ
nhanh để có thể đem hầu hết năng lượng đến trong nano giây đâù tiên.
Thời gian cho sự nẹt đìện trong khoảng không cuả tụ điện phải rất nhỏ: các
diện trở và điện dẫn kí sinh phải ở mức thấp nhất.
Tính toán
(Ở đây, chúng ta chỉ tính đến thứ tự độ lớn chứ không phải các kết quả
chính xác)
Trong thiết kế này, ta cho rằng cao áp vào khoảng 10kV, mỗi tụ điện chừng
2nF, thời gian phóng điện trong tụ chừng 11ns hay ít hơn một chút.
i=CV/t = 10000 x 2.10
-9
/ 10.10
-9
= 2000A. Dòng 2000A chạy qua hai má
tụ điện chỉ trong một vài nano giây!
Tổng trở kí sinh phải được làm cho nhỏ hơn 1kV để trở nên không đáng kể
(so với 10kV): R=U/I = 5 Ohm -- Ðiều này dễ dàng thực hiện: điện trở kí
sinh không phải là vấn đề (dùng đồng, nhôm hay sắt không phải là quan
trọng)
Tổng điện dẫn kí sinh V= L di/dt: L=V/(di/dt): 5nH gia' trị này tương đối
nhỏ, L=u S n² / l, S=L l /(u n²), l=5 mm, u (không khí) = 4 PI 10
-7
, n=l,
=> S ~ 20 mm² khoảng chừng 5 x 5 mm
Có nghiã là một vật dẫn (chẳng hạn như đầu nối cuả chỗ nẹt lửa) phải
5mm rộng và 5mm dài dể dẫn về dây đất và có 1 độ dẫn điện như vậy thì

không thể bỏ qua được! Điện dẫn kí sinh là một vấn đề!
Cấu trúc Nitơ toàn diện phải rất phẳng và phải giữ chỗ nối cuả khoảng đánh
lửa với đất và điện trở, chỗ nối cuả điện cực và các bản thân mang tụ kí
sinh nhỏ nhất: Các vòng phải ít nhất.
Người ta nói rằng có một "sóng dịch" trong tụ điện trong thời gian xả điện.
Trong các thiết bị laser không chuyên nghiệp, tôi (tác giả) không tin như
vậy. Dẫu sao, khó mà có sự đo đạc chính xác và an toàn trong môi trường
cao thế và hiện trạng rất ngắn . Bạn phải có 1oscillosope và đầu thử điện
cao thế rất nhanh (HT probe) hoặc dùng kĩ xảo về ILS điện thế thấp hoặc
nối cái bản thân với bản thân Blumlein một cách an toàn.
Cấu trúc:
Chúng ta chọn kiểu đơn giản để thực hiện, với điện dẫn kí sinh rất thấp, dễ
thay dổi và điều chỉnh. Rất dễ để thay đổi tấm plastic, miếng bề mặt tụ
điện, điện cực. Ta dùng phiến nhôm đế khổ A4 (210 x 297) trên đó xếp đặt
1 tờ plastic khổ A4 (film), và 2 mảnh má tụ điện. Ta cũng gắn 2 thanh
nhôm chữ U với các bù lon bằng nhựa (nylon) để đè chặt các tụ điện và các
điện cực là các thanh nhôm hình L. Hai điện cực được gắn bởi hai lò xo kéo
căng mà hoạt động cuả chúng như 1 cái bản thân đỡ. 2 bù lon nhưạ chỉnh
khoảng cách.
Để chỉnh khoảng cách giưã hai diện cực, chỉ cần mở các bù lon tương ứng
trên hai thanh chữ U, rồi điều chỉnh khoảng cách với 2 bù lon nằm ngang.
Một khi khoảng cách vưà vặn, xiết các con bù lon tương ứng trên hai thanh
chữ U
Một lỗ trong mỗi thanh chữ U là để cho laser thoát ra trên 1 phiá và để gắn
một bộ 3 bù lon + lò xo điều chỉnh miếng gương trên phiá còn lại.
Ngay cả nếu thiết bị này dường như rất đơn giản, các kích thước đã được tối
ưu hoá: Tôi khuyến cáo hãy dựng đúng theo thiết kế trước khi thử thay đổi
các tham số cuả nó.

Danh sách vật liệu:

1. - Một bản nhôm 210x297 (dầy từ 1,5 cho đến 2,5 mm)
2. - Một tấm nhựa 210x279 khổ A4 ( các miếng phim dùng trong các máy
chiếu hình projector -- printer slide. Thử dùng miếmg phim phổi dày
thay thế nếu không có?)
3. -Hai bản nhôm 135x190 (dầy từ 1,5 đến 2,5 mm)
4. -Hai thanh (thước) nhôm có thiết diện hình chữ U kích cỡ 20x20x250
5. -Hai thanh (thước) nhôm có thiết diện hình chữ L kích cỡ 10x20x250
6. -Mười hai bù lon nhưạ (nylon) kiểu M5 hay M4 dài chừng 25-30
7. -Bốn bù lon kim loại cỡ M3 x 10 với ốc vặn đi cùng.
8. -Vài bù lon M3 và lò xo (4 lò xo đẩy và 2 lò xo kéo)
9. -Bốn cục chân đế cao su
10. -Một đầu nối dây (connector) đỏ và một đen loại thông thường
11. -Vài điện trở ! MOhm 1W (tuỳ theo PSU)
12. Cái CD thấy trong hình chỉ là để so sánh kích thước
Cách làm
- Khoan 4 lỗ d=3,2 trong bản nhôm chính: 2 lỗ dọc theo một cạnh 279, và
2 lỗ dọc theo cạnh còn lại cách chừng 10 từ bià cạnh, khoan dũm xuống (để
đầu bù lon không ảnh hưởng tới miếng giấy Plastic)
-Khoan 2 lỗ d = 3,2 trên mỗi thanh U và gắn các thanh này lân cạnh dài
cuả bản nhôm chính cùng với 4 miếng dế cao su.
-Khoan 1 lỗ d = 10 ở trung điểm (trực diện) cuả mỗi thanh U làm chỗ cho
laser phóng ra.
-Khoan 8 lỗ d = 4.0 trên bề mặt phiá trên cuả mỗi thanh U và vặn vào nó
các bù lon M5 (thanh U được xếp nằm ngang, đáy cuả nó dựng đứng --
người dịch)
-Xếp tấm plastic A4 (210 x 297) lên bản nhôm chính
-Cắt (duã) tròn (r= 5) ở các góc cuả hai miếng nhôm 135 x 190 và đặt nó
lên miếng nhôm chính khoảng cách 10 so với các cạnh lề.

-Xếp các thanh nhôm chữ L 210 x 20 lên các miếng nhôm (vừa gắn) cách
nhau 1mm một cách đối xứng ( |__ __| )
- Vặn 8 bù lon nylon M5 x 20 vào mỗi thanh chữ U và xiết nó để ép các
miếng nhôm và các thanh điện cực chữ L.
-Gọt (duã) bớt cạnh cuả thanh L (xem kĩ hình- người dịch) khoảng 10 để
tăng khoảng cách giữa các thanh chữ L và chữ U (ít nhất 10mm)
-Trong 1 thanh U, khoan 1 lỗ 2,3 và vặn vào bù lon M3, lồng vào một bù
lon M2 x20 với lò xo đẩy: đây là khoảng đánh điện. chỉnh nó ở 5 mm (xem
kỹ bản vẽ kỹ thuật - người dịch)
-Trong 1 thanh U (theo phân tích hình chụp thì nó là cùng 1 thanh như trên
-- người dịch), khoan hai lỗ d = 6,0 bắt vào trong đó một đầu nối điện màu
đen: đây là chỗ nối dây đất.
-Khoan 4 lỗ d=4.0 và 1 lỗ d=6.0 trên một diện cực (và vặn các bù lon M5
vào hai lỗ) và khoan 3 lỗ d= 6,0 trong điên cực bên kia.
-Mắc 2 lò xo kéo, vặn 2 bù lon M5 x 20 và bắt 1 đầu nối màu đỏ lên các
diện cực ( lưu ý: lò xo kéo hoạt động như là bản thân đỡ diện)
-Hàn 5 điện trở (nối tiếp -- người dịch) 1MOhm 1W R vào giưã đầu nối đỏ
và điện cực (bỏ vào 1 ống nhựa không màu)
-Bạn cũng có thể thêm 3 lỗ M3 vào thanh chữ U xung quanh lỗ thoát (cuả
laser) và gắn lên đó 3 bù lon M3 có lồng các lò xo đẩy và dán 1 miếng
gương lên đâu còn lại (để phản xạ các tia laser và có thể dùng gương soi
mặt loại nhỏ cuả các ban gái -- người dịch). Chỉnh các con bù lon cho trục
ánh sáng cuả gương và kênh plasma (bạn có thể dùng mắt hay dùng 1 loại
bút laser có bán ở thị trường)
Chú ý: cách chỉnh guơng: đục 1 lỗ 1 mm ở giưã 1 miếng giấy trắng. Tháo
dây nối, xả điện cho laser. Nhìn qua lỗ cuả tờ giấy tới miếng gương xuyên
qua lỗ thoát cuả tia laser. Xê dịch mắt với các điện cực và điều các con bù
lon cuả miếng gương cho tới khi cái lỗ cuả miếng giấy nằm ở giưã 2 điện
cực.
Hình2: Sơ đồ mặt cắt cuả thiết bị

Ảnh 2: (CD-ROm trong ảnh là để so sánh với kích thước thực tế và không
liên quan gì đến thí nghiệm)

Các tiền thử nghiệm với điện thế thấp
Theo đồ án này, các đìện dung vào khoảng 2 x 2 nF
Cân thận nối với nguồn 1 chiều 10 V, thay khoảng đánh điện với một công
tắc ILS (Rất tiếc người dịch không tìm ra "arcronym" cuả chữ này -- có thể
là Integrate Logic Support) nảy bởi 1 nam châm, đo thời gian rớt trên điên
cực nảy điện vào khoảng 11 ns, thời gian rớt trên điện cực bản thân vào
khoảng 60 ns. Chu kì và thời gian rớt cuả điện cực bản thân chỉ phụ thuộc
vào diện dung và giá trị bản thân. Ở đây bản thân làm với 2 lò xo diện cực,
nhưng dẫu sao giá trị bản thân cũng không quá quan trọng