Принципът на работа с лазер. Какво е лазер? Принцип на работа и приложение
Много хора са използвали лазерни принтери, някои ги имат у дома, но всички знаят как работи лазерен принтер? Читателят ще намери отговора на този въпрос в тази статия.
Лазерен принтер е периферно устройство, което отпечатва текст и графика бързо и ефективно на обикновена хартия за офиси и специални материали. Основните предимства на тези принтери, като ниска цена на печат, висока скорост на работа, висок ресурс и разделителна способност, устойчивост на влага и избледняване, ги правят най-често използвани не само сред офис работниците, но и сред обикновените потребители.
Създаване и развитие на лазерни принтери
Първото изображение с използване на сухо мастило и статично електричество е получено от Честър Карлсън през 1938г. И само 8 години по-късно той успя да намери производител на измислените от него устройства. Това беше компанията, която днес познаваме като Xerox. И през същата 1946 г. на пазара влезе първият ксерокс. Това беше огромна и сложна машина, изискваща редица ръчни операции. Едва в средата на 50-те години на миналия век е създаден първият напълно автоматизиран механизъм, който е първообразът на съвременния лазерен принтер.
В края на 1969 г. Xerox започва работа по разработването на лазерни принтери, добавяйки лазерен лъч към съществуващите дизайни по това време. Но според тези стандарти струваше една трета от милион долара и имаше огромен размер, което не позволяваше да се използва такова устройство дори в малки предприятия, не както в ежедневието.
Сътрудничеството между настоящите гиганти на печатната индустрия Canon и HP е стартирането на серията принтери LaserJet, които могат да отпечатват до 8 страници текст в минута. Такива устройства станаха по-достъпни с въвеждането на първата сменяема касета за лазерен принтер.
Принцип на действие
Основата за образуване на изображение е багрилото, съдържащо се в тонера. Под влияние на статичното електричество той залепва и буквално се отпечатва върху хартията. Но как става това?
Всеки лазерен принтер се състои от три основни функционални блока: печатна платка, единица за прехвърляне на изображение (касета) и печатащо устройство. Единицата за подаване на хартия подава хартията за печат. Те са проектирани по два начина - подаване на хартия от долната тава и подаване на хартия от горната тава.
Структурата му е съвсем проста:
- валяк - необходим за хващане на хартия;
- блок за захващане и подаване на един лист;
- валяк, който предава статично електричество на хартията.
- Касетата с лазерен принтер се състои от две части, тонер и барабан или фото цилиндър.
тонер
Тонерът се състои от микроскопични полимерни частици, които са покрити с багрило, с включване на магнетит и регулатор на заряда. Всяка фирма произвежда прах с уникални характеристики за собствените си принтери и многофункционални устройства. Всички прахове се различават по магнетизъм, плътност, дисперсия, размер на зърното и други физически характеристики. Затова не пълнете отново касетите със случаен тонер. Предимствата на тонера пред мастилото са яснотата на отпечатаното изображение и устойчивостта на влага, което се осигурява чрез отпечатване на праха в хартията. Сред недостатъците са плитката дълбочина на цветовете, наситеността при цветния печат и отрицателните ефекти върху човешкото тяло при взаимодействие с тонер, например, докато зареждате касета.
Структурата и етапите на отпечатване на изображения
Образният барабан е направен под формата на надлъжен алуминиев вал, върху него е приложен тънък слой материал, чувствителен към светлинни лъчи с определени параметри. Цилиндърът е покрит със защитен слой. Освен алуминий, барабаните се правят с неорганични фоточувствителни вещества. Основното свойство на барабана е промяна в проводимостта (заряд) под въздействието на лазерен лъч. Това означава, че ако на цилиндъра се зареди, той ще го съхранява за значителен период от време. Но ако осветите някоя област на вала със светлина, те незабавно губят своя заряд и стават неутрално заредени поради увеличаване на проводимостта (тоест намаляване на електрическото съпротивление) в тези зони. Зарядът се оттича от повърхността през вътрешния проводящ слой.
Когато документ пристигне за печат, печатаната платка го обработва и изпраща съответните светлинни импулси към преносната единица за изображение, където цифровата картина се преобразува в изображение на хартия. Барабанът се завърта от вала и получава първичен отрицателен или положителен заряд от близкия валяк. Стойността му се определя от настройките за печат, които се отчитат от печатната платка.
След зареждането на цилиндъра хоризонтален лазерен лъч го сканира с огромна честота. Изложените области на фотоцилиндъра, както беше споменато по-горе, стават незаредени. Тези незаредени зони образуват желаното изображение на барабана в огледално изображение. Освен това, за да се появи изображението на хартията, незаредените области трябва да бъдат напълнени с тонер. Лазерният сканиращ блок се състои от огледало, полупроводников лазер, няколко оформящи лещи и една фокусираща леща.
Барабанът контактува с валяк, направен предимно от магнезий и доставя тонер към фотоцилиндъра от контейнера. Ролката, в която е разположен постоянният магнит, е направена под формата на кух цилиндър с проводим слой. Под въздействието на магнитното поле тонерът от бункера се привлича към ролката от силата на намагнетизираната сърцевина.
Под действието на електростатичното напрежение тонерът от ролката се прехвърля към изображението, образувано от лазерния лъч върху повърхността на барабана, въртящ се близо до ролката. Тонерът няма къде да отиде, тъй като неговите отрицателно заредени частици са привлечени към положително заредените области на фотоцилиндъра, върху които се формира желаното изображение. Отрицателното зареждане на барабана изтласква отпадъчния тонер обратно в лазерно сканираните зони.
Нека отбележим един нюанс. Има два вида изображения. Най-често срещаната е използването на тонер с положително зареждане. Този прах остава върху неутрално заредените участъци на фотоцилиндъра. Тоест, лазерът осветява областите, в които ще бъде бъдещото ни изображение. Барабанът се зарежда отрицателно. Вторият механизъм е по-рядък и използва отрицателно зареден тонер. Лазерният лъч "изхвърля" зоните на положително заредения фотоцилиндър, върху който изображението не трябва да бъде. Струва си да се помни при избора на лазерен принтер, защото в първия случай ще има по-точно прехвърляне на части, а във втория - по-равномерно и плътно пълнене. Първите принтери бяха идеални за отпечатване на текстови документи, поради което те придобиха широко разпространение.
Преди да докосне цилиндъра, хартията се зарежда със статично електричество от ролката за прехвърляне на заряда. Под влияние на това кой тонер се привлича към хартията, когато влезе в контакт с барабана. Статичният елиминатор се отстранява незабавно от хартията. Това елиминира привличането на листа към фотоцилиндъра. По време на преминаването на хартията през устройството за лазерно сканиране на листа става оформено изображение, което лесно се разрушава от най-малкото докосване. За неговата трайност е необходимо да се фиксира чрез разтопяване на добавките, включени в тонера. Този процес се осъществява в устройството за изображения - това е третата ключова единица на лазерния принтер. Нарича се още „печката“. Накратко, веществата, съставляващи тонера, се стопяват. След като бъдат пресовани и втвърдени, тези полимери сякаш покриват мастилото, предпазвайки го от външни влияния. Сега читателят ще разбере защо отпечатаните листове, излизащи от принтера, са толкова топли.
По дизайн така наречената "печка" се състои от две шахти, едната от които съдържа нагревателен елемент. Вторият, често най-долният, е необходим за пресоване на разтопения полимер в хартията. Нагревателните елементи са направени под формата на термистори, направени под формата на термични филми. Когато се приложи напрежение към тях, тези елементи се нагряват до високи температури (около 200 ° C) за секунда секунда. Пинчер валяк притиска листа към нагревателя, по време на който течните микроскопични частици тонер се натискат в текстурата на хартията. На изхода от фиксиращия блок има дистанционери, така че хартията да не се придържа към термичния филм.
Страница 2 от 2
ПО статия разглеждан принцип мерки и устройство модерен лазер принтери. Тя се отваря серия статии, посветен принципи и проблеми лазер такси.
Изображение, получено със съвременни лазерни принтери (както и матрични и мастиленоструйни принтери), се състои от точки. Колкото по-малки са тези точки и колкото по-често се намират, толкова по-високо е качеството на изображението. Максималният брой точки, които принтер може да отпечата отделно на 1 инчов (25,4 мм) сегмент, се нарича разделителна способност и се изразява в точки на инч, докато разделителната способност може да бъде 1200 dpi или повече. Качеството на текста, отпечатан на лазерен принтер с резолюция 300 dpi, е приблизително това на типографски. Ако обаче страницата съдържа рисунки, съдържащи цветове в сиви цветове, тогава е необходима разделителна способност от поне 600 dpi, за да се получи висококачествено графично изображение. С разделителна способност на принтера 1200 dpi, печатът е с почти фотографско качество. Ако трябва да отпечатате голям брой документи (например повече от 40 листа на ден), лазерен принтер изглежда е единственият разумен избор, тъй като за съвременните лични лазерни принтери стандартните параметри са резолюция 600 dpi и скорост на печат 8 ... 1 2 страници в минута.
ПРИНЦИП НА ЕКСПЛОАТАЦИЯ НА ЛАЗЕРНИЯ ПРИНТЕР
Първият лазерен принтер е представен от Hewlett Packard. Използва електрографския принцип за създаване на изображения - същият като при копиращите машини. Разликата беше в начина на излагане: в копирни машини се извършва с помощта на лампа, а в лазерни принтери светлината на лампата замества лазерния лъч.
Сърцето на лазерен принтер е Organic Photo Conductor, често наричан барабан за изображения или просто барабан. С негова помощ изображението се прехвърля на хартия. Барабанът е метален цилиндър, покрит с тънък филм от фоточувствителен полупроводник. Повърхността на такъв цилиндър може да бъде снабдена с положителен или отрицателен заряд, който се поддържа до осветяване на барабана. Ако някоя част от барабана е изложена, покритието придобива проводимост и зарядът се оттича от осветената зона, образувайки незаредена зона. Това е ключът към разбирането как работи лазерен принтер.
Друга критична част на принтера са лазерът и оптико-механичната система от огледала и лещи, които движат лазерния лъч по повърхността на барабана. Малкият лазер генерира много тънък светлинен лъч. Отразявайки се от въртящи се огледала (обикновено тетраедрични или шестоъгълни), този лъч осветява повърхността на барабана, премахвайки заряда му в точката на експозиция.
За да получите точково изображение, лазерът се включва и изключва с помощта на контролен микроконтролер. Въртящото се огледало разгъва лъча под формата на линия на латентно изображение върху повърхността на барабана.
След формиране на линия, специален стъпков мотор завърта барабана, за да образува следващия. Този офсет съответства на вертикалната разделителна способност на принтера и обикновено е 1/300 или 1/600 инча. Процесът на формиране на латентно изображение върху барабан наподобява образуването на растер на телевизионен монитор.
Има два основни метода за предварително (първично) зареждане на повърхността на фотоцилиндъра:
Ø с помощта на тънка тел или мрежа, наречена корона. Високото напрежение, приложено към жицата, създава светеща йонизирана зона около нея, наречена корона и дава на барабана необходимия статичен заряд;
Ø с помощта на предварително заредена гумена ролка (PCR).
И така, върху барабана се образува невидимо изображение под формата на статично разрязани точки. Какво следва?
УСТРОЙСТВОПАТРОН
Преди да говорите за процеса на прехвърляне и фиксиране на изображение върху хартия, помислете за устройството на касетата за лазерния Jet 5L принтер от Hewlett Packard. Тази типична касета има две основни отделения: отделение за тонер и отделение за тонер.
Основните структурни елементи на отделението за отпадъчни тонери:
1 - Drum (Барабан с органичен фотопроводник (OPC)).Това е алуминиев цилиндър, покрит с органичен фоточувствителен и фотопроводим материал (обикновено цинков оксид), който е в състояние да запази изображението, прилагано от лазерния лъч;
2 - вал първичен зареждане (Ролер с първичен заряд (PCR)).Осигурява равномерно отрицателно зареждане на барабана. Изработена от проводима гума или пяна от каучук, поставена върху метален вал;
3 - « пепелянка» , чистя с гумена миячка, почистване острие (Острие за чистачки, почистващо острие).Почиства барабана от остатъци от тонер, които не са прехвърлени на хартията. Структурно направен под формата на метална рамка (щамповане) с полиуретанова плоча (острие) в края;
4 - острие почистване (възстановяване острие). Обхваща областта между барабана и кутията за отпадъчни тонери. Острието за възстановяване позволява на тонера върху барабана да премине в бункера и не позволява той да се разлее в обратна посока (от бункера върху хартията).
Основните структурни елементи на отделението за тонер:
1 - магнитен вал (Magnetic Developer Roller, Mag Roller, Developer Roller).Това е метална тръба с неподвижно магнитно ядро \u200b\u200bвътре. Тонерът е привлечен от магнитната ролка, която преди да бъде подадена към барабана, придобива отрицателен заряд под действието на постояннотоково или променливо напрежение;
2 - « Лекар» (Доктор Блейд, Дозиращо острие).Осигурява равномерно разпределение на тънък слой тонер върху магнитната ролка. Структурно направен под формата на метална рамка (щамповане) с гъвкава плоча (острие) в края;
3 - Запечатването острие магнитен вал(списание валяк Запечатването острие). Тънка плоча, подобна на функционалност на острието за възстановяване. Обхваща областта между магнитната ролка и отделението за подаване на тонер. Mag Roller Sealing Blade преминава тонер, останал върху магнитната ролка, в отделението, предотвратявайки изтичането на тонер в обратна посока;
4 - бункер за тонер (тонер Резервоар). Вътре е "работещият" тонер, който ще бъде прехвърлен върху хартията по време на печат. Освен това в бункера е вграден активатор на тонер (Toner Agitator Bar) - телена рамка, предназначена за разбъркване на тонера;
5 - Тюлен, проверка (Тюлен). В нова (или регенерирана) касета тонер бункерът е запечатан със специално уплътнение, което не позволява тонер да се разлее при транспортиране на касетата. Това уплътнение се отстранява преди употреба.
ПРИНЦИП НА ЛАЗЕРА
Илюстрацията показва патрон за изрязване. Когато принтерът е включен, всички компоненти на касетата са в движение: касетата е подготвена за печат. Този процес е същият като печат, но лазерният лъч не се включва. Тогава движението на компонентите на касетата спира - принтерът влиза в състояние на готовност за печат.
След изпращане на документа за печат, в касетата на лазерния принтер възникват следните процеси:
зареждане барабан. Ролката с първичен заряд (PCR) пренася отрицателен заряд равномерно върху повърхността на въртящия се барабан.
Излагане. Отрицателно заредената повърхност на барабана е изложена на лазерния лъч само там, където ще се прилага тонер. Под въздействието на светлината фоточувствителната повърхност на барабана частично губи отрицателния си заряд. Така лазерът излага латентно изображение на барабана под формата на точки с отслабен отрицателен заряд.
Приложение тонер. На този етап латентното изображение на барабана се преобразува с тонер във видимо изображение, което ще бъде прехвърлено на хартията. Тонерът в близост до магнитния валяк се привлича към повърхността му от полето на постоянния магнит, от който е направено сърцевината на ролката. Докато магнитният валяк се върти, тонерът преминава през тесния прорез, образуван от лекаря и ролката. В резултат на това тя придобива отрицателен заряд и се придържа към онези части на барабана, които са били изложени. "Доктор" осигурява равномерно нанасяне на тонер върху магнитната ролка.
прехвърляне тонер на хартия. Продължавайки да се върти, разработеният барабан за изображения влиза в контакт с хартията. На обратната страна хартията е притисната към положително заредения Трансформатор. В резултат на това отрицателно заредените частици тонер се привличат към хартията, върху която се получава изображение, поръсено с тонер.
Котва снимки. Лист хартия с разхлабено изображение се придвижва към фиксиращ механизъм, който представлява два допиращи се вала, между които се изтегля хартията. Валякът за по-ниско налягане го избутва към горния валяк. Горната ролка е гореща и когато докосне, частиците на тонера ще се разтопят и ще се свържат с хартията.
Почистване барабан. Някой тонер не се прехвърля на хартията и остава на барабана, така че трябва да се почисти. Тази функция се изпълнява от "пепелянката". Целият тонер, останал на барабана, се избърсва с чистачка в кутията за отпадъчен тонер. По този начин, острието за възстановяване затваря областта между барабана и бункера, предотвратявайки разливането на тонера върху хартията.
"Изтрива" снимки. На този етап латентното изображение, приложено от лазерния лъч, се "изтрива" от повърхността на барабана. С помощта на вала за първичен заряд повърхността на барабана е равномерно "покрита" с отрицателен заряд, който се възстановява на онези места, където е бил частично отстранен от действието на светлината.
лазер е съгласуван генератор на светлина. Идеалната кохерентна (подредена) вълна има строго определена дължина и честота, плоска предна част и е идеално поляризирана. Несъгласуваните (неуредични) вълни се характеризират с разпространение на честоти и дължини на вълните в достатъчно голям диапазон от стойности и нямат определена равнина на поляризация.
В природата липсват както идеално съгласувани, така и непоследователни светлинни вълни. Независимо от източника, светлинните вълни се характеризират с разпространение на техните характеристики в определен диапазон от стойности. Колкото по-тесни са тези интервали, толкова по-подредена и съгласувана е светлинната радиация. По някакъв опростен начин истинската светлинна вълна може да се разглежда като набор от равнинни монохроматични поляризирани вълни с различни честоти, посоки на разпространение и поляризационни равнини. Увеличаването на кохерентността на излъчването може да се разбира като намаляване на броя на различни вълни в набор. При идеално кохерентно излъчване, което се приближава от лазер, целият набор се състои от една вълна.
Кохерентното излъчване има такива свойства като монохроматичност, разминаване на късите лъчи, висока яркост. Това позволява да се фокусира лазерното лъчение върху повърхността на обработвания материал с помощта на проста оптична система. Линейните размери на фокусирания лазерен лъч (петна) могат да достигнат фракции от микрометър. При такива малки размери цялата радиационна енергия се концентрира върху площ в милиони от квадратен сантиметър, създавайки енергийна плътност на повърхността на стотици милиарди вата на квадратен сантиметър. По този начин, фокусиран кохерентен лъч може да изпари най-огнеупорни материали.
Думата лазер се състои от началните букви на английската фраза Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, която се превежда на руски като усилване на светлината чрез стимулирано излъчване.
Работата на лазер се основава на използването на резервите на вътрешната енергия на атомите и молекулите на веществото, образувайки микросистеми - образувания, състоящи се от ядра и електрони, поведението и състоянието на които се подчиняват на законите на квантовата механика.
Енергията на относителното движение на частиците, съставляващи атомите, може да приема само строго определени стойности. Тези енергийни стойности E 1, E 2, ..., E k се наричат енергийни нива... Системата от нива на енергия представлява енергийния спектър на атома. Извиква се долното ниво - с минимална енергия основното, остатъка - развълнуван... Енергийният спектър на изолиран атом зависи от неговата структура. Броят на атомите с дадена енергия се нарича население ниво.
Ако атом, разположен на нивото на земята E 1, получава енергия, той може да премине към едно от възбудените нива (фиг. 1). Напротив, възбуден атом може спонтанно (спонтанно) да премине към едно от долните нива, като същевременно излъчва определена част от енергията под формата на квантова светлина (фотон). Ако излъчването на светлина се случи по време на прехода на атом от енергийното ниво E m към нивото E n, тогава честотата на излъчения (или погълнат) квант светлина mn:
където h е константа на Планк.
Фиг. 1. Енергиен спектър на атома
Именно тези спонтанни радиационни процеси се случват в нагряти тела и светещи газове: нагряването или електрическият разряд превръщат част от атомите във възбудено състояние; преминавайки в по-ниски състояния, те излъчват светлина. В процеса на спонтанни преходи атомите излъчват светлина независимо един от друг. Светлинните кванти хаотично се излъчват под формата на вълна влакове(пакети). Влаковете не са координирани един с друг във времето, т.е. имат различна фаза. Следователно спонтанната емисия е непоследователна.
Наред със спонтанното излъчване на възбуден атом, има принуден(или индуцирана) радиация: атомите излъчват под въздействието на външно, бързо променящо се електромагнитно поле, като например светлина. В този случай се оказва, че под действието на външна електромагнитна вълна атомът излъчва вторична вълна, при която честотата, поляризацията, посоката на разпространение и фазата напълно съвпадат с характеристиките на външната вълна, действаща върху атома. Явлението стимулирана радиация дава възможност да се контролира излъчването на атомите с помощта на електромагнитни вълни и по този начин да се усили и генерира кохерентна светлина. За да направите това на практика, трябва да бъдат изпълнени определени условия. Първо, трябва резонанс - съвпадение на честотата на падащата светлина с една от честотите mn от енергийния спектър на атома. Самата природа се погрижи за изпълнението на резонансното условие: ако светлинен фотон се излъчва спонтанно по време на прехода на атом от по-високо ниво E m към ниво E n, то неговата честота е равна на mn и ще съответства на преход между подобни нива на друг атом от същия тип, тъй като енергийният спектър на еднакви атоми е абсолютно идентичен. В бъдеще стимулираното излъчване на възбудени атоми генерира цяла лавина от фотони, всички подобни на първичния фотон. В резултат на това колекцията от атоми ще излъчва интензивна кохерентна светлинна вълна, т.е. ще се извърши генерирането на кохерентна светлина. Друго условие е свързано с населението на различни нива. Заедно със стимулираното излъчване на светлина от атоми, разположени на горното ниво E m, също се случва резонансна абсорбция атоми, обитаващи долното ниво Е n. Атомът, разположен на долното ниво E n, поглъща светлинен квант, докато преминава към горното ниво E m. Резонансното усвояване предотвратява светлинната инерция. Дали в крайна сметка система от атоми ще генерира светлина или не, зависи от това кои атоми има повече в веществото. За да се случи лазирането, е необходимо броят на атомите на горното ниво N m да е по-голям от броя на атомите на долното ниво N n, между които се осъществява преходът.
В естествени условия има по-малко частици на по-високо ниво при всяка температура, отколкото на по-ниско ниво. Следователно всяко тяло, колкото и силно да се нагрява, няма да генерира светлина поради принудителни преходи.
За да се възбуди генерирането на кохерентна светлина, е необходимо да се предприемат специални мерки, така че от двете избрани нива, горното да бъде населено повече от долното. Състояние на материята, при което броят на атомите на едно от по-високо енергийните нива е по-голям от броя на атомите на ниско енергийно ниво, се нарича активенили държава с инверсия (обжалване) популации. По този начин, за да се възбуди генерирането на кохерентна светлина, е необходима инверсия на популацията за тази двойка нива, преходът между които съответства на честотата на генериране.
Вторият проблем, който трябва да бъде решен, за да се създаде лазер, е проблемът обратна връзка. За да може светлината да контролира излъчването на атомите, е необходимо част от излъчената светлинна енергия през цялото време да остава вътре в работното вещество, което предизвиква принудителното излъчване на светлина от все повече и повече атоми. Това става с помощта на огледала. В най-простия случай работното вещество се поставя между две огледала, едното от които е полупрозрачно (фиг. 2). Светлинната вълна, излъчвана на всяко място в резултат на спонтанен преход на атома, се усилва поради принудителното излъчване, когато се разпространява през работното вещество. Стигайки до полупрозрачното огледало, светлината частично ще премине през него. Тази част от светлинната енергия се излъчва от лазера отвън и може да се използва. Част от светлината, отразена от полупрозрачното огледало, ще породи нова лавина от фотони. Тази лавина няма да се различава от предходната поради свойствата на принудително излъчване.
Фиг. 2. Възбудителна верига за генериране на кохерентна светлина
Но изпълнението на двете описани условия все още е недостатъчно. За да се получи генерирането на светлина, усилването в активното вещество трябва да бъде достатъчно голямо. Тя трябва да надвишава определена стойност, наречена праг... Всъщност нека част от светлинния поток, падащ върху полупрозрачното огледало, да се отразява обратно. Усилването на двойно разстоянието между огледалата (един проход) трябва да бъде такова, че светлинната енергия, върната към полупрозрачното огледало, не е по-малка от предишния път. Едва тогава светлинната вълна ще започне да расте от преминаване към преминаване. Ако това не е така, тогава по време на второто преминаване на полупрозрачното огледало ще достигне по-малко енергия, отколкото в предишния момент, през третия - още по-малко и т.н. Процесът на затихване ще продължи, докато светещият поток бъде напълно погасен. Ясно е, че колкото по-ниско е отражението на полупрозрачното огледало, толкова по-голямо е праговото усилване на работното вещество.
Така че, за да създадете съгласуван източник на светлина, са необходими следните изисквания:
имате нужда от работно вещество с обърната популация, едва тогава можете да получите усилването на светлината поради принудителни преходи;
работното вещество трябва да бъде поставено между огледалата, които осигуряват обратна връзка;
печалбата, получена от работното вещество, което означава, че броят на възбудените атоми или молекули в работното вещество трябва да бъде по-голям от праговата стойност, която зависи от коефициента на отражение на полупрозрачното огледало.
Начини за създаване на инверсия. Има няколко начина за създаване на инверсия (изпомпване на активната среда): оптична, термична, химическа, използвайки електронен лъч, използвайки самоподдържащ се електрически разряд и др.
От представените методи ще разгледаме оптичното изпомпване и изпомпване, използвайки самоустойчив електрически разряд.
Първият начин е универсален и се използва за възбуждане на различни активни среди - диелектрични кристали, чаши, течности, газови смеси. Оптичното възбуждане може да се използва по същия начин като съставна част на някои други методи за изпомпване (например електроионизация и химикали).
Втори начин използва се за изпомпване на разредени газообразни активни среди.
И двата метода, като много други, позволяват импулсно и продължително изпомпване. С оптичния метод могат да се използват газоразрядни светкавици или лампи с непрекъснато горене. При изпомпване с електрически разряд се използват импулсни и стационарни разряди. При импулсно изпомпване енергията на възбуждане навлиза в активния елемент на части (импулси), а при продължително изпомпване - непрекъснато (стабилно).
Импулсното изпомпване (в сравнение с непрекъснатото изпомпване) има редица предимства, тъй като осигурява изпускане в повечето активни среди, по-лесно се осъществява от техническа гледна точка и няма нужда от принудително охлаждане на активния елемент поради незначителното му нагряване. При импулсно изпомпване са възможни различни режими на лазене; лазерното излъчване се формира под формата на единични светлинни импулси или последователност от импулси. В същото време се постига висока концентрация на излъчваната енергия във времето и пространството (ултра къси светлинни импулси с мощност до 10 12 W).
Възбуждането на активни центрове при оптично изпомпване се получава в резултат на абсорбиране на радиация от специален източник на светлина.
Когато се изпомпва от самозадържащ се електрически разряд, горните нива се попълват в резултат на нееластични сблъсъци на активни центрове със свободни плазмени електрони.
При електроионизационното изпомпване бързите електрони, които възбуждат вибрационните състояния на газовите молекули (в частност азот и въглероден диоксид), се образуват не в самостоятелно издържан разряд, а под действието на йонизиращо лъчение и ускоряващо се външно поле. Като йонизиращо лъчение се използва електронен лъч от ускорител.
По този начин всеки лазер се състои от три основни части: активен елемент, оптична кухина и помпена система. Функционалната схема на лазера е показана на фиг.
Фиг. 3. Функционална схема на лазера: 1 - активен елемент; 2 - огледало за резонатор; 3 - резонаторен елемент; 4 - помпена система
Твърдозерни лазери... Лазерите се наричат \u200b\u200bтвърдо състояние, чиято активна среда е диелектричен кристал или стъкло с въведени в тях йони, които играят ролята на активни центрове.
Схемата на оптичното изпомпване в твърдотворен лазер е показана на фиг. Газоразрядната светкавица 2 (източник на помпата) има формата на прав цилиндър и е поставена успоредно на активния елемент 1. Лампата и активният елемент са монтирани вътре в отражателя 3 по такъв начин, че във всеки участък, перпендикулярен на оста на цилиндъра, да са във фокусните точки на елипсата. В резултат на това светлинните лъчи, излизащи от един фокус, след като се отразяват от елиптичната повърхност, удрят активния елемент, осигурявайки максимален фокус. Дори по-високата изходна мощност на лазера се постига чрез използване на светлинни рефлектори с две лампи.
Фиг. 4 Оптична схема за изпомпване в твърдотворен лазер: 1 - активен елемент, 2 - лампа за светкавица (източник на помпа), 3 - рефлектори
В твърдозерни лазери оптичните резонатори са противоположни лица на активните елементи, върху които се отлага метален слой.
За първи път лазирането беше получено от рубин. Рубинът се образува чрез разтваряне на малки количества Cr 2O 3 в Al 2 O 3 сапфир. Розовият цвят се дължи на широките абсорбционни ленти на йони Cr 3+, което дава възможност да се получат лазерни преходи в червената зона по време на изпомпване. Дължината на вълната на лазера при стайна температура е 0,6943 µm.
Рубиновите кристали имат голяма механична якост и топлопроводимост. Поради тези свойства на кристалите, както и възможността за отглеждане на блокове с почти всяка дължина и диаметър, еднакви по дължина и напречно сечение, рубиновите лазери придобиха широко разпространение.
Ruby лазери работа в импулсен или непрекъснат режим. Поради ниската ефективност (~ 0.1%), рубиновият лазер CW е неикономичен в сравнение с другите CW твърдотелни лазери. Лазерът се изпомпва от спирални или линейни ксенонови светкавици.
Итриеви алуминиеви гранатни лазери с добавянето на химическия елемент неодим (YAG: Nd-лазери) са намерили най-широко приложение сред всички твърдотелни лазери, тъй като имат достатъчно висока ефективност, висока изходна мощност и не прегряват при висока степен на повторение на светлинните импулси. YAG: Nd дължина на вълната от лазер 1,06 µm. Лазерът се изпомпва с лампи с ксенон или криптон.
Освен това широко се използват лазери от неодимово стъкло, които са също сравнително ефективни източници на кохерентно излъчване в близост до дължина на вълната 1,06 µm. Относителната лекота на обработката на стъклото дава възможност не само да се получат активни елементи под формата на пръти с дължина до 2 м или плочи с напречни размери до 10 см, но и да се създадат дизайни за тънкослойни усилватели и лазерни влакна с дължина няколко десетки метра. Поради това такива лазери се използват в интегрирани оптични системи.
Газови лазери. В тези лазери инверсията на популацията на ниво се създава поради възбуждането на атоми или газови молекули по време на техните сблъсъци със свободни електрони, образувани в електрически разряд. Налягането в газоразрядни лазери е избрано в диапазона от стотни до няколко mm Hg. При по-ниски налягания електроните, ускорени от електрическо поле, много рядко се сблъскват с атоми. В този случай йонизацията и възбуждането на атомите не са достатъчно интензивни. При високо налягане тези сблъсъци, напротив, стават твърде чести. Поради това електроните нямат време да се ускорят достатъчно в електрическо поле и да придобият енергията, необходима за йонизация и възбуждане на атомите, т.е. сблъсъците стават неефективни.
Има три типа газоразрядни лазери: неутрални атомни лазери, йонни лазери и молекулярни лазери. Те се различават помежду си както по механизма на формиране на инверсия на популацията, така и в обхвата на генерираните дължини на вълната. Разликата в диапазоните се дължи на разликите в енергийния спектър на неутрални атоми, молекули и йони.
Лазерите с активен елемент, състоящ се от смес от хелий и неон (10: 1), He-Ne лазерът, са газоразрядни атомни преходи, генериращи радиация с дължина на вълната 0,6328 µm.
Аргоновите и криптонови йонни лазери са най-мощните cw лазери във видимите и в близост до ултравиолетовите области на спектъра. По правило индустриалните устройства имат мощност 10-20 W в района на 0,5 μm и 1-2 W в близост до 0,35 μm, ефективността на лазерите не надвишава 0,1%.
Лазерите с въглероден диоксид (CO 2 лазерите) имат най-високата ефективност на преобразуването (до 40%) на електроенергия в радиационна енергия в сравнение с други газови лазери. Те са лесни за работа с висока мощност, поради което се използват широко в промишлеността.
Фиг. 6 CO 2 лазерно устройство с разделяне на зоните на разреждане и работния обем на резонатора: 1 - система за изпомпване на азот, 2 - зона за електрически разряд, 3 - работен обем на резонатора, 4 - изходно огледало на резонатора, 5 - изпомпваща система на въглероден диоксид
Активната среда на CO 2 лазер се състои от смес от газове въглероден диоксид, молекулен азот и малко количество хелий и водна пара. Лазерът се възбужда от светлинен разряд. Лазерът (фиг. 6) има отделни системи за изпомпване на въглероден диоксид 5 и азот 1. Молекулите на азота, влизащи в областта на електрическия разряд на работния капиляр 2, се възбуждат от сблъсъци с електрони. След това те влизат в работния обем на резонатор 3, където се смесват с неизбудени CO 2 молекули и прехвърлят енергията си към тях.
CO 2 лазерът генерира излъчване с дължина на вълната от 0,940 и 1,040 микрона и може да работи в непрекъснат и импулсен режим. В първия случай лазерът се възбужда от надлъжен електрически разряд в цилиндрична тръба. Ето как всички индустриални cw CO 2 лазери с мощност до 800 W. Във втория случай, CO 2 лазерите могат да генерират импулси с енергия до 2 kJ, а електроионизационните лазери с енергия над 2 kJ.
Химически лазери.В допълнение към електрически разряд, популационната инверсия на нивата на атоми и молекули в газови лазери може да се създаде в резултат на химични реакции, при които атоми или радикали се образуват в възбудени състояния. Тъй като обичайните реакции са доста бавни, те не са подходящи за създаване на популация. Преди да се натрупа достатъчно възбудени атоми, те имат време да преминат в основното състояние и лазерът няма да работи. Поради тази причина химическите лазери могат да работят само върху бързи реакции, като фотодисоциация на молекули (разпадане на молекула на няколко части под действието на светлината), експлозия или химически реакции между атоми или молекули в противоположни лъчи на атоми или молекули на различни вещества. Химическият метод за генериране на инверсии на населението по принцип позволява създаването на лазери с много висока ефективност и изходна мощност. Фотодисоциационният лазер CF 3 J произвежда високи светлинни мощности (до 50 кВт) при импулсни енергии до 65 J. Лазерите, работещи при експлозии, могат да дадат особено висока мощност.
Подреждане на лазерни технологични инсталации.Понастоящем в технологията на производство на електронни продукти се използват различни лазерни технологични инсталации, които независимо от предназначението си имат обща структурна схема и подобни конструктивни елементи (фиг. 7).
Лазер 2 е основният източник на енергия за осъществяване на технологичния процес. Оптичната система 5 фокусира лазерното лъчение 4 в светлинен лъч и го насочва към обработения обект 7. Освен това оптичната система 5 контролира визуално положението на детайла спрямо лъча, следи хода на процеса и оценява неговите резултати. С помощта на устройството 8 детайлът 7 се премества по време на технологичния процес, той се фиксира в определено положение и детайлите се сменят след обработката.
Някои технологични процеси изискват създаване на специфични условия (например снабдяването на определена технологична среда с работната зона). За това инсталациите осигуряват съответно устройство 10, което позволява подаването на инертен газ по време на заваряване.
В някои случаи механичната или електромагнитната енергия се въвежда в зоната на лечение, за да се повиши ефективността на лазерното лечение. Комбинираните процеси (газо-лазерно рязане, обработка на лазерни искра и др.) Се осигуряват от източник на допълнителна енергия 6, въведена в инсталацията. Движението на детайла и позицията на лазера се контролират от софтуерното устройство 1. Излъчването се контролира от сензора 3, температурата на зоната за обработка, състоянието на повърхността на детайла от сензора 9, което в допълнение коригира параметрите или спира работата.
Фиг. 7 Блок-схема на лазерния технологичен блок: 1 - софтуерно устройство, 2 - лазер, 3 - сензор за параметри на радиация, 4 - лазерно лъчение, 5 - оптична система, 6 - спомагателен източник на енергия, 7 - детайл, 8 - устройство за фиксиране и преместване на детайла части, 9 - сензор за параметри на технологичния процес, 10 - устройство за подаване на технологична среда
Първият принцип на лазерна работа, чиято физика се основава на закона на радиацията на Планк, е теоретично обоснован от Айнщайн през 1917г. Той описа абсорбция, спонтанно и стимулирано електромагнитно излъчване, използвайки коефициентите на вероятността (коефициентите на Айнщайн).
Пионери
Теодор Мейман беше първият, който демонстрира принципа на работа, основан на оптично изпомпване, използвайки синтетична лампа с рубинова светкавица, която произвежда импулсно кохерентно излъчване при дължина на вълната 694 nm.
През 1960 г. иранските учени Джаван и Бенет създават първия газов квантов генератор, използвайки смес от He и Ne газове в съотношение 1:10.
През 1962 г. R.N. Hall демонстрира първия галиев арсенид (GaAs), който излъчва при дължина на вълната 850 nm. По-късно същата година Ник Голоняк разработва първия квантов генератор на видима светлина на полупроводника.
Устройството и принципът на работа на лазерите
Всяка лазерна система се състои от активна среда, разположена между двойка оптично успоредни и силно отразяващи огледала, едното от които е полупрозрачно, и източник на енергия за изпомпването му. Усилвателната среда може да бъде твърда, течна или газова, които имат свойството да усилват амплитудата на преминаващата през нея светлинна вълна чрез стимулирано излъчване с електрическо или оптично изпомпване. Веществото се поставя между чифт огледала по такъв начин, че отразената в тях светлина преминава през него всеки път и, постигайки значително усилване, прониква през полупрозрачно огледало.
Двустепенна среда
Нека разгледаме принципа на работа на лазер с активна среда, атомите на които имат само две енергийни нива: възбудени Е2 и база Е1. Ако атомите се възбудят в състояние E2 по някакъв помпащ механизъм (оптичен, електрически разряд, предаване на ток или електронно бомбардиране), след няколко наносекунди те ще се върнат в основното положение, излъчвайки фотони с енергия hν \u003d E 2 - E 1. Според теорията на Айнщайн, емисиите се произвеждат по два различни начина: или се индуцират от фотон, или се случват спонтанно. В първия случай възниква стимулирана емисия, а във втория - спонтанна емисия. При термично равновесие вероятността от стимулирана емисия е много по-ниска от тази на спонтанното излъчване (1:10 33), следователно повечето обикновени източници на светлина са несъгласувани и е възможно лазирането при условия, различни от топлинното равновесие.
Дори при много силно изпомпване популацията на двустепенните системи може да бъде приравнена само. Следователно, за да се постигне обратна популация чрез оптични или други методи за изпомпване, са необходими три- или четиристепенни системи.
Многостепенни системи
Какъв е принципът на работа на тристепенен лазер? Облъчването с интензивна светлина с честота ν 02 изпомпва голям брой атоми от най-ниското ниво на енергия E 0 до горното E 2. Нерадиационният преход на атомите от Е2 в Е1 създава инверсия на популацията между Е1 и Е 0, която на практика е възможна само когато атомите са в метастабилно състояние Е1 за дълго време и преходът от Е2 в Е1 става бързо. Принципът на работа на тристепенен лазер е да изпълни тези условия, поради което се постига инверсия на популацията между E 0 и E 1 и фотоните се усилват с енергията E 1 -E 0 на индуцираното лъчение. По-широкото ниво на 2 може да увеличи обхвата на абсорбция на дължината на вълната за по-ефективно изпомпване, което води до увеличаване на стимулираната емисия.
Тристепенната система изисква много висока мощност на помпата, тъй като ниското ниво, включено в генерацията, е основното. В този случай, за да се случи инверсията на популацията, повече от половината от общия брой атоми трябва да се изпомпва до състояние E 1. Това е загубена енергия. Мощността на помпата може да бъде значително намалена, ако нивото на по-ниското поколение не е основно, което изисква поне четиристепенна система.
В зависимост от естеството на активното вещество, лазерите се класифицират в три основни категории, а именно твърди, течни и газови. От 1958 г., когато лазирането за първи път е наблюдавано в рубинен кристал, учени и изследователи са изследвали голямо разнообразие от материали във всяка категория.
Твърдо състояние лазер
Принципът на работа се основава на използването на активна среда, която се образува чрез добавяне на метал от преходна група към изолационната кристална решетка (Ti +3, Cr +3, V +2, Co +2, Ni +2, Fe +2 и др.) , редкоземни йони (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 актиниди като U +3. йони са отговорни само за поколението. Физичните свойства на основния материал, като топлопроводимост, са от съществено значение за ефективната работа на лазера. Разположението на решетъчните атоми около легирания йон променя своите енергийни нива. Различните дължини на вълните в активната среда се постигат чрез допинг на различни материали с един и същ йон.
Холмиев лазер
Пример е квантов генератор, в който холмий замества атом от основния материал на кристалната решетка. Хо: YAG е един от най-добрите поколения материали. Принципът на работа на холиев лазер е, че итриевият алуминиев гранат е легиран с холмиеви йони, оптично се изпомпва с флаш лампа и излъчва при дължина на вълната 2097 nm в инфрачервения диапазон, който се абсорбира добре от тъканите. Този лазер се използва за операции върху ставите, при стоматологично лечение, за изпаряване на ракови клетки, бъбреци и камъни в жлъчката.
Полупроводников квантов генератор
Квантовите лазерни лазери са евтини, масово произвеждани и лесно мащабируеми. Принципът на работа на полупроводников лазер се основава на използването на p-n-съединителен диод, който произвежда светлина със специфична дължина на вълната, като рекомбинира носителя при положително отклонение, подобно на светодиодите. Светодиодите излъчват спонтанно, докато лазерните диоди излъчват принудително. За да отговаря на условията на инверсия на популацията, работният ток трябва да надвишава праговата стойност. Активната среда в полупроводников диод има формата на свързващ участък от два двумерни слоя.
Принципът на работа на този тип лазер е такъв, че за поддържане на трептенията не се изисква външно огледало. Отражателната способност, създадена от слоевете, и вътрешното отражение на активната среда е достатъчна за тази цел. Крайните повърхности на диодите са отрязани, което гарантира, че отразяващите повърхности са успоредни.
Съединение, образувано от един тип, се нарича хомодънка, а едно, създадено чрез съединяване на два различни типа, се нарича хетерофункция.
Полупроводниците от p и n видове с висока плътност на носителя образуват pn кръстовище с много тънък (≈1 μm) слой на изчерпване.
Газов лазер
Принципът на работа и използване на лазер от този тип ви позволява да създавате устройства с почти всяка мощност (от миливат до мегават) и дължина на вълната (от UV до IR) и ви позволява да работите в импулсни и непрекъснати режими. Въз основа на естеството на активната среда се разграничават три типа газови квантови генератори, а именно атомни, йонни и молекулярни.
Повечето газови лазери са електрически изпомпвани. Електроните в разрядната тръба се ускоряват от електрическото поле между електродите. Те се сблъскват с атоми, йони или молекули на активната среда и индуцират преход към по-високи енергийни нива за постигане на състояние на инверсия на населението и стимулирана емисия.
Молекулен лазер
Принципът на работа на лазер се основава на факта, че за разлика от изолирани атоми и йони, молекулите в атомните и йонните квантови генератори имат широки енергийни ленти с дискретни енергийни нива. В този случай всяко електронно енергийно ниво има голям брой вибрационни нива, а тези от своя страна имат няколко въртящи се.
Енергията между електронните енергийни нива е в UV и видимите области на спектъра, докато между вибрационно-ротационните нива - в далечните и близките IR райони. По този начин повечето молекулни квантови генератори работят в далечните или близките инфрачервени райони.
Ексимерни лазери
Ексиматорите са молекули като ArF, KrF, XeCl, които имат разделно основно състояние и са стабилни на първо ниво. Принципът на лазера е следният. По правило броят на молекулите в основно състояние е малък, поради което директното изпомпване от основното състояние не е възможно. Молекулите се образуват в първо възбудено електронно състояние чрез комбиниране на високоенергийни халогениди с инертни газове. Инверсията на популацията се постига лесно, тъй като броят на молекулите в основната линия е твърде малък в сравнение с възбудената. Накратко принципът на работа на лазер се състои в прехода от свързано възбудено електронно състояние към дисоциативно основно състояние. Популацията в основно състояние винаги остава на ниско ниво, защото молекулите в този момент се дисоциират в атоми.
Устройството и принципът на работа на лазерите е, че изпускателната тръба е напълнена със смес от халид (F 2) и рядкоземен газ (Ar). Електроните в него дисоциират и йонизират халидните молекули и създават отрицателно заредени йони. Положителните йони Ar + и отрицателните F - реагират и произвеждат ArF молекули в първо възбудено свързано състояние, последвано от преминаването им в отблъскващо основно състояние и генериране на кохерентно излъчване. Ексимерен лазер, чийто принцип на работа и приложение сега обмисляме, може да се използва за изпомпване на активна среда на базата на багрила.
Течен лазер
В сравнение с твърдите вещества, течностите са по-хомогенни и имат по-голяма плътност на активните атоми от газовете. В допълнение, те не са трудни за производство, позволяват лесно разсейване на топлината и могат лесно да бъдат заменени. Принципът на работа на лазера е използването на органични багрила като активна среда, като DCM (4-дицианометилен-2-метил-6-р-диметиламиностирил-4Н-пиран), родамин, стирил, LDS, кумарин, стилбене и др. ., разтворени в подходящ разтворител. Разтвор на багрилни молекули се възбужда от радиация, чиято дължина на вълната има добър коефициент на абсорбция. Принципът на лазерната работа, накратко, е да се генерира при по-голяма дължина на вълната, наречена флуоресценция. Разликата между абсорбираната енергия и излъчените фотони се използва от нерадиационни енергийни преходи и загрява системата.
По-широката лента на флуоресценция на течни квантови генератори има уникална характеристика - настройка на дължината на вълната. Принципът на работа и използването на този тип лазер като регулируем и кохерентен източник на светлина придобива все по-голямо значение в спектроскопията, холографията и в биомедицинските приложения.
В последно време квантовите генератори на багрила се използват за разделяне на изотопи. В този случай лазерът селективно възбужда един от тях, като го подтиква да влезе в химическа реакция.
Лазер - източник на електромагнитни вълни във видимия, инфрачервения и ултравиолетовия диапазон, въз основа на стимулираното (или индуцираното) излъчване на атоми и молекули. Думата "лазер" е съставена от началните букви (съкращение) на думите на английската фраза "Амплификация на светлина чрез стимулирана емисия на излъчване", което означава "усилване на светлината в резултат на стимулирано излъчване". В литературата се използва и терминът "оптичен квантов генератор" (LQG).
Принципът на лазерната работа се основава на три основни идеи. Първата идея е да се използва принудителна (индуцирана) емисия светлина от атомни системи. Втората идея е да кандидатствате термодинамично неравновесни среди с обратна популация нива, при които е възможно усилване, а не поглъщане на светлина. Третата идея е да се използва положителна обратна връзка за преобразуване на усилвателната система в когерентен генератор на радиация.
Помислете за свободен атом на излъчващата среда, който не е подложен на външни влияния, който е във възбудено състояние. Тогава той може спонтанно (спонтанно) да премине от възбудено състояние с енергия E 2 в земно (неизбудено) състояние с енергия E 1. В този случай ще се излъчи квантова светлина - фотон с енергията E на фотона \u003d hN \u003d E 2 - E 1, където н е честотата на излъчваното лъчение. Статистическият, случаен характер на процесите на спонтанно излъчване води до факта, че електромагнитните вълни, излъчвани от отделни атоми на обикновени източници на светлина, не се координират помежду си: те имат различни фази, посоки на разпространение и поляризация. Това означава, че спонтанното излъчване от конвенционалните светлинни източници е непоследователно.
Стимулирана (индуцирана) радиация - Това е излъчването на електромагнитните вълни, което възниква, ако атомите на средата преминат от възбудено състояние в основно състояние под действието на външно излъчване (фотон). Такова взаимодействие на фотон с възбуден атом може да бъде, ако енергията на фотона hN е равна на разликата между енергийните нива на атома в възбудено и основно състояние: E на фотона \u003d hN \u003d E 2 - E 1 (фиг. 1), където н е честотата на външното излъчване. В този случай, след взаимодействието на фотоните с атом, два фотона ще се разпространяват от атома: завладяващи принуждаван, т.е., има увеличение на светлината. Генерираното стимулирано лъчение има същата честота и фаза като стимулиращия този процес и се разпространява в същата посока, т.е. индуцираното лъчение е кохерентно на стимулиращото лъчение.
Когато фотоните взаимодействат с материята, заедно с стимулираната емисия, протича процес на абсорбция на фотони, при който атомите на материята преминават от основното състояние във възбудено състояние. В обикновеното състояние има много повече неизбудени атоми в материята, отколкото възбудените, следователно, когато фотоните взаимодействат с материята, процесът на абсорбция преобладава и няма усилване на светлината. За да може процесът на стимулирана радиация да надделее над абсорбцията, е необходимо да се промени разпределението на атомите на облъченото вещество върху енергийните нива. Амплификацията на светлината се извършва, ако концентрацията на атомите на веществото в горните енергийни нива, съответстващи на възбуденото състояние, е по-голяма, отколкото при долните. Такова разпределение на атомите в средата над енергийните нива се нарича обратна популация... Това състояние е възможно само в случай на термодинамично неравновесна среда.
Среда с обратна популация от нива, в която има усилване, а не абсорбция на светлина, се нарича активна среда. По вида на използваната активна среда лазерите се разделят на газови (например хелий-неонови, аргонови и др.), Течни, твърди (рубин, стъкло или сапфир) и полупроводникови (използват активно съединение на полупроводник като активно вещество).
Методите за създаване на активна среда се наричат \u200b\u200bлазерно изпомпване. Съществуват различни методи за изпомпване на лазери - оптично изпомпване (облъчване на работната среда на твърдотелни лазери със светлината на мощна светкавица), възбуждане чрез електронен удар (в газоразрядни лазери), химическо изпомпване и др.
За да се осъществи положителна обратна връзка, част от генерираното лъчение трябва да остане вътре в активната среда и да предизвика принудителното излъчване на все повече и повече възбудени атоми. За да се създаде такъв процес, активната среда се поставя в оптичен резонатор... Оптичен резонатор е система от две огледала, между които е разположена активна среда. Огледалата могат да бъдат плоски, изпъкнали или вдлъбнати. Най-важното им свойство са високите стойности на коефициента на отражение. Използвани огледала с многослойно диелектрично покритие, които са силно отразяващи и трудно поглъщат светлина. Благодарение на многократното отразяване на светлинни вълни, разпространяващи се в активната среда от огледалата на оптичния резонатор, се осигурява тяхното многократно усилване, в резултат на което се постига висока мощност на излъчване.
Помислете за устройството и принципа на работа на газов хелий-неонов лазер, който работи в непрекъснат режим във видимата област на спектъра. Основният елемент на лазера е изпускателна тръба, пълна със смес от газове - хелий и неон. Парциалното налягане на хелия е 1 mm Hg. Арт., Неон - 0,1 mm Hg. Изкуство. Неоновите атоми са атоми на активната среда (работеща), хелиевите атоми са спомагателни, необходими за създаване на обратна популация от неонови атоми.
На фиг. 2 показва енергийните нива на неонови и хелиеви атоми. При електрически разряд хелиевите атоми се възбуждат в тръбата и преминават в състояние 2 ... Първо развълнувано ниво 2 хелий съвпада с енергийното ниво 3 неонови атоми. Следователно, сблъсквайки се с неонови атоми, хелиевите атоми прехвърлят своята енергия към тях и ги прехвърлят във възбудено състояние 3 ... По този начин в тръбата се създава активна среда, която се състои от неонови атоми с обърната нива на населението.
Спонтанен (спонтанен) преход на отделни неонови атоми от енергийното ниво 3 до ниво 2 причинява появата на фотони. С по-нататъшното действие на тези фотони с възбудени неонови атоми възниква индуцирана кохерентна радиация на последния и нарастващ поток фотони с енергия hN.
За да се увеличи радиационната мощност, тръба 1, напълнена със смес от хелий и неон, се поставя в оптичен резонатор, образуван от огледала 5 и 6 (виж фиг. 3). Отразявайки се от огледалата, потокът от фотони преминава по оста на тръбата, докато в процеса на индуцирана радиация се включва все по-голям брой неонови атоми, а интензитетът на генерираното излъчване се увеличава като лавина.
Лазерът работи в режим на генериране, ако загубата на енергия на светлинната вълна при всяко отражение от огледалото на резонатора е по-малка от увеличаването на енергията в резултат на индуцираното излъчване, когато преминава по тръбата през активната среда. Следователно качеството на резонаторните огледала е много важно. Резонаторът се състои от плосък 5 и вдлъбнати 6 огледала с многослойни диелектрични покрития (фиг. 3). Коефициентът на отражение на тези огледала е много висок - 98–99%. Пропускливостта на светлината на едното огледало е около 0,1%, докато на другото е около 0,2%. Използването на огледален резонатор дава възможност да се получи мощен и тесен лъч светлина.
Енергийни нива 2 и 3 Неоновите атоми имат сложна структура, така че лазерът може да излъчва до 30 различни дължини на вълната в инфрачервения и видимия диапазон. Огледалата на резонатора са направени многослойни, за да създадат необходимия коефициент на отражение за една дължина на вълната поради смущения. Така лазерът излъчва строго определена дължина на вълната.
Газоотвеждащата тръба 1 (фиг. 3) е затворена в краищата с плоско-паралелни стъклени плочи 4, монтирани под ъгъл на Брюстър към оста на тръбата. Това положение на плочите осигурява предаването на поляризирано неоново лъчение през тях без загуби от отражение и води до равнинна поляризация на лазерното излъчване. За да се създаде електрически разряд в тръбата, в него се въвеждат два електрода: анод 2 и катод 3. Поради преминаването на електрически ток през тръбата се създава обратна популация от нива в He-Ne среда.
Лазерните източници на светлина имат редица значителни предимства пред други източници:
1. Лазерите са способни да произвеждат светлинни лъчи с много малък ъгъл на отклонение (около 10 -5 рад). На Луната такъв лъч, излъчен от Земята, дава петно \u200b\u200bс диаметър 3 км.
2. Лазерната светлина е изключително кохерентна и монохроматична.
3. Лазерите са най-мощните източници на светлина. В тесен спектрален диапазон за кратко време (в интервал от време около 10 -13 s) някои видове лазери постигат радиационна мощност 10 17 W / cm 2, докато мощността на слънчевата радиация е само 7 × 10 3 W / cm 2, и общо за целия спектър. За тесния интервал Dl \u003d 10 -6 cm (ширината на лазерната спектрална линия) Слънцето има само 0,2 W / cm2. Силата на електрическото поле в електромагнитна вълна, излъчвана от лазер, надвишава силата на полето вътре в атома.
