Как работает лазер. Как работают лазеры Принцип работы лазерного принтера кратко

Лазер – одно из наиболее ярких и полезных изобретений XX века, открывшее перед человечеством огромное количество новых направлений деятельности.

Прежде всего, давайте разберемся, что это такое – лазер?

Лазерный луч представляет собой когерентный, монохромный, поляризованный узконаправленный световой поток. Если говорить человеческим языком, то это означает следующее:

Когерентный – то есть такой, где частота излучения всеми источниками синхронна (а надо понимать, что свет – это электромагнитная волна, испускаемая атомами и обладающая своей частотой).
Монохромный – значит сосредоточенный в узком диапазоне длинны волны.
Поляризованный – обладающий направленным вектором колебания электромагнитного поля (само это колебание – и есть световая волна).

Одним словом, это луч света, испускаемый мало того, что синхронными источниками, так еще и в очень узком диапазоне, причем направленно. Этакий чрезвычайно сконцентрированный световой поток.

Устройство лазера.

Толку от самого физического понятия о лазере было бы немного, если бы его не умели создавать. Основой устройства служит оптический квантовый генератор, который, используя электрическую, химическую, тепловую или какую-то другую энергию, производит лазерный луч. А производит он его посредством вынужденного или, как еще говорят, индуцированного излучения – то есть когда атом, в который попадает фотон (частица света), не поглощает его, а излучает еще один фотон, являющийся точной копией первого (когерентный). Таким образом, происходит усиление света.

Лазеры как правило состоят из трех частей:

Источник энергии или механизм накачки;
Рабочее тело;
Система зеркал или оптический резонатор.

За что отвечает каждая из этих частей:

Источник энергии , что очевидно из названия, подает необходимую для работы устройства энергию. Для лазеров применяются различные виды энергии, зависящие от того, что именно используется в качестве рабочего тела. Такой первоначальной энергией, в числе прочего, может выступать и другой источник света, а также электрический разряд, химическая реакция и т.д. Здесь нужно упомянуть, что свет – это передача энергии и фотон – не только частица или, говоря иначе, квант света, но и частица энергии.

Рабочее тело – это наиболее важная составляющая лазера. Оно как раз и является телом, в котором находятся атомы, излучающие когерентные фотоны. Для того, чтобы процесс излучения когерентных фотонов произошел, рабочее тело подвергается энергетической накачке, которая приводит, грубо говоря, к тому, что большая часть атомов, из которых состоит рабочее тело, перешли в возбужденное энергетическое состоянии с общим знаменателем. В этом состоянии переход к обратному – основному - не возбужденному состоянию произойдет, если через атом пройдет фотон, соответствующий по своей энергии разнице между этими двумя состояниями атома. Таким образом, возбужденный атом, при переходе в основное состояние добавляет к «пролетавшему через него» фотону его точную копию.

Именно рабочее тело определяет все наиболее важные характеристика лазера, такие как мощность, диапазон и т.п. Выбор рабочего тела производится из соображений, диктуемых нам тем, что мы хотим получить от этого лазера.

Ну и, соответственно, вариантов тут очень много: все агрегатные состояний (газ, твердое, жидкость и даже плазма), всевозможные материалы, используются также и полупроводники (например, в CD приводах).

Оптический резонатор – это обыкновенная система зеркал, расположенных вокруг рабочего тела, ведь оно излучает свет во всех направлениях, а нам нужно собрать в один узкий пучок. Для этой цели и служит оптический резонатор.

Применение лазер находит всюду, лишь бы хватило инженерной мысли додуматься как в тех или иных случаях применить эту технологию. Им есть место и в медицине, и в промышленности, и в быту, и в военном деле, и даже для передачи информации.

Цветные лазерные принтеры начинают активно завоевывать рынок печати. Если еще несколько лет назад цветная лазерная печать была для большинства организаций и тем более для отдельных граждан чем-то недосягаемым, то сейчас купить цветной лазерный принтер может позволить себе весьма широкий круг пользователей. Быстрорастущий парк цветных лазерных принтеров приводит к тому, что растет и интерес к ним со стороны служб технической поддержки.

Принципы цветной печати

В принтерах, как и в полиграфии для создания цветных изображений применяется субтрактивная цветовая модель, а не аддитивная, как в мониторах и сканерах, в которых любой цвет и оттенок получается смешением трех основных цветов – R (красный), G (зеленый), B (синий). Субтрактивная модель цветоделения называется так потому, что для образования какого-либо оттенка надо вычесть из белого цвета “лишние” составляющие. В печатающих устройствах для получения любого оттенка в качестве основных цветов используют: Cyan (голубой, бирюзовый), Magenta (пурпурный), Yellow (желтый) . Эта цветовая модель получила название CMY по первым буквам основных цветов.

В субтрактивной модели при смешивании двух или более цветов дополнительные цвета получаются посредством поглощения одних световых волн и отражения других. Голубая краска, например, поглощает красный цвет и отражает зеленый и синий; пурпурная краска поглощает зеленый цвет и отражает красный и синий; а желтая краска поглощает синий цвет и отражает красный и зеленый. При смешивании основных составляющих субтрактивной модели можно получить различные цвета, которые описаны ниже:

Голубой + Желтый = Зеленый

Пурпурный + Желтый = Красный

Пурпурный + Голубой = Синий

Пурпурный + Голубой + Желтый = Черный

Стоит отметить, что для получения черного цвета необходимо смешать все три составляющие, т.е. голубой, пурпурный и желтый, однако получить качественный черный цвет таким образом, практически невозможно. Получаемый цвет будет не черным, а скорее грязно-серым. Для устранения такого недостатка к трем основным цветам добавляется еще один – черный. Такая расширенная цветовая модель называется CMYK (C yan-M agenta-Y ellow-blacK – голубой-пурпурный-желтый-черный). Введение черного цвета позволяет значительно повысить качество цветопередачи.

Принтер HP Color LaserJet 8500

После того, как мы обсудили общие принципы построения и работы цветных лазерных принтеров, стоит ознакомиться более подробно с их устройством, механизмами, модулями и блоками. Это лучше всего сделать на примере какого-нибудь принтера. В качестве такого примера давайте возьмем принтер фирмы Hewlett-Packard Color LaserJet 8500.

Основными его характеристиками являются :
- разрешающая способность: 600 DPI;
- скорость печати в “цветном” режиме: 6 стр/мин.;
- скорость печати в “черно-белом” режиме: 24 стр./мин.

Основные узлы принтера и их взаимное расположение приводится на рис.5.

Формирование изображения начинается с того, что с поверхности фотобарабана снимаются (нейтрализуются) остаточные потенциалы. Это делается для того, чтобы последующий заряд фотобарабана был более равномерным, т.е. перед зарядом он полностью разряжается. Снятие остаточных потенциалов осуществляется путем засвечивания всей поверхности барабана специальной лампой предварительного (кондиционирующего) экспонирования, которая представляет собой линейку светодиодов (рис.7).

Далее на поверхности фотобарабана создается высоковольтный (до -600В) отрицательный потенциал. Заряжается барабан коротроном в виде ролика из токопроводящей резины (рис.8). На коротрон подается переменное напряжение синусоидальной формы с отрицательной постоянной составляющей. Переменная составляющая (АС) обеспечивает равномерное распределение зарядов на поверхности, а постоянная составляющая (DC) заряжает барабан. Уровень постоянной составляющей может регулироваться при изменении плотности печати (плотности тонера), что делается с помощью драйвера принтера или регулировками через панель управления. Увеличение отрицательного потенциала приводит к уменьшению плотности, т.е. к более светлому изображению, уменьшение же потенциала – наоборот, к более плотному (темному) изображению. Фотобарабан (его внутренняя металлическая основа) должен быть обязательно “заземлен”.

После всего этого на поверхности фотобарабана лазерным лучом создается изображение в виде заряженных и незаряженных участков. Световой пучок лазера, попадая на поверхность барабана, разряжает данный участок. Лазером засвечиваются те участки барабана, на которых должен быть тонер. Те участки, которые должны быть белыми, лазером не засвечиваются, и на них остается высокий отрицательный потенциал. Луч лазера перемещается по поверхности барабана с помощью вращающегося шестигранного зеркала, находящегося в сборке лазера. Изображение на барабане называют скрытым электрографическим изображением, т.к. оно представлено в виде невидимых электростатических потенциалов.

Скрытое электрографическое изображение становится видимым после прохождения через узел проявки. Проявительный модуль черного тонера является стационарным и находится в постоянном соприкосновении c фотобарабаном (рис.9).

Цветной проявительный модуль представляет собой карусельный механизм с поочередной подачей “цветных” картриджей к поверхности барабана (рис.10). Черный тонер-порошок является магнитным однокомпонентным, а цветные порошки – однокомпонентные, но немагнитные. Любой тонер-порошок заряжается до отрицательного потенциала за счет трения о поверхность проявительного вала и дозировочный ракель. За счет разности потенциалов и кулоновского взаимодействия зарядов, отрицательно заряженные частички тонера притягиваются к тем участкам фотобарабана, которые разряжены лазером и отталкиваются от участков с высоким отрицательным потенциалом, т.е. от тех, которые не засвечивались лазером. В каждый момент времени осуществляется проявка тонером только одного цвета. В момент проявки на проявительный вал подается напряжение смещения, которое вызывает перенос тонера с проявительного вала на фотобарабан. Это напряжение представляет собой переменное напряжение прямоугольной формы с отрицательной постоянной составляющей. Уровень постоянной составляющей может регулироваться при изменении плотности тонера. После окончания процедуры проявки изображение на фотобарабане становится видимым, и его необходимо перенести на барабан переноса.

Поэтому следующим этапом в создании изображения является передача проявленного изображения на барабан переноса. Этот этап называют этапом первичного переноса. Перенос тонера с одного барабана на другой происходит за счет электростатической разности потенциалов, т.е. отрицательно заряженные частички тонера должны притянуться положительным потенциалом на поверхности барабана переноса. Для этого на поверхность барабана переноса подается положительное напряжение смещения постоянного тока от специального источника питания, в результате чего вся поверхность этого барабана имеет положительный потенциал. При полноцветной печати напряжение смещения на барабане переноса должно постоянно увеличиваться, т.к. после каждого прохода количество отрицательно заряженного тонера на барабане возрастает. И для того, чтобы тонер мог переноситься и ложиться поверх уже существующего тонера, напряжение переноса увеличивается с каждым новым цветом. Этот этап формирования изображения показан на рис.11.

В процессе переноса тонера на барабан переноса отдельные частички тонера могут остаться на поверхности фотобарабана, и они должны быть удалены, чтобы не искажать последующее изображение. Для удаления остатков тонера в принтере имеется блок очистки фотобарабана (см. рис 17). В составе этого модуля имеется специальный вал – кисть для снятия заряда с тонера и фотобарабана – это ослабляет силу притяжения тонера к фотобарабану. Также имеется традиционный очистительный ракель, который соскребает тонер в специальный бункер, где он и хранится до тех пор, пока очистительный модуль не будет заменен или не будет вычищен.

Далее фотобарабан снова заряжается (после предварительного разряда), и процесс повторяется до тех пор, пока на барабане переноса не будет полностью сформировано изображение соответствующего цвета. Поэтому размер барабана переноса должен полностью соответствовать формату печати, т.е. в данной модели принтера длина окружности этого барабана соответствует длине листа формата А3 (420 мм). После нанесения тонера одного цвета процесс формирования изображения полностью повторяется с той лишь разницей, что используется проявительный блок другого цвета. Для использования другого проявительного узла карусельный механизм поворачивается на заданный угол и подводит “новый” проявительный вал к поверхности фотобарабана. Таким образом, при формировании полноцветного изображения, состоящего из четырех цветовых составляющих, барабан переноса проворачивается четыре раза, и на каждом обороте к уже существующему тонеру добавляется тонер другого цвета. При этом первым наносится порошок желтого цвета, потом пурпурного, потом голубого и уже последним наносится черный порошок. В итоге, на барабане переноса создается полноцветное видимое изображение, состоящее из частичек четырех разноцветных тонер-порошков.

После того, как тонер-порошок оказывается на поверхности барабана переноса, он проходит через блок дополнительного заряда. Этот блок (рис.12) представляет собой проволочный коротон, на который подается переменное напряжение синусоидальной формы (АС) с отрицательной постоянной составляющей (DC). Этим напряжением тонер порошок дополнительно заряжается, т.е. его отрицательный потенциал становится выше, что будет способствовать более эффективному переносу тонера на бумагу. Кроме того, дополнительное напряжение уменьшает значение положительного потенциала барабана переноса, что способствует правильному расположению тонера на барабане переноса и препятствует смещению тонера. Как результат этого – точное воспроизведение цветовых оттенков. Напряжение дополнительного заряда подается на барабан переноса во время нанесения желтого тонера, т.е. в самом начале процесса формирования изображения. При нанесении желтого тонер-порошка напряжение дополнительного заряда устанавливается на минимальное значение, и после нанесения каждого нового цвета это напряжение увеличивается. Максимальное напряжение дополнительного заряда подается во время нанесения черного тонера.

Далее полноцветное видимое изображение с барабана переноса должно быть перенесено на бумагу. Этот процесс переноса получил название вторичного переноса. Вторичный перенос осуществляется еще одним коротроном, выполненным в виде транспортного ремня (рис.13). Тонер перемещается на бумагу под действием электростатических сил, т.е. за счет разности потенциалов тонер-порошка (отрицательный) и коротрона вторичного переноса, на который подается положительное напряжение смещения. Так как вторичный перенос осуществляется только после четырех оборотов барабана переноса, транспортный ремень коротрона должен подать бумагу только тогда, когда все цвета нанесены, т.е. во время уже четвертого оборота, а до этого момента времени ремень должен быть в таком положении, чтобы бумага не касалась барабана переноса.

Таким образом, транспортный ремень во время создания изображения опущен вниз, и не соприкасается с барабаном переноса, а в момент вторичного переноса поднят вверх и касается этого барабана. Перемещение транспортного ремня коротрона осуществляется эксцентриковым кулачком, который приводится в действие электрической муфтой по команде от микроконтроллера (рис.14).

При вторичном переносе лист бумаги может притягиваться к поверхности барабана переноса за счет разницы электростатических потенциалов. Это может стать причиной накручивания листа бумаги на барабан, и соответственно к замятию бумаги. Для предотвращения такого явления в составе принтера имеется система отделения бумаги и снятия с нее статического потенциала. Система представляет собой коротрон, на который подается переменное напряжение синусоидальной формы с положительной постоянной составляющей. Расположение коротрона относительно бумаги и барабана переноса показано на рис.15.

На этапе вторичного переноса некоторые частички тонера не переносятся на бумагу, а остаются на поверхности барабана. Чтобы эти частички не мешали созданию следующего листа и не искажали изображения необходимо произвести очистку барабана переноса и удалить остатки тонера. Очистка барабана переноса является достаточно сложным процессом. Для этой процедуры задействуется специальный ролик очистки, фотобарабан и блок очистки фотобарабана. Очистка барабана переноса должна осуществляться не постоянно, а только после вторичного переноса, т.е. система очистки должна управляться аналогично коротрону переноса. Пока создается изображение, система очистки не активна, а когда начинается перенос тонера на бумагу - включается. Первым этапом очистки является перезаряд остаточного тонер-порошка, т.е. его потенциал меняется с отрицательного на положительный. Для этого применяется ролик очистки, на который подается переменное синусоидальное напряжение с положительной постоянной составляющей. Этот ролик прижимается к поверхности фотобарабана в период очистки, а в процессе создания изображения он откидывается. Управляется ролик эксцентриковым кулачком, который в свою очередь приводится в действие соленоидом (рис.16).

После этого положительно заряженный тонер переносится на фотобарабан, на котором по-прежнему имеется отрицательное напряжение смещения. И уже с поверхности фотобарабана тонер счищается очистительным ракелем блока очистки фотобарабана (рис.17).

Заканчивается создание полноцветного изображения фиксацией тонера на бумаге с помощью температуры и давления. Лист бумаги проходит между двумя роликами блока фиксации (печки), разогревается до температуры порядка 200 ºС, тонер расплавляется и вдавливается в поверхность бумаги. Для предотвращения прилипания тонера к печке на нагревательный вал подается отрицательное напряжение смещения, в результате чего отрицательный тонер-порошок остается на бумаге, а не на тефлоновом валу.

Мы рассмотрели принцип работы только одного принтера одной фирмы. Другими производителями могут применяться и иные принципы формирования изображения и другие технические решения при построении принтеров, однако, все эти решения будут весьма близки к тем, что были рассмотрены ранее.

Современные принтеры в большинстве своем по технологии работы подразделяются на лазерные и струйные. Причем, благодаря прогрессу, вторые постепенно покидают рынок «бытовой оргтехники», оставаясь специализированной. В офисах, домах и даже некоторых центрах печати чаще всего можно встретить именно лазерные принтеры.

В бытовом использовании главное отличие струйных принтеров от лазерных заключается в первую очередь в высокой экономичности последних. Расход чернил практически минимален - одного картриджа хватает на несколько тысяч листов с достаточно большой плотностью закрашивания. Кроме того, лазерные принтеры работают очень быстро и не требуют специального сервисного ухода.

Вопреки распространенному мнению, лазерные принтеры не «выжигают» символы на бумаге. Для нанесения изображения используется специальный тонер. Именно он прилипает к бумажному листу, оставляя символы или картинки. К слову, из-за данной особенности технологии цветные лазерные принтеры практически не встречаются, в отличие от монохромных (черно-белых).

Основные функциональные узлы лазерного принтера

Конструкция любого лазерного принтера независимо от конкретной модели, производителя и возможностей включает в себя несколько основных функциональных узлов:

барабан. Именно на него наносится тонер посредством электростатического притяжения и отталкивания согласно закону Кулона;
ракель. Он предназначен для очистки барабана от остатков тонера перед нанесением нового;
коронатор. Это устройство предназначено для электростатической зарядки барабана;
лазер и система зеркал. Будучи источником когерентного электромагнитного излучения, он точечно разряжает барабан;
магнитный вал. На нем закрепляется тонер для последующего переноса на поверхность барабана;
печка. Она предназначена для запекания тонера, оставшегося на бумаге. Поэтому листы, вышедшие из лазерного принтера, имеют достаточно высокую температуру;
модель управления (контроллер) - микропроцессорная система, управляющая всем этим оборудованием.

И цветные, и монохромные лазерные принтеры имеют в своей основе именно эти функциональные узлы. Меняется только система и возможности. Например, в цветных лазерных принтерах установлено четыре барабана - для каждого из фундаментальных цветов (красный, желтый, синий и черный) - и так называемая лента переноса, которая предназначена для передачи изображения, сформированного соответствующими тонерами, на бумагу.

Принцип действия лазерного принтера

Принцип действия лазерного принтера в сокращенном описании довольно прост. Полное же отличается от одной модели к другой, однако некоторые фундаментальные элементы присутствуют в каждом случае:

Производится очистка барабана. Ракельный нож убирает с его поверхности прилипший, но не использованный в предыдущем цикле печати тонер;
Коронатор производит зарядку поверхности барабана. На ней возникают или положительные ионы, или увеличивается количество отрицательных электронов. Это предназначено для возникновения кулоновских сил.
Лазер, управляющийся поворотным зеркалом, частично разряжает поверхность барабана. Тонер сам по себе отрицательно или положительно заряжен. Поэтому он отталкивается от заряженных участков площади барабана и притягивается к разряженным. Опять же, это обусловлено действием кулоновских сил.
С поверхности магнитного вала на барабан переносится порошковый тонер.
С поверхности барабана прилепившийся к нему тонер переносится на бумажный лист.
Бумага отправляется в «печь», состоящую чаще всего из нагревательного элемента в виде галогеновой лампы и прижимного ролика. Тонер закрепляется за счет расплавления под действием высокой температуры и благодаря давлению со стороны закрепленного на пружине вала.

Если в цветных лазерных принтерах установлено 4 отдельных барабана и столько же магнитных валов, однако тонер наносится не на саму бумагу непосредственно, а на ленту переноса. Все четыре оттенка сначала наносятся именно на неё. Затем лента переноса прокатывается по бумаге, и разноцветное изображение оказывается на листе. Затем тонер запекается и закрепляется.

Фундаментальные нетехнологические различия между лазерными и струйными принтерами

Лазерные принтеры в последнее время более популярны, чем струйные. Если абстрагироваться от технологических различий, то они обладают следующими преимуществами:

экономичность. Картриджа лазерного принтера хватает на несколько тысяч листов бумаги с высоким заполнением.
возможность заправки. Картриджи лазерного принтера можно дозаправлять тонером при необходимости без риска нарушения их функциональности. Проводить данную операцию можно даже самостоятельно, но стоит быть осторожным, поскольку красящий пигмент отрицательно или положительно заряжен и под действием кулоновских сил быстро прилипает к коже, одежде и другим поверхностям. Картриджи струйного принтера в большинстве случаев заправлять нельзя, поскольку это приводит к нарушению их герметичности. Для некоторых моделей техники такого типа можно использовать системы непрерывной подачи чернил, однако это рассматривается как самовольная модификация и приводит к расторжению гарантийного соглашения.
высокая скорость работы. Большинство моделей лазерных принтеров способно печатать до 10 страниц с текстом в минуту. Некоторые работают даже быстрее.
отсутствие необходимости в еженедельной печати. Тонер, использующийся в лазерных принтерах, не высыхает и не слипается. Поэтому периодически «прогонять печать», чтобы предотвратить забивание головки, не нужно. Собственно, никакой головки в лазерных принтерах и нет.
долговечность отпечатков. Изображения и текст на бумаге, полученные с использованием такой оргтехники, не выцветают и не исчезают со временем под действием высокой влажности воздуха.
высокое разрешение изображения. Цветные лазерные принтеры обеспечивают разрешение при печати до 9600 Х 1200 точек на дюйм.

Впрочем, у них также есть некоторые недостатки по сравнению со струйными принтерами:

дороговизна. В среднем лазерный принтер в комплектации «с завода» - то есть с неполными картриджами - стоит в несколько раз больше, чем аналогичный струйный. Для монохромных это 2-3-кратное увеличение цены, для цветных - 10-кратное и выше.
дороговизна картриджей и тонера. Расходные материалы для лазерных принтеров стоят в 2-3 раза больше, чем для струйных. Однако стоит учесть, что их лимит использования также в 2-3 раза выше.
громоздкость. Лазерные принтеры обычно в несколько раз больше, чем струйные. Это также объясняется сложностью конструкции. Как следствие, они требуют отдельного места для установки.
необходимость прогрева перед работой и риск перегрева после продолжительного печатания. Несмотря на то, что в конструкцию «печки» входит специальный термоэлемент, не позволяющий температуре достигнуть критической отметки, в некоторых случаях он может выходить из строя или работать неадекватно. После этого наблюдается перегрев устройства с риском появления системных проблем.
малая экологичность. При работе такие устройства выделяют в воздух некоторые вредные соединения, пыль, а также эмитируют инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.
высокая ресурсоемкость. Вследствие наличия «прожорливых» по отношению к току элементов лазерные принтеры потребляют больше электричества. Более того, пиковая мощность может быть настолько высока, что такая оргтехника не будет работать от бытовых или офисных ИБП.
невозможность стабильного повторения полноцветовых изображений вследствие бесконтрольного действия электромагнитных полей.

Таким образом, лазерные принтеры обладают как достоинствами, так и недостатками по сравнению со струйными. Однако в некоторых сценариях использования они проявляют себя как значительно более оптимальные или полезные, чем аналоги.

Инверсию населенностей в лазерах создают разными способами. Чаще всего для этого используют облучение светом (оптическая накачка), электрический разряд, электрический ток, химические реакции.

Для того, чтобы от режима усиления перейти к режиму генерации света, в лазере, как и в любом генераторе, используют обратную связь. Обратная связь в лазере осуществляется с помощью оптического резонатора, который в простейшем случае представляет собой пару параллельных зеркал.

Принципиальная схема лазера показана на рис. 6. Она содержит активный элемент, резонатор, источник накачки.

Лазер работает следующим образом. Сначала источник накачки (например, мощная лампа - вспышка), воздействуя на рабочее вещество (активный элемент) лазера, создает в нем инверсию населенностей. Затем инвертированная среда начинает спонтанно испускать кванты света. Под действием спонтанного излучения начинается процесс вынужденного излучения света. Благодаря инверсии населенностей этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к экспоненциальному усилению света. Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент, не успевая набрать значительную энергию. В тоже время световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно проходит через активный элемент, непрерывно набирая энергию. Благодаря частичному пропусканию света одним из зеркал резонатора излучение выводится наружу, образуя лазерный луч.

Рис.6. Принципиальная схема лазера. 1- активный элемент; 2- система накачки;

3- оптический резонатор; 4- генерируемое излучение.

§5. Устройство и работа гелий-неонового лазера

Рис.7. Принципиальная схема гелий - неонового лазера.

1). Лазер состоит из газоразрядной трубки Т длиной от нескольких десятков см. до 1,5-2м и внутренним диаметром 7-10мм. Трубка наполнена смесью гелия (давление~1мм рт.ст.) и неона (давление ~0,1мм рт. ст.). Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками Р 1 и Р 2 , установленными под углом Брюстера к ее оси. Это создает линейную поляризацию лазерного излучения с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. Зеркала S 1 и S 2 , между которыми помещается трубка, делаются обычно сферическими с многослойными диэлектрическими покрытиями. Они имеют высокие коэффициенты отражения и практически не поглощают свет. Пропускаемость зеркала, через которое преимущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 2%, другого - менее 1%. Между электродами трубки прикладывается постоянное напряжение 1-2кВ. Катод К трубки может быть холодным, но для увеличения разрядного тока применяют также трубки с пустотелым цилиндрическим анодом, катод которых нагревается низковольтным источником тока. Разрядный ток в трубке составляет несколько десятков миллиампер. Лазер генерирует красный свет с длиной волны =632,8 нм и может генерировать также инфракрасное излучение с длинами волн 1,15 и 3,39 мкм (см. рис. 2). Но тогда необходимо иметь торцевые окна, прозрачные для инфракрасного света, и зеркала с высокими коэффициентами отражения в инфракрасной области.

2). В лазерах индуцированное излучение используется для генерации когерентных световых волн. Идея этого впервые была высказана в 1957 г. А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и независимо от них Ч. Таунсом. Чтобы активное вещество лазера превратить в генератор световых колебаний, надо осуществить обратную связь. Это означает, что часть излученного света должна все время возвращаться в зону активного вещества и вызвать вынужденное излучение все новых и новых атомов. Для этого активное вещество помещают между двумя зеркалами S 1 и S 2 (см. рис.7), которые являются элементами обратной связи. Луч света, претерпевая многократные отражения от зеркал S 1 и S 2 , будет проходить много раз через активное вещество, усиливаясь при этом в результате вынужденных переходов с высшего энергетического уровня " 3 на более низкий уровень  " 1 . Получается открытый резонатор, в котором зеркала обеспечивают многократное прохождение (и тем самым усиление) светового потока в активной среде. В реальном лазере часть света, чтобы ее можно было использовать, должна быть выпущена из активной среды наружу. С этой целью одной из зеркал, например S 2 , делается полупрозрачным.

Такой резонатор будет не только усиливать свет, но также коллимировать и монохроматизировать его. Для простоты предложим сначала, что зеркала S 1 и S 2 идеальны. Тогда лучи, параллельно оси цилиндра, будут проходить через активное вещество туда и обратно неограниченное число раз. Все же лучи, идущие наклонно, в конце концов, попадут на боковую стенку цилиндра, где они рассеются или выйдут наружу. Ясно поэтому, что максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра. Этим и объясняется коллимация лучей. Конечно, строго параллельные лучи получить нельзя. Этому препятствует дифракция света. Угол расхождения лучей принципиально не может быть меньше дифракционного предела  D , где D - ширина пучка. Однако, в лучших газовых лазерах такой предел практически достигнут.

Объясним теперь, как происходит монохроматизация света. Пусть Z - оптическая длина пути между зеркалами. Если 2 Z = m  , то есть на длине Z укладывается целое число полуволн m, то световая волна, выйдя от S 1 , после прохождения туда и обратно вернется к S 1 в той же фазе. Такая волна усилится при втором и всех следующих прохождениях через активное вещество в прямом и обратном направлениях. Ближайшая длина волны  , для которой должно происходить такое же усиление, найдется из условия 2 Z =(m  1)( ). Следовательно,  =  / m , то есть  , как и следовало ожидать совпадает со спектральной областью интерферометрам Фабри-Перо. Учтем теперь, что энергетические уровни " 3 и  " 1 и спектральные линии, возникающие при переходах между ними, не бесконечно тонкие, а имеют конечную ширину. Предположим, что ширина спектральной линии, излучаемой атомами, меньше дисперсной области прибора. Тогда из всех длин волн, излучаемых атомами, условию 2 Z = m  может удовлетворять только одна длина волны  . Такая волна усилится максимально. Это и ведет к сужению спектральных линий, генерируемых лазером, то есть к монохроматизации света.

Основные свойства пучка лазерного света:

монохроматичность;

пространственная и временная когерентность;

высокая интенсивность;

малая расходимость пучка.

Благодаря высокой когерентности гелий-неоновый лазер служит превосходным источником непрерывного монохроматического излучения для исследования всякого рода интерференционных и дифракционных явлений, осуществления которых с обычными источниками света требует применения специальной аппаратуры.

Первым принцип действия лазера, физика которого основывалась на законе излучения Планка, теоретически обосновал Эйнштейн в 1917 году. Он описал поглощение, спонтанное и вынужденное электромагнитное излучение с помощью вероятностных коэффициентов (коэффициенты Эйнштейна).

Первопроходцы

Теодор Мейман был первым, кто продемонстрировал принцип действия основанный на оптической накачке с помощью лампы-вспышки синтетического рубина, производившего импульсное когерентное излучение с длиной волны 694 нм.

В 1960 г. иранские ученые Джаван и Беннетт создали первый газовый квантовый генератор с использованием смеси газов He и Ne в соотношении 1:10.

В 1962 году Р. Н. Холл продемонстрировал первый из арсенида галлия (GaAs), излучавший на длине волны 850 нм. Позже в том же году Ник Голоняк разработал первый полупроводниковый квантовый генератор видимого света.

Устройство и принцип действия лазеров

Каждая лазерная система состоит из активной среды, помещенной между парой оптически параллельных и высокоотражающих зеркал, одно из которых полупрозрачное, и источника энергии для ее накачки. В качестве среды усиления может выступать твердое тело, жидкость или газ, которые обладают свойством усиливать амплитуду световой волны, проходящей через него, вынужденным излучением с электрической или оптической накачкой. Вещество помещается между парой зеркал таким образом, что свет, отражающийся в них, каждый раз проходит через него и, достигнув значительного усиления, проникает сквозь полупрозрачное зеркало.

Двухуровневые среды

Рассмотрим принцип действия лазера с активной средой, атомы которой имеют только два уровня энергии: возбужденный E 2 и базовый Е 1 . Если атомы с помощью любого механизма накачки (оптического, электрического разряда, пропускания тока или бомбардировки электронами) возбуждаются до состояния E 2 , то через несколько наносекунд они вернутся в основное положение, излучая фотоны энергии hν = E 2 - E 1 . Согласно теории Эйнштейна, эмиссия производится двумя различными способами: либо она индуцируется фотоном, либо это происходит спонтанно. В первом случае имеет место вынужденное излучение, а во втором - спонтанное. При тепловом равновесии вероятность вынужденного излучения значительно ниже, чем спонтанного (1:10 33), поэтому большинство обычных источников света некогерентны, а лазерная генерация возможна в условиях, отличных от теплового равновесия.

Даже при очень сильной накачке населенность двухуровневых систем можно лишь сделать равной. Поэтому для достижения инверсной населенности оптическим или иным способом накачки требуются трех- или четырехуровневые системы.

Многоуровневые системы

Каков принцип действия трехуровневого лазера? Облучение интенсивным светом частоты ν 02 накачивает большое количество атомов с самого низкого уровня энергии E 0 до верхнего Е 2 . Безызлучательный переход атомов с E 2 до E 1 устанавливает инверсию населенности между E 1 и E 0 , что на практике возможно только, когда атомы длительное время находятся в метастабильном состоянии E 1, и переход от Е 2 до Е 1 происходит быстро. Принцип действия трехуровневого лазера заключается в выполнении этих условий, благодаря чему между E 0 и E 1 достигается инверсия населенности и происходит усиление фотонов энергией Е 1 -Е 0 индуцированного излучения. Более широкий уровень E 2 мог бы увеличить диапазон поглощения длин волн для более эффективной накачки, следствием чего является рост вынужденного излучения.

Трехуровневая система требует очень высокой мощности накачки, так как нижний уровень, задействованный в генерации, является базовым. В этом случае для того, чтобы произошла инверсия населенности, до состояния E 1 должно быть накачано более половины от общего числа атомов. При этом энергия расходуется впустую. Мощность накачки можно значительно уменьшить, если нижний уровень генерации не будет базовым, что требует, по крайней мере, четырехуровневой системы.

В зависимости от природы активного вещества, лазеры подразделяются на три основные категории, а именно, твердый, жидкий и газовый. С 1958 года, когда впервые наблюдалась генерация в кристалле рубина, ученые и исследователи изучили широкий спектр материалов в каждой категории.

Твердотельный лазер

Принцип действия основан на использовании активной среды, которая образуется путем добавления в изолирующую кристаллическую решетку металла переходной группы (Ti +3 , Cr +3 , V +2 , Со +2 , Ni +2 , Fe +2 , и т. д.), редкоземельных ионов (Ce +3 , Pr +3 , Nd +3 , Pm +3 , Sm +2 , Eu +2,+3 , Tb +3 , Dy +3 , Ho +3 , Er +3 , Yb +3 , и др.), и актиноидов, подобных U +3 . ионов отвечают только за генерацию. Физические свойства базового материала, такие как теплопроводность и имеют важное значение для эффективной работы лазера. Расположение атомов решетки вокруг легированного иона изменяет ее энергетические уровни. Различные длины волн генерации в активной среде достигаются путем легирования различных материалов одним и тем же ионом.

Гольмиевый лазер

Примером является квантовый генератор, в котором гольмий заменяет атом базового вещества кристаллической решетки. Ho:YAG является одним из лучших генерационных материалов. Принцип действия гольмиевого лазера состоит в том, что алюмоиттриевый гранат легируется ионами гольмия, оптически накачивается лампой-вспышкой и излучает на длине волны 2097 нм в ИК-диапазоне, хорошо поглощаемом тканями. Используется этот лазер для операций на суставах, в лечении зубов, для испарения раковых клеток, почечных и желчных камней.

Полупроводниковый квантовый генератор

Лазеры на квантовых ямах недороги, позволяют массовое производство и легко масштабируются. Принцип действия полупроводникового лазера основан на использовании диода с p-n-переходом, который производит свет определенной длины волны путем рекомбинации носителя при положительном смещении, подобно светодиодам. LED излучают спонтанно, а лазерные диоды - вынужденно. Чтобы выполнить условие инверсии заселенности, рабочий ток должен превышать пороговое значение. Активная среда в полупроводниковом диоде имеет вид соединительной области двух двумерных слоев.

Принцип действия лазера данного типа таков, что для поддержания колебаний никакого наружного зеркала не требуется. Отражающая способность, создаваемая благодаря слоев и внутреннему отражению активной среды, для этой цели достаточна. Торцевые поверхности диодов скалываются, что обеспечивает параллельность отражающих поверхностей.

Соединение, образованное одного типа, называется гомопереходом, а созданное соединением двух разных - гетеропереходом.

Полупроводники р и n типа с высокой плотностью носителей образуют р-n-переход с очень тонким (≈1 мкм) обедненным слоем.

Газовый лазер

Принцип действия и использование лазера этого типа позволяет создавать устройства практически любой мощности (от милливатта до мегаватта) и длин волн (от УФ до ИК) и позволяет работать в импульсном и непрерывном режимах. Исходя из природы активных сред, различают три типа газовых квантовых генераторов, а именно атомные, ионные, и молекулярные.

Большинство газовых лазеров накачиваются электрическим разрядом. Электроны в разрядной трубке ускоряются электрическим полем между электродами. Они сталкиваются с атомами, ионами или молекулами активной среды и индуцируют переход на более высокие энергетические уровни для достижения состояния населения инверсии и вынужденного излучения.

Молекулярный лазер

Принцип действия лазера основан на том, что, в отличие от изолированных атомов и ионов, в атомных и ионных квантовых генераторах молекулы обладают широкими энергетическими зонами дискретных энергетических уровней. При этом каждый электронный энергетический уровень имеет большое число колебательных уровней, а те, в свою очередь, - несколько вращательных.

Энергия между электронными энергетическими уровнями находится в УФ и видимой областях спектра, в то время как между колебательно-вращательными уровнями - в дальней и ближней ИК областях. Таким образом, большинство молекулярных квантовых генераторов работает в далекой или ближней ИК областях.

Эксимерные лазеры

Эксимеры представляют собой такие молекулы как ArF, KrF, XeCl, которые имеют разделенное основное состояние и стабильны на первом уровне. Принцип действия лазера следующий. Как правило, в основном состоянии число молекул мало, поэтому прямая накачка из основного состояния не представляется возможной. Молекулы образуются в первом возбужденном электронном состоянии путем соединения обладающих большой энергией галогенидов с инертными газами. Населенность инверсии легко достигается, так как число молекул на базовом уровне слишком мало, по сравнению с возбужденным. Принцип действия лазера, кратко говоря, состоит в переходе из связанного возбужденного электронного состояния в диссоциативное основное состояние. Населенность в основном состоянии всегда остается на низком уровне, потому что молекулы в этой точке диссоциируют на атомы.

Устройство и принцип действия лазеров состоит в том, что разрядную трубку наполняют смесью галогенида (F 2) и редкоземельного газа (Ar). Электроны в ней диссоциируют и ионизируют молекулы галогенида и создают отрицательно заряженные ионы. Положительные ионы Ar + и отрицательные F - реагируют и производят молекулы ArF в первом возбужденном связанном состоянии с последующим их переходом в отталкивающее базовое состояние и генерацией когерентного излучения. Эксимерный лазер, принцип действия и применение которого мы сейчас рассматриваем, может применяться для накачки активной среды на красителях.

Жидкостный лазер

По сравнению с твердыми веществами, жидкости более однородны, и обладают большей плотностью активных атомов, по сравнению с газами. В дополнение к этому, они не сложны в производстве, позволяют просто отводить тепло и могут быть легко заменены. Принцип действия лазера состоит в использовании в качестве активной среды органических красителей, таких как DCM (4-дицианометилен-2-метил-6-p- диметиламиностирил-4Н-пиран), родамина, стирила, LDS, кумарина, стильбена, и т. д., растворенных в надлежащем растворителе. Раствор молекул красителя возбуждается излучением, длина волны которого обладает хорошим коэффициентом поглощения. Принцип действия лазера, кратко говоря, заключается в генерации на большей длине волны, называемой флуоресценцией. Разница между поглощенной энергией и излучаемыми фотонами используется безызлучательными энергетическими переходами и нагревает систему.

Более широкая полоса флуоресценции жидкостных квантовых генераторов обладает уникальной особенностью - перестройкой длины волны. Принцип действия и использование лазера этого типа как настраиваемого и когерентного источника света, приобретает все большее значение в спектроскопии, голографии, и в биомедицинских приложениях.

Недавно квантовые генераторы на красителях стали использоваться для разделения изотопов. В этом случае лазер избирательно возбуждает один из них, побуждая вступить в химическую реакцию.