Принцип работы лазерного. Принцип работы лазера

Сложно представить современную жизнь без принтера. В школах распечатывают сценарии, в университете - рефераты, на работе - договоры, и даже дома нам бывает крайне необходимо перенести на бумажный носитель ту или иную информацию. Различают несколько типов принтеров, они классифицируются по типу печати, по формату, по размеру и даже по типу печатных материалов. Рассмотрим принцип печати струйного и лазерного принтера.

Как работает струйный принтер

Постараемся осветить принцип печати струйного принтера кратко. Качество печати у него немного хуже, чем у лазерного. Однако их стоимость значительно ниже, чем у лазерных. Струйный принтер идеально подходит для эксплуатации в домашних условиях. Он прост в эксплуатации и легко обслуживается. Принцип печати струйного и лазерного принтера заметно отличаются. Это проявляется и в технологии подачи чернил, и в устройстве оборудования. Поэтому поговорим сначала о том, как печатает струйный принтер.

Его принцип работы заключается в следующем: в специальной матрице формируется изображение, а затем эта матрица отпечатывает изображение на полотне с использованием жидких красителей. Другой тип струйных принтеров оснащен картриджами, которые устанавливают в специальный блок. В этом случае с помощью печатающей головки чернила подаются в печатающую матрицу, а уж она переносит изображение на бумагу.

Способы хранения чернил и их нанесение на бумагу

Существует три способа нанести чернила на полотно:

Пьезоэлектрический метод;
. метод газовых пузырей;
. метод drop-on-demand.

Первый метод при печати оставляет на полотне чернильную точку, за счет пьезоэлемента. С его помощью трубка сжимается и разжимается, не позволяя лишним чернилам попасть на бумагу.

Газовые пузыри, еще известные как инжектируемые пузыри, оставляют отпечаток на полотне за счет высоких температур. Каждое сопло печатающей матрицы оснащено который нагревается за долю секунды. Образовавшиеся газовые пузыри проталкиваются через сопло и переносятся на расходный материал.

Метод drop-on-demand в процессе работы также использует газовые пузыри. Но это более оптимизированная технология, которая значительно увеличивает скорость и качество современной печати.

В струйном принтере чернила хранятся двумя способами. Присутствует отдельный съемный резервуар, из которого чернила подаются в печатающую головку. Второй способ для хранения чернил использует специальный патрон, который также находится в печатающей головке. Для замены патрона необходимо заменять и саму головку.

Поговорим о струйных принтерах

Струйные принтеры обрели особую популярность благодаря возможности При печати изображение формируется за счет наложения основных тонов друг на друга разной насыщенности. Набор основных цветов носит аббревиатуру CMYK. К нему относятся: желтый, пурпурный, голубой и черный.

Изначально предлагался трехцветный набор, в который входили все вышеперечисленные тона, кроме черного оттенка. Но при наложении желтого, голубого и пурпурного цвета, при 100% насыщенности, не удавалось добиться черного. В результате получали коричневый или серый цвет. Поэтому было решено добавить черные чернила.

Особенности работы струйного принтера

К основным показателям качественной работы принтера относится шум, скорость печати, качество печати и его долговечность.

Эксплуатационные свойства принтера:

• Принцип печати - струйный. Чернила подаются через специальные сопла и отпечатываются на полотне. В отличие от игольчатых принтеров, где нанесение чернил - это ударно-механический процесс, струйный работает очень тихо. Как печатает принтер, не слышно, можно только различить шум двигателя, который передвигает печатающие головки. не превышает 40 дБ.
• Скорость печати струйного принтера значительно выше, чем у игольчатого. От этого показателя также зависит качество печати. Принцип печати принтера: чем выше скорость, тем хуже отпечаток. Если выбирать высококачественную печать, процесс замедляется и краска наносится более тщательно. Средняя такого принтера примерно 3-5 страниц в минуту. Более современные модели увеличили этот показатель до 9 страниц в минуту. Цветная печать требует немного больше времени.
• Шрифт - это одно из главных преимуществ струйного принтера. Качество отображения шрифта можно сравнить только с лазерным принтером. Повысить качество печати можно за счет использования хорошей бумаги. Она должна обладать быстро впитывающими свойствами. Хорошее изображение получается на бумаге с плотностью 60-135г/м². Также неплохо себя показала бумага для ксероксов с плотностью 80 г/м². Для быстрого высыхания чернил используют функцию подогрева бумаги. Несмотря на то, что принцип печати струйного и лазерного принтера совершенно разные, качественное оборудование позволяет добиться сходного эффекта.
• Бумага. К сожалению, струйный принтер не приспособлен для печати на рулонных носителях. А для получения нескольких копий придется воспользоваться многократной печатью.

Недостатки печати струйного принтера

Как выяснилось выше, струйные принтеры печатают жидкими красителями с помощью матрицы. Изображение формируется из точек. Самая дорогая деталь в принтере - печатающая головка, некоторые фирмы встроили печатающую головку принтера в картридж, для уменьшения общих габаритов устройства. Принцип печати струйного и лазерного принтера значительно отличаются друг от друга

К недостаткам такого принтера можно отнести:

• Невысокую скорость печати.
• Если принтер не эксплуатировался долгое время, чернила могут засохнуть.
• Расходники имеют высокую стоимость и малый ресурс.

Преимущества печати струйного принтера

• Привлекательная цена, идеальное соотношение цены и производительности.
• У принтера очень скромные габариты, что позволяет его разместить в небольшом кабинете, без создания неудобств пользователю.
• Картриджи легко заправить самостоятельно, достаточно приобрести чернила и прочесть инструкцию.
• Возможность подключения При больших объемах печати, это позволит существенно снизить расходы.
• Высококачественная печать фотографий.
• Широкий выбор печатных носителей.

Немного о лазерном принтере

Лазерный принтер - это разновидность оборудования, предназначенного для нанесения отпечатка текста или изображения на бумажный носитель. История создания этого типа оборудования весьма необычна. И имеет маркетинговый подход, в отличие от струйного принтера, при создании которого были разработаны сотни научных концепций.

Только в 1969 году компанией Xerox начал разрабатываться принцип печати лазерного принтера. Несколько лет велись научные работы, было использовано множество способов по усовершенствованию существующего аппарата. В 1978 году в мире появился первый копир, который использовал лазерный луч для создания отпечатка. Принтер получился огромных размеров, да и цена не позволяла приобрести этот агрегат каждому желающему. Спустя некоторое время, разработкой заинтересовалась компания Canon, и в 1979 году был выпущен первый настольный лазерный принтер. После множество компаний занялось оптимизацией копиров и выпуском новых моделей, однако принцип печати лазерного принтера не изменился.

Как печатает лазерный принтер

Отпечатки, полученные таким способом, обладают высокими эксплуатационными характеристиками. Для них не страшна влага, они не боятся стирания и выцветания. Изображения, полученные таким способом, получаются очень качественными и стойкими.

Принцип печати лазерного принтера кратко:

• Лазерный принтер наносит изображение на полотно в несколько этапов. Тонер (специальный порошок) под действием температуры плавится и прилипает к бумаге.
• Ракель (специальный скребок) снимает с барабана неиспользованный тонер в накопитель отработки.
• Каронатор поляризует поверхность барабана, и посредством электростатических сил присваивает ему положительный или отрицательный заряд.
• Изображение формируется на поверхности барабана с помощью вращающегося зеркала, которое направляет его в нужное место.
• Барабан перемещается по поверхности магнитного вала. На валу находится тонер, который прилипает в те места барабана, где отсутствует заряд.
• После барабан прокатывается по бумаге, оставляя тонер на полотне.
• На завершающем этапе бумага с распыленным на ней тонером прокатывается через печку, где вещество под воздействием высоких температур плавится и надежно пристает к бумаге.

Принцип печати лазерного принтера имеет много общего с технологией, используемой в копировальных аппаратах.

Цветные лазерные принтеры и их главные отличия

Процесс печати на цветном принтере отличается от черно-белого наличием нескольких оттенков, которые при смешивании в определенной пропорции способны воссоздать все известные нам цвета. В цветных лазерных принтерах используется четыре отдельных отсека для каждого цвета краски. Это и есть их основное отличие.

Печать на цветном принтере состоит из следующих этапов: анализ изображения, его растровое изображение, расположение цветов и соответствующих им тонеров. Затем формируется распределение зарядов. После процедура такая же, как и при черно-белой печати. Лист с краской проходит через печку, где тонеры расплавляются и надежно схватываются с бумагой.

Их преимущество заключается в том, что принцип печати лазерного принтера позволяет добиться очень тонких лучей, которые разряжают нужные участки. В итоге мы получаем очень качественное изображение высокого разрешения.

Преимущества современных лазерных принтеров

К преимуществам печати лазерных принтеров относится:

• Высокая скорость печати.
• Стойкость, четкость и выносливость отпечатков (им не страшен влажный микроклимат).
• Высокое разрешение изображения.
• Низкая себестоимость печати.

Недостатки печати лазерного принтера

Главные недостатки лазерных принтеров:

• Во время работы оборудования, выделяется озон. А значит, с ним нужно работать в хорошо проветриваемом помещении.
• Высокое энергопотребление.
• Громоздкость.
• Высокая стоимость оборудования

Опираясь на все плюсы и минусы, можно сделать вывод, что струйные принтеры прекрасно подходят для домашнего использования. У них доступная цена и небольшие габариты, что важно для многих пользователей.

Лазерный принтер подходит для офисов и других учреждений, где много черно-белых распечаток и важна скорость обработки документов.

История лазерных принтеров началась в 1938 году с разработки технологии печати сухими чернилами. Честер Карлсон , работая над изобретением нового способа переноса изображений на бумагу, использовал статическое электричество. Метод получил название электрографии и впервые был использован корпорацией Xerox, выпустившей в 1949 году копировальный аппарат Model A. Однако для работы этого механизма отдельные операции требовалось производить вручную. Через 10 лет был создан полностью автоматический Xerox 914, который считается прообразом современных лазерных принтеров.

Идея «нарисовать» то, что позднее должно быть распечатано, непосредственно на копировальном барабане лазерным лучом принадлежит Гэри Старквитеру (Gary Starkweather). Начиная с 1969 года, компания занималась разработкой и в 1977 году выпустила серийный лазерный принтер Xerox 9700, который печатал со скоростью 120 страниц в минуту.

Аппарат был очень большим, дорогим, предназначался исключительно для предприятий и учреждений. А первый настольный принтер разработала Canon в 1982, через год – новая модель LBP-CX. Компания HP в результате сотрудничества с Canon в 1984 году начала производство серии Laser Jet и сразу же заняла лидирующее положение на рынке лазерных принтеров для домашнего пользования.

В настоящее время монохромные и цветные печатающие устройства выпускаются многими корпорациями. Каждая из них использует собственные технологии, которые могут существенно различаться, но общий принцип работы лазерного принтера характерен для всех устройств, а процесс печати можно разделить на пять основных этапов.

Печатающий барабан (Optical Photoconductor, OPC) – это металлический цилиндр, покрытый фоточувствительным полупроводником, на котором формируется изображение для последующей печати. Вначале OPC снабжается зарядом (положительным или отрицательным). Сделать это можно одним из двух способов используя:

• коротрон (Corona Wire), или коронатор;
• ролик заряда (Primary Charge Roller, PCR), или заряжающий вал.

Коротрон представляет собой блок из проволоки и металлического каркаса вокруг нее.

Провод коронатора – это вольфрамовая нить с углеродным, золотым или платиновым покрытием. Под действием высокого напряжения между проволокой и каркасом возникает разряд, светящаяся ионизированная область (корона), создается электрическое поле, которое передает статический заряд фотобарабану.

Обычно в блок встраивается механизм, очищающий провод, так как его загрязнение сильно ухудшает качество печати. Использование коротрона имеет определенные недостатки: царапины, скопление пыли, частичек тонера на нити или ее изгиб может привести к усилению электрического поля в этом месте, резкому снижению качества распечаток, и, возможно, повреждению поверхности барабана.

Во втором варианте несущую конструкцию с нагревательным элементом внутри обертывает гибкая пленка, сделанная из специальной термоустойчивой пластмассы. Технология считается менее надежной, используется в принтерах для малого бизнеса и домашнего использования, где не ожидается больших нагрузок оборудования. Для предотвращения прилипания листа к печке и закручивания его вокруг вала предусмотрена планка с отделителями бумаги.

Цветная печать

Для формирования цветного изображения используются четыре основных цвета:

• черный,
• желтый,
• пурпурный,
• голубой.

Печать осуществляется по тому же принципу, что и черно-белая, но прежде принтер разбивает картинку, которую нужно получить, на монохромные изображения для каждого из цветов. В процессе работы цветные картриджи переносят на бумагу свои рисунки, а их наложение друг на друга дает итоговый результат. Существует две технологии цветной печати.

Многопроходная

При этом способе используется промежуточный носитель – вал или лента переноса тонера. За один оборот на ленту наносится один из цветов, затем в нужное место подается другой картридж и поверх первого изображения накладывается второе. За четыре прохода на промежуточном носителе формируется полное изображение, которое переносится на бумагу. Скорость печати цветного изображения в принтерах, использующих эту технологию, в четыре раза меньше, чем монохромного.

Однопроходная

Принтер включает в себя комплекс из четырех отдельных печатающих механизмов под общим управлением. Цветные и черный картриджи выстроены в линейку, каждому соответствует отдельный лазерный блок и ролик переноса, а бумага проходит под фотобарабанами, последовательно собирая все четыре монохромных изображения. Только после этого лист попадает в печку, где тонер закрепляется на бумаге.

Печатайте с удовольствием.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Принципиальная схема твердотельного импульсного лазера весьма проста (1). Активная среда - вещество, в котором возникает излучение (кристаллы рубина, алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима и другие материалы), - имеет форму цилиндра или стержня. Его помещают в резонатор в виде двух параллельных зеркал - полупрозрачного переднего и "глухого", непрозрачного, заднего. Возле активной среды смонтирована система накачки - импульсная лампа, которую вместе со стержнем окружает зеркало, фокусирующее свет на активной среде (им нередко служит кварцевый цилиндр, покрытый слоем металла).

Активная среда "сконструирована" таким образом, что ее атомы имеют как минимум три энергетических уровня (2). В нормальном состоянии все они находятся на уровне с наименьшей энергией Е 0 . Когда загорается лампа, энергия ее света поглощается атомами и переводит их из низшего энергетического состояния на более высокий уровень Е 2 , откуда они незамедлительно опускаются на уровень Е 1 . На этом - возбужденном - уровне атомы могут находиться достаточно долго (по квантовым масштабам, разумеется). Наличие такого уровня (он называется метастабильным) - необходимое условие получения лазерного импульса. С этого уровня атом возвращается в исходное состояние, излучая фотон. Причем каждый фотон, пролетая мимо возбужденного атома, заставляет его излучать тоже. Отражаясь в зеркалах резонатора, фотоны многократно проходят активную среду (добротность резонатора чрезвычайно велика: его зеркала поглощают только один фотон из миллиона) и вырываются наружу через полупрозрачное зеркало в виде светового импульса. Но лампа горит долго (опять-таки по квантовым масштабам), и атомы среды за это время успевают много раз "сбросить" энергию. Поэтому лазерная вспышка при внимательном рассмотрении выглядит как "гребенка" из десятков и сотен очень коротких импульсов, а сам такой режим называется "пичковым" (3).

Если же в резонатор поместить затвор, перекрывающий путь фотонам, его добротность упадет до нуля, и вся энергия лампы накачки станет уходить на возбуждение атомов активной среды. Затвор откроется, когда свечение лампы накачки и, следовательно, количество возбужденных атомов достигнут максимума. Тогда добротность резонатора мгновенно возрастет до максимума, и вся накопленная энергия "выплеснется" в виде очень короткого импульса огромной мощности. Этот вариант работы лазера именуется режимом модуляции добротности или "гигантского импульса" (4).

Лазер - это генератор когерентного света. Идеальная когерент­ная (упорядоченная) волна имеет строго определенные длину и час­тоту, плоский фронт и является идеально поляризованной. Некоге­рентные (неупорядоченные) волны характеризуются разбросом частот и длин волн в достаточно большом интервале значений и не имеют определенной плоскости поляризации.

В природе отсутствуют как идеально когерентные, так и неко­герентные световые волны. Независимо от источника световые волны характеризуются разбросом своих характеристик в некотором интер­вале значений. Чем эти интервалы уже, тем более упорядоченным, когерентным является световое излучение. Несколько упрощенно ре­альную световую волну можно рассматривать как набор плоских мо­нохроматических поляризованных волн с разными частотами, направ­лениями распространения и плоскостями поляризации. Повышение ко­герентности излучения можно понимать как сокращение числа разных волн в наборе. В идеальном когерентном излучении, к которому приближается лазерное, весь набор состоит из единственной волны.

Когерентное излучение обладает такими свойствами, как мо­нохроматичность, малая расходимость луча, высокая яркость. Это позволяет фокусировать лазерное излучение на поверхность обраба­тываемого материала с помощью простой оптической системы. Линей­ные размеры сфокусированного лазерного луча (пятна) могут дости­гать долей микрометра. При таких малых размерах вся энергия из­лучения концентрируется на площадке в миллионные доли квадратно­го сантиметра, создавая на поверхности плотность энергии в сотни миллиардов Ватт на квадратный сантиметр. Таким образом, сфокуси­рованный когерентный луч может испарять самые тугоплавкие мате­риалы.

Слово лазер состоит из начальных букв английского словосо­четания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский - усиление света вынужденным испуска­нием.

Работа лазера основана на ис­пользовании запасов внутренней энергии атомов и молекул вещест­ва, образующих микросистемы – образования, состоящие из ядер и электронов, поведение и состояние которых под­чиняются законам квантовой механики.

Энергия относительного движения частиц, составляющих атомы может принимать только строго определенные значения. Эти значения энергии Е 1 , Е 2 ,…, Е к называются уровнями энергии . Система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома. Нижний уровень – с минимальной энергией – называется основным , остальные – возбужденными . Энергетический спектр изолированного атома зависит от его структуры. Число атомов, обладающих данной энергией, называют населенностью уровня.

Если атому, находящемуся на основном уровне Е 1 , сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.1). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Е m на уровень Е n , то частота испускаемого (или поглощаемого) кванта света  mn:

где h – постоянная Планка.

Рис.1. Энергетический спектр атома

Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах: нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются в виде волновых цугов (пакетов). Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Наряду со спонтанным излучением возбужденного атома существует вынужденное (или индуцированное ) излучение: атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например света. При этом оказывается, что под действием внешней электромагнитной волны атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с характеристиками внешней волны, действующей на атом. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных волн и таким путем усиливать и генерировать когерентный свет. Чтобы осуществить это практически, нужно удовлетворить определенным условиям. Во-первых, необходим резонанс – совпадение частоты падающего света с одной из частот  mn энергетического спектра атома. О выполнении резонансного условия позаботилась сама природа: если световой фотон испущен спонтанно при переходе атома с более высокого уровня Е m на уровень Е n , то его частота равна  mn и будет соответствовать переходу между аналогичными уровнями другого такого же атома, т.к. энергетический спектр одинаковых атомов абсолютно идентичен. В дальнейшем вынужденное излучение возбужденных атомов порождает целую лавину фотонов, во всем подобных первичному фотону. В результате совокупность атомов испустит интенсивную когерентную световую волну, т.е. будет осуществлена генерация когерентного света. Другое условие связано с населенностью различных уровней. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне E m , происходит также резонансное поглощение атомов, населяющих нижний уровень Е n . Атом, находящийся на нижнем уровне Е n , поглощает световой квант, переходя при этом на верхний уровень Е m . Резонансное поглощение препятствует возникновению инерции света. Будет ли в итоге система атомов генерировать свет или нет, зависит от того, каких атомов в веществе больше. Для возникновения генерации необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне N m было больше числа атомов на нижнем уровне N n , между которыми происходит переход.

В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре меньше частиц, чем на более низком. Поэтому любое тело, сколь угодно сильно нагретое, не будет генерировать свет за счет вынужденных переходов.

Для возбуждения генерации когерентного света необходимо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселен больше, чем нижний. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией, называют активным , или состоянием с инверсией (обращением ) населенностей. Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населенностей для той пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации.

Вторая проблема, которую необходимо решить для создания лазера, - это проблема обратной связи. Для того чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми ато­мами. Это осуществляется с помощью зеркал. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачно (рис.2). Испущенная в каком-либо месте в резуль­тате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении ее через рабочее вещество. Дойдя до полупрозрачного зеркала, свет ча­стично пройдет через него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Часть же света, отразившаяся от полупрозрачного зеркала, даст начало новой лавине фотонов. Эта лавина не будет отличаться от предыдущей в силу свойств вынужденного испускания.

Рис.2. Схема возбуждения генерации когерентного света

Но выполнение двух описанных условий еще недостаточно. Для того чтобы возникла генерация света, усиление в активном веществе должно быть достаточно большим. Оно должно превышать некоторое значение, называемое пороговым . Действительно, пусть часть светового потока, падающего на полупрозрачное зеркало, отразилась назад. Усиление на двойном расстоянии между зеркалами (один проход) должно быть таким, чтобы на полупрозрачное зеркало вернулась световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Если же этого нет, то в течение второго прохода полупрозрачного зеркала достигнет меньшая энергия, чем в предыдущий момент, в течение третьего – еще меньшая и т.д. Процесс ослабления будет продолжаться до тех пор, пока световой поток не затухнет полностью. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения полупрозрачного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество.

Итак, для создания источника когерентного света необходимы следующие требования:

нужно рабочее вещество с инверсной заселенностью, только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;

рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;

усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.

Способы создания инверсии. Существует несколько способов создания инверсии (накачки активной среды): оптический, тепло­вой, химический, с помощью электронного луча, с использованием самостоятельного электрического разряда и др.

Из приведенных способов рассмотрим оптическую накачку и на­качку с использованием самостоятельного электрического разряда.

Первый способ является универсальным и применяется для воз­буждения различных активных сред - диэлектрических кристаллов, стекол, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться так же, как составной элемент некоторых других способов накачки (например, электроионизационного и химического).

Второй способ применяют для накачки разреженных газообразных ак­тивных сред.

Оба способа, как и многие другие, допускают импульсную и непрерывную накачки. При оптическом способе могут использоваться газоразрядные импульсные лампы либо лампы непрерывного горения. При накачке с использованием электрического разряда применяют импульсные разряды и стационарные. При импульсной накачке энер­гия возбуждения поступает в активный элемент порциями (импульса­ми), а при непрерывной - непрерывно (стабильно).

Импульсная накачка (по сравнению с непрерывной накачкой) об­ладает рядом преимуществ, поскольку обеспечивает генерацию в большинстве активных сред, ее легче реализовывать с технической точки зрения, при этом не требуется принудительного охлаждения активного элемента из-за его незначительного нагрева. При им­пульсной накачке возможны различные режимы генерации; лазерное излучение формируется в виде одиночных световых импульсов или последовательности импульсов. При этом достигают высокой кон­центрации излучаемой энергии во времени и пространстве (сверхко­роткие световые импульсы мощностью до 10 12 Вт).

Возбуждение активных центров при оптической накачке происхо­дит в результате поглощения излучения от специального источника света.

При накачке самостоятельным электрическим разрядом заселение верхних уровней происходит в результате неупругих столкновений активных центров со свободными электронами плазмы.

При электроионизационной накачке быстрые электроны, возбуж­дающие колебательные состояния молекул газа (в частности, азота и диоксида углерода), образуются не в самостоятельном разряде, а под действием ионизирующего излучения и ускоряющего внешнего по­ля. В качестве ионизирующего излучения используют пучок электро­нов из ускорителя.

Та­ким образом, любой лазер состоит из трех основных частей: актив­ного элемента, оптического резонатора и системы накачки. Функци­ональная схема лазера представлена на рис.3.

Рис.3. Функциональная схема лазера: 1 – активный элемент; 2 – зеркало резонатора; 3 – элемент резонатора; 4 – система накачки

Твердотельные лазеры . Твердотельными называют лазеры, актив­ная среда которых представляет собой кристалл диэлектрика или стекло с введенными в них ионами, играющими роль активных цент­ров.

Схема оптической накачки в твердотельном лазере показана на рис.4. Газоразрядная лампа-вспышка 2 (источник накачки) имеет форму прямого цилиндра и размещается параллельно активному эле­менту 1. Лампу и активный элемент устанавливают внутри отражате­ля 3 таким образом, что в каждом сечении, перпендикулярном оси ци­линдра, они находятся в фокусах эллипса. Вследствие этого свето­вые лучи, выходящие из одного фокуса, после отражения от эллип­тической поверхности попадают на активный элемент, обеспечивая максимальную фокусировку. Еще большей выходной мощности лазера достигают использованием двухламповых отражателей.

Рис.4. Схема оптической накачки в твердотельном лазере: 1 - ак­тивный элемент, 2 - лам­па-вспышка (источник накачки), 3 - отражатели

В твердотельных лазерах оптическими резонаторами служат про­тивоположные грани активных элементов, на которые напыляется слой металла.

Впервые лазерная генерация была получена на рубине. Рубин образуется при растворении небольших количеств Cr 2 O 3 в сапфире Al 2 O 3 . Розовый цвет обусловлен широкими полосами поглощения ионов Cr 3+ , что дает возможность при накачке получать лазерные перехо­ды в красной области. Длина волны излучения лазера при комнатной температуре составляет 0,6943 мкм.

Кристаллы рубина обладают большой механической прочностью и теплопроводностью. Благодаря этим качествам кристаллов, а также возможности выращивания однородных по длине и сечению слитков практически любой длины и диаметра лазеры на рубине получили ши­рокое распространение.

Рубиновые лазеры работают в импульсном или непрерывном режи­ме. Из-за низкого кпд (~ 0,1%) рубиновый лазер непрерывного действия неэкономичен по сравнению с другими твердотельными ла­зерами непрерывного действия. Накачку лазера осуществляют спи­ральными или линейными ксеноновыми импульсными лампами.

Лазеры на алюмоиттриевом гранате с добавлением химического элемента неодима (АИГ:Nd-лазеры) нашли наиболее широкое примене­ние среди всех твердотельных лазеров, так как обладают достаточ­но высоким кпд, большой выходной мощностью и не перегреваются при большой частоте следования световых импульсов. Длина волны излучения АИГ:Nd-лазера 1,06 мкм. Накачку лазера производят ксе­ноновыми или криптоновыми лампами.

Кроме того, широко используют лазеры на неодимовом стекле, которые также являются относительно эффективными источниками ко­герентного излучения в окрестности длины волны 1,06 мкм. Относи­тельная легкость обработки стекла позволяет не только получать активные элементы в виде стержней длиной до 2 м или пластин с поперечными размерами до 10 см, но и создавать конструкции тон­копленочных усилителей и волоконных лазеров длиной в несколько десятков метров. Благодаря этому такие лазеры используют в ин­тегрально-оптических системах.

Газовые лазеры. В этих лазерах инверсия населенностей уровней создается за счет возбуждения атомов или молекул газа при их соударениях со свободными электронами, образующимися в электрическом разряде. Давление в газоразрядных лазерах выбирается в пределах от сотых долей до нескольких мм рт.ст. При меньших давлениях электроны, ускоренные электрическим полем, очень редко сталкиваются с атомами. При этом ионизация и возбуждение атомов происходит недостаточно интенсивно. При больших давлениях эти столкновения становятся, наоборот слишком частыми. Благодаря этому электроны не успевают достаточно ускоряться в электрическом поле и приобрести энергию, необходимую для ионизации и возбуждения атомов, т.е. столкновения становятся мало эффективными.

Различают три типа газоразрядных лазеров: лазеры на нейтральных атомах, ионные лазеры и молекулярные лазеры. Они отличаются друг от друга как механизмом образования инверсии населенностей, так и диапазонами генерируемых длин волн. Различие в диапазонах обусловлено различиями в энергетическом спектре нейтральных атомов, молекул и ионов.

Лазеры с активным элементом, состоящим из смеси гелия и неона (10:1), - He-Ne-лазер - является газоразряд­ным на атомных переходах, генерирующих излучение длиной волны 0,6328 мкм.

Аргоновый и крип­тоновый ионные лазеры являются самыми мощными среди лазеров неп­рерывного действия в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Как правило, промышленные приборы имеют мощность 10-20 Вт в области 0,5 мкм и 1-2 Вт - в окрестностях 0,35 мкм, кпд ла­зеров не превышает 0,1%.

Наибольшим кпд преобразования (до 40%) электроэнергии в энергию излучения по сравнению с другими газовыми лазерами обла­дают лазеры на углекислом газе (СО 2 -лазеры). Они просты в экс­плуатации при высоких мощностях, поэтому широко применяются в промышленности.

Рис.6. Устройство СО 2 -лазера с разделением областей разряда и рабочего объема резонатора: 1 - система прокачки азота, 2 - об­ласть электрического разряда, 3 - рабочий объем резонатора, 4 - выходное зеркало резонатора, 5 - система прокачки диоксида уг­лерода

Активная среда СО 2 -лазера состоит из смеси газов диоксида углерода, молекулярного азота и небольшого количества гелия и паров воды. Возбуждение лазера проводится тлеющим разрядом. Ла­зер (рис.6) имеет отдельные системы прокачки диоксида углерода 5 и азота 1. Молекулы азота, попадающие в область электрического разряда рабочего капилляра 2, возбуждаются при столкновении с электронами. Далее они попадают в рабочий объем резонатора 3, где смешиваются с невозбужденными молекулами СО 2 и передают им свою энергию.

СО 2 -лазер генерирует излучение длинами волн 0,940 и 1,040 мкм и может работать в непрерывном и импульсном режимах. В пер­вом случае лазер возбуждается продольным электрическим разрядом в цилиндрической трубке. Так устроены все промышленные непрерыв­ные СО 2 -лазеры мощностью до 800 Вт. Во втором случае СО 2 -лазеры могут генерировать импульсы энергией до 2 кДж, электроионизаци­онные - энергией более 2 кДж.

Химические лазеры. Кроме электрического разряда, инверсия населенностей уровней атомов и молекул в газовых лазерах может создаваться в результате химических реакций, при которых образуются атомы или радикалы в возбужденных состояниях. Так как обычные реакции протекают довольно медленно, то они непригодны для создания инверсии населенностей. Прежде чем накопится достаточно много возбужденных атомов, они успеют перейти в основное состояние, и лазер работать не будет. По этой причине химические лазеры могут работать только на быстропротекающих реакциях, таких как фотодиссоциация молекул (распад молекулы на несколько частей под действием света), взрыв или химические реакции между атомами или молекулами во встречных пучках атомов или молекул различных веществ. Химический метод создания инверсий населенностей принципиально допускает создание лазеров с очень высокими кпд и выходной мощностью. Лазер на фотодиссоциации молекул CF 3 J создает высокие мощности света (до 50 кВт) при энергии в импульсе до 65 Дж. Особенно большую мощность могут дать лазеры, работающие на взрывах.

Устройство лазерных технологических установок. В настоящее время в технологии производства изделий электронной техники ис­пользуются различные лазерные технологические установки, которые независимо от их назначения имеют общую структурную схему и ана­логичные конструктивные элементы (рис.7).

Лазер 2 является основным источником энергии, обеспечивающим выполнение технологического процесса. Оптическая система 5 фоку­сирует лазерное излучение 4 в световой пучок и направляет его на обрабатываемый объект 7. Кроме того, с помощью оптической систе­мы 5 проводят визуальный контроль положения обрабатываемой дета­ли относительно луча, наблюдают за ходом выполнения процесса и оценивают его результаты. С помощью устройства 8 перемещают об­рабатываемую деталь 7 во время технологического процесса, фикси­руют ее в заданном положении и сменяют детали после обработки.

Для проведения некоторых технологических процессов требуется создание специфических условий (например, подача в рабочую зону определенной технологической среды). Для этого в установках пре­дусматривают соответствующее устройство 10, позволяющее подавать инертный газ при проведении сварки.

В некоторых случаях в зону обработки вводят механическую или электромагнитную энергию, усиливающую эффективность лазерной об­работки. Проведение комбинированных процессов (газолазерной рез­ки, лазерно-искровой обработки отверстий и др.) обеспечивается источником вспомогательной энергии 6, вводимым в установку. Пе­ремещением обрабатываемой детали и положением лазера управляют программным устройством 1. Излучение контролируют датчиком 3, температуру зоны обработки, состояние поверхности обрабатываемой детали - датчиком 9, которым кроме того корректируют параметры или прекращают операцию.

Рис.7. Структурная схема лазер­ной технологической установки: 1 - программной устройство, 2 - лазер, 3 - датчик параметров излучения, 4 - лазерное излуче­ние, 5 - оптическая система, 6 – источник вспомогательной энергии, 7 - обрабатываемая де­таль, 8 - устройство для зак­репления и перемещения обраба­тываемой детали, 9 - датчик па­раметров технологического про­цесса, 10 - устройство подачи технологической среды

Лазеры давно вошли в нашу жизнь повседневную жизнь. С одной стороны, почти у каждого дома или на работе есть лазерный принтер, к которому все привыкли. С другой – лезерные мечи все так же будоражат воображение тех, кто первый раз (да и не первый тоже) смотрит Звездные Войны. В данной статье мы на элементарном уровне разберем, что такое лазер, а также рассмотрим физические основы работы этого хитрого понятия.

Что такое лазер?

Интересный факт: знаете ли Вы, что до появления лазеров были мазеры?

Мазер – квантовый генератор, излучающий когерентные микроволны (волны сантиметрового диапазона)

Мазер – это аббревиатура, от английского m icrowave a mplification by s timulated e mission of r adiation, что в переводе означает "усиление микроволн с помощью вынужденного излучения". Мазер был изобретен в 1950-х годах, на несколько лет раньше лазера.

Мазеры и лазеры работают по одному и тому же принципу. Отличие состоит в том, что мазеры усиливают волны разного диапазона. Мазер – это усиление микроволн, а лазер – усиление света, то есть волн видимого диапазона.

Лазер (от ight a mplification by s timulated e mission of r adiation - «усиление света посредством вынужденного излучения») – устройство, которое преобразует энергию накачки в энергию монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Среди всех этих умных слов для понимания принципа работы лазера нужно выделить два – «вынужденного излучения» . Это именно то, что лежит в основе работы лазера.

Именно явление вынужденного излучения лежит в основе работы лазера. В чем суть?

Вынужденное излучение

Мы знаем, что атом может находиться в разных энергетических состояниях. В самом простом случае состояний всего два – основное и возбужденное. Электроны вращаются вокруг ядра атома по орбитам, которые соответствуют определенным энергиям. При определенных условиях электрон может как бы перескакивать с одной орбиты на другую и обратно. Т.е. электроны, вращающиеся вокруг ядра, могут переходить с одного энергетического уровня на другой. Причем если электрон переходит с более высокого энергетического уровня на нижний, выделяется энергия. Для перехода с нижнего уровня на верхний или наоборот, энергию электрону нужно сообщить.

А теперь представим, что у нас есть атом в возбужденном состоянии, и на него налетает фотон с энергией, равной разности энергий уровней атома. В таком случае наш атом испустит точно такой же фотон, а электрон с высшего уровня энергии перейдет на более низкий. Это и есть вынужденное излучение. Различают также спонтанное излучение, когда возбужденный атом самопроизвольно испускает фотон.

Как это явление работает в лазерах?

Представим себе самый простой лазер, состоящий из системы накачки, рабочей среды и оптического резонатора. Система накачки необходима, чтобы сообщить рабочей среде энергию, которая будет преобразована в энергию излучения, и создать инверсию населенностей энергетических уровней. Например, если рабочим телом нашего лазера являются атомы с всего двумя энергетическими состояниями, то для работы лазера необходимо, чтобы возбужденные атомы превышали по количеству невозбужденные. Инверсия населенностей - основа того, чтобы генерация излучения в лазере могла начаться. вы можете в обзорной статье наших авторов.

Рабочим телом лазера могут быть как твердые тела, так и жидкости с газами. Физическая суть работы всех этих приборов остается одной и той же. Кстати, первый в мире лазер был рубиновым, т.е. имел в качестве рабочего тела кристалл рубина.

Когда инверсия населенностей достигнута, возбужденные атомы рабочей среды начинают излучать фотоны (спонтанное излучение). Чтобы процесс не «угас», необходимо обеспечить обратную связь. В простейшем случае роль оптического резонатора играют два зеркала, одно из которых пропускает часть фотонов (полупрозрачно), а второе – отражает. Таким образом, определенная часть испущенных фотонов остается в рабочем пространстве, индуцируя излучение все новых и новых атомов, от чего процесс начинает развиваться лавинообразно и лазер светит.

Надеемся, Вы стали чуточку эрудированнее после прочтения этой статьи. Если у Вас есть более глубинные и фундаментальные вопросы по теме «лазеры», помните – среди есть люди, готовые в любой момент ответить на них.

Удачи, и да прибудет с Вами сила!