大家好！相信对激光感兴趣的小伙伴们，都听说过氮分子激光器吧。这是一种比较适合DIY的激光器，成本相对较低，而且有着极高的峰值功率

对于这种激光器，国内爱好者成功案例较少，留下的有用经验很少。此贴就当作对于这一块的补充。

  话不多说，先上图。

激光打在白纸上有明亮的荧光

荧光染料中的光路

淡紫色的放电通道（空气中）

蓝紫色通道（纯氮）

  首先来介绍一下这种激光器吧。图中的这种是横向激励氮分子激光器，通过横向放电激发氮分子，从而产生激光。氮分子自发辐射寿命很短，大气压下一般为1至2纳秒，而另一个能级的寿命却很长，故不能形成连续的粒子数反转，因此只能脉冲工作，输出脉宽数百皮秒的激光。（感兴趣的可以去查一下氮分子能级结构）

  氮分子激光器的增益很高，往往不需要腔镜或单侧腔镜就能输出激光，并且在空气或纯氮中都可以运行（纯氮中运行能量更大）。因为其极短的脉宽，即使能量不是很大，峰值功率也会很高。对于一般的DIY作品，在空气中运转时峰值功率在几千瓦左右，通入纯氮的话功率大约可以达到到数十数百千瓦。

  一开始制作了在空气中运行的版本，放电长度20cm，单侧腔镜，峰值功率几KW不成问题的，聚焦在生锈的铁钉上可以产生很小的火花。

之后制作了纯氮版本，放电长度缩短到了10厘米，但是亮度提高了很多，峰值功率约几十至100千瓦。

 下面步入正题，给小伙伴们介绍一下制作方法吧。

PART1.电路设计.

  前面也提到，氮分子激光的原理是通过放电，使电子与基态氮分子碰撞并跃迁，进而造成粒子数反转。考虑到氮分子的自发辐射寿命极短，例如在760托的气压下仅有1至2纳秒，因此放电电流必须有很快的上升速度，才能形成足够的反转。一般氮分子激光器使用一种简单的Blumlein电路，其中包含两个电容器和一个放电间隙，一只电感。电路图如下。

  高压直流电为c1和c2充电，当电压达到一定程度时，火花隙发生击穿，使c1上极板电压快速下降。此时laser tube中的两个金属导轨之间的电压极快速的上升，并引起辉光放电，形成一条放电通道。

PART2.放电装置制作

  使用铝箔或铜箔和聚苯乙烯塑料膜就可以制作两个平行板电容器。

电容器大小适中即可，数百pF足矣。裁剪铝箔时注意裁去四个角，图中的形状即可防止沿面放电。塑料膜上方左侧极板连接火花隙，右侧极板连接HV+，两个极板之间使用电感连接。塑料膜下方极板连接HV-.当然，正负极对调并不影响结果。

  由于氮分子激光器需要上升速度很快的脉冲电流，因此对火花隙和放电导轨的电阻和电感就有较高要求，否则影响激光器输出的能量（注意是能量不是脉宽，脉宽往往取决于氮气压强，即自发辐射寿命。因此可以通过调节气压实现脉宽可调）。

  一般情况下，导轨之间电压的上升速度取决于放电间隙的电感。电感越小，上升速度越快。为了降低电感，放电间隙切不可采用弯曲的导线。如果有条件，可以向放电间隙中充入高压氮气，进一步降低其电感。

  电流的上升速度主要取决于放电导轨的电感和电阻。当然，并不是说电阻越小越好，比如使用紫铜和黄铜做导轨，效果都不如铝。原因是紫铜电阻太小，容易发生弧光放电，造成能量损失，而黄铜电阻过大，电流偏小。

  制作导轨时要保证高度平行，将L型铝条用砂纸打磨即可。

  将打磨后的铝条按照图中样式摆放，就可以当作一条放电导轨啦！

  注意氮分子激光器是一种典型的ASE现象，即自发辐射扩大。其单位长度的增益极高，导轨两端无需加装腔镜就可以输出激光。但由于缺少了谐振腔的选模作用，因此输出的光往往包含多个横模，光束质量较差。

  电源的选择没有额外要求，15kv以上的高压直流电都可以。

PART3.优化措施

  为了提高激光器的工作效率，除了刚刚提到的降低电感之外，还有几点可能有效的措施

 首先是尽可能避免弧光放电。最理想的情况是导轨间充满辉光放电等离子体。而如果某个部位率先击穿，那么就很容易形成高温电弧，很大一部分能量就会损失在电弧中，影响激光能量。

  解决方法也非常简单。尽可能将导轨打磨光滑，一般2000目左右砂纸打磨的效果就已经非常好了。

  对于长度很大的导轨，电弧放电显得无法规避。这时可以将导轨制作成分段形式。此外，采取电晕预电离的方法，可以在避免电弧的同时，提高气体中的自由电子密度，进而提高电流上升速度。感兴趣的可以搜索相关文献。

  另外一个有效措施就是提高氮气压力，提高工作介质密度。但值得注意的是，提高压力的同时，电压也要相应提高，即增加放电间隙距离。氮分子激光的工作效率与导轨间电场强度和气压的比值紧密相关，该值需要处于一个适中的范围。

  E.N.D.