2013年10月27日日曜日

Maker Faire Tokyo 2013 まであと少し

 
プログラムを見ました。どれも面白そうなものばかりで楽しみです。
漲ってキタ

Maker Faire Tokyo 2013
http://makezine.jp/event/mft2013/

出展プログラム
http://makezine.jp/event/mft2013/program/

私は月曜日参加ですが、プレゼンテーションも面白そうなものがたくさん。

http://makezine.jp/event/mft2013/program/presentation/

ヘリウムが高い

 
ヘリウムが高いです。
なんでCO2レーザなのにヘリウムが要るのでしょうか。作り始めの何も知らなかったころは「CO2レーザなら中に入れるのはCO2だろ」と思っていたのですが、実際に必要なガスはCO2、N2、そしてHeです。しかも通常の体積比は CO2:N2:He=1:1:8 とかそんな比率で、下手したらCO2がもっと少なくなります。レーザ媒体がCO2なのに一番少ないとかちょっとおかしいと思いますが、効率の良い発振を求めるとこのような比率に落ち着くようなのです。

ヘリウムは天然ガスと一緒に地中から取り出されて精製されます。密度が小さいために大気中にあってもすぐに大気圏外へ飛んで行ってしまいます。産出量も少なく、汎用のガスとしては高価な部類に入ると思います。
一般人がヘリウムを入手する最も安い方法は「バルーンタイム」を買うことだと思います。
これ。


しかしながらこれとて400Lで6300円ですから、1Lあたり16円します。
CO2発生実験で計算しておりますように、CO2であれば200円で70Lくらい、つまり1Lあたり1.85円といったところ。ヘリウムの1/10くらいです。しかも使用量はヘリウムの1/8とかいった量です。窒素にいたっては、使い捨てカイロでほとんど無視できる値段で手に入れることが出来ます。
ということでランニングコストはほとんどヘリウムなのです。

もちろん、シールレーザ(ガスを流さずに封じ込めた状態で使用する)が作れればこの問題はほとんどなくなります。ので「さてここからです」の9番目に必須の項目として挙げております。

ということで、ここではガスフロータイプとシールタイプのCO2レーザのそれぞれについて集めた情報をまとめておきます。といっても、Sam's laser FAQ とそのリンク+αといった範囲から得たものですが。

まずガスフロータイプ

  • Home-Built Carbon Dioxide (CO2) LaserHome-Built CO2 Laser Description に以下の記載があります。そのまま引用します。

    Estimated gas consumption is roughly .1 liter/hour of helium per watt of output power. The amount of the N2 and CO2 then scales with their fill ratio. All of these flow rates are referenced to standard temperature and pressure (20 °C, 1 atmosphere). So, a 50 W CO2 laser will require roughly 0.625 liter/hour of CO2, 1.25 l/hr of N2, and 5.0 l/hr of He assuming the 1:2:8 gas fill ratios - or about 6.875 l/hr of CO2 laser mix. These gas flow rates don't sound like much until you realize that they will be almost 200 times greater at 4 Torr but of course the gas usage is still that relatively low number! :) 

    この引用ではガスMIX(CO2,N2,He)の消費量が 0.1L/hr/W であると書いてあります。私が作ろうとしているものは最大効率でも50-60Wを超えないはずですので、ヘリウム消費量は5L/hr といったものになります。
    一方で、Rob's CO2 Laser の項目には、


    In doing the math and assuming the use of a 40 cubic foot Bottle of gas mix (8" diameter x 18" tall), you should get about 18.9 Hours usage at 1 L/minute flow rate. The cost to re-fill the bottle is around $25.00.
    とあり、ここでは 60L/hr と書いてあります。10倍違います。
    さらにさらに、Iwan's Co2 Laser には、


    A two stage rotary pump seems to be easily capable of providing a good vacuum level. Fresh laser mix gas flow rates of around 2 to 4 litters per minute seem OK. The vacuum pump is therefore required to cope with this virtual leak and keep within the current 20 mbar vacuum envelope.

    とあり、120-240L/hr です。
    また、別の見方からの記載もあります。Examples of CO2 Laser Resonator Configurations には、ひとつのCO2分子のプラズマ内の滞留時間と出力について


    The power output is for a flow of a few litre-atmospheres per minute. (Exactly how much was not specified). The power could be increased up to 10-fold (to 600W/m) if a high enough flow could be arranged (such that any one CO2 molecule only spends a few ms in the active area).

    との記載があります。
    これを計算してみると、レーザ管の断面積をラフに1cm^2、長さを50cmとすると、プラズマ部の体積は 50cm^3 。この体積のガスがたとえば 5msec で入れ替わる(上記引用の a few ms)とすると、1秒間では10L流れることになります。が、これは減圧下での体積であり、レーザ管内の圧力を10torr以下(1.2kPa以下くらい、これもさまざまあるのですが...)と仮定すると、大気圧下ではおよそその1/100くらい、つまり 0.1L/secとなります。つまり 360L/hr です。ただしこれは理想的な(a high enough flow)流量で、レートによって出力が10倍変わるとなっておりますので、ここまでの量は要らないと考えたいです。


    ということでいろいろと説や実績値があるのですが「結局なんぼなんや」という問いには明確な答えがありません。バルーンタイム400Lを購入したとすると、最悪1時間とちょっとでなくなってしまうという予想と、80時間持つという予想があるのです。
    しかしながらです、たとえ80時間持ったとしても、80時間で6300円です。高いです。二回分ちょっとでシールタイプの中華レーザが買えてしまいます。実際の消費量は理想よりも悪い、つまり 5L/min より多いと思われますし、調整や実験のことを考えるともっと必要でしょう。これは頭の痛い問題です。

    金を払えば出来るのはわかっているのですが、それは私の趣味に反していますのであまりやりたくありません。最も安い方法でレーザ加工機を作りたいのです。
  • では、フロータイプでヘリウムを使わない方法はないか。
    すでに検討されています。たとえばこんな記載があります。


    You may hear of different ratios being used in various circumstances - usually the amount of He is varied. For example, a lower ratio of He is used in a TEA CO2 laser. You can even run your laser with 1:1 CO2:N2 and no He, with reduced efficiency.

    「CO2とN2が半々のガスでも、効率は低いながら発振するよ」という記載です。
    また、Home-Built CO2 Laser Description には

    Gas fill - Mixture of CO2, N2, and He (1:2:8 appears to be optimal where the partial pressure of He is 4 Torr). Pressure may range from 1 and 20 Torr. (A smaller diameter, e.g., 1/2 inch, tube will run at higher pressures.) The laser will work (but not as well) without He using a 1:2 ratio of CO2:N2. The CO2 is what actually lases but the other gases are needed to efficiently excite the CO2.

    とあり、CO2:N2=1:.2 が(効率低いながらも)発振すると書いてあります。

    どこの記載にも「効率は悪いけどね」と但し書きがありますが、取り組んでみる価値はあるかなと考えております。ということで、「さてここからです」の10番目に必須の項目として挙げております。
  • ではシールタイプはどうなのか。
    まず Home-Built Carbon Dioxide (CO2) LaserChris's Comments on Sealed Tube, and Slow and Fast Flow CO2 Lasers には「やめとけ」と書いてあります。

    While it may be possible to build a sealed tube CO2 laser from scratch, it would be VERY difficult because special equipment and gas mixtures are required. Check out David Knapp's Sealed CO2 Laser Page. (This is the only example I know of for a non-commercial sealed tube CO2 laser. --- Sam)

    David Knapp's Sealed CO2 Laser Page. は論文になっており、こちらにpdfが置いてあります。また、こんな報告もあります。

    いずれの報告も目を通しましたが、上記「やめとけ」はいわゆる完全なシールレーザの話であって、VERY difficult なのは気密を完全に作ることであると思われます。Knapp の報告には
    「真空引きしてから数日間圧が変わらないこと」なんてことをさらっと書いてあったりします。これは難しいはずです。

    私の現在の考えは「バッチでガスを入れてから数時間動くレーザ」であればなんとかなるんじゃないかなという気がしているのですが、果たしてどうでしょうか。
    そんなわけで、「さてここからです」の9番目に必須の項目として挙げているのです。
  • 買ってしまうという選択も現実的になってきたと考えています。
    元々レーザ管を作ろうと思い立ったのは、市販のレーザ管が非常に高価であることが原因でした。正確には、レーザ管はそれほど高くもない(~$200)ですが、電源を加えると$500を越えるというところが問題だったのです。
    ところが、その後中華サイトを見ておりますと、レーザ管も電源もだんだんと値下がりしてきています。
    たとえば、このあたり。

    まとめて買っても3万を切ります。安くなったもんです。
    電源は手持ちのものでも何とかなりますので、レーザ管だけ考えると1万4000円です。つまり、バルーンタイムを二回買ったらほぼ買えてしまうのです。それでいて2000時間とかの管寿命があります。
    レーザ管の検討はそれ自体で楽しいものではあるのですが、加工機を作るための安定性確保やら何やら考えると圧倒的に中華管の方が楽です。悩んじゃいますね。

  • いずれにしてもみら太な日々としましては、できるだけヘリウムを使わないお財布に易しい方法を指向して行きたいと考えております。
    そもそも、何でヘリウムが要るのかということを理解しておく必要があると思いますので、以下に Sam's laser FAQCarbon Dioxide Lasers から Basic Principles of Operation のイントロ部分をほぼ訳しておきます。ヘリウムに関する記載は最後だけなのですが、そこを理解するには前の部分の説明があったほうが良いのです。

    Basic Principles of Operation

    (Portions from: David Crocker.) The physical arrangement of most CO2 lasers is similar to that of any other gas laser: a gas filled tube between a pair of mirrors excited by a DC or RF electrical discharge. Metal coated mirrors (e.g., solid molybdenum or a gold or copper coating on glass or another base metal) may be used for the high reflector (totally reflecting mirror). However, at the 10.6 um wavelength, a glass mirror cannot be used for the output coupler (the end at which the beam exits) as glass is opaque in that region of the E/M spectrum. One material often used for CO2 lasers optics is zinc selenide (ZnSe) which has very low losses at 10.6 um. Germanium may also be used but must be cooled to minimize losses for high power lasers. Other materials that may be used for CO2 laser optics are common substances like NaCl (rock salt!), CaCl, and BaFl (but these are all hydroscopic - water absorbing - so moisture must be excluded from their immediate environment).
    Many details differ between a 50 W sealed CO2 laser and a 10 kW Transverse Excited Atmospheric (TEA) flowing gas laser machining center but the basic principles are the same. While HeNe lasers are based on excited atoms and ion laser use ions, CO2 lasers exploit a population inversion in the vibrational energy states of CO2 molecules mixed with other gases.
    Additional gases are normally added to the gas mixture (besides CO2) to improve efficiency and extend lifetime. The typical gas fill is: 9.5% CO2, 13.5% N2, and 77% He. Note how He is the largest constituent and CO2 isn't even second! (This also means that leakage/diffusion of He through the walls and seals of the laser tube may be a significant factor is degradation of performance and/or failure of a sealed CO2 laser to work at all due to age.)
    The CO2 laser is a 3-level system. The primary pumping mechanism is that the electrical discharge excites the nitrogen molecules. These then collide with the CO2 molecules. The energy levels just happen to match such that the energy of an excited N2 molecule is the energy needed to raise a CO2 molecule from from the ground state (level 1) to level 3, while the N2 molecule relaxes to the ground state. Stimulated emission occurs between levels 3 and 2.
    The metastable vibrational level (level 2) has a lifetime of about 2 milliseconds at a gas pressure of a few Torr. The strongest and most common lasing wavelength is 10.6 um but depending on the specific set of energy levels, the lasing wavelength can also be at 9.6 um (which is also quite strong) and at a number of other lines between 9 and 11 um - but these are rarely exploited in commercial CO2 lasers.
    Here are some of the more subtle details. (Skip this paragraph if you just want the basics.) As well as the 3 energy levels of CO2 I referred to, there is actually a 4th involved, about midway between the ground state and level 2. After emitting, the CO2 molecules transition from level 2 down to this 4th level, and from there to the ground state (because a direct transition from level 2 to the ground state is forbidden by quantum rules). Level 2 is actually a pair of levels close together, which is why there are 2 separate frequency bands that a CO2 laser can operate on, centred around 9.4 um and 10.4 um (i.e., just above and just below 30 THz). Each of these bands is actually composed of about 40 different vibration/rotation transitions with frequencies spaced about 40 GHz apart. The strongest transition is the one called 10P(20), which is about 10.6 um, so a CO2 laser with no tuning facilities normally operates at this wavelength. It is possible to select a particular transition (and hence frequency) using a diffraction grating instead of one of the mirrors. The exact transition frequencies were known to an accuracy of about +/-50 kHz back in 1980.
    The helium in the mixture serves 2 purposes: (1) He atoms collide with CO2 molecules at level 2, helping them relax to the ground state; (2) it improves the thermal conductivity of the gas mixture. This is important because if the CO2 gets hot, the natural population in level 2 increases, negating the population inversion.
    Cooling of the gas mixture is critical to achieveing good power output. The gas at the centre of the tube is hottest and loses heat by thermal conduction through the surrounding gas to the walls. As the gas pressure increases, the thermal conductivity gets worse. So with a smaller tube, the gas pressure can be higher. This is why the power available from a properly-designed CO2 laser depends on the length of the tube but not the diameter (i.e., smaller diameter tube = higher pressure = greater density of CO2, which compensates for the smaller diameter).

    (ほぼ訳)
    ほとんどのCO2レーザの構成はほかのガスレーザと同じである。光共振器の間にガス溜りがあり、そこで直流か高周波の放電を起こす。

    光共振器を構成するために、ガラスに金属コートしたミラーが全反射ミラーとして使われるが、光取り出し側のミラーについては、10.6umの波長に対してガラスは透明ではないので使うことが出来ない。ガラスの代わりの高透過材料として、CO2レーザではZnSeがよく使われる。ゲルマニウムも同様の目的で使われるが、高出力レーザにおいては損失を最小にするためには冷却が必要である。
    CO2レーザの光学系材料として使われるその他のものとして、食塩、塩化カルシウム、フッ化バリウムなどがあるが、これらはいずれも潮解性があるので取り扱いに注意を要する。

    50Wクラスのシールレーザと10kWの加工機用ガスフロータイプの横励起大気圧レーザとの間には多くの違いがあるが、基本原理は同じである。He-Neレーザがレーザ媒体として励起された原子を、そしてイオンレーザがイオンを使うのに対して、CO2レーザはCO2分子の振動エネルギー順位の反転分布をレーザ媒体として用いる。
    N2やHeなどの他の種類のガスは、効率や寿命の改善のために添加される。典型的なガス組成は、9.5% CO2、13.5% N2、そして77%のHeである。特記すべきは、Heの分率の高さ、そして(CO2レーザであるにもかかわらず)CO2の分率が二番目ですらないことである。

    CO2レーザはいわゆる三準位レーザである。まず、放電によってN2分子が励起される。そして励起されたN2分子がCO2分子に衝突する。N2の緩和エネルギーは偶然にもCO2を基底準位[level1]から励起状態の準位[level3]に持ち上げるのに要するエネルギーと良く一致しており、エネルギーの受け渡しが効率的に行われる結果、N2は基底準位に落ち、CO2はlevel3となる。そしてこのlevel3から準安定準位であるlevel2に落ちる際に誘導放出を行う。(これがレーザ放出になる)
    準安定な振動準位であるlevel2は、数torrの低圧下では約2msecの寿命を持っている。

    もっとも強いレーザ発振は10.6umに見られるが、条件によって9.6umの発振も起こる。そのほかにも9-11umにかけて多数の発振が起こりうるが、商用レーザでは使われることはない。
    厳密にはこれら3つの準位のほかに第4の準位が基底準位とlevel2の間に存在する。発光を終えてlevel2のエネルギー準位に落ちたCO2分子は、この第4の準位を経由して基底状態に落ちる。level2から基底への直接遷移は量子力学的に禁制である。
    さらに、level2は実は近接した二つのバンド(準位群)からなり、これらがそれぞれ10.6umと9.4umの発振を司る。二つのバンドは互いに40GHz程度離れたおよそ40の振動回転準位を含んでおり、そのうちのもっとも強い10P(20)と呼ばれる遷移が10.6umを放出する。よって、特別な調整を行っていないCO2レーザでは通常この波長で発振する。回折格子を用いることで別の波長を発振させることも可能である。

    ヘリウムは次の二つの目的でガスに混合される。
    (1)level2のCO2分子に衝突してCO2分子が基底状態に落ちるのを助ける。
    (2)ガスの熱伝導率を上げる。これは重要な作用である。なぜならガスの温度が上昇すると、結果としてlevel2状態のCO2の数が増え、(基底状態にあるCO2分子が減る結果)反転分布の形成が妨げられるからである。
    ガスの冷却は高出力を取り出すために非常に重要である。プラズマの中央部のガスはもっとも温度が高くなっており、放熱のためには回りにあるガスを介してレーザ管の壁面に放熱するほかに温度を下げる方法がない。
    また、ガス圧が上がると放熱効率は低下するので、放熱効果がより高い細いレーザ管(プラズマ体積に対してレーザ管の表面積が大きい)のほうがガス圧を高めて高出力を取り出すのには有利である。これが、レーザの出力がレーザ管の長さに依存し、太さには依存しない理由である。細いレーザ管はガス圧を高めることが出来るので、CO2分子の密度が上がり、プラズマの中に存在するCO2分子の絶対数を太いレーザ管と同程度にすることが出来る。
ヘリウムの仕事というのは、CO2分子のエネルギーをlevel2から基底状態まで落とすお助けということのようです。CO2のエネルギー準位がlevel2のところで糞詰まりを起こすと、level3との間の反転分布が続かなくなり、レーザ発振が止まるということです。N2はCO2分子を励起するために使われ、ヘリウムは緩和するために使われるという役割分担です。
したがって、ヘリウムなしでレーザ発振を維持するためには相当な速さでガスを入れ替えてlevel2のCO2分子をとっとと系外に排出するか、圧を下げてCO2の平均自由行程を大きくして管壁へエネルギーを渡すことでlevel2から緩和させるか、といったことを考える必要があるのかな。系外に排出するにはそれに見合った真空ポンプの排気能力が要りますし、圧を下げると出力は低下するでしょうし、どちらも課題があることが予想できます。
まずは実験してからということになると思いますが、ヘリウムなしというのはある程度の出力を取り出そうとすると相当難しそうですね。
今後も実験と共に考えて行きたいと思います。

2013年10月26日土曜日

四号管作製開始

 
さてここからです、の1番目、冷却ジャケット付のレーザ管を作製していきます。
まだ構想がちゃんとまとまっていないので&その他の実験の結果を見ながら、ということで一気には作らず、パーツの検討から入りたいと思います。

冷却ジャケットの機能は放電によって加熱されるレーザ管を冷却することです。熱はプラズマから発生しますので、プラズマの部分を覆うように冷却水を流すことが必要です。これが結構難しいのです。専用部品を作ればなんということもないのですが、安く簡単に作ろうとすると難しいのです。

現在のレーザ管の端、プラズマの端の部分はこの様になっています。
外径10mm/内径8mmのガラスと、同じ径の銅パイプを、外径12mm/内径10mmのソケットでつないでいます。銅パイプと銅ソケットはハンダ付け、銅ソケットとガラス管はエポキシ接着です。


ソケットの部分を透視すると、中はこんな感じになっています。
プラズマは電極の端、すなわち、下図のソケットの中央で始まり、ガラス管の中へ広がっています。


したがって、冷却は下の図のように銅パイプに重なるように行うのが理想的です。プラズマは完全に冷却部分で覆われます。
しかしながら、こんな作りにしてしまうと冷却水を介して電流が流れてしまい放電は起きません。電気分解が発生して大変な事になると思われます。


よって、銅パイプと水が接触しないような下のようなものにしなければなりません。
でもこうするとプラズマの端の部分が冷却されず、一番弱い接着部分に熱がかかってしまいます。


そこで、今のところの構想では、銅ソケットを使わずにガラスのソケットを使い、下のような構造を作ることを考えています。


こうすればソケットの上まで冷却ジャケットを伸ばしても銅管と水の接触はおきません。


反対から見るとこんな感じ。
銅の膨張率は結構大きいので、強度に不安があるような気もしますが、まずはこのあたりからテストかなと。


ということで、ガラスのソケットの切り出しを行いました。

ガラス管はそこらの切れっ端を使います。内径が10mmの物です。


ここで作ったダイヤモンドカッター。結構役に立つもんです。


ちょいちょいと水をかけながら25mm位の長さの管を切り出します。ちなみにダイヤモンドカッターの刃は100円ショップで買ったもの。パイレックスのガラス管ですが、難なく切ることが出来ます。


予備含めて3本切り出して、


端面を怪我しない程度に仕上げます。


こんな感じ。


ちなみに、レーザ管に使うガラス管は外径10/内径8mmの物を新しく3本購入しました。お付き合いのある徳重化学さんでお安く売っていただきました。
ジャケットは正月に買っておいたアクリルパイプを使おうかと考えております。


ちょっとわかりにくいですが、こんな感じ。ジャケット両端の蓋も正月に買っておいた物です。
これを使うのが10ヵ月後になるとは思いもしませんでした。


2013年10月20日日曜日

さてここからです

 
いまからやりたいこと、やらないといけないことをまとめておきましょう。
  1. 冷却ジャケットをつける: 必須
    いまの構造で全力の電力投入を行うと30秒程度でレーザ管がやけどするレベルまで熱くなります。連続運転は全く無理です。
    ほぼ300Wを投入してレーザがいくらも出てないわけですから、ほぼ全てレーザ管の中で熱になっています。これでは調整どころではありません。熱による膨張ひずみも出ているはずです。冷却ジャケットをつけて水冷にする必要があります。
  2. 冷却ジャケットのアクセサリ: 気が向けば
    冷却ジャケットに通す水をどうやって確保するかは必須の検討項目ですが、最初は高低差を利用した重力落下でもいいかと思っております。ペットボトルとバケツで作るイメージ。
    ですが、最終的には落とした水を上に戻すためのポンプ、冷却水の温度センサ、高温時のアラートとレーザの自動停止、などといったアクセサリを付加したい思っております。
  3. 光取り出しミラー検討: 必須
    検討項目はいくつかあります。
    まず、構成。いまはHDDのプラッタ(アルミ板)に約2mmφの穴を中央に開けたものを使っています。これはアルミによる全反射と穴による全透過の面積比でマクロの透過率を決めているという少々荒っぽいやり方です。海外の自作レーザはほぼこの構成をとっています。が、本来であれば反射面全体がハーフミラーになっているのが理想です。そのためには10.6umの遠赤外線を透過する材料の上に半透過面を形成してやらねばなりません。問題は遠赤外線を透過する材料です。入手性を考えると現実的にはほぼZnSeかGe、そしてシリコンになるのですが、ZnSeは毒性があり、Geは非常に高価、シリコンは反射防止をしないと透過率が50%くらいしかない、といずれも難があります。もっともありそうな解は、太陽電池などで多量に流通していることで入手性の良いシリコン板に銅スパッタをしてハーフミラーを作るというものですが、これはシリコンの50%という透過率がシリコンという物質の吸収によるものではなくて表面の反射による、つまり真空との屈折率差によって「光が入っていかないから透過率が低い」ことによっているという仮説が成り立つ場合にのみ期待できる方法です。下に書いている焦電センサ窓材のことを考えるとありうる話ではないかと思うのですが、確証はありません。スペクトルを見ると10um付近に特性吸収がありますので、簡単な話にはならないだろうと思われます。
    ということで、現実的な選択として、当面いまの通り全反射面に穴を開けるという方法でいくことになると考えています。
    さて、「全反射面に穴」となると、最適な穴径はいくつなのかという疑問が出てきます。これも重要な検討項目です。
    また、簡単に「全反射面に穴」といっていますが、果たして全反射面ができているのかどうかも検証する必要があります。これはいまうまく行っていないプラッタへの銅スパッタを行うことで改善できると考えています。
    「全反射面に穴」方式をとる光取り出しミラーにかかわる最大の問題は穴に取り付ける窓材です。今回のファーストライトではポリエチレンのフィルムを使いました。これは以前読んだロシアの論文と人感センサのポリエチレンフレネルレンズからヒントを得たものですが、期待通り赤外線を取り出すことは出来たものの、真空引きによる大気圧と一部吸収されるレーザ光による熱で変形が大きいことがわかりました。もっとも大事な光取り出し部分の光路に変形した光学要素があるというのは望ましい話ではありません。しかしながら、厚く強靭にすると変形は少なくなると思いますが吸収によるロスが大きくなります。これらは材料の物理特性に根ざすものである以上、トレードオフの関係は簡単に解決できるものではありません。
    解決のためのアイデアはいくつかあります。まず一つ目の対策案は焦電センサに使われているシリコン窓を流用することです。これはすでに一部検討しています。このシリコン窓は誘電体多層膜によるコーティングがなされており、10um付近でおおよそ70%/mmの透過率を持っております。70%という値は決して大きくはありませんが、シリコンのロバスト性には魅力があります。
    二つ目の案はGe板を購入してしまうことです。光取り出し側のミラーに使えるような大きなもの(10mmφ以上)は高価ですが、窓材の数mmφであれば1万円以下で購入可能です。....あまり選択したくない方法ではありますが。
    三つ目は素直に食塩の結晶を使うことです。海外の自作家たちはほとんどそうしています。実績もある方法なのですが潮解性のある食塩の結晶というのが少し気に入りません。滑り止めというところでしょうか。
  4. 全反射ミラー構成: 必須
    これもファーストライトでは妥協しているところです。
    本来は凹面ミラーとするのが理想です。 レーザ発振の縦モードが低次のものに限定されるため集光性がよくなります。すでに凹面鏡から切り出した凹面ガラス基板は入手済みですので、これに銅スパッタを施すことで作製しようと思っております。基板の曲率が自由に選べないところが難です。100円ショップめぐりをしているのですがなかなか曲率のバリエーションがありません。
  5. レーザ管径: 気が向けば
    レーザ管径はプラズマの太さを規定し、これは直ちに出力に影響します。太いほど蓄えるエネルギーが多くなりますので良いともいえますが、管径が大きいと冷却性が一気に悪くなりますので効率低下の懸念もあります。
    いまのところパーツ類を内径8mmφまたは10mmφで集めておりますので、このどちらかを選択するくらいで済ませたいと思っております。
  6. レーザ管全体構成: いろいろ落ち着いたら
    現在の黄銅チーズを使った組みつけはやや大げさと考えています。当初はいろいろなパーツを取り替えながら検討する必要があると思ってこのような設計にしました。で実際にその通り役に立っております。が、全体の構成が決まってきたらもっと簡単な構造に切り替えたいと思っております。黄銅チーズの代わりにロウ付け用の銅チーズを使い、貫通パイプで直線性を確保しつつ構造を簡素化といったアイデアがありますが、図がないと何のことかわかりませんね。時が来たらちゃんと取り組みたいと思います。
  7. 出力測定: 必須
    精度は悪くても時定数が小さい制御用と時間はかかるけど正確な評価用の二つで考えております。前者はおそらくサーモパイルセンサを使ったもの、後者はビームを水に吸収させて温度上昇を評価するものになるでしょう。
  8. ビームプロファイル測定: 必須
    加工用にビームを制御せねばなりませんのでプロファイル測定は必須です。いまのところ感熱紙を使ったもの以外にはアイデアがありません。まずはそこからスタートです。
  9. シールレーザ: 必須
    ガスの消費、調製の手間を解決するための最も良い方法です。が、現在のフロータイプの対極にある構成であり、自作家たちもほ とんど一人も手を出していない分野です。当然非常に難しいと思いますが、やるのは自由なので検討してみようかと。完全シールは無理と思いますが、「その日 数時間使うだけの間は持つ」というバッチ方式くらいであれば手が届くかもしれません。もしこれがうまく行けばヘリウムガスを使った組成であっても怖くあり ません。
  10. ガス組成比: 必須
    現実的に一番大きな問題です。高価なヘリウムをあまり使いたくありません。ヘリウムを垂れ流しているとすぐに中華性シールレーザが買える位の出費になります。
    Sam's Laser FAQ によりますと、ヘリウムを除いた系でも効率は悪いながら発振するとの報告があります。窒素:CO2=1:1や4:1といった組成比が報告されています。と同時に「怪しい自分オリジナル組成に期待を持つべきではない」と釘を刺されてもおります。
    窒素CO2についてはほぼ安価な入手法を確立しましたので、これら二種のガスで何とか実験を続けられるよう条件を探したいと思います。
  11. ガスの自動混合系: 場合によっては
    今回の実験のように100mlのシリンジといった小規模ではなく、少なくともLスケールのガス貯まりから一定の比率でガスを引いてくる系を作る必要があるのではと予想しています。なかなか難しそうです。ちょっと考えただけでも圧力センサや小容量のフローセンサ、小型ポンプなどが要りそうな気がします。あんまりやりたくありません。
    窒素:CO2=1:1などという安直な条件でうまく行けば、対称な構造のラインを作ってなんとなく引いてやれば半々で混ざりそうな気もします。それくらいで止まって欲しいところです
  12. レーザ管圧力自動調整: フロータイプなら必須
    フロータイプのレーザでは必ず必要となるでしょう。現在使っているニードルバルブ(スピードコントローラという名前の空圧調製バルブ)をステッピングモータなどで回せるようにして、設定したガス圧を自動的に維持するためのものです。プラズマの状態を何らかの形でセンシングしてフィードバックをかけるといったことも考えてよいかもしれません。気圧センサとPICマイコンを使った系になるでしょう。
  13. 投入電力制御: いずれ
    これはいろいろなことが片付いた暁にやることです。レーザパワーを自動でコントロールします。現在はスライダックでネオントランスにかける電圧を手動調整していますが、スライダックの代わりにトライアックあたりを使った制御系を入れたいです。夢のような話ですが、木の板にレーザで写真を焼き付けるなんてこともXYステージとパワーコントロールを組み合わせれば出来るはずなのです。
  14. MOTを使った電源: 気が向けば
    ネオントランスは入手性が悪いです。それに高価。出来ればジャンクで手に入るMOTを使って電源を作りたいです。MOTは廃棄する電子レンジを分解すればタダで手に入ります。ただし、電流が取れる代わりに電圧が2kVと低いので昇圧する必要があります。コッククロフト・ウォルトン回路を使って昇圧をすればよいと思っております。面白そう。
  15. スイッチング高圧電源: 情報があればすぐにでも
    中華性のCO2レーザの電源はこの構成です。ATX電源くらいのコンパクトさで30W以上のCO2レーザをドライブしております。これは作ってみたいと思うのですが、回路に関する情報がありません。スイッチング電源の考えを高圧に当てはめればよいだけとは思うのですが、電圧が高い分いろいろとノウハウがあると思うのです。以前より探しているのですが情報がほとんどありません。見つかったら取り組みたいです。
  16. コリメート、集光光学系、XYステージ
    レーザが安定して動くようになったら加工機に向けての検討が始まります。光学系は前述の通り透過で使える材料にいろいろと問題がありますので、反射側で作っていくことになると思います。光学系について勉強しないといけません。銀のスプーンなんか使って集光できたらいかにも自作っぽくて面白いんですけどね。
    XYステージは本来難しいものですが、ここまでに書いてきたその他の課題に比べるとかわいいものに見えます。ここはすでにCNCステージと3Dプリンタキットを組んだ経験が活かせると楽観しています。
いやあ、書き出してみるとものすごい量です。全く気の遠くなるような話です。ほとんどライフワークになるかもしれませんね。自力でどこまで到達できるか楽しみです。時間がかかることもさることながら、いくらジャンク精神を発揮したとしても費用もそれなりにかかるでしょう。最近は中華レーザ管も値段が下がってきており、管だけなら送料込みでも1万円台のものを見つけることが出来ます。自作は続けながらも、おそらく買っちゃうことでしょう。
まあ、すでに自分でもわかっていることですが、レーザ加工機を作るという目的はすでにレーザを自作するための理由へと変化しております(笑 目的と手段の混合は得意技ですので気にせず行きたいと思います。

ニコニコ動画に投稿

 
ようやくCO2レーザの発振を確認できましたので経過をニコニコ動画に投稿しました。
こちら

http://www.nicovideo.jp/watch/sm22079004

春頃にレーザ管を作って以来何の進捗もなかったのでやや焦りがあったのですが、とりあえず当面の目標であったマイルストーンに到達できたことを喜んでおります。

いまのところ「とにかくなんとか発振を確認して進めかたの正しさを証明する」という段階ですので、いろいろなものを置いたままにしています。いまからが本格的な検討です。暖めているアイデアをひとつずつ実現して行きたいと思います。

ニコ動のアカウントがない方のために同じものをここにおいておきます。
いろいろと端折ってますが、それはそれ、一般向け(でもないか)の編集ということで。


2013年10月19日土曜日

CO2レーザ ファーストライト

 
ついに発振に成功しました!
がんばってきた甲斐がありました。絶対出力も効率的もまだまだ劇的な改善が必要ですが、間違いなくレーザ光を取り出すことが出来ました。
ではその後を。

光共振器の調整が出来ましたので、ガスの準備に入ります。
計画当初は封じ切りタイプのシールレーザを目指しておりましたが、色々と情報を集めるうちに、フロータイプでやるのが現実的との方向に落ち着きました。フロータイプとは、レーザ管を真空ポンプで常に減圧し、新しいガスを供給しながら動かす方式です。レーザ管内に導入されたガスは一定時間プラズマ化されてレーザ発光しますが、すぐに真空ポンプに引かれて排気され、新しく入ってくるガスと入れ替わります。
ガスを使い捨てながら動かしますのでたくさんのガスが必要な反面、ガスをプラズマ励起する事によって生じるCOなどの分解生成物の影響を無くす事が出来るというメリットがあります。
何より、素人には気密性の高い封じ切りのレーザ管を作ることが非常に難しいので、フロータイプにならざるを得ないというのが現状のようなのです。

前置きはこれくらいにして。
シリコンチューブを準備します。


このくらいの長さに切って、


全反射ミラー側のバルブに短いウレタンチューブと共に取り付けます。


シリコンチューブの先は折り返してクリップで止めます。これでチューブは閉じた状態になります。


真空引きをしながらリークを検査します。
結局3本のバンドで締めてやっとリークが止まりました。


スライダック、ネオントランス、高圧ダイオードブリッジを配線し、光取り出しミラー側(写真奥側)をプラス、全反射ミラー側(写真手前)をマイナスに配線します。
レーザ発振とレーザ管の極性は関係ありませんが、マイナス極側はスパッタによってミラーが汚れる可能性がありますので、今のところ作るのにより工数の少ない全反射ミラー側(HDDのプラッタを切り出した平板で穴加工無し)をマイナスとしました。


シリコンチューブは全反射ミラー側のバルブに取り付けています。光取り出しミラー側はバルブを介して真空ポンプに繋ぎます。


ガスを混合します。
今回は本番の実験ということで要らぬ不確定要素を持ち込みたくないので、これら純ガスを使う事にします。


適当な Zip lock 袋とシリンジ、ニードルを準備します。


ニードルは袋に穴を開けて中に刺し込み、ガスが漏れないようにテープで止めます。


反対側にボンベのチューブを差し込みます。
そしてボンベを繋いで少量のガスを袋の中に送り込み、一定量をシリンジの中に吸い込みます。
今回はCO2を10ml、窒素を20ml、ヘリウムを70mlという比率で混合しました。


3種のガスを吸い込んだシリンジ。ニードルの先端はシリコンゴムのブロックを刺してガスが逃げないようにします。


ニードルを先ほどのシリコンチューブに刺し、レーザ管にガスが供給できるようにします。


こんな感じ。


そして今回最も悩んだ挙句トライしてみることにした光取り出し窓材。なんとポリエチレン袋の切れっ端です。ポリエチレンは遠赤外光を結構透過します。焦電素子を用いた人感センサなどにレンズとして使われているくらいです。吸収が大きければたちまち溶けて真空が破れると思いますが、うまくいけばこんな簡単な窓材はありません。ということでやってみる事に。


いよいよ通電ですが、最初からドカンと光が出るとも思えないので、まずは感熱紙が変色するかどうかを調べる事にしました。遠赤外光が出れば熱によって感熱紙が黒く変色するはずです。

使うのはレシート。


で、真空ポンプを起動し、電圧をかけてレーザ管にプラズマ放電を起こした状態で全反射ミラー側のバルブを少しずつ開けてレーザガスを管内に導入していきました。
レシートの表面にはぼんやりと窒素が励起したときの紫色の光が映っています。が、なにも起きません。何度か場所を変えたりしながらバルブをいじります。あんまり開けすぎるとプラズマが消えてしまいますので開けばよいというものでもありません。

そうこういじりながらレーザ管を見ていると、プラズマの色が窒素の紫からやや黄色味がかった色に変わったなと思った瞬間、レシートが焦げました。

 発 振 成 功 で す !!


一瞬の出来事でした。確かに焦げています。


こんな感じ。


で、もう一箇所やってみたところ、今度もある瞬間で焦げました。ガス圧の調整がなかなか難しい。プラズマが消えるぎりぎりのあたりが発振のポイントのようです。


とか思いながら、何気なくレシートの裏を見てみると、何ヶ所も変色した跡があるじゃないですか。
レシートの感熱って片面でしか起きないんですね。知りませんでした。
ということで、焦げに気がつく前の時点でも弱いながらレーザ光は出ていたという事になります。
そういわれて見ると、上の写真でもうっすらと反対側の変色が見えますよね。


レシートを新しくしてさらに何回か発振を試みます。


だんだんとコツがわかってきました。やはりプラズマが消えるぎりぎりのあたり、結構ガス圧が高いところで焦げます。ガス圧と出力が比例するという Sam's laser FAQ の情報の通りです。


こんな感じ。


表側。


今回犠牲になったレシートたち。


 一ヶ所については一瞬炎も見えました。右側の穴が開いているところです。穴は相当小さいですね。レシートの変色跡から見るに、ビームはちゃんと円形をしており、ガウシアンっぽいエネルギー分布になっているようです。今の光取り出し穴は約2mmですが、レシートに出来た変色は5mmくらいあります。出射口の極近くに置いたにも関わらずです。これは結構ビーム広がりが大きいことを意味します。今後気をつけておく必要がありそうですね。


光取り出し窓材として使ったポリエチレンシート。やはり変形しておりました。ビームの広がりはこのシートの変形によるものかもしれません。レーザ管内の減圧によりシートは光取り出し窓で凹状に変形するはずですので凹レンズとして作用してもおかしくありません。


しかしながら、何はともあれ発振成功です。これまでにやってきたことが大きく間違ってはいないことがわかって一安心しました。
まだまだ先の改善の道のりの方が長いですが、本日の成功は大きな一歩であったことは間違いありません。

ちなみに、感熱紙の変色は70度付近で生じます。また紙は300度くらいで発火します。ということで少なくともレシートの表面はその程度の温度まで加熱されたということです。
出力的にはまだたいしたことは無いでしょう。おそらく500mW~1Wというあたりではないかと思います。効率もがたがたです。
がんばって改善して行きたいと思います。

【!!祝!!】 ファーストライト成功!

 
詳細しばらくお待ちを。

光共振器調整

 
ミラーをつけてのリークが無いことを確認出来ましたので、光共振器の調整に入りました。

調整はLDを基準光として使い、全反射側、光取り出し側ミラー双方からの反射光を見ながら行います。
まず、ここで作ったLD仰角調整冶具を取り付けたXZステージを作業台の隅に固定します。


作業台に向かって適切な角度にあわせ、ビームが作業台上面に平行になるようにLDの仰角を調整します。平行度は、作業台からのスポット高さをスケールで何点か測定し、それが同じ値になるように仰角を調整することで行います。


平行が出ました。作業台から40mm位の高さで一直線に走っております。スポットはそのまま壁に当たります。


次に、全反射側/光取り出し側両方のミラーを外したレーザ管を作業台の上に置き、レーザ管のほぼ中央になるようにビーム高さを調整します。ステージを使ってZ方向のみ移動出来ますので、作業台に対するビームの平行度がずれることはありません。便利 ^^)

次に、ビームがレーザ管の中を管壁に接触することなく一直線に貫通するように位置決めをします。管壁に反射したスポットは形が変わりますのですぐにわかります。
慎重に位置決めします。


位置が決まったらレーザ管が動かないように万力で固定します。


レーザが抜けてくるところは写真には撮れないですね。


固定は光取り出し側と、


全反射側、どちらもしっかりと行います。


次に、このような紙片にビームが抜けるくらいの穴を開けます。


その穴をビームがちょうど抜けるような高さで紙片を固定します。


まず全反射側ミラーの調整です。こちらの全反射側(LDから遠い側)に全反射ミラーを取り付けます。


ミラーを取り付けただけでは角度が全くあっておりませんので、ミラーの反射光はレーザ管の管壁を反射するなどしてこのように歪んだ状態で戻ってきます。


これを全反射ミラーを固定する3本のネジをあれこれ回す事によって、


こんな感じにスポットが見えるようになります。


ビームが一点に収束するように調整を続け、



最終的にスポットは一点に収束、すなわち管壁反射が無い状態で正反対に帰ってきて出射ビームときれいに重なります。このとき戻り光は一本のビームとなって紙に開けた穴に戻りますので、紙片上のスポットは無くなります。
これで全反射側のミラーは角度がきちんと調整されました。


次に光取り出し側ミラーを取り付けます。
光取り出しの穴と全く重なってしまうと調整のしようが無いのですが、今回はたまたまいい具合にずれていました。 


こちらも反射光を見ながら角度を調整します。こちらのミラーは管壁反射を気にする必要がありませんので非常に楽です。


同様にビームが穴の中に戻るように角度を決めれば光共振器の調整は完了です。

さあ、いよいよガスを入れて発振実験です!