Il principio di funzionamento del laser. Il principio di funzionamento del laser

È difficile immaginare la vita moderna senza una stampante. I copioni vengono stampati nelle scuole, gli abstract vengono stampati all'università, i contratti vengono stampati al lavoro e anche a casa è estremamente necessario per noi trasferire questa o quella informazione su carta. Esistono diversi tipi di stampanti, sono classificate per tipo di stampa, per formato, per dimensione e persino per tipo di materiale stampato. Considera il principio della stampa a getto d'inchiostro e stampanti laser.

Come funziona una stampante a getto d'inchiostro

Cercheremo di evidenziare brevemente il principio della stampa di una stampante a getto d'inchiostro. La sua qualità di stampa è leggermente peggiore di quella di un laser. Tuttavia, il loro costo è molto inferiore a quello di quelli laser. Una stampante a getto d'inchiostro è l'ideale per l'uso domestico. È facile da usare e di facile manutenzione. Il principio di stampa a getto d'inchiostro e stampanti laser sono notevolmente diversi. Ciò si manifesta sia nella tecnologia di alimentazione dell'inchiostro che nel design dell'attrezzatura. Pertanto, parliamo prima di come stampa una stampante a getto d'inchiostro.

Il suo principio di funzionamento è il seguente: un'immagine viene formata in una matrice speciale, quindi questa matrice stampa l'immagine sulla tela usando coloranti liquidi. Un altro tipo di stampante a getto d'inchiostro è dotato di cartucce installate in un'unità speciale. In questo caso, con l'aiuto della testina di stampa, l'inchiostro viene fornito alla matrice di stampa e trasferisce l'immagine sulla carta.

Metodi per conservare l'inchiostro e applicarlo alla carta

Esistono tre modi per applicare l'inchiostro su una tela:

metodo piezoelettrico;
. metodo della bolla di gas;
. metodo drop-on-demand.

Il primo metodo, una volta stampato, lascia un punto d'inchiostro sulla tela, dovuto all'elemento piezoelettrico. Con il suo aiuto, il tubo viene compresso e aperto, impedendo che l'inchiostro in eccesso entri sulla carta.

Le bolle di gas, note anche come bolle iniettate, lasciano un'impronta sul nastro a causa delle alte temperature. Ogni ugello della matrice di stampa è dotato del quale si riscalda in una frazione di secondo. Le bolle di gas risultanti vengono spinte attraverso l'ugello e trasferite al materiale di consumo.

Il metodo drop-on-demand utilizza anche bolle di gas nel processo. Ma è una tecnologia più snella che aumenta notevolmente la velocità e la qualità della stampa moderna.

Una stampante a getto d'inchiostro immagazzina l'inchiostro in due modi. C'è un serbatoio rimovibile separato da cui l'inchiostro viene fornito alla testina di stampa. Il secondo modo per conservare l'inchiostro utilizza una cartuccia speciale, anch'essa situata nella testina di stampa. Per sostituire la cartuccia è necessario sostituire anche la testina stessa.

Parliamo di stampanti a getto d'inchiostro

Le stampanti a getto d'inchiostro hanno guadagnato particolare popolarità grazie alla possibilità Durante la stampa, l'immagine si forma sovrapponendo i toni principali l'uno all'altro di diversa saturazione. L'insieme dei colori primari porta la sigla CMYK. Include: giallo, magenta, ciano e nero.

Inizialmente, è stato offerto un set di tre colori, che includeva tutti i toni di cui sopra, ad eccezione della tonalità nera. Ma quando si sovrapponevano giallo, ciano e magenta, con una saturazione del 100%, non era possibile ottenere il nero. Il risultato è stato un colore marrone o grigio. Pertanto, è stato deciso di aggiungere inchiostro nero.

Caratteristiche della stampante a getto d'inchiostro

I principali indicatori della qualità della stampante includono rumore, velocità di stampa, qualità di stampa e durata.

Proprietà operative della stampante:

• Principio di stampa - getto d'inchiostro. L'inchiostro viene alimentato attraverso speciali ugelli e stampato sulla tela. A differenza delle stampanti ad aghi, dove l'applicazione dell'inchiostro è un processo meccanico d'urto, le stampanti a getto d'inchiostro sono molto silenziose. Il modo in cui la stampante stampa non è udibile, puoi solo distinguere il rumore del motore che muove le testine di stampa. non supera i 40 dB.
• La velocità di stampa di una stampante a getto d'inchiostro è molto più veloce di quella di una stampante ad aghi. La qualità di stampa dipende anche da questo indicatore. Principio di stampa della stampante: maggiore è la velocità, peggiore è la stampa. Se si sceglie la stampa di alta qualità, il processo rallenta e l'inchiostro viene applicato in modo più accurato. La media di una tale stampante è di circa 3-5 pagine al minuto. I modelli più moderni hanno aumentato questa cifra a 9 pagine al minuto. La stampa a colori richiede un po' più di tempo.
• Il font è uno dei principali vantaggi di una stampante a getto d'inchiostro. La qualità della visualizzazione dei caratteri può essere confrontata solo con una stampante laser. È possibile migliorare la qualità di stampa utilizzando carta di buona qualità. Dovrebbe avere proprietà di rapido assorbimento. Una buona immagine si ottiene su carta con una densità di 60-135 g/m². Anche la carta per fotocopiatrici con una densità di 80 g / m² si è mostrata bene. Per una rapida asciugatura dell'inchiostro utilizzare la funzione di riscaldamento della carta. Nonostante il principio di stampa di una stampante a getto d'inchiostro e una stampante laser sia completamente diverso, l'attrezzatura di alta qualità consente di ottenere un effetto simile.
• Carta. Sfortunatamente, la stampante a getto d'inchiostro non è progettata per stampare su supporti in rotolo. E per ottenere più copie, dovrai utilizzare più stampe.

Svantaggi della stampa a getto d'inchiostro

Come si è scoperto sopra, le stampanti a getto d'inchiostro stampano con coloranti liquidi utilizzando una matrice. L'immagine è formata da punti. La parte più costosa di una stampante è la testina di stampa, alcune aziende hanno integrato la testina di stampa della stampante nella cartuccia per ridurre le dimensioni complessive del dispositivo. Il principio di stampa a getto d'inchiostro e stampanti laser sono significativamente diversi l'uno dall'altro.

Gli svantaggi di una tale stampante includono:

• Bassa velocità di stampa.
• Se la stampante non è stata utilizzata per molto tempo, l'inchiostro potrebbe seccarsi.
• I materiali di consumo hanno un costo elevato e una piccola risorsa.

Vantaggi della stampa a getto d'inchiostro

• Prezzo interessante, perfetto rapporto qualità-prezzo.
• La stampante ha dimensioni molto contenute, il che le consente di essere collocata in un piccolo ufficio senza creare disagi all'utente.
• Le cartucce sono facili da ricaricare da soli, basta acquistare l'inchiostro e leggere le istruzioni.
• Connettività Con grandi volumi di stampa, questo ridurrà notevolmente i costi.
• Stampa fotografica di alta qualità.
• Ampia gamma di supporti di stampa.

Qualche informazione sulla stampante laser

Una stampante laser è un tipo di apparecchiatura progettata per stampare testo o immagini su carta. La storia di questo tipo di attrezzatura è molto insolita. E ha un approccio di marketing, a differenza di una stampante a getto d'inchiostro, durante la cui creazione sono stati sviluppati centinaia di concetti scientifici.

Fu solo nel 1969 che Xerox iniziò a sviluppare il principio della stampa di una stampante laser. Per diversi anni è stato svolto un lavoro scientifico, molti metodi sono stati utilizzati per migliorare l'apparato esistente. Nel 1978 apparve la prima fotocopiatrice al mondo, che utilizzava un raggio laser per creare una stampa. La stampante si è rivelata enorme e il prezzo non ha consentito a nessuno di acquistare questa unità. Dopo qualche tempo, Canon si interessò allo sviluppo e nel 1979 fu lanciata la prima stampante laser desktop. Dopo che molte aziende hanno iniziato a ottimizzare le fotocopiatrici e rilasciare nuovi modelli, tuttavia, il principio di stampa di una stampante laser non è cambiato.

Come stampa una stampante laser

Le stampe così ottenute hanno caratteristiche prestazionali elevate. L'umidità non è terribile per loro, non hanno paura di cancellare e sbiadire. Le immagini ottenute in questo modo sono di altissima qualità e durevoli.

Principio di stampa della stampante laser in breve:

• La stampante laser applica l'immagine alla tela in più fasi. Il toner (polvere speciale) si scioglie e si attacca alla carta sotto l'influenza della temperatura.
• Un tergivetro (raschietto speciale) rimuove il toner inutilizzato dal tamburo nell'accumulatore di rifiuti.
• Il caronatore polarizza la superficie del tamburo e per mezzo di forze elettrostatiche gli assegna una carica positiva o negativa.
• L'immagine si forma sulla superficie del tamburo mediante uno specchio rotante che la dirige nel punto giusto.
• Il tamburo si muove lungo la superficie dell'albero magnetico. C'è del toner sull'albero, che si attacca ai punti del tamburo dove non c'è carica.
• Dopo che il tamburo rotola sulla carta, lasciando il toner sulla tela.
• Nella fase finale, la carta con il toner spruzzato su di essa viene fatta rotolare nel forno, dove la sostanza si scioglie sotto l'influenza delle alte temperature e aderisce in modo affidabile alla carta.

Il principio di stampa di una stampante laser ha molto in comune con la tecnologia utilizzata nelle fotocopiatrici.

Stampanti laser a colori e loro principali differenze

Il processo di stampa su una stampante a colori si differenzia dal bianco e nero per la presenza di diverse tonalità, che, mescolate in una certa proporzione, sono in grado di ricreare tutti i colori a noi noti. Le stampanti laser a colori utilizzano quattro scomparti separati per ciascun colore di inchiostro. Questa è la loro principale differenza.

La stampa su una stampante a colori consiste nei seguenti passaggi: analisi dell'immagine, la sua immagine raster, la disposizione dei colori e dei toner corrispondenti. Quindi si forma la distribuzione di carica. Dopo la procedura è la stessa della stampa in bianco e nero. Il foglio di inchiostro passa attraverso un forno in cui i toner vengono sciolti e fissati saldamente alla carta.

Il loro vantaggio sta nel fatto che il principio di stampare una stampante laser consente di ottenere fasci molto sottili che scaricano le aree desiderate. Di conseguenza, otteniamo un'immagine ad alta risoluzione di altissima qualità.

Vantaggi delle moderne stampanti laser

I vantaggi delle stampanti laser includono:

• Alta velocità di stampa.
• Persistenza, nitidezza e resistenza delle stampe (non temono un microclima umido).
• Immagine ad alta risoluzione.
• Basso costo di stampa.

Svantaggi della stampa con stampante laser

I principali svantaggi delle stampanti laser:

• Durante il funzionamento dell'apparecchiatura, viene rilasciato ozono. Quindi, devi lavorare con lui in un'area ben ventilata.
• Elevato consumo energetico.
• ingombrante.
• Alto costo dell'attrezzatura

Sulla base di tutti i pro e contro, possiamo concludere che le stampanti a getto d'inchiostro sono ottime per l'uso domestico. Hanno un prezzo accessibile e dimensioni ridotte, cosa importante per molti utenti.

Una stampante laser è adatta per uffici e altre istituzioni in cui sono presenti molte stampe in bianco e nero e la velocità di elaborazione dei documenti è importante.

La storia delle stampanti laser inizia nel 1938 con lo sviluppo della tecnologia di stampa a inchiostro secco. Chester Carlson, mentre lavorava all'invenzione di un nuovo modo per trasferire le immagini su carta, ha utilizzato l'elettricità statica. Il metodo è stato chiamato elettrografia ed è stato utilizzato per la prima volta dalla Xerox Corporation, che ha rilasciato la fotocopiatrice Modello A nel 1949. Tuttavia, affinché questo meccanismo funzionasse, alcune operazioni dovevano essere eseguite manualmente. 10 anni dopo, è stata creata la Xerox 914 completamente automatica, considerata il prototipo delle moderne stampanti laser.

L'idea di "disegnare" ciò che dovrebbe essere stampato in seguito direttamente sul tamburo di copia con un raggio laser appartiene a Gary Starkweather. Dal 1969, l'azienda ha sviluppato e nel 1977 ha rilasciato la stampante laser seriale Xerox 9700, che stampava a una velocità di 120 pagine al minuto.

Il dispositivo era molto grande, costoso, destinato esclusivamente a imprese e istituzioni. E la prima stampante desktop è stata sviluppata da Canon nel 1982, un anno dopo: un nuovo modello LBP-CX. HP ha collaborato con Canon per lanciare la serie Laser Jet nel 1984 e ha subito assunto un ruolo guida nel mercato delle stampanti laser per uso domestico.

Attualmente, le stampanti monocromatiche ea colori sono prodotte da molte aziende. Ognuno di essi utilizza le proprie tecnologie, che possono variare in modo significativo, ma il principio generale di funzionamento di una stampante laser è tipico di tutti i dispositivi e il processo di stampa può essere suddiviso in cinque fasi principali.

Il tamburo di stampa (Optical Photoconductor, OPC) è un cilindro metallico rivestito con un semiconduttore fotosensibile su cui viene formata un'immagine per la successiva stampa. Inizialmente, l'OPC viene alimentato con una carica (positiva o negativa). Puoi farlo in uno dei due modi usando:

• coronatore (Corona Wire) o coronatore;
• rullo di carica (rullo di carica primario, PCR) o albero di carica.

Corotron è un blocco di filo e una struttura di metallo attorno ad esso.

Il filo corona è un filamento di tungsteno con rivestimento in carbonio, oro o platino. Sotto l'azione dell'alta tensione tra il filo e il telaio, si verifica una scarica, un'area ionizzata luminosa (corona), si crea un campo elettrico che trasferisce una carica statica al fotoconduttore.

Di solito, nell'unità è integrato un meccanismo di pulizia del filo, poiché la sua contaminazione degrada notevolmente la qualità di stampa. L'uso di un corotron presenta alcuni svantaggi: graffi, accumulo di polvere, particelle di toner sul filamento o flessione del filamento possono comportare un aumento del campo elettrico in questo luogo, una forte diminuzione della qualità delle stampe e possibilmente danneggiamento della superficie del tamburo.

Nella seconda versione, la struttura portante con all'interno l'elemento riscaldante è avvolta da una pellicola flessibile realizzata in una speciale plastica termoresistente. La tecnologia è considerata meno affidabile, utilizzata nelle stampanti per piccole imprese e per uso domestico, dove non sono previsti carichi pesanti per apparecchiature. Per evitare che la sfoglia si attacchi al forno e si attorcigli attorno all'albero, è prevista una barra con separatori di carta.

Stampa a colori

Quattro colori primari vengono utilizzati per formare un'immagine a colori:

• Nero,
• giallo,
• viola,
• blu.

La stampa viene eseguita secondo lo stesso principio del bianco e nero, ma prima la stampante suddivide l'immagine da ottenere in immagini monocromatiche per ciascuno dei colori. Nel processo di lavoro, le cartucce a colori trasferiscono i loro disegni su carta e la loro imposizione l'una sull'altra dà il risultato finale. Sono disponibili due tecnologie di stampa a colori.

Multipasso

Con questo metodo viene utilizzato un supporto intermedio: un albero o una cinghia di trasferimento del toner. In un giro, uno dei colori viene applicato al nastro, quindi un'altra cartuccia viene inserita nel posto giusto e la seconda immagine viene sovrapposta alla prima immagine. In quattro passaggi, viene formata un'immagine completa sul supporto intermedio, che viene trasferita su carta. La velocità di stampa di un'immagine a colori nelle stampanti che utilizzano questa tecnologia è quattro volte inferiore a quella in bianco e nero.

pass singolo

La stampante include un complesso di quattro meccanismi di stampa separati sotto controllo comune. Le cartucce a colori e nere sono allineate, ciascuna con un'unità laser e un rullo di trasferimento separati, e la carta passa sotto i fotoconduttori per raccogliere tutte e quattro le immagini monocromatiche in successione. Solo dopo che il foglio entra nel forno, dove il toner viene fissato sulla carta.

Stampa con piacere.

Scienza e vita // Illustrazioni

Scienza e vita // Illustrazioni

Scienza e vita // Illustrazioni

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Lo schema circuitale di un laser pulsato a stato solido è abbastanza semplice (1). Il mezzo attivo - la sostanza in cui si verifica la radiazione (cristalli di rubino, ittrio e alluminio granato, vetro con una miscela di neodimio e altri materiali) - ha la forma di un cilindro o di un'asta. È posizionato nel risonatore sotto forma di due specchi paralleli: uno specchietto anteriore traslucido e uno specchietto retrovisore "sordo" e opaco. Vicino al mezzo attivo è montato un sistema di pompaggio: una lampada flash che, insieme all'asta, è circondata da uno specchio che focalizza la luce sul mezzo attivo (spesso è un cilindro di quarzo rivestito con uno strato di metallo).

Il mezzo attivo è "progettato" in modo tale che i suoi atomi abbiano almeno tre livelli di energia (2). Nello stato normale, sono tutti al livello con l'energia più bassa. e 0. Quando una lampada si accende, l'energia della sua luce viene assorbita dagli atomi e li trasferisce da uno stato energetico inferiore a un livello superiore. e 2 , da dove scendono immediatamente al livello e uno . Gli atomi possono rimanere a questo livello - eccitato - per un periodo piuttosto lungo (in termini di scale quantistiche, ovviamente). La presenza di un tale livello (si chiama metastabile) è una condizione necessaria per ottenere un impulso laser. Da questo livello, l'atomo ritorna al suo stato originale emettendo un fotone. Inoltre, ogni fotone, volando oltre un atomo eccitato, fa irradiare anche questo. Riflessi negli specchi del risonatore, i fotoni passano ripetutamente attraverso il mezzo attivo (il fattore di qualità del risonatore è estremamente elevato: i suoi specchi assorbono solo un fotone su un milione) e si rompono attraverso uno specchio traslucido sotto forma di impulso luminoso. Ma la lampada brucia a lungo (di nuovo, su scala quantistica) e durante questo periodo gli atomi del mezzo hanno il tempo di "ripristinare" la loro energia molte volte. Pertanto, un flash laser, a un esame più attento, appare come un "pettine" di decine e centinaia di impulsi molto brevi, e questa stessa modalità è chiamata "spike" (3).

Se, tuttavia, viene posizionato un otturatore nel risonatore, bloccando il percorso dei fotoni, il suo fattore di qualità scenderà a zero e tutta l'energia della lampada della pompa verrà spesa per l'eccitazione degli atomi del mezzo attivo. L'otturatore si aprirà quando il bagliore della lampada della pompa e, di conseguenza, il numero di atomi eccitati raggiunge il massimo. Quindi il fattore di qualità del risonatore aumenterà istantaneamente al massimo e tutta l'energia accumulata "spruzzerà" sotto forma di un brevissimo impulso di enorme potenza. Questa variante del funzionamento del laser è denominata modalità Q-switching o "impulso gigante" (4).

Laserè un generatore di luce coerente. Un'onda ideale coerente (ordinata) ha una lunghezza e una frequenza rigorosamente definite, un fronte piatto ed è perfettamente polarizzata. Le onde incoerenti (disordinate) sono caratterizzate da una diffusione di frequenze e lunghezze d'onda in un intervallo di valori abbastanza ampio e non hanno un piano di polarizzazione specifico.

Sia le onde luminose perfettamente coerenti che quelle incoerenti sono assenti in natura. Indipendentemente dalla sorgente, le onde luminose sono caratterizzate da una diffusione delle loro caratteristiche in un certo intervallo di valori. Quanto più stretti sono questi intervalli, tanto più ordinata e coerente è l'emissione di luce. In modo alquanto semplificato, un'onda di luce reale può essere considerata come un insieme di onde polarizzate monocromatiche piane con diverse frequenze, direzioni di propagazione e piani di polarizzazione. Un aumento della coerenza della radiazione può essere inteso come una riduzione del numero di onde diverse in un insieme. Nella radiazione coerente ideale, che viene avvicinata dalla radiazione laser, l'intero set è costituito da una singola onda.

La radiazione coerente ha proprietà come monocromaticità, divergenza del raggio basso, alta luminosità. Ciò consente di focalizzare la radiazione laser sulla superficie del materiale da lavorare utilizzando un semplice sistema ottico. Le dimensioni lineari di un raggio laser focalizzato (spot) possono raggiungere frazioni di micrometro. Con dimensioni così ridotte, tutta l'energia della radiazione si concentra su un'area di milionesimi di centimetro quadrato, creando sulla superficie una densità di energia di centinaia di miliardi di watt per centimetro quadrato. Pertanto, un raggio coerente focalizzato può vaporizzare i materiali più refrattari.

La parola laser è composta dalle lettere iniziali della frase inglese Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, che viene tradotta in russo come amplificazione della luce mediante emissione stimolata.

Il funzionamento di un laser si basa sull'uso delle riserve energetiche interne di atomi e molecole di una sostanza che forma microsistemi - formazioni costituite da nuclei ed elettroni, il cui comportamento e stato obbediscono alle leggi della meccanica quantistica.

L'energia del moto relativo delle particelle che compongono gli atomi può assumere solo valori rigorosamente definiti. Vengono chiamati questi valori di energia E 1, E 2, ..., E k livelli di energia. Il sistema dei livelli di energia costituisce lo spettro energetico di un atomo. Viene chiamato il livello inferiore - con l'energia minima principale, il riposo - emozionato. Lo spettro energetico di un atomo isolato dipende dalla sua struttura. Viene chiamato il numero di atomi che hanno una data energia popolazione livello.

Se viene data energia a un atomo situato al livello del suolo E 1, può passare a uno dei livelli eccitati (Fig. 1). Al contrario, un atomo eccitato può spostarsi spontaneamente (spontaneamente) ad uno dei livelli inferiori, mentre emette una certa porzione di energia sotto forma di quanto di luce (fotone). Se l'emissione di luce avviene durante la transizione di un atomo dal livello di energia E m al livello E n, allora la frequenza del quanto di luce emesso (o assorbito)  mn:

dove h è la costante di Planck.

Fig. 1. Spettro energetico di un atomo

Sono questi processi spontanei di radiazione che si verificano nei corpi riscaldati e nei gas luminosi: il riscaldamento o una scarica elettrica trasferisce alcuni degli atomi in uno stato eccitato; passando negli stati inferiori, emettono luce. Nel processo di transizioni spontanee, gli atomi emettono luce indipendentemente l'uno dall'altro. I quanti di luce vengono emessi casualmente sotto forma di onda treni(pacchi). I treni non sono coordinati tra loro in tempo, ad es. avere una fase diversa. Pertanto, l'emissione spontanea è incoerente.

Insieme all'emissione spontanea di un atomo eccitato, c'è costretto(o indotto) radiazione: gli atomi si irradiano sotto l'azione di un campo elettromagnetico esterno in rapida evoluzione, come la luce. Si scopre che sotto l'azione di un'onda elettromagnetica esterna, l'atomo emette un'onda secondaria, in cui la frequenza, la polarizzazione, la direzione di propagazione e la fase coincidono completamente con le caratteristiche dell'onda esterna che agisce sull'atomo. Il fenomeno dell'emissione stimolata permette di controllare l'emissione di atomi con l'ausilio di onde elettromagnetiche e in questo modo amplificare e generare luce coerente. Per fare ciò in pratica, devono essere soddisfatte determinate condizioni. In primo luogo, è necessario risonanza– coincidenza della frequenza della luce incidente con una delle frequenze  mn dello spettro energetico dell'atomo. La natura stessa si è occupata dell'adempimento della condizione di risonanza: se un fotone luminoso viene emesso spontaneamente durante il passaggio di un atomo da un livello superiore Е m al livello Е n , allora la sua frequenza è pari a  mn e corrisponderà alla transizione tra livelli simili di un altro atomo simile, perché lo spettro energetico di atomi identici è assolutamente identico. Successivamente, l'emissione stimolata di atomi eccitati dà origine a un'intera valanga di fotoni, in tutto simile al fotone primario. Di conseguenza, l'aggregato di atomi emetterà un'intensa onda di luce coerente, ad es. verrà generata una luce coerente. Un'altra condizione è legata alla popolazione di diversi livelli. Insieme all'emissione stimolata di luce da parte di atomi situati al livello superiore Em, c'è anche assorbimento risonante atomi che abitano il livello inferiore Å n. Un atomo situato al livello inferiore E n assorbe un quanto di luce, mentre si sposta al livello superiore E m . L'assorbimento della risonanza previene l'inerzia della luce. Se il sistema di atomi alla fine genererà luce o meno dipende da quali atomi ci sono più nella sostanza. Perché avvenga la generazione, è necessario che il numero di atomi al livello superiore N m sia maggiore del numero di atomi al livello inferiore N n tra i quali avviene la transizione.

In condizioni naturali, ci sono meno particelle a un livello superiore a qualsiasi temperatura rispetto a un livello inferiore. Pertanto, qualsiasi corpo, non importa quanto fortemente riscaldato, non genererà luce a causa delle transizioni forzate.

Per eccitare la generazione di luce coerente, è necessario adottare particolari accorgimenti affinché quello superiore dei due livelli scelti sia più popolato di quello inferiore. Viene chiamato lo stato della materia in cui il numero di atomi in uno dei livelli di energia più elevati è maggiore del numero di atomi nel livello di energia inferiore attivo, o dichiarare con inversione (appello) popolazioni. Pertanto, per eccitare la generazione di luce coerente, è necessaria l'inversione della popolazione per la coppia di livelli, il cui passaggio corrisponde alla frequenza di generazione.

Il secondo problema che deve essere risolto per creare un laser è il problema feedback. Affinché la luce controlli l'emissione di atomi, è necessario che parte dell'energia luminosa emessa rimanga sempre all'interno della sostanza in lavorazione, provocando l'emissione forzata di luce da parte di sempre più nuovi atomi. Questo viene fatto con l'aiuto di specchi. Nel caso più semplice, la sostanza di lavoro è posta tra due specchi, uno dei quali è traslucido (Fig. 2). Un'onda luminosa emessa in qualsiasi luogo a seguito di una transizione spontanea di un atomo viene amplificata per emissione stimolata quando si propaga attraverso la sostanza di lavoro. Dopo aver raggiunto uno specchio traslucido, la luce lo attraverserà parzialmente. Questa parte dell'energia luminosa viene emessa dal laser all'esterno e può essere utilizzata. Parte della luce riflessa dallo specchio semitrasparente darà origine a una nuova valanga di fotoni. Questa valanga non differirà dalla precedente per le proprietà dell'emissione stimolata.

Fig.2. Circuito di eccitazione coerente per la generazione di luce

Ma il soddisfacimento delle due condizioni descritte non è ancora sufficiente. Affinché si verifichi la generazione di luce, il guadagno nel principio attivo deve essere sufficientemente grande. Deve superare un certo valore, chiamato soglia. In effetti, lascia che parte del flusso luminoso incidente su uno specchio traslucido venga riflesso indietro. L'amplificazione al doppio della distanza tra gli specchi (un passaggio) dovrebbe essere tale che l'energia luminosa restituita allo specchio traslucido non sia inferiore alla volta precedente. Solo allora l'onda luminosa comincerà a crescere di passaggio in passaggio. Se così non fosse, allora durante il secondo passaggio dello specchio semitrasparente raggiungerà un'energia minore rispetto al momento precedente, durante il terzo passaggio anche meno, e così via. Il processo di attenuazione proseguirà fino alla completa estinzione del flusso luminoso. È chiaro che minore è il coefficiente di riflessione di uno specchio semitrasparente, maggiore dovrebbe essere l'amplificazione di soglia per la sostanza di lavoro.

Quindi, per creare una sorgente di luce coerente, sono necessari i seguenti requisiti:

hai bisogno di una sostanza funzionante con una popolazione inversa, solo allora puoi ottenere un'amplificazione della luce a causa delle transizioni forzate;

la sostanza di lavoro dovrebbe essere collocata tra gli specchi che forniscono feedback;

il guadagno dato dalla sostanza di lavoro, il che significa che il numero di atomi o molecole eccitati nella sostanza di lavoro deve essere maggiore del valore di soglia, che dipende dal coefficiente di riflessione dello specchio semitrasparente.

Modi per creare un'inversione. Esistono diversi modi per creare l'inversione (pompando il mezzo attivo): ottico, termico, chimico, utilizzando un fascio di elettroni, utilizzando una scarica elettrica indipendente, ecc.

Dai metodi di cui sopra, consideriamo il pompaggio ottico e il pompaggio utilizzando una scarica elettrica autosufficiente.

Primo modoè universale e viene utilizzato per eccitare vari mezzi attivi: cristalli dielettrici, vetri, liquidi, miscele di gas. L'eccitazione ottica può essere utilizzata allo stesso modo come elemento integrante di altri metodi di pompaggio (ad esempio elettroionizzazione e chimica).

Secondo modo utilizzato per il pompaggio di mezzi attivi gassosi rarefatti.

Entrambi i metodi, come molti altri, consentono il pompaggio pulsato e continuo. Con il metodo ottico è possibile utilizzare lampade flash a scarica di gas o lampade a combustione continua. Quando si pompa utilizzando una scarica elettrica, vengono utilizzate scariche pulsate e stazionarie. Con il pompaggio pulsato, l'energia di eccitazione entra nell'elemento attivo in porzioni (impulsi) e con il pompaggio continuo è continua (stabile).

Il pompaggio pulsato (rispetto al pompaggio continuo) presenta una serie di vantaggi, poiché fornisce la generazione nella maggior parte dei fluidi attivi, è più facile da implementare da un punto di vista tecnico e non è richiesto il raffreddamento forzato dell'elemento attivo a causa del suo riscaldamento insignificante . Sotto pompaggio pulsato sono possibili vari regimi di generazione; la radiazione laser si forma sotto forma di impulsi luminosi singoli o una sequenza di impulsi. Allo stesso tempo, si ottiene un'elevata concentrazione di energia irradiata nel tempo e nello spazio (impulsi luminosi ultracorti con una potenza fino a 10 12 W).

L'eccitazione dei centri attivi durante il pompaggio ottico si verifica a seguito dell'assorbimento di radiazioni da una speciale sorgente di luce.

Quando pompati da una scarica elettrica autosostenuta, i livelli superiori sono popolati a seguito di collisioni anelastiche di centri attivi con elettroni plasmatici liberi.

Durante il pompaggio di elettroionizzazione, gli elettroni veloci che eccitano gli stati vibrazionali delle molecole di gas (in particolare azoto e anidride carbonica) si formano non in una scarica autosostenuta, ma sotto l'azione delle radiazioni ionizzanti e di un campo esterno accelerato. Un fascio di elettroni proveniente dall'acceleratore viene utilizzato come radiazione ionizzante.

Pertanto, qualsiasi laser è costituito da tre parti principali: un elemento attivo, una cavità ottica e un sistema di pompaggio. Lo schema funzionale del laser è mostrato in Fig.3.

Fig.3. Schema funzionale del laser: 1 – elemento attivo; 2 – specchio risonatore; 3 – elemento risonatore; 4 - sistema di pompaggio

Laser allo stato solido. I laser a stato solido sono laser il cui mezzo attivo è un cristallo dielettrico o un vetro con ioni introdotti al loro interno, che svolgono il ruolo di centri attivi.

Lo schema del pompaggio ottico in un laser a stato solido è mostrato in Fig. 4. La lampada flash a scarica di gas 2 (sorgente di pompaggio) ha la forma di un cilindro rettilineo ed è posta parallela all'elemento attivo 1. La lampada e l'elemento attivo sono installati all'interno del riflettore 3 in modo tale che in ogni sezione perpendicolare al l'asse del cilindro sono ai fuochi dell'ellisse. Di conseguenza, i raggi luminosi che emergono da un fuoco, dopo la riflessione dalla superficie ellittica, cadono sull'elemento attivo, garantendo la massima focalizzazione. Una potenza di uscita laser ancora maggiore si ottiene utilizzando riflettori a due lampade.

Fig.4. Schema di pompaggio ottico in un laser a stato solido: 1 - elemento attivo, 2 - lampada flash (sorgente di pompa), 3 - riflettori

Nei laser allo stato solido, i risonatori ottici sono le facce opposte degli elementi attivi, su cui viene depositato uno strato metallico.

Per la prima volta è stata ottenuta la generazione laser su rubino. Il rubino si forma sciogliendo piccole quantità di Cr 2 O 3 in zaffiro Al 2 O 3 . Il colore rosa è dovuto alle ampie bande di assorbimento degli ioni Cr 3+, che consentono di ottenere transizioni laser nella regione rossa durante il pompaggio. La lunghezza d'onda della radiazione laser a temperatura ambiente è 0,6943 µm.

I cristalli di rubino hanno un'elevata resistenza meccanica e conduttività termica. Grazie a queste qualità di cristalli, oltre alla possibilità di far crescere lingotti di quasi tutte le lunghezze e diametri uniformi in lunghezza e sezione trasversale, si sono diffusi i laser a rubino.

Laser rubino operare in modalità pulsata o continua. A causa della bassa efficienza (~0,1%), il laser a rubino CW è antieconomico rispetto ad altri laser a stato solido CW. Il laser viene pompato con lampade flash allo xeno a spirale o lineari.

Laser a granato di ittrio e alluminio con l'aggiunta dell'elemento chimico neodimio (laser YAG:Nd) hanno trovato la più ampia applicazione tra tutti i laser a stato solido, poiché hanno un'efficienza sufficientemente elevata, un'elevata potenza di uscita e non si surriscaldano ad un'elevata frequenza di ripetizione degli impulsi luminosi . La lunghezza d'onda della radiazione del laser YAG:Nd è 1,06 μm. Il laser viene pompato con lampade allo xeno o al krypton.

Inoltre, sono ampiamente utilizzati i laser in vetro al neodimio, che sono anche sorgenti di radiazione coerente relativamente efficienti in prossimità di una lunghezza d'onda di 1,06 μm. La relativa facilità di lavorazione del vetro consente non solo di ottenere elementi attivi sotto forma di aste lunghe fino a 2 m o lastre con dimensioni trasversali fino a 10 cm, ma anche di creare progetti di amplificatori a film sottile e laser a fibra di diverse decine di metri di lunghezza. Per questo motivo, tali laser vengono utilizzati in sistemi ottici integrati.

laser a gas. In questi laser, l'inversione di popolazione di livello viene creata a causa dell'eccitazione di atomi o molecole di gas durante le loro collisioni con elettroni liberi formati in una scarica elettrica. La pressione nei laser a scarica di gas è selezionata nell'intervallo da centesimi a diversi mm Hg. A pressioni più basse, gli elettroni accelerati da un campo elettrico molto raramente entrano in collisione con gli atomi. In questo caso, la ionizzazione e l'eccitazione degli atomi non sono abbastanza intense. Ad alte pressioni, queste collisioni diventano, al contrario, troppo frequenti. A causa di ciò, gli elettroni non hanno il tempo di accelerare sufficientemente nel campo elettrico e acquisire l'energia necessaria per la ionizzazione e l'eccitazione degli atomi, ad es. le collisioni diventano meno efficaci.

Esistono tre tipi di laser a scarica di gas: laser ad atomi neutri, laser a ioni e laser molecolari. Si differenziano tra loro sia per il meccanismo di formazione dell'inversione di popolazione che per le gamme delle lunghezze d'onda generate. La differenza negli intervalli è dovuta alle differenze nello spettro energetico di atomi, molecole e ioni neutri.

I laser con un elemento attivo costituito da una miscela di elio e neon (10:1), - He-Ne-laser - scarica gas su transizioni atomiche, generando radiazioni con una lunghezza d'onda di 0,6328 micron.

I laser a ioni di argon e krypton sono i laser CW più potenti nelle regioni dello spettro visibile e vicino all'ultravioletto. Di norma, i dispositivi industriali hanno una potenza di 10–20 W nella regione di 0,5 μm e 1–2 W nella zona di 0,35 μm; l'efficienza dei laser non supera lo 0,1%.

Rispetto ad altri laser a gas, i laser ad anidride carbonica (laser CO 2) hanno la più alta efficienza di conversione (fino al 40%) dell'elettricità in energia radiante. Sono facili da usare ad alta potenza, quindi sono ampiamente utilizzati nell'industria.

Fig.6. Dispositivo laser CO 2 con separazione delle regioni di scarica e volume di lavoro del risonatore: 1 - sistema di pompaggio dell'azoto, 2 - area di scarica elettrica, 3 - volume di lavoro del risonatore, 4 - specchio di uscita del risonatore, 5 - sistema di pompaggio dell'anidride carbonica

Il mezzo attivo di un laser CO 2 è costituito da una miscela di gas di anidride carbonica, azoto molecolare e una piccola quantità di elio e vapore acqueo. Il laser è eccitato da una scarica a bagliore. Il laser (Fig. 6) ha sistemi separati per il pompaggio di anidride carbonica 5 e azoto 1. Le molecole di azoto che entrano nella regione di scarica elettrica del capillare di lavoro 2 vengono eccitate in caso di collisione con gli elettroni. Quindi entrano nel volume di lavoro del risonatore 3, dove si mescolano con molecole di CO 2 non eccitate e trasferiscono loro la loro energia.

Il laser CO 2 genera radiazioni a lunghezze d'onda di 0,940 e 1,040 μm e può funzionare in modalità continua e pulsata. Nel primo caso, il laser viene eccitato da una scarica elettrica longitudinale in un tubo cilindrico. Ecco come sono disposti tutti i laser CO 2 industriali cw con potenza fino a 800 W. Nel secondo caso, i laser a CO 2 possono generare impulsi con un'energia fino a 2 kJ e i laser a elettroionizzazione con un'energia superiore a 2 kJ.

laser chimici. Oltre alla scarica elettrica, l'inversione di popolazione dei livelli di atomi e molecole nei laser a gas può essere creata come risultato di reazioni chimiche in cui si formano atomi o radicali in stati eccitati. Poiché le reazioni ordinarie procedono piuttosto lentamente, non sono adatte a creare un'inversione di popolazione. Prima che si accumulino abbastanza atomi eccitati, avranno il tempo di passare allo stato fondamentale e il laser non funzionerà. Per questo motivo, i laser chimici possono funzionare solo su reazioni veloci, come la fotodissociazione di molecole (la disintegrazione di una molecola in più parti sotto l'azione della luce), un'esplosione o reazioni chimiche tra atomi o molecole in collisione di fasci di atomi o molecole di varie sostanze. Il metodo chimico per creare inversioni di popolazione consente fondamentalmente la creazione di laser con efficienza e potenza di uscita molto elevate. Un laser basato sulla fotodissociazione di molecole CF 3 J genera potenze luminose elevate (fino a 50 kW) con un'energia di impulso fino a 65 J. I laser esplosivi possono produrre potenze particolarmente elevate.

Il dispositivo degli impianti tecnologici laser. Attualmente, nella tecnologia di produzione di prodotti elettronici, vengono utilizzate varie installazioni tecnologiche laser che, indipendentemente dal loro scopo, hanno uno schema strutturale comune ed elementi strutturali simili (Fig. 7).

Laser 2 è la principale fonte di energia che garantisce l'implementazione del processo tecnologico. Il sistema ottico 5 focalizza la radiazione laser 4 in un raggio di luce e la dirige verso l'oggetto da elaborare 7. Inoltre, il sistema ottico 5 viene utilizzato per controllare visivamente la posizione del pezzo rispetto al raggio, monitorare l'andamento della il processo e valutarne i risultati. Con l'aiuto del dispositivo 8, il pezzo 7 viene spostato durante il processo tecnologico, viene fissato in una posizione predeterminata e le parti vengono cambiate dopo la lavorazione.

Alcuni processi tecnologici richiedono la creazione di condizioni specifiche (ad esempio, la fornitura di un determinato supporto tecnologico all'area di lavoro). Per questo, gli impianti prevedono un opportuno dispositivo 10, che consente l'erogazione di gas inerte durante la saldatura.

In alcuni casi, l'energia meccanica o elettromagnetica viene introdotta nella zona di trattamento per migliorare l'efficacia del trattamento laser. L'esecuzione di processi combinati (taglio gas-laser, lavorazione laser-scintilla di fori, ecc.) è fornita da una fonte di energia ausiliaria 6 introdotta nell'impianto. Il movimento del pezzo e la posizione del laser sono controllati dal dispositivo software 1. La radiazione è controllata dal sensore 3, la temperatura della zona di lavorazione, lo stato della superficie del pezzo - dal sensore 9, che, in Inoltre, corregge i parametri o interrompe l'operazione.

Fig.7. Schema strutturale dell'installazione tecnologica laser: 1 - dispositivo software, 2 - laser, 3 - sensore dei parametri di radiazione, 4 - radiazione laser, 5 - sistema ottico, 6 - fonte di energia ausiliaria, 7 - pezzo, 8 - dispositivo per il fissaggio e spostamento delle parti del pezzo, 9 - sensore dei parametri di processo, 10 - dispositivo di alimentazione del fluido di processo

I laser fanno da tempo parte della nostra vita quotidiana. Da un lato, quasi ogni casa o lavoro ha una stampante laser a cui tutti sono abituati. D'altra parte, le spade laser eccitano ancora l'immaginazione di chi guarda Star Wars per la prima volta (e nemmeno la prima volta). In questo articolo analizzeremo a livello elementare cos'è un laser e considereremo anche le basi fisiche di questo complicato concetto.

Cos'è un laser?

Curiosità: sapevi che esistevano i maser prima dell'avvento dei laser?

Maser - un generatore quantistico che emette microonde coerenti (onde nell'intervallo centimetrico)

Maser è l'abbreviazione dell'inglese m microondeun semplificazionediS simulatoe missionedir radiazione, che in traduzione significa "amplificazione delle microonde mediante emissione stimolata". Il maser è stato inventato negli anni '50, diversi anni prima del laser.

Maser e laser funzionano secondo lo stesso principio. La differenza è che i maser amplificano onde di diverse gamme. Il maser è l'amplificazione delle microonde e il laser è l'amplificazione della luce, cioè le lunghezze d'onda visibili.

laser (da notteun semplificazionediS simulatoe missionedir radiazione-"Amplificazione della luce per emissione stimolata") è un dispositivo che converte l'energia della pompa nell'energia di un flusso di radiazione monocromatico, polarizzato e strettamente diretto.

Tra tutte queste parole d'ordine per comprendere il principio di funzionamento del laser, se ne devono distinguere due: "emissione stimolata" . Questo è esattamente ciò che sta alla base del funzionamento del laser.

È il fenomeno dell'emissione stimolata che sta alla base del funzionamento di un laser. Qual è il punto?

Emissione stimolata

Sappiamo che un atomo può trovarsi in diversi stati energetici. Nel caso più semplice, ci sono solo due stati: ground ed eccitato. Gli elettroni ruotano attorno al nucleo di un atomo in orbite che corrispondono a determinate energie. In determinate condizioni, un elettrone può, per così dire, saltare da un'orbita all'altra e tornare indietro. Quelli. gli elettroni che ruotano attorno al nucleo possono spostarsi da un livello di energia all'altro. Inoltre, se un elettrone si sposta da un livello di energia superiore a uno inferiore, viene rilasciata energia. Per passare da un livello inferiore a uno superiore o viceversa, l'energia deve essere impartita all'elettrone.

Ora immaginiamo di avere un atomo in uno stato eccitato, e lo colpisce un fotone con un'energia pari alla differenza di energie dei livelli dell'atomo. In questo caso, il nostro atomo emetterà esattamente lo stesso fotone e l'elettrone si sposterà da un livello di energia più alto a uno più basso. Questa è emissione forzata. C'è anche un'emissione spontanea, quando un atomo eccitato emette spontaneamente un fotone.

Come funziona questo fenomeno nei laser?

Immaginiamo il laser più semplice, costituito da un sistema di pompaggio, un mezzo di lavoro e una cavità ottica. Il sistema di pompaggio è necessario per impartire energia al mezzo di lavoro, che sarà convertito in energia radiante, e per creare un'inversione delle popolazioni dei livelli energetici. Ad esempio, se il corpo di lavoro del nostro laser è costituito da atomi con solo due stati energetici, allora affinché il laser funzioni, è necessario che il numero di atomi eccitati superi il numero di quelli non eccitati. L'inversione della popolazione è la base per iniziare la generazione di radiazioni in un laser. puoi nell'articolo di recensione dei nostri autori.

Il corpo di lavoro del laser può essere sia solido che liquido con gas. L'essenza fisica del funzionamento di tutti questi dispositivi rimane la stessa. A proposito, il primo laser al mondo è stato il rubino, ad es. aveva un cristallo di rubino come mezzo di lavoro.

Quando si raggiunge l'inversione di popolazione, gli atomi eccitati del mezzo di lavoro iniziano ad emettere fotoni (emissione spontanea). Affinché il processo non si estingua, è necessario fornire un feedback. Nel caso più semplice, il ruolo di un risonatore ottico è svolto da due specchi, uno dei quali trasmette parte dei fotoni (semitrasparente), e il secondo riflette. Così, una certa parte dei fotoni emessi rimane nello spazio di lavoro, inducendo la radiazione di sempre più nuovi atomi, da cui il processo inizia a svilupparsi come una valanga e il laser brilla.

Ci auguriamo che tu sia diventato un po' più erudito dopo aver letto questo articolo. Se hai domande più profonde e fondamentali sui laser, ricorda che ci sono persone tra di voi che sono pronte a rispondere in qualsiasi momento.

Buona fortuna e che la forza sia con te!