Das Prinzip des Laserbetriebs. Was ist ein Laser? Arbeitsprinzip und Anwendung

Viele Leute haben Laserdrucker benutzt, manche haben sie zu Hause, aber weiß jeder, wie ein Laserdrucker funktioniert? Die Antwort auf diese Frage findet der Leser in diesem Artikel.

Ein Laserdrucker ist ein Peripheriegerät, das Text und Grafiken schnell und effizient auf normalem Büro- und Spezialpapier druckt. Die Hauptvorteile dieser Drucker, wie niedrige Druckkosten, hohe Betriebsgeschwindigkeit, hohe Ressourcen und Auflösung, Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Ausbleichen, haben sie nicht nur bei Büroangestellten, sondern auch bei normalen Benutzern am häufigsten verwendet.

Erstellung und Entwicklung von Laserdruckern

Das erste Bild mit trockener Tinte und statischer Elektrizität wurde 1938 von Chester Carlson aufgenommen. Und nur 8 Jahre später konnte er einen Hersteller der von ihm erfundenen Geräte finden. Es war das Unternehmen, das wir heute alle als Xerox kennen. Und im selben Jahr, 1946, kam der erste Kopierer auf den Markt. Es war eine riesige und komplexe Maschine, die eine Reihe von manuellen Operationen erforderte. Erst Mitte der 1950er Jahre wurde der erste vollautomatische Mechanismus entwickelt, der der Prototyp des modernen Laserdruckers war.

Ende 1969 begann Xerox mit der Entwicklung von Laserdruckern und fügte den damals existierenden Designs einen Laserstrahl hinzu. Aber es war nach diesen Maßstäben eine dritte Million Dollar wert und hatte eine riesige Größe, die es nicht erlaubte, ein solches Gerät auch in kleinen Unternehmen zu verwenden, nicht wie im Alltag.

Die Zusammenarbeit zwischen den aktuellen Giganten der Druckindustrie Canon und HP ist die Einführung der LaserJet-Druckerserie, mit der bis zu 8 Seiten Text pro Minute gedruckt werden können. Solche Geräte wurden mit der Einführung der ersten austauschbaren Patrone für einen Laserdrucker erschwinglicher.

Arbeitsprinzip

Die Basis für die Bilderzeugung ist der im Toner enthaltene Farbstoff. Unter dem Einfluss statischer Elektrizität haftet es und wird buchstäblich auf das Papier gedruckt. Aber wie passiert das?

Jeder Laserdrucker besteht aus drei Hauptfunktionsblöcken: einer Leiterplatte, einer Bildübertragungseinheit (Patrone) und einer Druckeinheit. Die Papiereinzugseinheit führt das Druckpapier ein. Sie sind auf zwei Arten aufgebaut: Papierzufuhr aus dem unteren Fach und Papierzufuhr aus dem oberen Fach.

Die Struktur ist recht einfach:

• walze - benötigt, um Papier zu greifen;
• block zum Greifen und Zuführen eines Blattes;
• eine Walze, die statische Elektrizität auf das Papier überträgt.
• Die Laserdruckerkartusche besteht aus zwei Teilen, dem Toner und der Trommel oder dem Fotozylinder.

Toner

Toner besteht aus mikroskopisch kleinen Polymerteilchen, die mit einem Farbstoff unter Einbeziehung von Magnenit und einem Ladungsregler beschichtet sind. Jedes Unternehmen produziert Pulver mit einzigartigen Eigenschaften für seine eigenen Drucker und Multifunktionsgeräte. Alle Pulver unterscheiden sich in Magnetismus, Dichte, Dispersion, Korngröße und anderen physikalischen Eigenschaften. Füllen Sie die Patronen daher nicht mit zufälligem Toner nach. Die Vorteile von Toner gegenüber Tinte sind die Klarheit des gedruckten Bildes und die Feuchtigkeitsbeständigkeit, die durch das Aufdrucken des Pulvers in das Papier erzielt wird. Zu den Nachteilen zählen eine geringe Farbtiefe, eine Sättigung beim Farbdruck und negative Auswirkungen auf den menschlichen Körper, wenn beispielsweise mit Toner beim Laden einer Patrone interagiert wird.

Struktur und Phasen des Druckens von Bildern

Die Bildtrommel besteht aus einem Aluminiumlängsschaft, auf den eine dünne Materialschicht aufgebracht ist, die für Lichtstrahlen mit bestimmten Parametern empfindlich ist. Der Zylinder ist mit einer Schutzschicht bedeckt. Trommeln werden neben Aluminium aus anorganischen lichtempfindlichen Substanzen hergestellt. Die Haupteigenschaft einer Trommel ist eine Änderung der Leitfähigkeit (Ladung) unter dem Einfluss eines Laserstrahls. Dies bedeutet, dass der Zylinder, wenn er geladen wird, über einen längeren Zeitraum gelagert wird. Wenn Sie jedoch einen Bereich des Schachts mit Licht beleuchten, verlieren diese sofort ihre Ladung und werden aufgrund einer Erhöhung der Leitfähigkeit (dh einer Verringerung des elektrischen Widerstands) in diesen Zonen neutral geladen. Die Ladung fließt von der Oberfläche durch die innere leitende Schicht ab.

Wenn ein Dokument zum Drucken ankommt, verarbeitet die Leiterplatte es und sendet die entsprechenden Lichtimpulse an die Bildübertragungseinheit, wo das digitale Bild in ein Bild auf Papier umgewandelt wird. Die Trommel wird von der Welle gedreht und erhält eine primäre negative oder positive Ladung von der nahe gelegenen Walze. Sein Wert wird durch die Druckeinstellungen bestimmt, die von der Leiterplatte gemeldet werden.

Nach dem Laden des Zylinders wird er von einem horizontalen Laserstrahl mit enormer Frequenz abgetastet. Die belichteten Bereiche des Fotozylinders werden, wie oben erwähnt, ungeladen. Diese ungeladenen Zonen bilden spiegelbildlich das gewünschte Bild auf der Trommel. Damit das Bild auf dem Papier erscheint, müssen die ungeladenen Bereiche mit Toner gefüllt werden. Die Laserscaneinheit besteht aus einem Spiegel, einem Halbleiterlaser, mehreren Formlinsen und einer Fokussierlinse.

Die Trommel berührt eine Rolle, die hauptsächlich aus Magnesium besteht, und liefert Toner aus dem Behälter an den Fotozylinder. Die Walze, in der sich der Permanentmagnet befindet, besteht aus einem Hohlzylinder mit einer leitenden Schicht. Unter dem Einfluss des Magnetfeldes wird der Toner aus dem Trichter durch die Kraft des magnetisierten Kerns von der Walze angezogen.

Unter Einwirkung elektrostatischer Spannung wird der Toner von der Walze auf das Bild übertragen, das vom Laserstrahl auf der Oberfläche der Trommel erzeugt wird und sich nahe der Walze dreht. Der Toner kann nirgendwo hingehen, da seine negativ geladenen Partikel von den positiv geladenen Bereichen des Fotozylinders angezogen werden, auf denen das gewünschte Bild erzeugt wird. Die negative Trommelladung drückt Tonerabfall zurück in die lasergescannten Bereiche.

Beachten wir eine Nuance. Es gibt zwei Arten der Bildgebung. Am gebräuchlichsten ist die Verwendung von positiv geladenem Toner. Dieses Pulver verbleibt auf den neutral geladenen Bereichen des Fotozylinders. Das heißt, der Laser beleuchtet die Bereiche, in denen unser zukünftiges Bild sein wird. Die Trommel ist negativ geladen. Der zweite Mechanismus ist weniger verbreitet und verwendet negativ geladenen Toner. Der Laserstrahl "entlädt" die Bereiche des positiv geladenen Fotozylinders, auf denen sich das Bild nicht befinden sollte. Bei der Auswahl eines Laserdruckers ist zu beachten, da im ersten Fall die Teile genauer übertragen werden und im zweiten Fall eine gleichmäßigere und dichtere Füllung erfolgt. Die ersten Drucker waren perfekt zum Drucken von Textdokumenten geeignet, weshalb sie weit verbreitet waren.

Vor dem Berühren des Zylinders wird das Papier von der Ladungsübertragungswalze mit statischer Elektrizität aufgeladen. Durch den Einfluss, welcher Toner vom Papier angezogen wird, wenn es mit der Trommel in Kontakt kommt. Der Eliminator für statische Aufladung wird sofort vom Papier entfernt. Dies eliminiert die Anziehung des Blattes zum Fotozylinder. Während des Durchlaufs des Papiers durch die Laserscannereinheit wird auf dem Blatt ein erzeugtes Bild sichtbar, das durch die geringste Berührung leicht zerstört wird. Für seine Haltbarkeit ist es notwendig, die im Toner enthaltenen Additive durch Schmelzen zu fixieren. Dieser Vorgang findet in der Bildeinheit statt - dies ist die dritte Schlüsseleinheit des Laserdruckers. Es wird auch "Herd" genannt. Kurz gesagt, die Substanzen, aus denen der Toner besteht, schmelzen. Nach dem Pressen und Erstarren scheinen diese Polymere die Tinte zu bedecken und sie vor äußeren Einflüssen zu schützen. Der Leser wird jetzt verstehen, warum die aus dem Drucker kommenden gedruckten Blätter so warm sind.

Der sogenannte "Ofen" besteht konstruktionsbedingt aus zwei Wellen, von denen eine ein Heizelement enthält. Die zweite, oft die unterste, wird benötigt, um das geschmolzene Polymer in das Papier zu pressen. Heizelemente werden in Form von Thermistoren hergestellt, die in Form von Wärmefilmen hergestellt werden. Wenn Spannung an sie angelegt wird, werden diese Elemente in Sekundenbruchteilen auf hohe Temperaturen (etwa 200 ° C) erhitzt. Eine Andruckrolle drückt das Blatt gegen die Heizung, währenddessen flüssigkeitsmikroskopische Tonerpartikel in die Textur des Papiers gedrückt werden. Am Ausgang der Fixiereinheit befinden sich Abstandshalter, damit das Papier nicht am Wärmefilm haftet.

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Ein mit modernen Laserdruckern (sowie Punktmatrix- und Tintenstrahldruckern) erhaltenes Bild besteht aus Punkten. Je kleiner diese Punkte sind und je öfter sie sich befinden, desto höher ist die Bildqualität. Die maximale Anzahl von Punkten, die ein Drucker separat auf einem 25,4 mm-Segment drucken kann, wird als Auflösung bezeichnet und in Punkten pro Zoll ausgedrückt, während die Auflösung 1200 dpi oder mehr betragen kann. Die Qualität des auf einem Laserdrucker mit einer Auflösung von 300 dpi gedruckten Textes entspricht in etwa der eines typografischen Textes. Wenn die Seite jedoch Zeichnungen mit Graustufenfarben enthält, ist eine Auflösung von mindestens 600 dpi erforderlich, um ein qualitativ hochwertiges Grafikbild zu erhalten. Mit einer Druckerauflösung von 1200 dpi ist der Druck nahezu fotografisch. Wenn Sie eine große Anzahl von Dokumenten drucken müssen (z. B. mehr als 40 Blatt pro Tag), scheint ein Laserdrucker die einzig vernünftige Wahl zu sein, da für moderne persönliche Laserdrucker die Standardparameter eine Auflösung von 600 dpi und eine Druckgeschwindigkeit von 8 ... 1 2 Seiten pro Minute sind.

PRINZIP DES BETRIEBS DES LASERDRUCKERS

Der erste Laserdrucker wurde von Hewlett Packard vorgestellt. Es wurde das elektrografische Prinzip der Bilderzeugung verwendet - genau wie bei Kopiergeräten. Der Unterschied bestand in der Art der Belichtung: Bei Kopierern erfolgt die Belichtung mit einer Lampe, und bei Laserdruckern ersetzte das Licht der Lampe den Laserstrahl.

Das Herzstück eines Laserdruckers ist der Organic Photo Conductor, der oft als Imaging-Trommel oder einfach als Trommel bezeichnet wird. Mit seiner Hilfe wird das Bild auf Papier übertragen. Die Trommel ist ein Metallzylinder, der mit einem dünnen Film eines lichtempfindlichen Halbleiters bedeckt ist. Die Oberfläche eines solchen Zylinders kann mit einer positiven oder negativen Ladung versehen sein, die aufrechterhalten wird, bis die Trommel beleuchtet ist. Wenn ein Teil der Trommel freigelegt ist, erhält die Beschichtung Leitfähigkeit und die Ladung fließt aus dem beleuchteten Bereich ab und bildet eine ungeladene Zone. Dies ist der Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise eines Laserdruckers.

Ein weiterer kritischer Teil des Druckers ist der Laser und das optisch-mechanische System von Spiegeln und Linsen, die den Laserstrahl entlang der Oberfläche der Trommel bewegen. Der kleine Laser erzeugt einen sehr dünnen Lichtstrahl. Dieser Strahl reflektiert von rotierenden Spiegeln (normalerweise tetraedrisch oder hexagonal) und beleuchtet die Trommeloberfläche, wobei seine Ladung am Belichtungspunkt entfernt wird.

Um ein Punktbild zu erhalten, wird der Laser unter Verwendung eines Steuermikrocontrollers ein- und ausgeschaltet. Der rotierende Spiegel entfaltet den Strahl in Form einer latenten Bildlinie auf der Oberfläche der Trommel.

Nach dem Bilden einer Linie dreht ein spezieller Schrittmotor die Trommel, um die nächste zu bilden. Dieser Versatz entspricht der vertikalen Auflösung des Druckers und beträgt normalerweise 1/300 oder 1/600 Zoll. Der Vorgang der Erzeugung eines latenten Bildes auf einer Trommel ähnelt der Bildung eines Rasters auf einem Fernsehmonitor.

Es gibt zwei Hauptmethoden zum vorläufigen (primären) Laden der Photozylinderoberfläche:

Ø mit einem dünnen Draht oder Netz namens Koronadraht. Die an den Draht angelegte Hochspannung erzeugt einen leuchtenden ionisierten Bereich um ihn herum, der als Korona bezeichnet wird, und verleiht der Trommel die notwendige statische Aufladung.

Ø mit einer vorgeladenen Gummiwalze (PCR).

So entsteht auf der Trommel ein unsichtbares Bild in Form von statisch entladenen Punkten. Was kommt als nächstes?

GERÄTPATRONE

Bevor Sie über das Übertragen und Fixieren eines Bildes auf Papier sprechen, sollten Sie das Gerät der Patrone für den Laser Jet 5L-Drucker von Hewlett Packard in Betracht ziehen. Diese typische Patrone hat zwei Hauptfächer: das Resttonerfach und das Tonerfach.

Die Hauptstrukturelemente des Resttonerbehälters:

1 - Trommel (Organic Photo Conductor (OPC) Trommel).Es handelt sich um einen Aluminiumzylinder, der mit einem organischen lichtempfindlichen und photoleitenden Material (normalerweise Zinkoxid) beschichtet ist, das das vom Laserstrahl aufgebrachte Bild bewahren kann.

2 - Welle primär aufladen (Primary Charge Roller (PCR)).Versorgt die Trommel gleichmäßig negativ. Hergestellt aus leitfähigem Gummi oder Schaumgummibasis, die auf eine Metallwelle aufgebracht sind;

3 - « Viper» , abzieher, reinigung klinge (Wischerblatt, Reinigungsblatt).Reinigt die Trommel von Tonerrückständen, die nicht auf das Papier übertragen wurden. Strukturell hergestellt in Form eines Metallrahmens (Stanzen) mit einer Polyurethanplatte (Klinge) am Ende;

4 - Klinge reinigung (Wiederherstellung Klinge). Deckt den Bereich zwischen Trommel und Resttonerbehälter ab. Die Wiederherstellungsklinge lässt Toner auf der Trommel in den Trichter gelangen und verhindert, dass dieser in die entgegengesetzte Richtung (vom Trichter auf das Papier) gelangt.

Die wichtigsten Strukturelemente des Tonerfachs:

1 - Magnetisch welle (Magnetische Entwicklerwalze, Mag-Walze, Entwicklerwalze).Es ist ein Metallrohr mit einem nicht beweglichen Magnetkern im Inneren. Toner wird von der Magnetwalze angezogen, die vor dem Zuführen zur Trommel unter Einwirkung von Gleich- oder Wechselspannung eine negative Ladung aufnimmt.

2 - « Arzt» (Doktorklinge, Messklinge).Bietet eine gleichmäßige Verteilung einer dünnen Tonerschicht auf der Magnetwalze. Strukturell in Form eines Metallrahmens (Stanzen) mit einer flexiblen Platte (Klinge) am Ende hergestellt;

3 - Abdichtung klinge magnetisch welle(Mag Walze Abdichtung Klinge). Eine dünne Platte, deren Funktionalität der des Recovery Blade ähnelt. Deckt den Bereich zwischen der Magnetwalze und dem Tonerzufuhrfach ab. Das Mag Roller Sealing Blade leitet den auf der Magnetwalze verbleibenden Toner in das Fach und verhindert so, dass Toner in die entgegengesetzte Richtung austritt.

4 - Bunker zum toner (Toner Reservoir). Im Inneren befindet sich der "funktionierende" Toner, der beim Drucken auf das Papier übertragen wird. Zusätzlich ist ein Toneraktivator (Toner Rührstab) in den Trichter eingebaut - ein Drahtrahmen zum Rühren des Toners;

5 - Dichtung, prüfen (Dichtung). In einer neuen (oder regenerierten) Patrone ist der Tonerbehälter mit einer speziellen Dichtung verschlossen, die verhindert, dass beim Transport der Patrone Toner verschüttet wird. Diese Dichtung wird vor Gebrauch entfernt.

LASERPRINZIP

Die Abbildung zeigt eine weggeschnittene Patrone. Wenn der Drucker eingeschaltet ist, sind alle Komponenten der Patrone in Bewegung: Die Patrone ist für den Druck vorbereitet. Dieser Vorgang ist der gleiche wie beim Drucken, der Laserstrahl wird jedoch nicht eingeschaltet. Dann stoppt die Bewegung der Komponenten der Patrone - der Drucker wechselt in den druckfertigen Zustand.

Nach dem Senden des Dokuments zum Drucken werden in der Laserdruckerkartusche die folgenden Vorgänge ausgeführt:

Aufladen trommel. Die Primärladungswalze (PCR) überträgt eine negative Ladung gleichmäßig auf die Oberfläche der rotierenden Trommel.

Exposition. Die negativ geladene Trommeloberfläche wird nur dort dem Laserstrahl ausgesetzt, wo der Toner aufgetragen wird. Unter dem Einfluss von Licht verliert die lichtempfindliche Oberfläche der Trommel teilweise ihre negative Ladung. Somit belichtet der Laser ein latentes Bild auf der Trommel in Form von Punkten mit einer geschwächten negativen Ladung.

Anwendung toner. In diesem Stadium wird das latente Bild auf der Trommel durch Toner in ein sichtbares Bild umgewandelt, das auf das Papier übertragen wird. Der Toner in der Nähe der Magnetwalze wird durch das Feld des Permanentmagneten, aus dem der Walzenkern besteht, von seiner Oberfläche angezogen. Wenn sich die Magnetwalze dreht, passiert der Toner den engen Schlitz, den der Arzt und die Walze bilden. Infolgedessen erhält es eine negative Ladung und haftet an den freiliegenden Teilen der Trommel. "Doctor" sorgt für eine gleichmäßige Anwendung von Toner auf der Magnetwalze.

Transfer toner auf der papier. Die entwickelte Bildtrommel dreht sich weiter und kommt mit dem Papier in Kontakt. Auf der Rückseite wird das Papier gegen die positiv geladene Transferwalze gedrückt. Infolgedessen werden negativ geladene Tonerpartikel von dem Papier angezogen, auf dem ein mit Toner bestreutes Bild erzeugt wird.

Verankerung bilder. Ein Blatt Papier mit einem losen Bild bewegt sich zu einem Befestigungsmechanismus, bei dem es sich um zwei sich berührende Wellen handelt, zwischen denen das Papier gezogen wird. Die untere Druckwalze drückt sie gegen die obere Fixierwalze. Die obere Walze ist heiß und wenn sie sich berührt, schmelzen die Tonerpartikel und verbinden sich mit dem Papier.

Reinigung trommel. Ein Teil des Toners wird nicht auf das Papier übertragen und verbleibt auf der Trommel. Daher muss er gereinigt werden. Diese Funktion wird von der "Viper" ausgeführt. Der gesamte auf der Trommel verbleibende Toner wird mit einem Wischer in den Resttonerbehälter abgewischt. Dabei schließt die Wiederherstellungsklinge den Bereich zwischen Trommel und Trichter und verhindert, dass Toner auf das Papier gelangt.

"Löschen" bilder. In diesem Stadium wird das vom Laserstrahl aufgebrachte latente Bild von der Oberfläche der Trommel "gelöscht". Mit Hilfe des Primärladungsschachts wird die Oberfläche der Trommel gleichmäßig mit einer negativen Ladung "bedeckt", die an den Stellen wiederhergestellt wird, an denen sie durch Lichteinwirkung teilweise entfernt wurde.

Laser ist ein kohärenter Lichtgenerator. Eine ideale kohärente (geordnete) Welle hat eine genau definierte Länge und Frequenz, eine flache Front und ist ideal polarisiert. Inkohärente (ungeordnete) Wellen zeichnen sich durch eine Streuung von Frequenzen und Wellenlängen in einem ausreichend großen Wertebereich aus und haben keine bestimmte Polarisationsebene.

In der Natur fehlen sowohl ideal kohärente als auch inkohärente Lichtwellen. Unabhängig von der Quelle zeichnen sich Lichtwellen durch eine Streuung ihrer Eigenschaften in einem bestimmten Wertebereich aus. Je enger diese Intervalle sind, desto geordneter und kohärenter ist die Lichtstrahlung. In etwas vereinfachter Weise kann eine reale Lichtwelle als ein Satz ebener monochromatischer polarisierter Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen, Ausbreitungsrichtungen und Polarisationsebenen betrachtet werden. Das Erhöhen der Strahlungskohärenz kann als Verringern der Anzahl verschiedener Wellen in einem Satz verstanden werden. Bei idealer kohärenter Strahlung, die von einem Laser angefahren wird, besteht der gesamte Satz aus einer einzelnen Welle.

Kohärente Strahlung hat Eigenschaften wie Monochromatizität, geringe Strahldivergenz und hohe Helligkeit. Dadurch kann Laserstrahlung mit einem einfachen optischen System auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Materials fokussiert werden. Die linearen Abmessungen des fokussierten Laserstrahls (Punkt) können Bruchteile eines Mikrometers erreichen. Bei solch kleinen Abmessungen konzentriert sich die gesamte Strahlungsenergie auf eine Fläche in Millionstel Quadratzentimetern, wodurch auf der Oberfläche eine Energiedichte von Hunderten von Milliarden Watt pro Quadratzentimeter entsteht. Somit kann ein fokussierter kohärenter Strahl die feuerfestesten Materialien verdampfen.

Das Wort Laser besteht aus den Anfangsbuchstaben der englischen Phrase Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung, die ins Russische übersetzt die Verstärkung von Licht durch stimulierte Emission bedeutet.

Die Arbeit eines Lasers basiert auf der Nutzung der Reserven der inneren Energie von Atomen und Molekülen einer Substanz, die Mikrosysteme bilden - Formationen aus Kernen und Elektronen, deren Verhalten und Zustand den Gesetzen der Quantenmechanik entsprechen.

Die Energie der Relativbewegung der Teilchen, aus denen die Atome bestehen, kann nur genau definierte Werte annehmen. Diese Energiewerte E 1, E 2, ..., E k heißen energieniveaus... Das System der Energieniveaus bildet das Energiespektrum des Atoms. Die untere Ebene - mit minimaler Energie - wird aufgerufen die Haupt, der Rest - aufgeregt... Das Energiespektrum eines isolierten Atoms hängt von seiner Struktur ab. Die Anzahl der Atome mit einer bestimmten Energie wird genannt population Niveau.

Wenn einem Atom am Boden E 1 Energie zugeführt wird, kann es in eines der angeregten Niveaus gelangen (Abb. 1). Im Gegenteil, ein angeregtes Atom kann spontan (spontan) in eine der unteren Ebenen gelangen und dabei einen bestimmten Teil der Energie in Form eines Lichtquantums (Photon) emittieren. Wenn die Lichtemission während des Übergangs eines Atoms vom Energieniveau E m zum Niveau E n auftritt, dann ist die Frequenz des emittierten (oder absorbierten) Lichtquantums  mn:

wobei h die Plancksche Konstante ist.

Abb. 1. Energiespektrum des Atoms

Es sind diese spontanen Strahlungsprozesse, die in erhitzten Körpern und glühenden Gasen auftreten: Durch Erhitzen oder elektrische Entladung werden einige der Atome in einen angeregten Zustand umgewandelt; Sie gehen in niedrigere Zustände über und strahlen Licht aus. Bei spontanen Übergängen emittieren Atome unabhängig voneinander Licht. Lichtquanten werden chaotisch in Form von Wellen emittiert züge(Pakete). Die Züge sind nicht zeitlich aufeinander abgestimmt, d.h. eine andere Phase haben. Daher ist die spontane Emission inkohärent.

Zusammen mit der spontanen Emission eines angeregten Atoms gibt es gezwungen(oder induziert) Strahlung: Atome emittieren unter dem Einfluss eines externen, sich schnell ändernden elektromagnetischen Feldes wie Licht. In diesem Fall stellt sich heraus, dass das Atom unter Einwirkung einer externen elektromagnetischen Welle eine Sekundärwelle emittiert, bei der Frequenz, Polarisation, Ausbreitungsrichtung und Phase vollständig mit den Eigenschaften der auf das Atom wirkenden externen Welle übereinstimmen. Das Phänomen der stimulierten Strahlung ermöglicht es, die Strahlung von Atomen mit Hilfe elektromagnetischer Wellen zu steuern und auf diese Weise kohärentes Licht zu verstärken und zu erzeugen. Dazu müssen in der Praxis bestimmte Bedingungen erfüllt sein. Zuerst brauchen Sie resonanz - Zusammentreffen der Frequenz des einfallenden Lichts mit einer der Frequenzen  mn des Energiespektrums des Atoms. Die Natur selbst hat sich um die Erfüllung der Resonanzbedingung gekümmert: Wenn ein Lichtphoton beim Übergang eines Atoms von einem höheren Niveau E m auf das Niveau E n spontan emittiert wird, ist seine Frequenz gleich  mn und entspricht dem Übergang zwischen ähnlichen Niveaus eines anderen Atoms desselben Typs, da Das Energiespektrum identischer Atome ist absolut identisch. In Zukunft erzeugt die stimulierte Emission angeregter Atome eine ganze Lawine von Photonen, die alle dem Primärphoton ähnlich sind. Infolgedessen emittiert die Ansammlung von Atomen eine intensive kohärente Lichtwelle, d.h. Die Erzeugung von kohärentem Licht wird durchgeführt. Eine andere Bedingung hängt mit der Bevölkerung auf verschiedenen Ebenen zusammen. Neben der stimulierten Lichtemission durch Atome auf der oberen Ebene E m tritt auch eine auf resonanzabsorption Atome in der unteren Ebene Е n. Das auf der unteren Ebene E n befindliche Atom absorbiert ein Lichtquant, während es auf die obere Ebene E m übergeht. Resonanzabsorption verhindert Lichtträgheit. Ob ein Atomsystem am Ende Licht erzeugt oder nicht, hängt davon ab, welche Atome mehr in der Substanz enthalten sind. Damit die Erzeugung erscheint, ist es notwendig, dass die Anzahl der Atome auf der oberen Ebene N m größer ist als die Anzahl der Atome auf der unteren Ebene N n, zwischen denen der Übergang stattfindet.

Unter natürlichen Bedingungen befinden sich bei jeder Temperatur weniger Partikel auf einem höheren Niveau als auf einem niedrigeren Niveau. Daher erzeugt jeder Körper, wie stark er auch erwärmt ist, aufgrund erzwungener Übergänge kein Licht.

Um die Erzeugung von kohärentem Licht anzuregen, müssen spezielle Maßnahmen getroffen werden, damit von den beiden ausgewählten Ebenen die obere mehr als die untere besiedelt ist. Man nennt einen Materiezustand, in dem die Anzahl der Atome auf einem der höheren Energieniveaus größer ist als die Anzahl der Atome auf dem niedrigeren Energieniveau aktivoder ein Staat mit inversion (beschwerde) Populationen. Um die Erzeugung von kohärentem Licht anzuregen, ist daher für dieses Ebenenpaar eine Populationsinversion erforderlich, deren Übergang der Erzeugungsfrequenz entspricht.

Das zweite Problem, das gelöst werden muss, um einen Laser zu erstellen, ist das Problem feedback. Damit Licht die Strahlung von Atomen steuern kann, muss ein Teil der emittierten Lichtenergie ständig in der Arbeitssubstanz verbleiben, wodurch immer mehr Atome gezwungen werden, Licht zu emittieren. Dies geschieht mit Spiegeln. Im einfachsten Fall befindet sich die Arbeitssubstanz zwischen zwei Spiegeln, von denen einer halbtransparent ist (Abb. 2). Die Lichtwelle, die infolge des spontanen Übergangs des Atoms an einer beliebigen Stelle emittiert wird, wird aufgrund der erzwungenen Emission verstärkt, wenn sie sich durch die Arbeitssubstanz ausbreitet. Wenn der lichtdurchlässige Spiegel erreicht ist, wird das Licht teilweise durch ihn hindurchtreten. Dieser Teil der Lichtenergie wird vom Laser nach außen abgegeben und kann genutzt werden. Ein Teil des vom halbtransparenten Spiegel reflektierten Lichts führt zu einer neuen Lawine von Photonen. Diese Lawine unterscheidet sich aufgrund der Eigenschaften der Zwangsemission nicht von der vorherigen.

Abb. 2. Anregungsschaltung zur Erzeugung von kohärentem Licht

Die Erfüllung der beiden beschriebenen Bedingungen ist jedoch immer noch unzureichend. Damit Licht erzeugt werden kann, muss die Verstärkung im Wirkstoff groß genug sein. Es muss einen bestimmten Wert überschreiten, der aufgerufen wird schwelle... In der Tat soll ein Teil des auf den halbtransparenten Spiegel einfallenden Lichtflusses zurückreflektiert werden. Die Verstärkung bei doppeltem Abstand zwischen den Spiegeln (ein Durchgang) sollte so sein, dass die zum semitransparenten Spiegel zurückgegebene Lichtenergie nicht geringer ist als zum vorherigen Zeitpunkt. Erst dann beginnt die Lichtwelle von Durchgang zu Durchgang zu wachsen. Ist dies nicht der Fall, wird beim zweiten Durchgang des halbtransparenten Spiegels weniger Energie erreicht als im vorherigen Moment, beim dritten - noch weniger usw. Der Dämpfungsprozess wird fortgesetzt, bis der Lichtstrom vollständig gelöscht ist. Es ist klar, dass je niedriger das Reflexionsvermögen des halbtransparenten Spiegels ist, desto höher ist die Schwellenverstärkung des Arbeitsstoffs.

Um eine kohärente Lichtquelle zu erstellen, sind folgende Anforderungen erforderlich:

sie benötigen eine Arbeitssubstanz mit einer invertierten Population. Nur dann können Sie die Lichtverstärkung aufgrund erzwungener Übergänge erhalten.

der Arbeitsstoff sollte zwischen den Spiegeln platziert werden, die eine Rückmeldung geben.

der durch die Arbeitssubstanz gegebene Gewinn, was bedeutet, dass die Anzahl der angeregten Atome oder Moleküle in der Arbeitssubstanz größer sein muss als der Schwellenwert, der vom Reflexionskoeffizienten des halbtransparenten Spiegels abhängt.

Möglichkeiten zur Inversion. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Inversion zu erzeugen (Pumpen eines aktiven Mediums): optisch, thermisch, chemisch, unter Verwendung eines Elektronenstrahls, unter Verwendung einer autarken elektrischen Entladung usw.

Ausgehend von den vorgestellten Methoden werden wir das optische Pumpen und Pumpen unter Verwendung einer autarken elektrischen Entladung betrachten.

Der erste Weg ist universell und dient zur Anregung verschiedener aktiver Medien - dielektrische Kristalle, Gläser, Flüssigkeiten, Gasgemische. Die optische Anregung kann auf die gleiche Weise wie ein Bestandteil einiger anderer Pumpverfahren (z. B. Elektroionisierung und chemische Verfahren) verwendet werden.

Zweiter Weg wird zum Pumpen von verdünnten gasförmigen aktiven Medien verwendet.

Beide Methoden ermöglichen wie viele andere ein gepulstes und kontinuierliches Pumpen. Mit dem optischen Verfahren können Gasentladungsblitzlampen oder Dauerbrennlampen verwendet werden. Beim Pumpen mit elektrischer Entladung werden gepulste und stationäre Entladungen verwendet. Beim gepulsten Pumpen tritt die Anregungsenergie in Teilen (Impulsen) in das aktive Element ein, und beim kontinuierlichen Pumpen ist sie kontinuierlich (stabil).

Das gepulste Pumpen (im Vergleich zum kontinuierlichen Pumpen) hat eine Reihe von Vorteilen, da es das Lasern in den meisten aktiven Medien ermöglicht, aus technischer Sicht einfacher zu implementieren ist und aufgrund seiner unbedeutenden Erwärmung keine erzwungene Kühlung des aktiven Elements erforderlich ist. Beim gepulsten Pumpen sind verschiedene Laserregime möglich; Laserstrahlung wird in Form einzelner Lichtimpulse oder einer Folge von Impulsen gebildet. Gleichzeitig wird eine hohe zeitliche und räumliche Konzentration der emittierten Energie erreicht (ultrakurze Lichtimpulse mit einer Leistung von bis zu 10 12 W).

Die Anregung aktiver Zentren unter optischem Pumpen erfolgt durch Absorption von Strahlung von einer speziellen Lichtquelle.

Wenn sie durch eine autarke elektrische Entladung gepumpt werden, werden die oberen Ebenen infolge unelastischer Kollisionen aktiver Zentren mit freien Plasmaelektronen besiedelt.

Beim Elektroionisierungspumpen entstehen schnelle Elektronen, die die Schwingungszustände von Gasmolekülen (insbesondere Stickstoff und Kohlendioxid) anregen, nicht in einer autarken Entladung, sondern unter Einwirkung ionisierender Strahlung und eines beschleunigenden Außenfeldes. Ein Elektronenstrahl von einem Beschleuniger wird als ionisierende Strahlung verwendet.

Somit besteht jeder Laser aus drei Hauptteilen: einem aktiven Element, einem optischen Hohlraum und einem Pumpsystem. Das Funktionsdiagramm des Lasers ist in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3. Funktionsdiagramm des Lasers: 1 - aktives Element; 2 - Resonatorspiegel; 3 - Resonatorelement; 4 - Pumpsystem

Festkörperlaser... Laser werden als Festkörper bezeichnet, deren aktives Medium ein dielektrischer Kristall oder Glas ist, in das Ionen eingeführt werden, die die Rolle aktiver Zentren spielen.

Das Schema des optischen Pumpens in einem Festkörperlaser ist in Fig. 4 gezeigt. Die Gasentladungsblitzlampe 2 (Pumpenquelle) hat die Form eines geraden Zylinders und ist parallel zum aktiven Element 1 angeordnet. Die Lampe und das aktive Element sind im Reflektor 3 so installiert, dass sie sich in jedem Abschnitt senkrecht zur Zylinderachse in den Brennpunkten der Ellipse befinden. Infolgedessen treffen Lichtstrahlen, die aus einem Fokus kommen, nachdem sie von der elliptischen Oberfläche reflektiert wurden, auf das aktive Element und sorgen für maximalen Fokus. Eine noch höhere Laserausgangsleistung wird durch die Verwendung von Reflektoren mit zwei Lampen erreicht.

Abb. 4. Optisches Pumpschema in einem Festkörperlaser: 1 - aktives Element, 2 - Blitzlampe (Pumpquelle), 3 - Reflektoren

Bei Festkörperlasern sind die optischen Resonatoren gegenüberliegende Flächen der aktiven Elemente, auf denen eine Metallschicht abgeschieden ist.

Zum ersten Mal wurde Lasern aus Rubin erhalten. Rubin entsteht durch Auflösen kleiner Mengen Cr 2 O 3 in Al 2 O 3 -Saphir. Die rosa Farbe ist auf die breiten Absorptionsbanden von Cr 3+ -Ionen zurückzuführen, die es ermöglichen, während des Pumpens Laserübergänge im roten Bereich zu erhalten. Die Laserwellenlänge bei Raumtemperatur beträgt 0,6943 µm.

Rubinkristalle haben eine große mechanische Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften von Kristallen sowie der Möglichkeit, Barren nahezu jeder Länge und jedes Durchmessers mit gleichmäßiger Länge und gleichem Querschnitt zu züchten, sind Rubinlaser weit verbreitet.

Rubinlaser im gepulsten oder kontinuierlichen Modus arbeiten. Aufgrund des geringen Wirkungsgrades (~ 0,1%) ist der CW-Rubinlaser im Vergleich zu anderen CW-Festkörperlasern unwirtschaftlich. Der Laser wird von spiralförmigen oder linearen Xenon-Blitzlampen gepumpt.

Granatlaser aus Yttrium-Aluminium mit dem Zusatz des chemischen Elements Neodym (YAG: Nd-Laser) haben unter allen Festkörperlasern die am weitesten verbreitete Verwendung gefunden, da sie einen ausreichend hohen Wirkungsgrad und eine hohe Ausgangsleistung aufweisen und bei einer hohen Wiederholungsrate von Lichtimpulsen nicht überhitzen. YAG: Nd Laserwellenlänge 1,06 μm. Der Laser wird mit Xenon- oder Kryptonlampen gepumpt.

Darüber hinaus werden häufig Neodymglaslaser eingesetzt, die auch relativ effiziente Quellen kohärenter Strahlung in der Nähe einer Wellenlänge von 1,06 μm sind. Die relativ einfache Glasverarbeitung ermöglicht es, nicht nur aktive Elemente in Form von Stäben mit einer Länge von bis zu 2 m oder Platten mit Querabmessungen von bis zu 10 cm zu erhalten, sondern auch Konstruktionen für Dünnschichtverstärker und Faserlaser mit einer Länge von mehreren zehn Metern zu erstellen. Aus diesem Grund werden solche Laser in integrierten optischen Systemen eingesetzt.

Gaslaser. In diesen Lasern wird die Pegelpopulationsinversion aufgrund der Anregung von Atomen oder Gasmolekülen während ihrer Kollisionen mit freien Elektronen erzeugt, die in einer elektrischen Entladung gebildet werden. Der Druck in Gasentladungslasern wird im Bereich von Hundertstel bis zu mehreren mm Hg gewählt. Bei niedrigeren Drücken kollidieren durch ein elektrisches Feld beschleunigte Elektronen sehr selten mit Atomen. In diesem Fall ist die Ionisierung und Anregung von Atomen nicht intensiv genug. Bei hohem Druck hingegen werden diese Kollisionen zu häufig. Aufgrund dessen haben Elektronen keine Zeit, sich in einem elektrischen Feld ausreichend zu beschleunigen und die Energie zu gewinnen, die für die Ionisierung und Anregung von Atomen erforderlich ist, d.h. Kollisionen werden unwirksam.

Es gibt drei Arten von Gasentladungslasern: Neutralatomlaser, Ionenlaser und Molekularlaser. Sie unterscheiden sich sowohl im Mechanismus der Populationsinversionsbildung als auch in den Bereichen der erzeugten Wellenlängen. Der Unterschied in den Bereichen ist auf Unterschiede im Energiespektrum neutraler Atome, Moleküle und Ionen zurückzuführen.

Laser mit einem aktiven Element, das aus einer Mischung von Helium und Neon (10: 1) besteht, dem He-Ne-Laser, ist ein Gasentladungslaser, der auf atomaren Übergängen basiert und Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,6328 μm erzeugt.

Argon- und Kryptonionenlaser sind die leistungsstärksten CW-Laser im sichtbaren und nahen ultravioletten Bereich des Spektrums. Industrielle Bauelemente haben in der Regel eine Leistung von 10-20 W im Bereich von 0,5 µm und 1-2 W in der Nähe von 0,35 µm, der Wirkungsgrad von Lasern überschreitet 0,1% nicht.

Kohlendioxidlaser (CO 2 -Laser) weisen im Vergleich zu anderen Gaslasern die höchste Umwandlungseffizienz (bis zu 40%) von Elektrizität in Strahlungsenergie auf. Sie sind einfach mit hoher Leistung zu betreiben und daher in der Industrie weit verbreitet.

Abb. 6. CO 2 -Laservorrichtung mit Trennung der Entladungsbereiche und des Arbeitsvolumens des Resonators: 1 - Stickstoffpumpensystem, 2 - elektrischer Entladungsbereich, 3 - Resonatorarbeitsvolumen, 4 - Resonatorausgangsspiegel, 5 - Kohlendioxidpumpsystem

Das aktive Medium eines CO 2 -Lasers besteht aus einer Mischung von Gasen aus Kohlendioxid, molekularem Stickstoff und einer kleinen Menge Helium und Wasserdampf. Der Laser wird durch eine Glimmentladung angeregt. Der Laser (Fig. 6) verfügt über getrennte Systeme zum Pumpen von Kohlendioxid 5 und Stickstoff 1. Stickstoffmoleküle, die in den Bereich der elektrischen Entladung der Arbeitskapillare 2 eintreten, werden bei Kollision mit Elektronen angeregt. Dann treten sie in das Arbeitsvolumen von Resonator 3 ein, wo sie sich mit nicht angeregten CO 2 -Molekülen mischen und ihre Energie auf sie übertragen.

Der CO 2 -Laser erzeugt Strahlung mit Wellenlängen von 0,940 und 1,040 μm und kann im kontinuierlichen und gepulsten Modus arbeiten. Im ersten Fall wird der Laser durch eine elektrische Längsentladung in einem zylindrischen Rohr angeregt. So arbeiten alle industriellen cw CO 2 -Laser mit einer Leistung von bis zu 800 W. Im zweiten Fall können CO 2 -Laser Impulse mit Energien bis zu 2 kJ und Elektroionisierungslaser mit Energien über 2 kJ erzeugen.

Chemische Laser.Zusätzlich zu einer elektrischen Entladung kann die Populationsinversion der Niveaus von Atomen und Molekülen in Gaslasern als Ergebnis chemischer Reaktionen erzeugt werden, bei denen Atome oder Radikale in angeregten Zuständen gebildet werden. Da die üblichen Reaktionen eher langsam sind, eignen sie sich nicht zur Erzeugung einer Populationsinversion. Bevor sich genügend angeregte Atome ansammeln, haben sie Zeit, in den Grundzustand überzugehen, und der Laser funktioniert nicht. Aus diesem Grund können chemische Laser nur bei schnellen Reaktionen wie der Photodissoziation von Molekülen (Zerfall eines Moleküls in mehrere Teile unter Lichteinwirkung), der Explosion oder chemischen Reaktionen zwischen Atomen oder Molekülen in entgegengesetzten Strahlen von Atomen oder Molekülen verschiedener Substanzen arbeiten. Die chemische Methode zur Erzeugung von Populationsinversionen ermöglicht im Prinzip die Erzeugung von Lasern mit sehr hohem Wirkungsgrad und sehr hoher Ausgangsleistung. Der Photodissoziationslaser CF 3 J erzeugt hohe Lichtleistungen (bis zu 50 kW) bei Impulsenergien von bis zu 65 J. Laser, die mit Explosionen arbeiten, können besonders hohe Leistungen erbringen.

Anordnung von lasertechnologischen Anlagen.Gegenwärtig werden in der Produktionstechnologie elektronischer Produkte verschiedene lasertechnologische Anlagen eingesetzt, die unabhängig von ihrem Zweck ein gemeinsames Strukturdiagramm und ähnliche Strukturelemente aufweisen (Abb. 7).

Laser 2 ist die Hauptenergiequelle für die Umsetzung des technologischen Prozesses. Das optische System 5 fokussiert die Laserstrahlung 4 in einen Lichtstrahl und lenkt sie auf das bearbeitete Objekt 7. Zusätzlich steuert das optische System 5 visuell die Position des Werkstücks relativ zum Strahl, überwacht den Fortschritt des Prozesses und bewertet seine Ergebnisse. Mit Hilfe der Vorrichtung 8 wird das Werkstück 7 während des technologischen Prozesses bewegt, es wird in einer gegebenen Position fixiert und die Werkstücke werden nach der Verarbeitung gewechselt.

Einige technologische Prozesse erfordern die Schaffung spezifischer Bedingungen (z. B. die Bereitstellung eines bestimmten technologischen Umfelds für den Arbeitsbereich). Hierzu stellen die Anlagen eine entsprechende Vorrichtung 10 bereit, die die Zufuhr eines Inertgases während des Schweißens ermöglicht.

In einigen Fällen wird mechanische oder elektromagnetische Energie in den Behandlungsbereich eingeleitet, um die Effizienz der Laserbehandlung zu verbessern. Kombinierte Prozesse (Gaslaserschneiden, Laser-Funkenlochverarbeitung usw.) werden durch eine in die Anlage eingebrachte Hilfsenergiequelle 6 bereitgestellt. Die Bewegung des Werkstücks und die Position des Lasers werden von der Softwarevorrichtung 1 gesteuert. Die Strahlung wird vom Sensor 3, die Temperatur der Behandlungszone, der Zustand der Oberfläche des Werkstücks vom Sensor 9 gesteuert, der zusätzlich die Parameter korrigiert oder den Betrieb stoppt.

Abb. 7. Blockschaltbild der lasertechnologischen Einheit: 1 - Softwaregerät, 2 - Laser, 3 - Strahlungsparametersensor, 4 - Laserstrahlung, 5 - optisches System, 6 - Hilfsenergiequelle, 7 - Werkstück, 8 - Vorrichtung zum Befestigen und Bewegen des Werkstücks Teile, 9 - Sensor für technologische Prozessparameter, 10 - Vorrichtung zur Versorgung des Prozessmediums

Das erste Prinzip des Laserbetriebs, dessen Physik auf dem Planckschen Strahlungsgesetz beruhte, wurde 1917 von Einstein theoretisch begründet. Er beschrieb Absorption, spontane und stimulierte elektromagnetische Strahlung unter Verwendung von Wahrscheinlichkeitskoeffizienten (Einsteins Koeffizienten).

Pioniere

Theodore Maiman demonstrierte als erster das Funktionsprinzip des optischen Pumpens mit einer synthetischen Rubinblitzlampe, die gepulste kohärente Strahlung mit einer Wellenlänge von 694 nm erzeugte.

1960 schufen die iranischen Wissenschaftler Javan und Bennett den ersten Gasquantengenerator mit einem Gemisch aus He- und Ne-Gasen im Verhältnis 1:10.

1962 demonstrierte R. N. Hall, dass das erste Galliumarsenid (GaAs) bei einer Wellenlänge von 850 nm emittiert. Später in diesem Jahr entwickelte Nick Golonyak den ersten Quantengenerator für sichtbares Halbleiterlicht.

Die Vorrichtung und das Funktionsprinzip von Lasern

Jedes Lasersystem besteht aus einem aktiven Medium, das zwischen einem Paar optisch paralleler und stark reflektierender Spiegel angeordnet ist, von denen einer halbtransparent ist, und einer Energiequelle zum Pumpen. Das Verstärkungsmedium kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, die die Eigenschaft haben, die Amplitude der durch sie hindurchtretenden Lichtwelle durch stimulierte Emission mit elektrischem oder optischem Pumpen zu verstärken. Die Substanz wird so zwischen zwei Spiegeln platziert, dass das in ihnen reflektierte Licht jedes Mal durch sie hindurchgeht und, nachdem sie eine signifikante Verstärkung erreicht hat, durch einen halbtransparenten Spiegel dringt.

Zweistufige Umgebungen

Betrachten wir das Funktionsprinzip eines Lasers mit einem aktiven Medium, dessen Atome nur zwei Energieniveaus haben: angeregtes E 2 und Base E 1. Wenn die Atome durch einen Pumpmechanismus (optische, elektrische Entladung, Stromübertragung oder Elektronenbeschuss) in den E 2 -Zustand angeregt werden, kehren sie nach einigen Nanosekunden in die Bodenposition zurück und emittieren Photonen der Energie hν \u003d E 2 - E 1. Nach Einsteins Theorie wird Emission auf zwei verschiedene Arten erzeugt: entweder durch ein Photon induziert oder spontan. Im ersten Fall tritt eine stimulierte Emission und im zweiten Fall eine spontane Emission auf. Im thermischen Gleichgewicht ist die Wahrscheinlichkeit einer stimulierten Emission signifikant geringer als die der spontanen Emission (1:10 33), daher sind die meisten gewöhnlichen Lichtquellen inkohärent und das Lasern ist unter anderen Bedingungen als dem thermischen Gleichgewicht möglich.

Selbst bei sehr starkem Pumpen kann die Population von Zwei-Ebenen-Systemen nur gleich gemacht werden. Um eine inverse Population durch optische oder andere Pumpverfahren zu erreichen, sind daher Systeme mit drei oder vier Ebenen erforderlich.

Mehrebenensysteme

Was ist das Funktionsprinzip eines dreistufigen Lasers? Durch Bestrahlung mit intensivem Licht der Frequenz ν 02 wird eine große Anzahl von Atomen vom niedrigsten Energieniveau E 0 zum oberen E 2 gepumpt. Der nicht strahlende Übergang von Atomen von E 2 zu E 1 führt zu einer Populationsinversion zwischen E 1 und E 0, die in der Praxis nur möglich ist, wenn sich die Atome lange Zeit im metastabilen Zustand E 1 befinden und der Übergang von E 2 zu E 1 schnell erfolgt. Das Funktionsprinzip eines dreistufigen Lasers besteht darin, diese Bedingungen zu erfüllen, wodurch eine Populationsinversion zwischen E 0 und E 1 erreicht wird und die Photonen durch die Energie E 1 -E 0 der induzierten Strahlung verstärkt werden. Ein breiteres E 2 -Niveau könnte den Absorptionsbereich der Wellenlängen für ein effizienteres Pumpen erhöhen, was zu einer Erhöhung der stimulierten Emission führt.

Das dreistufige System erfordert eine sehr hohe Pumpleistung, da die niedrigere Stufe bei der Erzeugung die grundlegende ist. In diesem Fall muss mehr als die Hälfte der Gesamtzahl der Atome in den E 1 -Zustand gepumpt werden, damit die Populationsinversion erfolgt. Das ist verschwendete Energie. Die Pumpleistung kann erheblich reduziert werden, wenn die untere Erzeugungsstufe nicht grundlegend ist, was mindestens ein vierstufiges System erfordert.

Je nach Art des Wirkstoffs werden Laser in drei Hauptkategorien eingeteilt, nämlich fest, flüssig und gasförmig. Seit 1958, als das Lasern erstmals in einem Rubinkristall beobachtet wurde, haben Wissenschaftler und Forscher eine Vielzahl von Materialien in jeder Kategorie untersucht.

Festkörperlaser

Das Funktionsprinzip basiert auf der Verwendung eines aktiven Mediums, das durch Hinzufügen eines Übergangsmetalls zum isolierenden Kristallgitter (Ti +3, Cr +3, V +2, Co +2, Ni +2, Fe +2 usw.) gebildet wird. Seltenerdionen (Ce +3, Pr +3, Nd +3, Pm +3, Sm +2, Eu +2, +3, Tb +3, Dy +3, Ho +3, Er +3, Yb +3 usw.) und Aktiniden wie U +3. Ionen sind nur für die Erzeugung verantwortlich. Die physikalischen Eigenschaften des Grundmaterials, wie beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, sind für einen effizienten Laserbetrieb wesentlich. Die Anordnung der Gitteratome um das dotierte Ion ändert seine Energieniveaus. Unterschiedliche Laserwellenlängen im aktiven Medium werden erreicht, indem unterschiedliche Materialien mit demselben Ion dotiert werden.

Holmiumlaser

Ein Beispiel ist ein Quantengenerator, bei dem Holmium ein Atom des Grundmaterials des Kristallgitters ersetzt. Ho: YAG ist eines der Materialien der besten Generation. Das Funktionsprinzip eines Holmiumlasers besteht darin, dass Yttriumaluminiumgranat mit Holmiumionen dotiert ist, mit einer Blitzlampe optisch gepumpt wird und bei einer Wellenlänge von 2097 nm im Infrarotbereich emittiert, die vom Gewebe gut absorbiert wird. Dieser Laser wird für Operationen an Gelenken, in der Zahnbehandlung, zur Verdunstung von Krebszellen, Nieren und Gallensteinen verwendet.

Halbleiterquantengenerator

Quantentopflaser sind kostengünstig, ermöglichen die Massenproduktion und sind leicht skalierbar. Das Funktionsprinzip eines Halbleiterlasers basiert auf der Verwendung einer pn-Sperrschichtdiode, die Licht einer bestimmten Wellenlänge erzeugt, indem der Träger mit einer positiven Vorspannung ähnlich wie bei LEDs rekombiniert wird. LEDs emittieren spontan, während Laserdioden zwangsweise emittieren. Um die Populationsinversionsbedingung zu erfüllen, muss der Betriebsstrom den Schwellenwert überschreiten. Das aktive Medium in einer Halbleiterdiode hat die Form eines Verbindungsbereichs aus zwei zweidimensionalen Schichten.

Das Funktionsprinzip dieses Lasertyps ist so, dass kein externer Spiegel erforderlich ist, um die Schwingung aufrechtzuerhalten. Das durch die Schichten erzeugte Reflexionsvermögen und die innere Reflexion des aktiven Mediums sind für diesen Zweck ausreichend. Die Endflächen der Dioden sind abgebrochen, wodurch sichergestellt wird, dass die reflektierenden Flächen parallel sind.

Eine von einem Typ gebildete Verbindung wird als Homoübergang bezeichnet, und eine durch Verbinden zweier verschiedener Typen erzeugte Verbindung wird als Heteroübergang bezeichnet.

Halbleiter vom p- und n-Typ mit einer hohen Trägerdichte bilden einen pn-Übergang mit einer sehr dünnen (~ 1 μm) Verarmungsschicht.

Gaslaser

Das Prinzip des Betriebs und der Verwendung eines Lasers dieses Typs ermöglicht es Ihnen, Geräte mit nahezu jeder Leistung (von Milliwatt bis Megawatt) und Wellenlängen (von UV bis IR) zu erstellen und im gepulsten und kontinuierlichen Modus zu arbeiten. Basierend auf der Natur der aktiven Medien werden drei Arten von Gasquantengeneratoren unterschieden, nämlich atomare, ionische und molekulare.

Die meisten Gaslaser werden elektrisch gepumpt. Die Elektronen in der Entladungsröhre werden durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden beschleunigt. Sie kollidieren mit Atomen, Ionen oder Molekülen des aktiven Mediums und induzieren einen Übergang zu höheren Energieniveaus, um den Zustand der Populationsinversion und der stimulierten Emission zu erreichen.

Molekularer Laser

Das Prinzip des Laserbetriebs basiert auf der Tatsache, dass Moleküle in atomaren und ionischen Quantengeneratoren im Gegensatz zu isolierten Atomen und Ionen breite Energiebänder mit diskreten Energieniveaus aufweisen. In diesem Fall hat jedes elektronische Energieniveau eine große Anzahl von Schwingungsniveaus, und diese haben wiederum mehrere Rotationsniveaus.

Die Energie zwischen den elektronischen Energieniveaus liegt im UV- und sichtbaren Bereich des Spektrums, während zwischen den Schwingungsrotationsniveaus - im fernen und nahen IR-Bereich. Daher arbeiten die meisten molekularen Quantengeneratoren im fernen oder nahen Infrarotbereich.

Excimer-Laser

Excimer sind Moleküle wie ArF, KrF, XeCl, die einen getrennten Grundzustand haben und auf der ersten Ebene stabil sind. Das Prinzip des Lasers ist wie folgt. In der Regel ist die Anzahl der Moleküle im Grundzustand gering, daher ist ein direktes Pumpen aus dem Grundzustand nicht möglich. Moleküle werden in einem ersten angeregten elektronischen Zustand durch Kombination von hochenergetischen Halogeniden mit Inertgasen gebildet. Eine Populationsinversion ist leicht zu erreichen, da die Anzahl der Moleküle an der Basislinie im Vergleich zu der angeregten zu gering ist. Kurz gesagt, das Funktionsprinzip eines Lasers besteht im Übergang von einem gebundenen angeregten elektronischen Zustand in einen dissoziativen Grundzustand. Die Population im Grundzustand bleibt immer auf einem niedrigen Niveau, da die Moleküle an diesem Punkt in Atome dissoziieren.

Die Vorrichtung und das Funktionsprinzip von Lasern besteht darin, dass die Entladungsröhre mit einer Mischung aus einem Halogenid (F 2) und einem Seltenerdgas (Ar) gefüllt ist. Die darin enthaltenen Elektronen dissoziieren und ionisieren die Halogenidmoleküle und erzeugen negativ geladene Ionen. Positive Ionen Ar + und negatives F - reagieren und produzieren ArF-Moleküle in einem ersten angeregten gebundenen Zustand, gefolgt von ihrem Übergang in einen abstoßenden Grundzustand und der Erzeugung kohärenter Strahlung. Ein Excimerlaser, dessen Funktions- und Anwendungsprinzip wir jetzt betrachten, kann verwendet werden, um ein aktives Medium auf der Basis von Farbstoffen zu pumpen.

Flüssiger Laser

Flüssigkeiten sind im Vergleich zu Feststoffen homogener und haben eine höhere Dichte an aktiven Atomen als Gase. Darüber hinaus sind sie nicht schwer herzustellen, ermöglichen eine leichte Wärmeableitung und können leicht ausgetauscht werden. Das Funktionsprinzip des Lasers besteht darin, organische Farbstoffe als aktives Medium wie DCM (4-Dicyanomethylen-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), Rhodamin, Styryl, LDS, Cumarin, Stilben usw. zu verwenden. in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst. Eine Lösung von Farbstoffmolekülen wird durch Strahlung angeregt, deren Wellenlänge einen guten Absorptionskoeffizienten aufweist. Kurz gesagt, das Prinzip des Laserbetriebs besteht darin, bei einer längeren Wellenlänge zu erzeugen, die als Fluoreszenz bezeichnet wird. Der Unterschied zwischen absorbierter Energie und emittierten Photonen wird durch nicht strahlende Energieübergänge ausgenutzt und erwärmt das System.

Das breitere Fluoreszenzband von Flüssigquantengeneratoren weist ein einzigartiges Merkmal auf - die Wellenlängenabstimmung. Das Funktionsprinzip und die Verwendung dieses Lasertyps als abstimmbare und kohärente Lichtquelle gewinnt in Spektroskopie-, Holographie- und biomedizinischen Anwendungen zunehmend an Bedeutung.

In letzter Zeit wurden Farbstoffquantengeneratoren zur Isotopentrennung verwendet. In diesem Fall regt der Laser einen von ihnen selektiv an und veranlasst ihn, eine chemische Reaktion einzugehen.

Laser - eine Quelle elektromagnetischer Wellen im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Bereich, basierend auf der stimulierten (oder induzierten) Strahlung von Atomen und Molekülen. Das Wort "Laser" besteht aus den Anfangsbuchstaben (Abkürzung) der Wörter der englischen Phrase "Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission", was "Lichtverstärkung infolge stimulierter Emission" bedeutet. In der Literatur wird auch der Begriff "optischer Quantengenerator" (LQG) verwendet.

Das Prinzip des Laserbetriebs basiert auf drei Grundgedanken. Die erste Idee ist zu verwenden erzwungene (induzierte) Emission Licht durch atomare Systeme. Die zweite Idee ist, sich zu bewerben thermodynamisch Nichtgleichgewichtsmedien mit inverser Population Niveaus, bei denen eine Verstärkung anstelle einer Absorption von Licht möglich ist. Die dritte Idee ist zu verwenden positives Feedback zum Umwandeln des Verstärkersystems in einen kohärenten Strahlungsgenerator.

Betrachten Sie ein freies Atom des emittierenden Mediums, das keinen äußeren Einflüssen ausgesetzt ist und sich in einem angeregten Zustand befindet. Dann kann es spontan (spontan) von einem angeregten Zustand mit Energie E 2 in den Grundzustand (nicht angeregt) mit Energie E 1 übergehen. In diesem Fall wird ein Lichtquant emittiert - ein Photon mit der Energie E des Photons \u003d hn \u003d E 2 - E 1, wobei n ist die Frequenz der emittierten Strahlung. Die statistische, zufällige Natur spontaner Emissionsprozesse führt dazu, dass die von einzelnen Atomen gewöhnlicher Lichtquellen emittierten elektromagnetischen Wellen nicht miteinander koordiniert sind: Sie haben unterschiedliche Phasen, Ausbreitungsrichtungen und Polarisationen. Dies bedeutet, dass die spontane Emission von herkömmlichen Lichtquellen inkohärent ist.

Stimulierte (induzierte) Strahlung - Dies ist die Strahlung elektromagnetischer Wellen, die auftritt, wenn die Atome des Mediums unter Einwirkung externer Strahlung (Photon) vom angeregten Zustand in den Grundzustand übergehen. Eine solche Wechselwirkung eines Photons mit einem angeregten Atom kann auftreten, wenn die Photonenenergie hn ist gleich der Differenz zwischen den Energieniveaus des Atoms im angeregten und Grundzustand: E des Photons \u003d hn \u003d E 2 - E 1 (Fig. 1), wobei n ist die Frequenz der externen Strahlung. In diesem Fall breiten sich nach der Wechselwirkung von Photonen mit einem Atom zwei Photonen aus dem Atom aus: zwingendund gezwungend.h. es gibt eine Zunahme des Lichts. Die in diesem Fall gebildete stimulierte Strahlung hat die gleiche Frequenz und Phase wie die diesen Prozess stimulierende und breitet sich in die gleiche Richtung aus, d. H. Die induzierte Strahlung ist kohärent mit der stimulierenden Strahlung.

Wenn Photonen zusammen mit der stimulierten Emission mit Materie interagieren, kommt es zu einem Absorptionsprozess von Photonen, bei dem die Atome der Materie vom Grundzustand in den angeregten Zustand übergehen. Im normalen Zustand gibt es in der Materie viel mehr nicht angeregte Atome als angeregte. Wenn also Photonen mit der Materie interagieren, überwiegt der Absorptionsprozess und es findet keine Lichtverstärkung statt. Damit der Prozess der stimulierten Emission die Absorption überwiegt, muss die Verteilung der Atome der bestrahlten Substanz über die Energieniveaus geändert werden. Eine Lichtverstärkung findet statt, wenn die Konzentration der Atome der Substanz bei den oberen Energieniveaus, die dem angeregten Zustand entsprechen, größer ist als bei den unteren. Eine solche Verteilung der Atome im Medium über die Energieniveaus wird genannt inverse Bevölkerung... Dieser Zustand ist nur bei thermodynamisch nicht ausgeglichenen Medien möglich.

Ein Medium mit einer inversen Population von Niveaus, bei denen eher eine Verstärkung als eine Absorption von Licht stattfindet, wird als aktives Medium bezeichnet. Nach der Art des verwendeten aktiven Mediums werden Laser in Gas (z. B. Helium-Neon, Argon usw.), Flüssigkeit, Festkörper (Rubin, Glas oder Saphir) und Halbleiter (sie verwenden einen Halbleiterübergang als Wirkstoff) unterteilt.

Die Methoden zur Erzeugung eines aktiven Mediums werden als Laserpumpen bezeichnet. Es gibt verschiedene Methoden zum Pumpen von Lasern - optisches Pumpen (Bestrahlung des Arbeitsmediums von Festkörperlasern mit dem Licht einer starken Blitzlampe), Anregung durch Elektronenstoß (in Gasentladungslasern), chemisches Pumpen usw.

Damit eine positive Rückkopplung auftritt, muss ein Teil der erzeugten Strahlung im aktiven Medium verbleiben und die erzwungene Emission von immer mehr angeregten Atomen verursachen. Um einen solchen Prozess zu erstellen, wird das aktive Medium eingelegt optischer Resonator... Ein optischer Resonator ist ein System aus zwei Spiegeln, zwischen denen sich ein aktives Medium befindet. Spiegel können flach, konvex oder konkav sein. Ihre wichtigste Eigenschaft sind hohe Werte des Reflexionskoeffizienten. Gebrauchte Spiegel mit einer mehrschichtigen dielektrischen Beschichtung, die stark reflektieren und kaum Licht absorbieren. Durch die Mehrfachreflexion von Lichtwellen, die sich im aktiven Medium von den Spiegeln des optischen Resonators ausbreiten, ist deren Mehrfachverstärkung gewährleistet, wodurch eine hohe Strahlungsleistung erreicht wird.

Betrachten Sie die Vorrichtung und das Funktionsprinzip eines Gas-Helium-Neon-Lasers, der im sichtbaren Bereich des Spektrums kontinuierlich arbeitet. Das Hauptelement des Lasers ist eine Entladungsröhre, die mit einer Mischung aus Gasen - Helium und Neon - gefüllt ist. Der Partialdruck von Helium beträgt 1 mm Hg. Art. Neon - 0,1 mm Hg. Kunst. Neonatome sind Atome des aktiven Mediums (arbeiten), Heliumatome sind Hilfsatome, die notwendig sind, um eine inverse Population von Neonatomen zu erzeugen.

In Abb. 2 zeigt die Energieniveaus von Neon- und Heliumatomen. Bei einer elektrischen Entladung werden Heliumatome in der Röhre angeregt und gehen in den Zustand über 2 ... Erstes aufgeregtes Level 2 Helium fällt mit dem Energieniveau zusammen 3 Neonatome. Bei der Kollision mit Neonatomen übertragen Heliumatome daher ihre Energie auf sie und übertragen sie in einen angeregten Zustand 3 ... So entsteht in der Röhre ein aktives Medium, das aus Neonatomen mit einer invertierten Population besteht.

Spontaner (spontaner) Übergang einzelner Neonatome vom Energieniveau 3 auf das Niveau 2 verursacht das Auftreten von Photonen. Bei weiterer Einwirkung dieser Photonen mit angeregten Neonatomen entsteht eine induzierte kohärente Strahlung der letzteren und ein zunehmender Fluss von Photonen mit Energie hn.

Um die Strahlungsleistung zu erhöhen, wird die mit einer Mischung aus Helium und Neon gefüllte Röhre 1 in einen durch die Spiegel 5 und 6 gebildeten optischen Hohlraum angeordnet (siehe Fig. 3). Von den Spiegeln reflektiert, verläuft der Photonenfluss entlang der Achse der Röhre, während eine zunehmende Anzahl von Neonatomen in den Prozess der induzierten Strahlung einbezogen wird und die Intensität der erzeugten Strahlung wie eine Lawine zunimmt.

Der Laser arbeitet im Erzeugungsmodus, wenn der Energieverlust der Lichtwelle bei jeder Reflexion vom Resonatorspiegel geringer ist als der Energieanstieg infolge der induzierten Strahlung, wenn er entlang der Röhre durch das aktive Medium läuft. Daher ist die Qualität der Resonatorspiegel sehr wichtig. Der Resonator besteht aus einer Ebene 5 und konkav 6 Spiegel mit mehrschichtigen dielektrischen Beschichtungen (Abb. 3). Das Reflexionsvermögen dieser Spiegel ist sehr hoch - 98–99%. Die Lichtdurchlässigkeit eines Spiegels beträgt etwa 0,1%, während der andere etwa 0,2% beträgt. Die Verwendung eines Spiegelresonators ermöglicht es, einen starken und schmalen Lichtstrahl zu erhalten.

Energieniveaus 2 und 3 Neonatome haben eine komplexe Struktur, sodass der Laser bis zu 30 verschiedene Wellenlängen im infraroten und sichtbaren Bereich emittieren kann. Die Resonatorspiegel sind mehrschichtig, um aufgrund der Interferenz den notwendigen Reflexionskoeffizienten für eine Wellenlänge zu erzeugen. Somit sendet der Laser eine genau definierte Wellenlänge aus.

Das Gasentladungsrohr 1 (Fig. 3) ist an den Enden durch planparallele Glasplatten 4 verschlossen, die in einem Brewster-Winkel zur Rohrachse installiert sind. Diese Position der Platten gewährleistet die Übertragung polarisierter Neonstrahlung durch sie ohne Reflexionsverluste und führt zu einer ebenen Polarisation der Laserstrahlung. Um eine elektrische Entladung in der Röhre zu erzeugen, werden zwei Elektroden in die Röhre eingeführt: Anode 2 und Kathode 3. Aufgrund des Durchgangs eines elektrischen Stroms durch die Röhre wird im He-Ne-Medium eine inverse Population von Pegeln erzeugt.

Laserlichtquellen haben gegenüber anderen Quellen eine Reihe bedeutender Vorteile:

1. Laser können Lichtstrahlen mit einem sehr kleinen Divergenzwinkel (ca. 10 -5 rad) erzeugen. Auf dem Mond ergibt ein solcher Strahl, der von der Erde ausgestrahlt wird, einen Punkt mit einem Durchmesser von 3 km.

2. Das Laserlicht ist extrem kohärent und monochromatisch.

3. Laser sind die stärksten Lichtquellen. In einem engen Spektralbereich erreichen einige Lasertypen für kurze Zeit (innerhalb eines Zeitintervalls von etwa 10 bis 13 s) eine Strahlungsleistung von 10 17 W / cm 2, während die Sonnenstrahlungsleistung nur 7 × 10 3 W / cm 2 beträgt, und insgesamt über das gesamte Spektrum. Für das enge Intervall Dl \u003d 10 -6 cm (die Breite der Laserspektrallinie) hat die Sonne nur 0,2 W / cm2. Die Stärke des elektrischen Feldes in einer von einem Laser emittierten elektromagnetischen Welle übersteigt die Stärke des Feldes innerhalb des Atoms.

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