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Argon-Laser ALC-60X
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Argon-Krypton-Laser Melles Griot 643
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Argon-Laser ALC60X

 

       

Argon-Ionen-Laser ALC60X     

Der mittlerweile fast legendäre Argon-Ionen-Laser der Firma American-Laser-Corporation hat unter Laserfreaks praktisch Kultstatus. Er zählt nochzu den kleineren Argonlasern, welche mit einem starken Luftstrom gekühlt werden können. Grössere Argonlaser benötigen für die Kühlung einen Wasseranschluss. Der Wirkungsgrad eines solchen Gaslasers ist schlechter, als jeder Pessimist vermuten würde. Während die Eingangsleistung in der Grössenordnung von 500W bis 1.5kW liegt, beträgt die optische Ausgangsleistung nur gerade 20 bis 150mW. Aus diesem Grund und auch wegen der daraus resultierenden Abwärme, dem relativ hohen Gewicht und der Empfindlichkeit der Röhre werden solche Laser im Alltag immer stärker durch kleine Halbleiter-Lasermodule (Diodengepumpte Laser DPSS) verdrängt. Wer jedoch noch einen echten Gas-Laser besitzt, wird mit mir einig sein, dass ein solcher Laser eine ganz andere Faszination ausübt als ein kleines Diodenlasermodul. Was einen Argon-Ionen-Laser zudem speziell auszeichnet, ist seine Fähigkeit, mehrere Wellenlängen (sog. Linien) gleichzeitig wiederzugeben. Dies sind bei Multiline-Argonlasern bis zu zehn verschiedene Farben im sichtbaren Spektrum von intensivem Hellgrün bis zu Tiefblau. Bei gewissen Argonlasern sind zudem noch Linien im ultravioletten Bereich vorhanden.

 

Gleich zu Beginn eine Warnung: Fast jede Ionenlaser-Röhre (Argon-Laser oder Krypton-Laser) enthält Berylliumoxid. Dieses Material hat hervorragende thermische Eigenschaften. Es hält extremen Temperaturen stand und leitet die Abwärme der Röhre gut ab. Auf der anderen Seite ist Berylliumoxid extrem giftig, wenn es in Form von Staub vorliegt. Berylliumoxidstaub steht im Verdacht, Krebs zu erzeugen und kann schwerste Lungenschädigungen hervorrufen. Solcher Staub darf unter keinen Umständen eingeatmet werden. Sollte also die Röhre mechanischen Bruch erleiden, so muss die Einheit mit Wasser geflutet und vorsichtig in eine gut verschliessbare Plastiktüte verpackt werden. Das nebenstehende Warnschild weist genau darauf hin und sollte auf jedem Argonlaser angebracht sein. Eine solche Lasereinheit muss daher auch fachgerecht entsorgt werden, wenn sie an ihrem Lebensende angelangt ist (Sondermüll!).

 

Nachfolgend einige Bilder des ALC-60X-Innenlebens:

               

                                    ALC60X Laserkopf geöffnet                                                          Zündprint

 

               

                  Kathodenseite mit Pumpstutzen                             Heizung (3V / 25A)                             Anodenseite (Strahlaustritt)       

 

               

Lichtregelkarte                                   Temperatursensor                         Kupfertanks mit Silikagel

Natürlich war es mein Wunsch, einen solchen Laser anzuschaffen. Da diese Argon-Systeme jedoch sehr teuer sind (auch gebraucht bezahlt man schnell mal mehrere Tausend Franken!), blieb dies lange ein Traum. Bis ich durch Andreas Kilchenmann ( http://www.andreas-kilchenmann.wg.am/argonlaser.html ) auf ein interessantes Angebot stiess, ein ALC60X Argonkopf (siehe obige Bilder). Dieser konnte bei der Firma HB-Laser bezogen werden, gebraucht und ungeprüft, für 50 Euro plus Versandkosten. Durch Glück bekam ich schlussendlich sogar zwei solche Geräte zum Preis von einem, da beim ersten Exemplar der Zündprint fehlte. Die Firma HB sendete mir aufgrund meiner Reklamation kostenlos noch ein weiteres Exemplar (vollständig). Den ersten Laser durfte ich behalten (ganz herzlichen Dank an dieser Stelle an die Firma HB-Laser, die so unbürokratisch und entgegenkommend war! Ebenso herzlichen Dank an Andy für den Tipp und die Hilfe beim Netzteilbau!)

       

Strahlaufteilung Argon-Laser ALC-60X                                                  Tunneleffekt mit rotierendem Spiegel  

 

Der Bau des Netzteils

Nun hatte die Sache jedoch noch folgenden Haken: Da mir kein Netzteil zur Verfügung stand, musste selber eines gebaut werden! Eine relativ aufwendige Sache, wenn man bedenkt, dass der Laserkopf folgende Speisungen benötigt:

  • Stromgeregelte Spannung von ca. 110V mit einstellbarer Strombegrenzung von 0... 10A. Der Standby-Strom (engl. idle current) der Röhre beträgt 4A für diesen Laser und sollte nicht unterschritten werden, da sonst das Plasma in der Röhre instabil wird und die Röhre zerstören kann bzw. die Kathode stark beansprucht. 10A ist das absolute Maximum, das man eigentlich der Röhre nicht oder nur in Ausnahmefällen zumuten sollte. Bei 10A altert die Röhre sehr rasch.

  • Zündspannung von 350V

  • Heizspannung für die Röhre von 3V AC bei 25A. Hierzu gilt es folgendes beachten: Die Heizspannung an den Anschlussterminals des ALC-60X sollte möglichst exakt 3V AC eff betragen. Eine zu hohe Spannung bewirkt eine wesentlich schnellere Alterung der Heizelemente, während eine zu niedrige Spannung dazu führen kann, dass der Heizwendel sich durch die zu tiefe Temperatur stark ausdehnt und irgendwann in den Strahlengang reinhängt und damit den Lichtweg zwischen den Spiegeln im Resonator versperrt. In einem solchen Fall kommt kein Strahl mehr und die Röhre ist dann wohl nur noch Schrott.

Die (minimale) Pinbelegung des Anschlusses am ALC-60X:

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)

 

Anschlussfeld des ALC-60X. Der grosse Anschluss links unten mit den vielen Pins dient der Stromversorgung des Lasers. Hier werden die Heizspannung, Zündspannung und Anodenspannung eingespeist. Wie auf der obenstehenden Pinbelegung ersichtlich, verfügt der Anschluss jedoch noch über weitere Features wie Lüfterinterlock, +/- 12V etc. Die beiden 12V Speisungen werden für den Betrieb nicht direkt benötigt, sondern lediglich für die Lichtsensorkarte zur Messung der Ausgangsleistung und des Röhrenstroms.

Im Bild rechts sind die Anschlussbuchsen für die Messung der optischen Leistung und des Röhrenstroms zu sehen. Das Potentiometer dient vermutlich dem Abgleich der Stromrückmeldung. Durch Drücken des Testknopfs wird die Messung der Leistung aktiviert, jedoch nur, wenn die +/-12V für die Lichtkarte angeschlossen wurden. Man sollte jedoch beachten, dass dieser Laser nur für kleine Leistungen von standardmässig 23mW gebaut wurde, obwohl die Röhre eigentlich viel höhere Leistungen liefern könnte. Daher misst der Lichtsensor nur in diesem niedrigen Bereich genau. Wesentlich höhere Leistungen werden vermutlich nicht korrekt gemessen.

 

 

OC-Seite (OC: Ouput-Coupler = Strahlaustrittsseite) des Lasers. Der Typ der Optik (5MR062) sagt etwas aus über die Charakteristik der Optik, vermutlich über die Oberflächenbeschaffenheit und den Radius des Spiegels. Die Spiegeloberfläche erscheint türkis im Gegenlicht. Die Art der Optik entscheidet unter anderem darüber, ob der Laser für Multiline-Betrieb oder für Single-Line-Modus gebaut ist. Multiline bedeutet, dass der Laser mehrere Linien gleichzeitig liefert, bei einem meiner beiden Einheiten sind dies neun Linien von 457nm bis 514nm (also tiefes Blau bis Hellgrün), beim anderen sind es sieben Linien im selben Bereich.

Der OC-Spiegel eines Lasers ist nicht hundertprozentig reflektierend, sondern er lässt einen kleinen Teil des Lichts durch, damit überhaupt ein Teil des Strahls aus dem Resonator ausgekoppelt werden kann.

 

 

 

 

Typenschild des ALC-60X. Hier kann man noch den ursprünglichen Verwendungszweck erahnen, in der Mitte ist das Wort "XEROX" zu lesen. Diese Laser wurden in den Siebziger-Jahren in grossen Xerox-Printsystemen verbaut. Wenn man solche Lasereinheiten heute gebraucht kauft, kann es daher sein, dass die Innereien des Laserkopfs (vorallem die Kühllamellen) mit einer dicken Schicht schwarzem Tonerstaub überzogen sind.

 

 

 

 

 

 

Weiterführende Infos zum ALC-60X, auf Sam's Laserpage: http://www.repairfaq.org/sam/laserarg.htm#argtsa2

Das Netzteil

Es wurde die folgende Schaltung gebaut: http://www.andreas-kilchenmann.ag.vu/ArgonPSU.pdf Das Schema wurde von Andreas Kilchenmann gezeichnet und mir freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Herzlichen Dank, Andy ;-)

Es handelt sich um eine Linear-Regelung.

Nachfolgend einige Eindrücke von der Bauphase:

Provisorischer, fliegender Aufbau, aber doch schon alles verdrahtet, sodass der Laser bereits ein erstes Mal getestet werden konnte. Die Schaltung nimmt einen erheblichen Teil der Bodenfläche meines Hobbyraumes in Anspruch ;-)

Links der Heiztrafo mit der dicken, lilafarbenen Wicklung, rechts der schwarze Trafo für die 115V-Speisung und daneben der schwarze Kühlkörper mit dem Gleichrichter drauf. Im Vordergrund die Endstufenkühlkörper mit den Transistoren der Passbank, hinten das Zündboard für die 350V-Speisung der Zündung, 110V-Glättungsteil mit den Kondensatoren, und schlussendlich der Steuerprint mit dem Operationsverstärker. Mit der Stromzange wurde der Heizstrom überwacht, mit den Multimetern der Röhrenstrom und die Heizspannung. Der Röhrenstrom wird über dem goldenen Shunt auf dem Kühlkörper auf dem Steuerprint gemessen und mit Hilfe eines Operationsverstärkers geregelt.

 

 

 

Nachdem der provisorische, fliegende Aufbau gut funktionierte, erfolgte der Einbau in ein oben offenes Holzgehäuse. Erste Komponenten werden eingebaut (Kühlkörper mit bereits montierten Transistoren für die Endstufe). Nur schon das Bohren aller Löcher war ne ziemlich mühselige Arbeit ;-)

 

 

 

 

 

 

 

 

Links und rechts je eine Reihe Endstufenkühlkörper (12 Stück insgesamt), auf dem Boden die drei Printplatten (Zündprint, Regelungselektronik und 115V Speiseteil), und schliesslich unter den Tragegriffen der Gleichrichter auf einem Kühlkörper, der Heiztrafo und darunter noch der Transistor für die Ansteuerung der 12 Endstufentransistoren der Passbank. Seitlich am Gehäuse sind Bananenbuchsen herausgeführt für die Speisung durch den externen 115V-Trafo, für die Zündspannung, die Anodenspannung und die Heizspannung, sowie später noch ein Potentiometer für die Einstellung des Röhrenstroms und zwei paar Messbuchsen für die Überwachung des Soll- und Istwerts des Röhrenstroms. Hier fehlen noch die vier Lüfter zur Kühlung der Endstufe.

 

 

 

 

 

Nebenstehend die vorläufige Endversion des Netzteils in Betrieb. Die Lüfter blasen auf die Kühlkörper der Endstufe und kühlen gleichzeitig auch die restlichen Komponenten einigermassen. Rechts die Anschlüsse für die Lasereinheit, links die Anschlüsse für die Überwachung des Röhrenstroms.

 

 

 

 

 

 

 

Komplettes Setup mit Netzteil und ALC60X Lasereinheit inkl. Lüfter in Betrieb.

 

 

 

 

 

 

 

 

Testlauf: Blauer Strahl vom ALC60X mit ein wenig Nebel (bei schwachem Tageslicht). Der Anblick dieses Laserstrahls ist in der Tat faszinierend! Achtung: Suchtgefahr :-)

 

 

 

 

 

 

 

 

Einige optische Elemente für Laserspielereien und Versuche. Prismen, Spiegel, Dichros.

 

 

 

 

 

 

 

 

Einige weitere Bilder des ALC-60X in Betrieb

                                   

 

                                 

 

Das typische Spektrum eines Argon-Lasers

Das nebenstehende Bild zeigt das Spektrum eines kleinen Argon-Ionen-Lasers, aufgespalten mit Hilfe eines optischen Gitters. Es stammt von einem meiner ALC-60X-Köpfe. Wie man gut erkennen kann, ist die grüne Linie bei 514.5nm relativ schwach, trotz hohem Röhrenstrom von ca. 9A. Mit einer Resonatorerweiterung mit externem Spiegel lässt sich diese Linie erheblich verstärken, natürlich auf Kosten der blauen Linien. Bei grösseren Lasern ist die 514.5nm-Linie meist einiges ausgeprägter. Sie ist bei vielen Argon-Lasern etwa gleich dominant wie die 488nm Hauptlinie. Das Spektrum eines Argonlasers wird bestimmt durch den Gaszustand der Röhre, die installierten Optiken sowie natürlich dem Röhrenstrom. Auch bei ungenügender Kühlung kann das Spektrum unvollständig sein.

 

 

 

 

Die zehn Standard-Linien eines Argon-Lasers sind die folgenden:

454.6 nm sehr tiefes Blau
457.9 nm Tiefblau
465.8 nm Tiefblau
472.6 nm Blau
476.5 nm Blau
488.0 nm helles Blau
496.5 nm Cyanblau
501.7 nm Dunkelgrün
514.5 nm Grün
528.7 nm Hellgrün

Stärkere Argon-Laser haben teilweise auch noch weitere Linien im UV oder infraroten Bereich. Der hier beschriebene ALC-60X bringt bei maximalem Röhrenstrom neun Linien, alle ausser 528.7 Hellgrün (siehe Bild).

Betrieb und Pflege eines Argonlasers

Da die Röhre eines Argonlasers aus Materialien mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung besteht, reagiert sie empfindlich auf schnelle Temperaturänderungen. Zu schnelles Aufheizen oder Abkühlen kann zu Haarrissen in der Röhre führen, wodurch die Röhre Luft ziehen kann. Daher sollten kurze Runs und schnelles Auf- oder Abkühlen vermieden werden. Es empfiehlt sich, zuerst die Heizung einzuschalten und die Röhre ohne Anodenspannung mindestens zwei bis drei Minuten vorglühen zu lassen. Danach kann die Zündung eingeschalten werden. Beim ALC-60X kann es schon mal vorkommen, dass einige Versuche nötig sind, bis die Röhre tatsächlich zündet. Insbesondere dann, wenn die Röhre nach langer Ruhephase ein erstes Mal betrieben wird. Die Zündplatine im Kopf erzeugt selbstständig Zündimpulse, bis die Röhre gezündet hat. Man sollte jedoch den Laser nicht stundenlang zünden lassen, da dies durch sputtern die Kathode schädigt. Nachdem die Röhre gezündet hat, sollte man sie mindestens einige Minuten bei 4A Standby-Strom betreiben, bis eine stabile Arbeitstemperatur erreicht ist. Danach kann man langsam und schrittweise den Röhrenstrom erhöhen (ich erhöhe jeweils in ca. 1A-Schritten und lasse die Röhre jeweils etwa drei bis fünf Minuten auf dem neu eingestellten Strom aufwärmen). Gleiches gilt für die Abkühlphase, auch diese sollte langsam step by step erfolgen. Der Lüfter muss auch nach dem Ausschalten der Anodenspannung noch etwa ein bis zwei Minuten nachlaufen, damit auch die Restwärme der Röhre gut abgeführt werden kann. 

Mehr als 10A Strom sollte man der Röhre nicht zumuten, da die Lebensdauer bei solch hohen Strömen drastisch abnimmt. Die Lebenserwartung der Röhre hängt aber  auch stark von der Betriebstemperatur ab, also von der Kühlung. Daher ist es natürlich wichtig, dass man einen Lüfter verwendet, welcher genug Volumenstrom liefern kann. Am besten orientiert man sich an den Daten des originalen Tarzanlüfters.

Tiefere Röhrenströme als 4A sind ebenfalls nicht gesund  für die Röhre, da dann der gezündete Plasmakanal unter Umständen instabil wird und die Kathode sowie die Röhrenwände stark beansprucht oder sogar beschädigt.

Ein Argonlaser sollte mindestens einmal pro Monat für ca. zwei Stunden in Betrieb genommen werden, damit der Druck in der Röhre nicht ansteigt. Überdruck durch zu langen Nichtgebrauch kann dazu führen, dass die Röhre nur noch schwer oder gar nicht mehr zündet. Die Druckverhältnisse können anhand der Röhrenbrennspannung bestimmt werden. Sie wird bei einem Röhrenstrom von ca. 10A gemessen. Spannungen von mehr als 110V bedeuten Überdruck, Spannungen von weniger als 100V deuten auf eine sterbende Röhre hin. Überdruck kann durch längeren Betrieb am Stück runtergebrannt werden.

Wenn der ALC-60X nicht mehr zündet:

- Versorgungsspannung der Zündplatine überprüfen. Diese sollte zwischen etwa 350V und 450V betragen. 

- Kondensatoren auf dem Zündprint ersetzen

- Röhre mit einem Haartrockner vor dem Starten etwas vorwärmen

- Den zu erwartenden Röhrenstrom vor dem Zünden auf etwa 4 bis 6A einstellen (bei höheren Strömen zündet der Kopf in der Regel nicht)

- Die Anodenspannung so weit wie möglich erhöhen (mit Rücksicht auf die Passbank natürlich!)

- Mehrere Zündversuche abwarten und Zündversuche an unterschiedlichen Tagen durchführen. manchmal zündet der Kopf nach vorherigem Betrieb nicht gleich wieder, sondern benötigt eine längere Abkühlpause (Nacht).

 

Externe Erweiterung des Resonators

Mit einem zusätzlichen, hochreflektierenden, grün beschichteten Spiegel kann die grüne Linie des Argonlasers zusätzlich verstärkt werden. Dieser interessante Versuch gelang mir mit einem Spiegel aus einem defekten, grünen Helium-Neon-Laser (GreNe). Der ausgebaute Spiegel wurde mit Hilfe eines Sicherungshalters auf einer Platine befestigt und gegen den Strahlaustritt des ALC-60X gerichtet. Man sieht nun auf den folgenden Fotos, wie die grüne Linie zwischen ALC60X und GreNe-Spiegel dominiert und hinter dem GreNe-Spiegel nur noch ein tiefblauer Strahl rauskommt (durch die Reflektierung der Grünanteile).

Externe Resonator-Erweiterung bei einem Argon-Laser ALC-60X

 

Das Ausrichten der Spiegel muss sehr präzise erfolgen, sonst funktioniert der Versuch nicht ;-) Dies realisiert man spätestens dann, wenn bereits durch leichten Druck auf die Unterlage die Farbe des Strahls wechselt!

 

Spiegel aus einem Argon-Laser. Mit einem solchen Spiegel lässt sich die oben beschriebene Resonatorerweiterung optimal durchführen. Der Versuch gelingt zur Not jedoch auch mit einem normalen Haushaltspiegel, allerdings etwas weniger effizient.