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Argon-Krypton-Laser Melles Griot 643

  Lasereinheit Melles Griot 643-PERYB-A01 im  Originalzustand            ArKr-Laserkopf mit nachträglich montierten Lüftern zur Kühlung

Ein Argon-Krypton-Ionen-Laser hat, wie der Name schon sagt, als Gasfüllung eine Mischung beider Gase. Ein solcher sogenannter Mischgas-Laser oder Weisslicht-Laser kann verschiedenste Linien im sichtbaren Bereich erzeugen. Das Argongas sorgt für Linien im blauen und grünen Bereich, während das Krypton hauptsächlich rote und gelbe Linien erzeugen kann. Für den Hauptstrahl ergibt sich dadurch eine Mischung aus all diesen Farben, was meist ein mehr oder weniger reines Weiss ergibt, daher auch der Name Weisslicht-Laser. Eine Ar/Kr-Laserröhre muss aber nicht nur ein spezielles Mischverhältnis der Gase beinhalten, sondern  benötigt auch spezielle Breitband-Optiken, also Spiegel mit Oberflächen, welche im gesamten sichtbaren Bereich aktiv sind.

Vor kurzem bot sich mir die Möglichkeit, für einen absoluten Schnäppchenpreis einen Argon-Krypton-Laser Melles Griot vom Typ 643-PERYB-A01 zu ersteigern. Im Lieferumfang war lediglich der Kopf, ohne Netzteil und ohne Fernbedienung. Ausserdem hatte ich keine technischen Daten dazu, weder die Pinbelegung der Anschlüsse noch die elektrischen Daten der Röhre. Die Typenbezeichnung gibt unter anderem an, dass der Laser Rot, Gelb und Blau bringen soll (RYB steht für red, yellow, blue). Grün ist offenbar für die meisten Anwendungen unerwünscht und wird daher durch die eingebauten Optiken unterdrückt. Trotzdem können durch eine externe Resonator-Erweiterung zusätzlich zwei grüne Linien angeregt werden, dazu aber später mehr. Die optische Ausgangsleistung dieses Lasersystems beträgt ca. 150mW TEM₀₀ gemäss Herstellerangaben.

Argon-Krypton-Laser: Spektrum

Auffallend an diesem Kopf ist erstmal die beachtliche Grösse und Länge der Röhre im Vergleich zu meinem ALC-60X Argonlaser. Das Gewicht des Melles Griot 643 beträgt dementsprechend auch satte 11.4kg. Als allererstes ging es nun mal darum, möglichst viele Daten über die Röhre zusammenzutragen. Das Internet war zwar nicht sehr hilfreich, aber schlussendlich gelang es mir trotzdem über verschiedene Umwege, an die essentiellen Spezifikationen ranzukommen. Grundsätzlich kann man sagen, dass dieser Laserkopf ähnliche (wenn nicht sogar gleiche) elektrische Eigenschaften aufweist wie der Omnichrome-643. Die Spezifikationen dieser Röhre weichen teilweise deutlich von denen eines ALC-60 ab, dennoch konnte dieser Kopf zumindest testweise mit einigen Modifikationen am ALC-60-Netzteil betrieben werden. Die Kühlung erfolgte ebenfalls mit dem bewährten ALC-60-Lüfterkanal, später wurden zwei grosse Papst-Lüfter definitiv an der Oberseite des Laserkopfs angebracht (siehe Bild ganz oben links).

Strahlaustritt der Lasereinheit. Mit einem Schieber (Shutter) kann der Austritt verschlossen werden, um die Optik zu schützen.

Elektrische Daten und Pinbelegungen zum Melles Griot 643 Laser

Geeignete Original-Netzteile für diesen Laser wären beispielsweise das Melles Griot 171B-XXXY^* oder das Omnichrome Model 171-B. Leider stand mir kein solches Originalnetzteil zur Verfügung. Um die Lasereinheit ohne Original-Netzteil betreiben zu können,  ist man auf die wichtigsten elektrischen Spezifikationen der Röhre angewiesen. Leider finden sich diese nicht im Internet und auch der Hersteller Melles Griot ist offenbar sehr zurückhaltend mit solchen Angaben, deshalb möchte ich nachfolgend die wichtigsten Informationen, die man zum Betrieb des Kopfs benötigt, dokumentieren. 

^*XXX steht für die Netzspannung, beispielsweise 230V, während Y die Gehäusefarbe angibt (B = Black, G = Grey)

Elektrische Grunddaten der Röhre:

Typ: Melles Griot 643-PERYB-A01

Brennspannung (Anodenspannung) der Röhre: 185...190VDC (bei meiner Röhre etwas weniger)

Heizspannung/Heizstrom: 3V AC @25A

Röhrenstrom: 3.5A (Standby) bis 9.4A

Zündung ein/aus: 0V / 15V DC

Bei der nachfolgenden Pinbelegung wurden nur diejenigen Pins erwähnt, die man unbedingt benötigt für den Betrieb des Lasers. Es gäbe noch zahlreiche Pins für Rückmeldungen, die ich jedoch die meisten auch nicht weiss bzw. mich auch nicht gross dafür interessiert habe.

Pinbelegung Power-Anschluss P1: 

Pin:    Funktion:

1        Heizung (a) (3V AC)

22      Heizung (b) (3V AC)

6        Anode (ca. 200V DC)

8        Masse (in Bezug auf Anode und  Zündungs-Speisung)

3        Gehäuse-Erde

16      Betriebsstundenzähler (a) (115V AC)

20      Betriebsstundenzähler (b) (115V AC)

18      Temperatur-Sensor (a)

21      Temperatursensor (b)

12      Zündungssteuerpin (Zündung ein: 0V, Zündung aus: 15V DC)

Anmerkung: Für den Betrieb des Lasers sind theoretisch nur die Pins 1, 22, 6, 8, und 12 absolut notwendig, trotzdem empfiehlt es sich natürlich, wenigstens noch die Temperatursensoren und die Erde anzuschliessen.

Pinbelegung kleiner Anschluss P3:

Hier braucht man eigentlich nur Pin 4 und Pin 5 durch eine Brücke miteinander zu verbinden, um den Interlock zu überbrücken (bei einem Selbstbau-Netzteil ist eigentlich genau genommen nicht mal das nötig).

Pin 1 und Pin 6 dieses Steckers wären vermutlich für den Anschluss eines Lüfters gedacht, denn sie führen zu den selben Pins wie die Anschlüssse des Betriebsstundenzählers (den Lüfter betreibe ich jedoch bei meinem Aufbau separat).

Zündung der Röhre

Besondere Beachtung verdient Pin 12 (zusammen mit Pin 8) des Poweranschlusses P1. Wie oben schon angesprochen, ist Pin 12 für die Zündung der Röhre verantwortlich. Die Spannug an Pin 12 führt vom Power-Anschluss P1 zum Zündboard, genauer gesagt über Widerstand R1 an Pin 1 des Optokopplers H11G1, während Pin 8 des Power-Anschlusses zu Pin 2 des selben Optokopplers geht. An diesen beiden Anschlüssen kann mit Hilfe einer 15V-Spannung bestimmt werden, wann der Laser zünden soll (15V an Pin 12 bedeutet keine Zündung, während 0V an Pin 12 dazu führt, dass die Zündschaltung regelmässige Zündimpulse generiert). Eine zusätzliche, hohe Zündspannung braucht dieser Laser im Gegensatz zum ALC-60 nicht, da die Zündspannungsversorgung bei diesem Laserkopf direkt aus der Anodenspannung gewonnen wird.

Der Betriebsstundenzähler

Dieser ist bei meinem Modell als Digitalzähler ausgeführt. Wird er mit 115V gespiesen (Pin 16 und 20), so beginnt er zu laufen. Vermutlich könnte man diesen auch mit bis zu 230V Netzspannung speisen, doch das wollte ich nicht riskieren, da es doch oft Zähler gibt, welche nur für 115V AC gebaut wurden (beispielsweise bei meinem ALC-60X, da gibt es sogar Ausführungen, welche mit 12V DC laufen). Als ich den Zähler heute mal zum Test gespiesen habe, zeigte er 722 Stunden an. Etwa fünf Stunden kommen noch hinzu, da alle bisherigen Experimente ohne Betriebsstundenzähler erfolgten.

Original-Speisekabel

Nebenstehendes Bild zeigt das originale Speisekabel, welches mir freundlicherweise zu diesem Laserkopf mitgeliefert wurde. Später habe ich dieses in zwei Teile zerlegt, eine Seite wird für den hier beschriebenen Melles Griot Laserkopf verwendet und führt auf der anderen Seite mehrere Bananenstecker für den Anschluss am Netzteil, während das andere fast gleich aufgebaut ist, aber für den Betrieb des ALC-60X Argonlaserkopfes am gleichen Netzteil dient. Dadurch ist ein schneller Auf- oder Abbau möglich.

Und hier noch einige interessante Zusatzinformationen, welche mir freundlicherweise von einem Forenmitglied im Mosfetkiller-Forum zur Verfügung gestellt wurden (ohne Gewähr meinerseits!):

• Der Omnichrome 643 ist offenbar elektrisch mit dem Melles Griot 643 identisch

• Gleich angeschlossene Interlocks und Stundenzähler, und gleicher Optokoppler auf dem Zündboard

• Pin 16 und Pin 20 führen nicht nur zum Betriebsstundenzähler, sondern auch zum Lüfter

• Pin 19: Messsignal des Lichtsensors

• Pin 13: +15V Speisung für Lichtkontrollboard

• Pin 14: -15V Speisung für Lichtkontrollboard

Die positive und negative 15V-Speisungen sind nicht zwingend nötig für den Betrieb des Lasers, sondern dienen hauptsächlich der Auswertung des Lichtsensors. Bei Selbstbaunetzteilen wird ohnehin meist auf die Lichtregelung verzichtet und stattdessen einfach der Röhrenstrom überwacht und begrenzt.

Ein Kurzbeschrieb und einige technische Daten des Herstellers über die  643 Serie findet man hier:

Technische Daten und Kurzbeschrieb Melles Griot 643

Eine 58-seitige Bedienungsanleitung ist hier zu finden:

Bedienungsanleitung Melles Griot 643

Innenleben der Lasereinheit Melles Griot 643

Das Innenleben des Melles Griot 643 Laserkopfs wirkt im Vergleich zum ALC-60X recht ordentlich und aufgeräumt, vermutlich ist dieser Laserkopf auch sehr viel neuer bzw. wurde wesentlich später entwickelt. Ein Blick ins Innere des 643er zeigt die Röhre mit den Kühlrippen in der Mitte welche etwas das doppelte Volumen der ALC-60X-Kühlung beinhalten. Im Vordergrund das Gasreservoir (Glaskörper), rechts im Hintergrund die Zündschaltung mit der orangen Zündspule, ganz rechts der mechanisch verschliessbare Strahlaustritt und links im Hintergrund die elektrischen Anschlüsse P1 und P3.

Zündprint                                                                        Anode                                                              Strahlaustrittsseite

Kathode mit Heizung                                         HR-Seite                                       Kühlrippen 

                              Gasreservoir                                                         Übergang vom Gasreservoir zur Röhre

Betrieb des Argon-Krypton-Lasers

Da ich kein originales Netzteil zu dieser Laser-Einheit zur Verfügung hatte und ein solches ca. 2500 Euro kosten würde, entschloss ich mich aufgrund der technischen Daten der Röhre, einen Betrieb an meinem bereits vorhandenen, selbstgebauten ALC-60-Netzteil zu versuchen. Einige wesentliche Unterschiede waren jedoch zu beachten: 

1. Die Brennspannung beträgt bei dieser Röhre rund 180V, also wesentlich mehr als beim ALC-60. Dies vorallem deshalb, weil sie bedeutend länger ist als die ALC-60 Röhre. Eigentlich hätte sie die doppelte Länge und damit auch in etwa die doppelte Spannung (also über 200V!), aber durch die Mischung mit dem Krypton sinkt die Brennspannung wieder etwas. Die höhere Brennspannung wurde mit Hilfe eines vorgeschalteten Variacs bewerkstelligt. Das Powerboard mit der Gleichrichtung und Siebung der Anodenspannung musste neu gebaut werden.

2. Die Zündspannung des ALC-60 entfällt, da sie bei dieser Röhre aus der Anodenspannung gewonnen wird.

3. Eine zusätzliche 15V-Hilfs-Spannung wird benötigt, um die Zündschaltung ein- und auszuschalten (kleines Labornetzgerät)

4. Höhere Heizleistung als beim ALC durch höhere Brennspannung, dies bedingt eigentlich eine bessere Kühlung.

Durch einen entsprechenden Umbau des ALC-60-Netzteils ist es jetzt möglich, beide Laserköpfe am selben Netzteil zu betreiben. Es wurde das Powerboard abgeändert für eine höhere Anodenspannung (anderer Gleichrichter und andere Elkos). Zusätzlich wurde eine 12V-Versorgungsspannung für das Zündboard des 643ers bereitgestellt an zwei separaten Ausgangsbuchsen.

Argon- und Krypton-Spektrum

Mein Argon-Krypton-Laser liefert eine Kombination diverser Argon- und Kryptonlinien.

Bilder vom Betrieb:

Weisslicht-Laser-Strahl durch zwei Fernglas-Prismen hindurch. Ein kleiner Teil des weissen Lichts wird aufgespalten (ansatzweise sichtbar nach dem zweiten Prisma links im Bild).

Der annähernd weisse Strahl, aufgefächert durch ein optisches Gitter (Grating) in seine Bestandteile. Dies sind bei etwa 7A Röhrenstrom 6 blaue Linien, eine gelbe und eine rote Linie. Die gelbe sieht leider auf den Fotos überall eher nach hellgrün aus, ist aber in Tat und Wahrheit tatsächlich gelb. Bei diesem Laser wurden übrigens die grünen Linien durch spezielle Optiken unterdrückt, da diese für den ursprünglichen Einsatzzweck (Forschung) unerwünscht waren. Ich werde jedoch zu einem späteren Zeitpunkt noch versuchen, durch eine externe Resonatorerweiterung mit einem grün beschichteten Laserspiegel die grünen Linien auch noch zum schwingen zu bringen.

Folgende Linien sind bei etwa 7 bis 8A Röhrenstrom zu beobachten:

467nm, 472nm, 476nm, 483nm, 488nm, 496nm, 568nm, 647nm

Mit einer externen Resonatorerweiterung durch einen speziell beschichteten Spiegel können zusätzlich noch zwei weitere grüne Linien angeregt werden.

Mit einigen weiteren optischen Elementen (Dichros) können die Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen auch voneinander getrennt werden. Der rote Strahl geht durch den dichroitischen Spiegel hindurch, während blaue, grüne und gelbe Linien abgelenkt werden.

Die Spiegel und Dichros wurden freundlicherweise von Andreas Kilchenmann für diesen Versuch zur Verfügung gestellt, herzlichen Dank, Andy :-)

Strahl nach zwei Prismen und mit Spiegel abgelenkt.