Chris en Stefan hebben in hun onderzoek een stikstoflaser gebouwd. Hiervoor hebben ze gebruikt:
- Twee aluminium strippen (50 cm bij 25 cm bij 4 mm)
- Een aluminium grondplaat (60 cm bij 50 cm bij 1 mm)
- Isolatieplaat met dezelfde oppervlakte als de grondplaat
- Een spoeltje van koperdraad met 10 windingen (1 mm dik en een diameter van 2.5 cm)
- Transparantsheets
- Van de Graaff generator
- Schroevedraaier
De transparantsheets en de aluminium grondplaat liggen in de genoemde volgorde op elkaar. Daarop liggen de twee aluminium strippen. Deze lopen iets uit elkaar; aan de ene kant is de afstand van 1.4 mm, aan de andere kant 1.6 mm. De strippen zijn met elkaar verbonden d.m.v. het spoeltje. Eén strip is verbonden met de Van de Graaff generator, de andere met de schroevedraaier. De schroevedraaier ligt 1.5 cm boven de grondplaat. De grondplaat is geaard met de Van de Graaff generator.
De laser werkt als volgt:
De twee aluminium strippen dienen als elektroden. Doordat ze slechts door enkele transparantsheets gescheiden zijn van de grondplaat treedt een condensatorwerking op. De twee elektroden zijn dus samen met de grondplaat twee condensatoren geworden.
Eén elektrode kan opgeladen worden met de Van de Graaff generator. De tweede elektrode wordt dan ook opgeladen via het spoeltje. Als de spanning over de elektroden 20 kV is, wordt de tweede elektrode ontladen door een spanningsdoorslag tussen de schroevedraaier en de grondplaat. Het spoeltje levert een inductiespanning, die ervoor zorgt dat de eerste elektrode niet meteen ontlaadt. Hierdoor ontstaat een spanning van ongeveer 20 kV tussen de twee elektroden.
Nu ontstaat er een spanningsdoorslag tussen de twee elektroden. De stroomsterkte in deze ontlading is zeer groot door de condensatorwerking en de lage weerstand.
De stikstofmoleculen tussen de elektroden raken in aangeslagen toestand, doordat elektronen afkomstig van de elektrode tegen elektronen van de stikstofmoleculen botsen. De elektronen van de stikstofmoleculen springen hierdoor van de grondtoestand naar een hogere energieniveau, deze wordt voor het gemak toestand 2 genoemd. Toestand 2 is echter zeer instabiel, dus vallen de elektronen vrijwel meteen terug naar een lagere niveau; toestand 3. Hierbij worden fotonen uitgezonden met een karakteristieke golflengte van 337.1 nm behorende bij het verschil Δ E = 3.67 eV tussen toestand 2 en 3. De stikstofmoleculen die zich in toestand 3 bevinden, kunnen de uitgezonden fotonen weer absorberen. Omdat de spanningsdoorslag voornamelijk plaats vindt aan de nauwe kant, kunnen de fotonen alleen ontsnappen in de richting waar de elektroden uit elkaar lopen. Hier zijn immers minder stikstofelektronen in toestand 3.
De golflengte van 337.1 nm ligt buiten het zichtbare gebied, om dit zichtbaar te maken kan een stuk papier met fluorescerende stoffen gebruikt worden.
De capaciteit van een condensator is:
ε = de permittiviteit van de transparantsheets
A = de oppervlakte van elektroden
d = de afstand tussen de elektroden en de grondplaat
De transparantsheets werken als diëlectricum; ze vergroten de capaciteit van de condensator. Door echter meer transparantsheets te gebruiken wordt d groter, waardoor de capaciteit weer kleiner wordt. Door het aantal lagen transparantsheets te variëren, hebben Chris en Stefan het optimum gevonden; 3 of 4 lagen.
Spanningsverlies kan optreden door vet op de apparatuur of doordat de elektroden oneffenheden of scherpe hoeken hebben. Verder blijkt ook de luchtvochtigheid de werking van de laser nadelig te beïnvloeden. Door o.a. met deze factoren rekening te houden, hebben Chris en Stefan de laser operationeel gemaakt.
