Instalatii sanitare
Principiul de funcționare al laserului. Principiul de funcționare al laserului

Principiul de funcționare al laserului. Principiul de funcționare al laserului

Este greu de imaginat viața modernă fără o imprimantă. Scripturile sunt tipărite în școli, rezumatele sunt tipărite la universitate, contractele sunt tipărite la serviciu și chiar și acasă este extrem de necesar să transferăm cutare sau cutare informație pe hârtie. Există mai multe tipuri de imprimante, acestea sunt clasificate după tipul de imprimare, după format, după dimensiune și chiar după tipul de materiale tipărite. Luați în considerare principiul tipăririi imprimantelor cu jet de cerneală și laser.

Cum funcționează o imprimantă cu jet de cerneală

Vom încerca să evidențiem pe scurt principiul tipăririi unei imprimante cu jet de cerneală. Calitatea sa de imprimare este puțin mai slabă decât cea a unui laser. Cu toate acestea, costul lor este mult mai mic decât cel al celor cu laser. O imprimantă cu jet de cerneală este ideală pentru uz casnic. Este ușor de operat și ușor de întreținut. Principiul tipăririi cu jet de cerneală și al imprimantelor laser sunt semnificativ diferite. Acest lucru se manifestă atât în tehnologia de alimentare cu cerneală, cât și în proiectarea echipamentului. Prin urmare, să vorbim mai întâi despre cum se imprimă o imprimantă cu jet de cerneală.

Principiul său de funcționare este următorul: o imagine este formată într-o matrice specială, iar apoi această matrice imprimă imaginea pe pânză folosind coloranți lichizi. Un alt tip de imprimantă cu jet de cerneală este echipată cu cartușe care sunt instalate într-o unitate specială. În acest caz, cu ajutorul capului de imprimare, cerneala este furnizată matricei de imprimare, iar aceasta transferă imaginea pe hârtie.

Metode de depozitare a cernelii și aplicarea acesteia pe hârtie

Există trei moduri de a aplica cerneală pe o pânză:

Metoda piezoelectrică;
. metoda bulelor de gaz;
. metoda drop-on-demand.

Prima metodă, la imprimare, lasă un punct de cerneală pe pânză, datorită elementului piezoelectric. Cu ajutorul lui, tubul este comprimat și descleșcat, împiedicând excesul de cerneală să ajungă pe hârtie.

Bulele de gaz, cunoscute și sub numele de bule injectate, lasă o amprentă pe web din cauza temperaturilor ridicate. Fiecare duză a matricei de imprimare este echipată cu care se încălzește într-o fracțiune de secundă. Bulele de gaz rezultate sunt împinse prin duză și transferate în consumabil.

Metoda drop-on-demand folosește și bule de gaz în proces. Dar este o tehnologie mai eficientă care mărește foarte mult viteza și calitatea tipăririi moderne.

O imprimantă cu jet de cerneală stochează cerneala în două moduri. Există un rezervor separat detașabil din care este furnizată cerneală către capul de imprimare. A doua modalitate de a stoca cerneala folosește un cartus special, care se află și în capul de imprimare. Pentru a înlocui cartușul, trebuie să înlocuiți și capul în sine.

Să vorbim despre imprimantele cu jet de cerneală

Imprimantele cu jet de cerneală au câștigat o popularitate deosebită datorită capacității de a imprima o imagine care se formează prin suprapunerea tonurilor principale una peste alta de saturație diferită. Setul de culori primare poartă abrevierea CMYK. Include: galben, magenta, cyan și negru.

Inițial, a fost oferit un set de trei culori, care includea toate tonurile de mai sus, cu excepția nuanței negre. Dar când se suprapune galben, cyan și magenta, la saturație de 100%, nu a fost posibil să se obțină negru. Rezultatul a fost o culoare maro sau gri. Prin urmare, s-a decis să se adauge cerneală neagră.

Caracteristicile imprimantei cu jet de cerneală

Principalii indicatori ai calității imprimantei includ zgomotul, viteza de imprimare, calitatea imprimării și durabilitatea.

Proprietățile operaționale ale imprimantei:

Principiul imprimării - jet de cerneală. Cerneala este alimentată prin duze speciale și imprimată pe pânză. Spre deosebire de imprimantele cu ace, unde aplicarea cernelii este un proces mecanic de șoc, imprimantele cu jet de cerneală sunt foarte silențioase. Cum imprima imprimanta nu se aude, puteți distinge doar zgomotul motorului care mișcă capetele de imprimare. nu depășește 40 dB.
Viteza de imprimare a unei imprimante cu jet de cerneală este mult mai mare decât cea a unei imprimante cu ac. Calitatea imprimării depinde și de acest indicator. Principiul imprimării prin imprimantă: cu cât viteza este mai mare, cu atât imprimarea este mai proastă. Dacă alegeți imprimare de înaltă calitate, procesul încetinește și cerneala este aplicată mai bine. Media unei astfel de imprimante este de aproximativ 3-5 pagini pe minut. Modelele mai moderne au crescut această cifră la 9 pagini pe minut. Imprimarea color durează puțin mai mult.
Fontul este unul dintre principalele avantaje ale unei imprimante cu jet de cerneală. Calitatea afișajului fontului poate fi comparată doar cu o imprimantă laser. Puteți îmbunătăți calitatea imprimării utilizând hârtie de bună calitate. Ar trebui să aibă proprietăți de absorbție rapidă. O imagine bună se obține pe hârtie cu o densitate de 60-135g/m². Hârtia de copiator cu o densitate de 80 g/m² s-a arătat bine. Pentru uscarea rapidă a cernelii utilizați funcția de încălzire a hârtiei. În ciuda faptului că principiul tipăririi unei imprimante cu jet de cerneală și a unei imprimante laser este complet diferit, echipamentele de înaltă calitate vă permit să obțineți un efect similar.
Hârtie. Din păcate, imprimanta cu jet de cerneală nu este proiectată să imprime pe rulouri. Și pentru a obține mai multe copii, va trebui să utilizați imprimarea multiplă.

Dezavantajele tipăririi cu jet de cerneală

După cum sa dovedit mai sus, imprimantele cu jet de cerneală imprimă cu coloranți lichizi folosind o matrice. Imaginea este formată din puncte. Cea mai scumpă parte dintr-o imprimantă este capul de imprimare, unele companii au integrat capul de imprimare al imprimantei în cartuş pentru a reduce dimensiunile totale ale dispozitivului. Principiul tipăririi cu jet de cerneală și al imprimantelor laser sunt semnificativ diferite unul de celălalt.

Dezavantajele unei astfel de imprimante includ:

Viteză mică de imprimare.
Dacă imprimanta nu a fost folosită o perioadă lungă de timp, cerneala se poate usca.
Consumabilele au un cost ridicat și o resursă mică.

Beneficiile tipăririi cu jet de cerneală

Pret atractiv, raport perfect pret-performanta.
Imprimanta are dimensiuni foarte modeste, ceea ce îi permite să fie amplasată într-un birou mic fără a crea neplăceri utilizatorului.
Cartușele sunt ușor de reumplut, doar cumpărați cerneală și citiți instrucțiunile.
Conectivitate Cu volume mari de imprimare, acest lucru va reduce semnificativ costurile.
Imprimare foto de înaltă calitate.
Gamă largă de suporturi de imprimare.

Câteva despre imprimanta laser

O imprimantă laser este un tip de echipament conceput pentru a imprima text sau imagini pe hârtie. Istoria acestui tip de echipament este foarte neobișnuită. Și are o abordare de marketing, spre deosebire de o imprimantă cu jet de cerneală, în timpul creării căreia au fost dezvoltate sute de concepte științifice.

Abia în 1969, Xerox a început să dezvolte principiul tipăririi unei imprimante laser. Timp de câțiva ani, s-au desfășurat lucrări științifice, au fost folosite multe metode pentru a îmbunătăți aparatura existentă. În 1978, a apărut primul copiator din lume, care a folosit un fascicul laser pentru a crea o imprimare. Imprimanta s-a dovedit a fi uriașă, iar prețul nu a permis nimănui să cumpere această unitate. După ceva timp, Canon a devenit interesat de dezvoltare, iar în 1979 a fost lansată prima imprimantă laser desktop. După ce o mulțime de companii au început să optimizeze copiatoare și să lanseze noi modele, cu toate acestea, principiul tipăririi unei imprimante laser nu s-a schimbat.

Cum imprimă o imprimantă laser

Printurile obtinute in acest mod au caracteristici de inalta performanta. Umiditatea nu este groaznică pentru ei, nu le este frică de ștergere și decolorare. Imaginile obtinute in acest fel sunt de foarte buna calitate si durabile.

Principiul de imprimare al imprimantei laser pe scurt:

Imprimanta laser aplică imaginea pe pânză în mai multe etape. Tonerul (pulbere specială) se topește și se lipește de hârtie sub influența temperaturii.
O racletă (răzuitoare specială) îndepărtează tonerul neutilizat din cilindru în acumulatorul de deșeuri.
Caronatorul polarizează suprafața tamburului, iar prin forțe electrostatice îi atribuie o sarcină pozitivă sau negativă.
Imaginea se formează pe suprafața tamburului folosind o oglindă rotativă care o direcționează spre locul potrivit.
Tamburul se mișcă de-a lungul suprafeței arborelui magnetic. Există toner pe arbore, care se lipește în acele locuri de pe cilindru unde nu există nicio încărcare.
După ce tamburul se rostogolește peste hârtie, lăsând tonerul pe pânză.
În etapa finală, hârtia cu toner pulverizat pe ea este rulată prin cuptor, unde substanța se topește sub influența temperaturilor ridicate și aderă în mod fiabil la hârtie.

Principiul de imprimare al unei imprimante laser are multe în comun cu tehnologia folosită la copiatoare.

Imprimante laser color și principalele lor diferențe

Procesul de imprimare pe o imprimantă color diferă de alb-negru prin prezența mai multor nuanțe, care, amestecate într-o anumită proporție, sunt capabile să recreeze toate culorile cunoscute nouă. Imprimantele laser color folosesc patru compartimente separate pentru fiecare culoare de cerneală. Aceasta este principala lor diferență.

Imprimarea pe o imprimantă color constă din următorii pași: analiza imaginii, imaginea raster a acesteia, aranjarea culorilor și tonerele corespunzătoare. Apoi se formează distribuția sarcinii. După procedura este aceeași ca și pentru imprimarea alb-negru. Foaia de cerneală trece printr-un cuptor unde tonerele sunt topite și lipite ferm de hârtie.

Avantajul lor constă în faptul că principiul imprimării unei imprimante laser vă permite să obțineți fascicule foarte subțiri care descarcă zonele dorite. Drept urmare, obținem o imagine de înaltă calitate, de înaltă rezoluție.

Avantajele imprimantelor laser moderne

Beneficiile imprimantelor laser includ:

Viteză mare de imprimare.
Persistența, claritatea și rezistența imprimeurilor (nu se tem de un microclimat umed).
Imagine de înaltă rezoluție.
Cost redus de imprimare.

Dezavantajele tipăririi cu imprimante laser

Principalele dezavantaje ale imprimantelor laser:

În timpul funcționării echipamentului, se eliberează ozon. Deci, trebuie să lucrezi cu el într-o zonă bine ventilată.
Consum mare de energie.
Voluminos.
Cost ridicat al echipamentelor

Pe baza tuturor argumentelor pro și contra, putem concluziona că imprimantele cu jet de cerneală sunt excelente pentru uz casnic. Au un preț accesibil și dimensiuni reduse, ceea ce este important pentru mulți utilizatori.

O imprimantă laser este potrivită pentru birouri și alte instituții unde există o mulțime de imprimări alb-negru și viteza de procesare a documentelor este importantă.

Istoria imprimantelor laser a început în 1938 odată cu dezvoltarea tehnologiei de imprimare cu cerneală uscată. Chester Carlson, în timp ce lucra la inventarea unui nou mod de a transfera imaginile pe hârtie, a folosit electricitate statică. Metoda s-a numit electrografie și a fost folosită pentru prima dată de Xerox Corporation, care a lansat copiatorul Model A în 1949. Cu toate acestea, pentru ca acest mecanism să funcționeze, unele operațiuni trebuiau făcute manual. 10 ani mai târziu, a fost creat Xerox 914 complet automat, care este considerat prototipul imprimantelor laser moderne.

Ideea de a „desena” ceea ce ar trebui imprimat ulterior direct pe tamburul de copiere cu un fascicul laser îi aparține lui Gary Starkweather. Din 1969, compania a dezvoltat și în 1977 a lansat imprimanta laser serială Xerox 9700, care imprima cu o viteză de 120 de pagini pe minut.

Dispozitivul era foarte mare, scump, destinat exclusiv întreprinderilor și instituțiilor. Și prima imprimantă desktop a fost dezvoltată de Canon în 1982, un an mai târziu - un nou model LBP-CX. HP a încheiat un parteneriat cu Canon pentru a lansa seria Laser Jet în 1984 și a preluat imediat conducerea pe piața imprimantelor laser de acasă.

În prezent, imprimantele monocrome și color sunt produse de multe corporații. Fiecare dintre ele utilizează propriile tehnologii, care pot varia semnificativ, dar principiul general de funcționare al unei imprimante laser este tipic pentru toate dispozitivele, iar procesul de imprimare poate fi împărțit în cinci etape principale.

Tamburul de imprimare (Optical Photoconductor, OPC) este un cilindru metalic acoperit cu un semiconductor fotosensibil pe care se formează o imagine pentru imprimarea ulterioară. Inițial, OPC-ul este alimentat cu o încărcare (pozitivă sau negativă). Puteți face acest lucru în unul din două moduri folosind:

coronator (Corona Wire), sau coronator;
rolă de încărcare (rolă de încărcare primară, PCR) sau arbore de încărcare.

Corotronul este un bloc de sârmă și un cadru metalic în jurul lui.

Firul corona este un filament de tungsten cu un strat de carbon, aur sau platină. Sub acțiunea tensiunii înalte între fir și cadru, are loc o descărcare, o zonă luminoasă ionizată (coroană), se creează un câmp electric care transferă o sarcină statică fotoconductorului.

De obicei, în unitate este încorporat un mecanism de curățare a firelor, deoarece contaminarea acestuia degradează foarte mult calitatea imprimării. Utilizarea unui corotron are anumite dezavantaje: zgârieturile, acumularea de praf, particulele de toner pe filament sau îndoirea filamentului pot duce la o creștere a câmpului electric în acest loc, o scădere bruscă a calității imprimărilor și, eventual, deteriorarea suprafata tamburului.

În cea de-a doua versiune, structura de susținere cu elementul de încălzire în interior este învelită de o peliculă flexibilă dintr-un plastic special rezistent la căldură. Tehnologia este considerată mai puțin fiabilă, utilizată în imprimante pentru întreprinderile mici și uz casnic, unde nu sunt așteptate încărcături grele de echipamente. Pentru a preveni lipirea foii de cuptor și răsucirea ei în jurul arborelui, este prevăzută o bară cu separatoare de hârtie.

Imprimare color

Patru culori primare sunt folosite pentru a forma o imagine color:

negru,
galben,
Violet,
albastru.

Imprimarea se realizează după același principiu ca alb-negru, dar mai întâi imprimanta sparge imaginea pentru a fi obținută în imagini monocrome pentru fiecare dintre culori. În procesul de lucru, cartușele color își transferă desenele pe hârtie, iar impunerea lor unul asupra celuilalt dă rezultatul final. Există două tehnologii de imprimare color.

Multipass

Cu această metodă, se utilizează un suport intermediar - un arbore sau o curea de transfer de toner. Într-o revoluție, una dintre culori este aplicată pe bandă, apoi un alt cartuș este alimentat în locul potrivit și a doua imagine este suprapusă deasupra primei imagini. În patru treceri, se formează o imagine completă pe suportul intermediar, care este transferată pe hârtie. Viteza de imprimare a unei imagini color în imprimantele care utilizează această tehnologie este de patru ori mai mică decât una monocromă.

o singură trecere

Imprimanta include un complex de patru mecanisme de imprimare separate sub control comun. Cartușele color și negre sunt aliniate, fiecare cu o unitate laser și o rolă de transfer separate, iar hârtia trece pe sub fotoconductori pentru a colecta toate cele patru imagini monocrome succesive. Abia după aceea foaia intră în cuptor, unde tonerul este fixat pe hârtie.

Imprimați cu plăcere.

Știință și viață // Ilustrații

Schema de circuit a unui laser cu impulsuri în stare solidă este destul de simplă (1). Mediul activ - substanța în care se produce radiația (cristale de rubin, granat de ytriu-aluminiu, sticlă cu un amestec de neodim și alte materiale) - are forma unui cilindru sau tijă. Este plasat în rezonator sub forma a două oglinzi paralele - o oglindă frontală translucidă și o oglindă spate „surdă”, opac. În apropierea mediului activ, este montat un sistem de pompare - o lampă bliț, care, împreună cu tija, este înconjurată de o oglindă care concentrează lumina asupra mediului activ (este adesea un cilindru de cuarț acoperit cu un strat de metal).

Mediul activ este „proiectat” în așa fel încât atomii săi să aibă cel puțin trei niveluri de energie (2). În stare normală, toate sunt la nivelul cu cea mai scăzută energie. E 0 . Când o lampă se aprinde, energia luminii sale este absorbită de atomi și îi transferă dintr-o stare de energie inferioară la un nivel superior. E 2 , de unde coboară imediat la nivel E unu . Atomii pot rămâne la acest nivel - entuziasmați - pentru o perioadă destul de lungă (din punct de vedere al scărilor cuantice, desigur). Prezența unui astfel de nivel (se numește metastabil) este o condiție necesară pentru obținerea unui puls laser. De la acest nivel, atomul revine la starea inițială prin emiterea unui foton. Mai mult, fiecare foton, care zboară pe lângă un atom excitat, îl face să radieze și pe acesta. Reflectați în oglinzile rezonatorului, fotonii trec în mod repetat prin mediul activ (factorul de calitate al rezonatorului este extrem de mare: oglinzile sale absorb doar un foton dintr-un milion) și ies printr-o oglindă translucidă sub forma unui impuls de lumină. Dar lampa arde mult timp (din nou, la scară cuantică), iar în acest timp atomii mediului au timp să-și „reseteze” energia de multe ori. Prin urmare, un bliț laser, la o examinare mai atentă, arată ca un „pieptene” de zeci și sute de impulsuri foarte scurte, iar acest mod în sine este numit „spike” (3).

Dacă, totuși, un obturator este plasat în rezonator, blocând calea fotonilor, factorul său de calitate va scădea la zero și toată energia lămpii pompei va fi cheltuită pentru excitarea atomilor mediului activ. Obturatorul se va deschide când strălucirea lămpii pompei și, în consecință, numărul de atomi excitați atinge un maxim. Apoi factorul de calitate al rezonatorului va crește instantaneu la maximum și toată energia acumulată se va „împroșca” sub forma unui impuls foarte scurt de o putere enormă. Această variantă de funcționare cu laser este denumită modul Q-switching sau „puls gigant” (4).

Laser este un generator de lumină coerent. O undă coerentă (ordonată) ideală are o lungime și o frecvență strict definite, un front plat și este perfect polarizată. Undele incoerente (dezordonate) se caracterizează printr-o răspândire a frecvențelor și a lungimii de undă într-o gamă destul de mare de valori și nu au un plan specific de polarizare.

Atât undele de lumină perfect coerente, cât și cele incoerente sunt absente în natură. Indiferent de sursă, undele luminoase se caracterizează printr-o răspândire a caracteristicilor lor într-un anumit interval de valori. Cu cât aceste intervale sunt mai înguste, cu atât emisia de lumină este mai ordonată, mai coerentă. Într-un mod oarecum simplificat, o undă de lumină reală poate fi considerată ca un set de unde polarizate plane monocromatice cu frecvențe, direcții de propagare și planuri de polarizare diferite. O creștere a coerenței radiațiilor poate fi înțeleasă ca o reducere a numărului de unde diferite dintr-un set. În radiația coerentă ideală, care este abordată de radiația laser, întregul set este format dintr-o singură undă.

Radiația coerentă are proprietăți precum monocromaticitatea, divergența fasciculului scăzut, luminozitatea ridicată. Acest lucru face posibilă focalizarea radiației laser pe suprafața materialului de prelucrat folosind un sistem optic simplu. Dimensiunile liniare ale unui fascicul laser focalizat (spot) pot atinge fracțiuni de micrometru. Cu dimensiuni atât de mici, toată energia radiației este concentrată pe o suprafață de milioane de centimetru pătrat, creând la suprafață o densitate de energie de sute de miliarde de wați pe centimetru pătrat. Astfel, un fascicul coerent focalizat poate vaporiza cele mai refractare materiale.

Cuvântul laser este format din literele inițiale ale expresiei engleze Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, care este tradusă în rusă ca amplificare a luminii prin emisie stimulată.

Funcționarea unui laser se bazează pe utilizarea rezervelor interne de energie ale atomilor și moleculelor unei substanțe care formează microsisteme - formațiuni formate din nuclee și electroni, al căror comportament și stare se supun legilor mecanicii cuantice.

Energia mișcării relative a particulelor care alcătuiesc atomii nu poate lua decât valori strict definite. Aceste valori energetice E 1, E 2, ..., E k se numesc niveluri de energie. Sistemul de niveluri de energie alcătuiește spectrul energetic al unui atom. Nivelul inferior - cu energia minimă - se numește principal, restul - excitat. Spectrul energetic al unui atom izolat depinde de structura acestuia. Se numește numărul de atomi care au o energie dată populatia nivel.

Dacă unui atom situat la nivelul solului E 1 i se dă energie, acesta poate merge la unul dintre nivelurile excitate (Fig. 1). Dimpotrivă, un atom excitat se poate muta spontan (spontan) la unul dintre nivelurile inferioare, în timp ce emite o anumită porțiune de energie sub forma unui cuantum de lumină (foton). Dacă emisia de lumină are loc în timpul tranziției unui atom de la nivelul de energie E m la nivelul E n, atunci frecvența cuantumului de lumină emisă (sau absorbită)  mn:

unde h este constanta lui Planck.

Fig.1. Spectrul energetic al unui atom

Aceste procese spontane de radiație apar în corpurile încălzite și în gazele luminoase: încălzirea sau o descărcare electrică transferă unii dintre atomi într-o stare excitată; trecând în stările inferioare, emit lumină. În procesul de tranziții spontane, atomii emit lumină independent unul de celălalt. Cuantele de lumină sunt emise aleatoriu sub formă de undă trenuri(pachete). Trenurile nu sunt coordonate între ele în timp, adică. au o fază diferită. Prin urmare, emisia spontană este incoerentă.

Odată cu emisia spontană a unui atom excitat, există forţat(sau induse) radiație: atomii radiază sub acțiunea unui câmp electromagnetic extern care se schimbă rapid, cum ar fi lumina. Se dovedește că sub acțiunea unei unde electromagnetice externe, atomul emite o undă secundară, în care frecvența, polarizarea, direcția de propagare și faza coincid complet cu caracteristicile undei externe care acționează asupra atomului. Fenomenul de emisie stimulata face posibila controlul emisiei atomilor cu ajutorul undelor electromagnetice si in acest fel amplificarea si generarea luminii coerente. Pentru a face acest lucru practic, trebuie îndeplinite anumite condiții. În primul rând, este necesar rezonanţă– coincidenţa frecvenţei luminii incidente cu una dintre frecvenţele  mn ale spectrului energetic al atomului. Natura însăși s-a ocupat de îndeplinirea condiției de rezonanță: dacă un foton de lumină este emis spontan în timpul trecerii unui atom de la un nivel superior Е m la nivelul Е n , atunci frecvența sa este egală cu  mn și va corespunde cu trecerea între niveluri similare ale altui atom similar, deoarece spectrul energetic al atomilor identici este absolut identic. Ulterior, emisia stimulată a atomilor excitați dă naștere la o întreagă avalanșă de fotoni, asemănătoare în toate cu fotonul primar. Ca urmare, agregatul de atomi va emite o undă luminoasă intensă coerentă, adică. va fi generată lumină coerentă. O altă condiție este legată de populația de diferite niveluri. Alături de emisia stimulată de lumină de către atomii aflați la nivelul superior Em, există și absorbtie rezonanta atomi care locuiesc la nivelul inferior Е n . Un atom situat la nivelul inferior E n absoarbe o cuantă de lumină, în timp ce se deplasează la nivelul superior E m . Absorbția prin rezonanță previne inerția luminii. Dacă sistemul de atomi va genera în cele din urmă lumină sau nu, depinde de ce atomi sunt mai mulți în substanță. Pentru ca generarea să aibă loc, este necesar ca numărul de atomi de la nivelul superior N m să fie mai mare decât numărul de atomi de la nivelul inferior N n între care are loc tranziția.

În condiții naturale, există mai puține particule la un nivel mai înalt la orice temperatură decât la un nivel mai scăzut. Prin urmare, orice corp, oricât de puternic ar fi încălzit, nu va genera lumină din cauza tranzițiilor forțate.

Pentru a excita generarea de lumină coerentă, este necesar să se ia măsuri speciale pentru ca cel superior dintre cele două niveluri alese să fie mai populat decât cel inferior. Starea materiei în care numărul de atomi dintr-unul dintre nivelurile de energie superioare este mai mare decât numărul de atomi din nivelul inferior de energie se numește activ, sau stat cu inversiune (recurs) populaţiile. Astfel, pentru a excita generarea de lumină coerentă, este necesară inversarea populației pentru perechea de niveluri, tranziția între care corespunde frecvenței de generare.

A doua problemă care trebuie rezolvată pentru a crea un laser este problema părere. Pentru ca lumina să controleze emisia de atomi, este necesar ca o parte din energia luminoasă emisă să rămână întotdeauna în interiorul substanței de lucru, provocând emisia forțată de lumină de către tot mai mulți atomi noi. Acest lucru se face cu ajutorul oglinzilor. În cel mai simplu caz, substanța de lucru este plasată între două oglinzi, dintre care una este translucidă (Fig. 2). O undă luminoasă emisă în orice loc ca urmare a unei tranziții spontane a unui atom este amplificată datorită emisiei stimulate atunci când se propagă prin substanța de lucru. După ce a ajuns la o oglindă translucidă, lumina va trece parțial prin ea. Această parte a energiei luminoase este emisă de laser în exterior și poate fi folosită. O parte din lumina reflectată de oglinda semitransparentă va da naștere unei noi avalanșe de fotoni. Această avalanșă nu va diferi de cea anterioară datorită proprietăților de emisie stimulată.

Fig.2. Circuit de excitație coerent de generare a luminii

Dar îndeplinirea celor două condiții descrise încă nu este suficientă. Pentru ca generarea de lumină să aibă loc, câștigul în substanța activă trebuie să fie suficient de mare. Trebuie să depășească o anumită valoare, numită prag. Într-adevăr, lăsați o parte din fluxul de lumină incident pe o oglindă translucidă să fie reflectată înapoi. Amplificarea la dublul distanței dintre oglinzi (o trecere) ar trebui să fie astfel încât energia luminoasă returnată oglinzii translucide să nu fie mai mică decât data anterioară. Abia atunci unda de lumină va începe să crească de la trecere la trecere. Dacă nu este cazul, atunci în timpul celei de-a doua treceri a oglinzii semitransparente va ajunge la o energie mai mică decât în momentul precedent, în timpul celei de-a treia treceri și mai puțin și așa mai departe. Procesul de atenuare va continua până când fluxul luminos se va stinge complet. Este clar că cu cât coeficientul de reflexie al unei oglinzi semitransparente este mai mic, cu atât amplificarea pragului ar trebui să fie mai mare pentru substanța de lucru.

Deci, pentru a crea o sursă de lumină coerentă, sunt necesare următoarele cerințe:

ai nevoie de o substanță de lucru cu o populație inversă, abia atunci poți obține o amplificare luminoasă datorită tranzițiilor forțate;

substanța de lucru ar trebui să fie plasată între oglinzile care oferă feedback;

câștigul dat de substanța de lucru, ceea ce înseamnă că numărul de atomi sau molecule excitați din substanța de lucru trebuie să fie mai mare decât valoarea de prag, care depinde de coeficientul de reflexie al oglinzii semitransparente.

Modalități de a crea o inversiune. Există mai multe moduri de a crea inversiunea (pomparea mediului activ): optică, termică, chimică, folosind un fascicul de electroni, folosind o descărcare electrică independentă etc.

Din metodele de mai sus, luăm în considerare pomparea optică și pomparea folosind o descărcare electrică autonomă.

Prima cale este universal și este folosit pentru a excita diverse medii active - cristale dielectrice, pahare, lichide, amestecuri de gaze. Excitația optică poate fi utilizată în același mod ca un element integral al altor metode de pompare (de exemplu, electroionizare și chimică).

A doua cale utilizat pentru pomparea mediilor active gazoase rarefiate.

Ambele metode, ca multe altele, permit pomparea pulsată și continuă. Cu metoda optică, se pot folosi lămpi bliț cu descărcare în gaz sau lămpi cu ardere continuă. La pomparea folosind o descărcare electrică, se folosesc descărcări pulsate și staționare. La pompare în impulsuri, energia de excitație intră în elementul activ în porțiuni (impulsuri), iar la pompare continuă, este continuă (stabilă).

Pomparea în impulsuri (comparativ cu pomparea continuă) are o serie de avantaje, deoarece asigură generarea în majoritatea mediilor active, este mai ușor de implementat din punct de vedere tehnic, iar răcirea forțată a elementului activ nu este necesară datorită încălzirii sale nesemnificative. . Sub pompare în impulsuri sunt posibile diverse regimuri de generare; radiația laser se formează sub formă de impulsuri de lumină unice sau o secvență de impulsuri. În același timp, se realizează o concentrație mare de energie radiată în timp și spațiu (impulsuri de lumină ultrascurte cu o putere de până la 10 12 W).

Excitarea centrilor activi în timpul pompării optice are loc ca urmare a absorbției radiației de la o sursă de lumină specială.

Când sunt pompate de o descărcare electrică auto-susținută, nivelurile superioare sunt populate ca urmare a ciocnirilor inelastice ale centrilor activi cu electronii liberi din plasmă.

În timpul pompării prin electroionizare, electronii rapizi care excită stările vibraționale ale moleculelor de gaz (în special, azotul și dioxidul de carbon) nu se formează într-o descărcare autonomă, ci sub acțiunea radiației ionizante și a unui câmp extern accelerat. Un fascicul de electroni de la accelerator este folosit ca radiație ionizantă.

Astfel, orice laser este format din trei părți principale: un element activ, o cavitate optică și un sistem de pompare. Schema funcțională a laserului este prezentată în Fig.3.

Fig.3. Schema funcțională a laserului: 1 – element activ; 2 – oglinda rezonatoare; 3 – element rezonator; 4 - sistem de pompare

Lasere cu stare solidă. Laserele cu stare solidă sunt lasere al căror mediu activ este un cristal dielectric sau sticlă cu ioni introduși în ele, care joacă rolul de centri activi.

Schema de pompare optică într-un laser cu stare solidă este prezentată în Fig. 4. Lampa fulger cu descărcare în gaz 2 (sursa de pompare) are forma unui cilindru drept și este plasată paralel cu elementul activ 1. Lampa și elementul activ sunt instalate în interiorul reflectorului 3 astfel încât în fiecare secțiune perpendicular pe axa cilindrului sunt la focarele elipsei. Ca urmare, razele de lumină care ies dintr-un focar, după reflectarea de pe suprafața eliptică, cad pe elementul activ, asigurând focalizarea maximă. O putere de ieșire și mai mare a laserului este obținută prin utilizarea reflectoarelor cu două lămpi.

Fig.4. Schema de pompare optică într-un laser cu stare solidă: 1 - element activ, 2 - lampă bliț (sursă de pompă), 3 - reflectoare

La laserele cu stare solidă, rezonatoarele optice sunt fețele opuse ale elementelor active, pe care se depune un strat de metal.

Pentru prima dată, generarea laser a fost obținută pe rubin. Rubinul se formează prin dizolvarea unor cantități mici de Cr 2 O 3 în safir Al 2 O 3 . Culoarea roz se datorează benzilor largi de absorbție ale ionilor de Cr 3+, ceea ce face posibilă obținerea tranzițiilor laser în regiunea roșie în timpul pompării. Lungimea de undă a radiației laser la temperatura camerei este de 0,6943 µm.

Cristalele de rubin au rezistență mecanică și conductivitate termică ridicate. Datorită acestor calități ale cristalelor, precum și posibilității de a crește lingouri de aproape orice lungime și diametru uniform în lungime și secțiune transversală, laserele cu rubin au devenit larg răspândite.

Laser rubin funcţionează în modul pulsat sau continuu. Datorită eficienței scăzute (~0,1%), laserul CW rubin este neeconomic în comparație cu alte lasere cu stare solidă CW. Laserul este pompat cu lămpi spiralate sau liniare cu xenon.

Laser granat cu ytriu aluminiu cu adăugarea elementului chimic neodim (laserele YAG:Nd) au găsit cea mai largă aplicație dintre toate laserele cu stare solidă, deoarece au o eficiență suficient de mare, o putere de ieșire mare și nu se supraîncălzi la o rată mare de repetare a impulsurilor luminoase. . Lungimea de undă a radiației laserului YAG:Nd este de 1,06 μm. Laserul este pompat cu lămpi cu xenon sau cripton.

În plus, laserele din sticlă cu neodim sunt utilizate pe scară largă, care sunt, de asemenea, surse relativ eficiente de radiații coerente în vecinătatea unei lungimi de undă de 1,06 μm. Ușurința relativă a procesării sticlei face posibilă nu numai obținerea de elemente active sub formă de tije de până la 2 m lungime sau plăci cu dimensiuni transversale de până la 10 cm, ci și crearea de modele de amplificatoare cu peliculă subțire și lasere cu fibră de câteva zeci. de metri lungime. Din acest motiv, astfel de lasere sunt utilizate în sisteme optice integrate.

lasere cu gaz.În aceste lasere, inversarea populației de nivel este creată din cauza excitației atomilor sau moleculelor de gaz în timpul ciocnirilor lor cu electronii liberi formați într-o descărcare electrică. Presiunea în laserele cu descărcare în gaz este selectată în intervalul de la sutimi la câțiva mm Hg. La presiuni mai mici, electronii accelerați de un câmp electric se ciocnesc foarte rar cu atomii. În acest caz, ionizarea și excitarea atomilor nu este suficient de intensă. La presiuni mari, aceste ciocniri devin, dimpotrivă, prea frecvente. Din această cauză, electronii nu au timp să accelereze suficient în câmpul electric și să dobândească energia necesară ionizării și excitării atomilor, adică. coliziunile devin mai puțin eficiente.

Există trei tipuri de lasere cu descărcare în gaz: lasere cu atom neutru, lasere cu ioni și lasere moleculare. Ele diferă unele de altele atât prin mecanismul de formare a inversării populației, cât și prin intervalele lungimilor de undă generate. Diferența de intervale se datorează diferențelor în spectrul energetic al atomilor, moleculelor și ionilor neutri.

Lasere cu un element activ constând dintr-un amestec de heliu și neon (10:1), - He-Ne-laser - este descărcare gazoasă pe tranziții atomice, generând radiații cu o lungime de undă de 0,6328 microni.

Laserele cu ioni de argon și cripton sunt cele mai puternice lasere CW din regiunile vizibile și aproape ultraviolete ale spectrului. De regulă, dispozitivele industriale au o putere de 10–20 W în regiunea de 0,5 μm și 1–2 W în apropiere de 0,35 μm; eficiența laserelor nu depășește 0,1%.

În comparație cu alte lasere cu gaz, laserele cu dioxid de carbon (lasere cu CO 2 ) au cea mai mare eficiență de conversie (până la 40%) a energiei electrice în radiații. Sunt ușor de operat la putere mare, așa că sunt utilizate pe scară largă în industrie.

Fig.6. Dispozitiv laser CO 2 cu separarea regiunilor de descărcare și a volumului de lucru al rezonatorului: 1 - sistem de pompare cu azot, 2 - zonă de descărcare electrică, 3 - volum de lucru al rezonatorului, 4 - oglindă de ieșire rezonator, 5 - sistem de pompare cu dioxid de carbon

Mediul activ al unui laser CO 2 constă dintr-un amestec de gaze de dioxid de carbon, azot molecular și o cantitate mică de heliu și vapori de apă. Laserul este excitat de o descărcare strălucitoare. Laserul (Fig. 6) are sisteme separate pentru pomparea dioxidului de carbon 5 și azotului 1. Moleculele de azot care intră în regiunea de descărcare electrică a capilarului de lucru 2 sunt excitate la ciocnirea cu electronii. Apoi intră în volumul de lucru al rezonatorului 3, unde se amestecă cu molecule de CO 2 neexcitate și le transferă energia.

Laserul cu CO 2 generează radiații la lungimi de undă de 0,940 și 1,040 μm și poate funcționa în moduri continue și pulsate. În primul caz, laserul este excitat de o descărcare electrică longitudinală într-un tub cilindric. Așa sunt aranjate toate laserele industriale Cw CO 2 cu putere de până la 800 W. În al doilea caz, laserele cu CO 2 pot genera impulsuri cu o energie de până la 2 kJ, iar laserele cu electroionizare cu o energie mai mare de 2 kJ.

lasere chimice.În plus față de descărcarea electrică, inversarea populației a nivelurilor atomilor și moleculelor din laserele cu gaz poate fi creată ca urmare a reacțiilor chimice în care atomii sau radicalii se formează în stări excitate. Deoarece reacțiile obișnuite decurg destul de lent, ele nu sunt potrivite pentru a crea o inversare a populației. Înainte să se acumuleze destui atomi excitați, aceștia vor avea timp să intre în starea fundamentală, iar laserul nu va funcționa. Din acest motiv, laserele chimice pot lucra numai la reacții rapide, cum ar fi fotodisociarea moleculelor (descompunerea unei molecule în mai multe părți sub acțiunea luminii), o explozie sau reacții chimice între atomi sau molecule în fascicule de atomi sau molecule care se ciocnesc. a diverselor substante. Metoda chimică de creare a inversiilor populației permite în mod fundamental crearea de lasere cu eficiență și putere de ieșire foarte ridicate. Un laser bazat pe fotodisociarea moleculelor CF 3 J generează puteri luminoase mari (până la 50 kW) cu o energie a impulsului de până la 65 J. Laserele explozive pot produce o putere deosebit de mare.

Dispozitivul instalatiilor tehnologice laser.În prezent, în tehnologia de fabricație a produselor electronice se folosesc diverse instalații tehnologice laser care, indiferent de scopul lor, au o schemă structurală comună și elemente structurale similare (Fig. 7).

Laser 2 este principala sursă de energie care asigură implementarea procesului tehnologic. Sistemul optic 5 concentrează radiația laser 4 într-un fascicul de lumină și o direcționează către obiectul de prelucrat 7. În plus, sistemul optic 5 este utilizat pentru a controla vizual poziția piesei de prelucrat în raport cu fasciculul, pentru a monitoriza progresul procesul și evaluează rezultatele acestuia. Cu ajutorul dispozitivului 8, piesa de prelucrat 7 este deplasată în timpul procesului tehnologic, este fixată într-o poziție prestabilită și piesele sunt schimbate după prelucrare.

Unele procese tehnologice necesită crearea unor condiții specifice (de exemplu, furnizarea unui anumit mediu tehnologic în zona de lucru). Pentru aceasta, instalaţiile asigură un dispozitiv adecvat 10, care permite alimentarea cu gaz inert în timpul sudării.

În unele cazuri, în zona de tratament este introdusă energie mecanică sau electromagnetică pentru a spori eficacitatea tratamentului cu laser. Efectuarea proceselor combinate (tăiere gaz-laser, prelucrare laser-scânteie a găurilor etc.) este asigurată de o sursă de energie auxiliară 6 introdusă în instalație. Mișcarea piesei de prelucrat și poziția laserului sunt controlate de dispozitivul software 1. Radiația este controlată de senzorul 3, temperatura zonei de prelucrare, starea suprafeței piesei de prelucrat - de senzorul 9, care, în în plus, corectează parametrii sau oprește funcționarea.

Fig.7. Schema structurală a instalației tehnologice laser: 1 - dispozitiv software, 2 - laser, 3 - senzor parametri de radiație, 4 - radiație laser, 5 - sistem optic, 6 - sursă de energie auxiliară, 7 - piesa de prelucrat, 8 - dispozitiv de fixare și mutarea pieselor piesei de prelucrat, 9 - senzor de parametri de proces, 10 - dispozitiv de alimentare cu fluid de proces

Laserele fac parte de multă vreme din viața noastră de zi cu zi. Pe de o parte, aproape fiecare casă sau serviciu are o imprimantă laser cu care toată lumea este obișnuită. Pe de altă parte, săbiile laser încă entuziasmează imaginația celor care urmăresc pentru prima dată (și nici prima dată) Războiul Stelelor. În acest articol, vom analiza la un nivel elementar ce este un laser și, de asemenea, vom lua în considerare bazele fizice ale acestui concept complicat.

Ce este un laser?

Fapt amuzant: știai că au existat maseri înainte de apariția laserelor?

Maser - un generator cuantic care emite microunde coerente (valuri în intervalul de centimetri)

Maser este o abreviere pentru engleză m cuptor cu microundeA amplificaredes simulate misiuneder radiatii, care în traducere înseamnă „amplificarea microundelor prin intermediul emisiei stimulate”. Maserul a fost inventat în anii 1950, cu câțiva ani înainte de laser.

Maserii și laserele funcționează pe același principiu. Diferența este că maserii amplifică undele de diferite game. Maserul este amplificarea microundelor, iar laserul este amplificarea luminii, adică lungimile de undă vizibile.

laser (de la noapteA amplificaredes simulate misiuneder radiatii-„Amplificarea luminii prin emisie stimulată”) este un dispozitiv care transformă energia pompei în energia unui flux de radiație monocromatic, polarizat și direcționat îngust.

Dintre toate aceste cuvinte la modă pentru a înțelege principiul de funcționare a laserului, trebuie să se distingă două - "emisie stimulata" . Acesta este exact ceea ce stă la baza funcționării laserului.

Este fenomenul de emisie stimulată care stă la baza funcționării unui laser. Care este scopul?

Emisie stimulata

Știm că un atom poate fi în diferite stări de energie. În cel mai simplu caz, există doar două stări - pământ și excitat. Electronii se rotesc în jurul nucleului unui atom pe orbite care corespund anumitor energii. În anumite condiții, un electron poate să sară de pe o orbită pe alta și înapoi. Acestea. electronii care se rotesc în jurul nucleului se pot muta de la un nivel de energie la altul. Mai mult decât atât, dacă un electron se deplasează de la un nivel de energie mai înalt la unul inferior, energie este eliberată. Pentru a trece de la un nivel inferior la unul superior sau invers, energia trebuie să fie transmisă unui electron.

Acum să ne imaginăm că avem un atom într-o stare excitată și un foton cu o energie egală cu diferența de energii ale nivelurilor atomului îl lovește. În acest caz, atomul nostru va emite exact același foton, iar electronul se va muta de la un nivel de energie mai înalt la unul inferior. Aceasta este o emisie forțată. Există și o emisie spontană, când un atom excitat emite spontan un foton.

Cum funcționează acest fenomen în lasere?

Să ne imaginăm cel mai simplu laser, constând dintr-un sistem de pompare, un mediu de lucru și o cavitate optică. Sistemul de pompare este necesar pentru a da energie mediului de lucru, care va fi convertit în energie de radiație și pentru a crea o inversare a populațiilor nivelurilor de energie. De exemplu, dacă corpul de lucru al laserului nostru sunt atomi cu doar două stări de energie, atunci pentru ca laserul să funcționeze, este necesar ca numărul de atomi excitați să depășească numărul celor neexcitați. Inversarea populației este baza pentru a începe generarea de radiații într-un laser. puteți în articolul de recenzie al autorilor noștri.

Corpul de lucru al laserului poate fi atât solide, cât și lichide cu gaze. Esența fizică a funcționării tuturor acestor dispozitive rămâne aceeași. Apropo, primul laser din lume a fost rubin, adică. avea un cristal de rubin ca mediu de lucru.

Când se atinge inversiunea populației, atomii excitați ai mediului de lucru încep să emită fotoni (emisie spontană). Pentru ca procesul să nu se stingă, trebuie furnizat feedback. În cel mai simplu caz, rolul unui rezonator optic este jucat de două oglinzi, dintre care una transmite o parte din fotoni (semitransparentă), iar a doua reflectă. Astfel, o anumită parte din fotonii emiși rămâne în spațiul de lucru, inducând radiația a din ce în ce mai mulți atomi noi, din care procesul începe să se dezvolte ca o avalanșă și laserul strălucește.

Sperăm că ai devenit puțin mai erudit după ce ai citit acest articol. Dacă aveți întrebări mai profunde și mai fundamentale despre lasere, amintiți-vă că printre voi există oameni care sunt gata să le răspundă în orice moment.

Mult succes si forta sa fie cu tine!