اصل عمل لیزر. لیزر چیست؟ اصل کار و کاربرد

افراد زیادی از چاپگرهای لیزری استفاده کرده اند ، بعضی از آنها در خانه خود دارند ، اما آیا همه می دانند چاپگر لیزری چگونه کار می کند؟ خواننده پاسخ این سوال را در این مقاله پیدا خواهد کرد.

چاپگر لیزری وسیله ای جانبی است که متن و گرافیک را به سرعت و با کارآیی بر روی کاغذهای معمولی و اداری چاپ می کند. مزایای اصلی این چاپگرها مانند هزینه کم چاپ ، سرعت بالای کار ، منابع و وضوح بالا ، مقاومت در برابر رطوبت و محو شدن باعث شده است که آنها نه تنها در بین کارمندان ادارات ، بلکه در بین کاربران عادی نیز بیشترین استفاده را داشته باشند.

ایجاد و توسعه چاپگرهای لیزری

اولین تصویر با استفاده از جوهر خشک و الکتریسیته ساکن توسط چستر کارلسون در سال 1938 بدست آمد. و تنها 8 سال بعد ، او توانست سازنده دستگاههایی را که اختراع کرده پیدا کند. این شرکتی بود که امروز همه ما با نام زیراکس می شناسیم. و در همان سال ، 1946 ، اولین دستگاه کپی وارد بازار شد. این ماشین عظیم و پیچیده ای بود که نیاز به تعدادی عملیات دستی داشت. تنها در اواسط دهه 1950 بود که اولین مکانیزم کاملاً خودکار ایجاد شد که نمونه اولیه چاپگر لیزری مدرن بود.

در اواخر سال 1969 ، زیراکس کار در زمینه تولید چاپگرهای لیزری را آغاز کرد و به آن زمان پرتوی لیزر را به طرح های موجود اضافه کرد. اما ارزش آن طبق این استانداردها به یک سوم میلیون دلار می رسید و دارای ابعادی عظیم بود که اجازه استفاده از چنین دستگاهی حتی در شرکت های کوچک را نمی داد ، چه رسد به زندگی روزمره.

همکاری غولهای صنعت چاپ Canon و HP راه اندازی سری چاپگرهای LaserJet است که می توانند حداکثر 8 صفحه متن در دقیقه چاپ کنند. با معرفی اولین کارتریج قابل تعویض برای چاپگر لیزری ، چنین دستگاه هایی مقرون به صرفه تر می شوند.

اصل عمل

اساس شکل گیری رنگ ، رنگ موجود در تونر است. تحت تأثیر الکتریسیته ساکن ، می چسبد و به معنای واقعی کلمه روی کاغذ نقش می بندد. اما چگونه این اتفاق می افتد؟

هر چاپگر لیزری از سه بلوک اصلی تشکیل شده است: یک صفحه مدار چاپی ، یک واحد انتقال تصویر (کارتریج) و یک واحد چاپ. تغذیه کاغذ توسط واحد تغذیه کاغذ انجام می شود. تغذیه کاغذ از سینی پایین و خوراک کاغذ از سینی بالا به دو روش طراحی شده اند.

ساختار آن کاملاً ساده است:

• غلتک - برای گرفتن کاغذ مورد نیاز است.
• بلوک برای گرفتن و تغذیه یک ورق ؛
• غلتکی که الکتریسیته ساکن را به کاغذ منتقل می کند.
• کارتریج چاپگر لیزری از دو قسمت تونر و درام یا سیلندر عکس تشکیل شده است.

تونر

تونر متشکل از ذرات پلیمر میکروسکوپی است که با در اختیار داشتن یک مگنیت و یک تنظیم کننده بار ، با یک رنگ پوشانده شده اند. هر شرکت پودرهایی با ویژگی های منحصر به فرد برای چاپگرها و دستگاه های چند منظوره خود تولید می کند. همه پودرها از نظر مغناطیسی ، تراکم ، پراکندگی ، اندازه دانه و سایر خصوصیات فیزیکی متفاوت هستند. بنابراین ، کارتریج ها را با تونر تصادفی دوباره پر نکنید. از مزایای تونر نسبت به جوهر وضوح تصویر چاپ شده و مقاومت در برابر رطوبت است که با قرار دادن پودر در کاغذ اطمینان حاصل می شود. از جمله کاستی ها ، لازم به ذکر است که عمق کم رنگ ، اشباع در هنگام چاپ رنگ و اثر منفی بر بدن انسان هنگام تعامل با تونر ، به عنوان مثال ، هنگام شارژ یک کارتریج.

ساختار و مراحل چاپ تصاویر

این درام به صورت شافت آلومینیومی طولی ساخته شده و لایه نازکی از مواد روی آن اعمال می شود که نسبت به پرتوهای نور با پارامترهای خاص حساس است. سیلندر با یک لایه محافظ پوشانده شده است. علاوه بر آلومینیوم ، طبل ها با مواد حساس به نور غیر آلی ساخته می شوند. خاصیت اصلی طبل تغییر در رسانایی (بار) تحت تأثیر پرتو لیزر است. این بدان معنی است که اگر به سیلندر شارژ داده شود ، آن را برای مدت زمان قابل توجهی ذخیره می کند. اما اگر هر ناحیه از شافت را با نور روشن کنید ، آنها بلافاصله بار خود را از دست می دهند و به دلیل افزایش رسانایی (یعنی کاهش مقاومت الکتریکی) در این مناطق بار خنثی می شوند. بار از سطح لایه داخلی رسانا تخلیه می شود.

وقتی سندی برای چاپ می رسد ، برد مدار چاپی آن را پردازش می کند و پالس های نور مناسب را به واحد انتقال تصویر می فرستد ، جایی که تصویر دیجیتال روی کاغذ به تصویر تبدیل می شود. درام توسط شافت چرخانده شده و بار منفی یا مثبت اولیه را از غلتک نزدیک دریافت می کند. مقدار آن توسط تنظیمات چاپ تعیین می شود ، که توسط مدار چاپی گزارش می شود.

پس از شارژ سیلندر ، یک پرتوی لیزر افقی با فرکانس فوق العاده ای آن را اسکن می کند. همانطور که در بالا ذکر شد ، مناطق در معرض فتوسیلندر تخلیه نمی شوند. این مناطق بدون بار در تصویر آینه ای تصویر دلخواه را بر روی طبل تشکیل می دهند. بعلاوه ، برای اینکه تصویر روی کاغذ نشان داده شود ، باید مناطق بدون بار را با تونر پر کنید. واحد اسکن لیزر شامل یک آینه ، یک لیزر نیمه هادی ، چندین لنز شکل دهنده و یک لنز کانونی است.

درام با غلتکی که در درجه اول از منیزیم ساخته شده تماس می گیرد و تونر را از ظرف به فتوسیلندر می رساند. غلتکی که آهن ربا دائمی در آن قرار دارد ، به صورت یک استوانه توخالی با یک لایه رسانا ساخته می شود. تحت تأثیر میدان مغناطیسی ، تونر حاصل از قیف توسط نیروی هسته مغناطیسی شده به غلتک جذب می شود.

تحت اثر ولتاژ الکترواستاتیک ، تونر از غلتک به تصویر تشکیل شده توسط پرتوی لیزر در سطح طبل ، نزدیک به غلتک چرخانده می شود. تونر جایی برای رفتن ندارد ، زیرا ذرات دارای بار منفی به مناطق دارای بار مثبت فوتوسیلندر جذب می شوند ، که تصویر مورد نظر روی آنها شکل گرفته است. بار منفی درام باعث هدر رفتن تونر زباله به مناطق اسکن شده با لیزر می شود.

بیایید یک تفاوت جزئی را یادداشت کنیم. تصویربرداری دو نوع است. متداول ترین آن استفاده از تونر دارای بار مثبت است. این پودر در نواحی باردار خنثی فتوسیلندر باقی می ماند. یعنی لیزر مناطقی را که تصویر آینده ما در آن قرار دارد ، روشن می کند. طبل بار منفی دارد. مکانیسم دوم کمتر رایج است و از تونر با بار منفی استفاده می کند. پرتوی لیزر مناطقی از فوتوسیلندر با بار مثبت را "تخلیه" می کند که تصویر نباید روی آن باشد. لازم به یادآوری است که هنگام انتخاب یک چاپگر لیزری ، زیرا در حالت اول انتقال دقیق تر قطعات وجود دارد و در مورد دوم - پر کردن یکنواخت و متراکم تر. چاپگرهای اول برای چاپ اسناد متنی عالی بودند ، به همین دلیل همه گیر شدند.

قبل از لمس سیلندر ، کاغذ توسط غلتک انتقال بار با الکتریسیته ساکن شارژ می شود. با تأثیر اینکه کدام تونر هنگام تماس با درام به کاغذ جذب می شود. حذف کننده بار استاتیک بلافاصله از کاغذ برداشته می شود. با این کار جذب ورق به فتوسیلندر از بین می رود. در طی عبور کاغذ از واحد اسکن لیزر ، تصویر تشکیل شده روی ورق قابل مشاهده می شود که با کوچکترین لمس به راحتی از بین می رود. برای دوام آن ، لازم است که با ذوب کردن مواد افزودنی موجود در تونر ، آن را رفع کنید. این فرآیند در واحد تصویربرداری انجام می شود - این سومین واحد اصلی چاپگر لیزری است. به آن "اجاق گاز" نیز گفته می شود. به طور خلاصه ، مواد تشکیل دهنده تونر ذوب می شوند. به نظر می رسد که پس از فشار و جامد شدن ، این پلیمرها جوهر را پوشانده و از آن در برابر تأثیرات خارجی محافظت می کنند. خواننده اکنون می فهمد که چرا ورق های چاپ شده از چاپگر بسیار گرم هستند.

با طراحی ، اجاق گاز موسوم به "اجاق گاز" از دو شافت تشکیل شده است ، یکی از آنها شامل یک عنصر گرم کننده است. مورد دوم ، اغلب پایین ، برای فشار دادن پلیمر مذاب به داخل کاغذ مورد نیاز است. عناصر گرمایش به صورت ترمیستور ساخته شده به صورت فیلم های حرارتی ساخته می شوند. وقتی ولتاژ به آنها وارد می شود ، این عناصر در یک ثانیه تا دمای بالا (حدود 200 درجه سانتی گراد) گرم می شوند. یک غلتک خرج کننده ورق را به بخاری فشار می دهد ، در طی آن ذرات میکروسکوپی مایع تونر به بافت کاغذ فشار داده می شوند. در خروجی از واحد تثبیت کننده فاصله وجود دارد تا کاغذ به فیلم گرمایی نچسبد.

صفحه 2 از 2

که در مقاله در نظر گرفته شده اصل اقدامات و دستگاه نوین لیزر چاپگرها. او باز می شود سلسله مقالات, اختصاصی اصول و مشکلات لیزر هزینه ها.

تصویری که با چاپگرهای لیزری مدرن (و همچنین چاپگرهای ماتریس نقطه ای و جوهر افشان) بدست می آید از نقاط تشکیل شده است. هرچه این نقاط کوچکتر باشند و بیشتر در مکان قرار بگیرند ، کیفیت تصویر بالاتر است. حداکثر تعداد نقاطی که چاپگر می تواند به طور جداگانه روی قطعه 1 اینچ (25.4 میلی متر) چاپ کند ، وضوح نامیده می شود و با نقطه در اینچ بیان می شود ، در حالی که وضوح می تواند 1200 dpi یا بیشتر باشد. کیفیت متن چاپ شده روی چاپگر لیزری با رزولوشن 300 dpi تقریباً از نوع چاپی است. با این حال ، اگر صفحه حاوی نقاشی های حاوی رنگ های خاکستری باشد ، برای دستیابی به یک تصویر گرافیکی با کیفیت بالا ، وضوح حداقل 600 dpi لازم است. با وضوح چاپگر 1200 dpi ، چاپ تقریباً با کیفیت عکاسی انجام می شود. اگر شما نیاز به چاپ تعداد زیادی اسناد دارید (به عنوان مثال بیش از 40 برگ در روز) ، به نظر می رسد که یک چاپگر لیزری تنها انتخاب مناسب است ، زیرا برای چاپگرهای لیزری شخصی مدرن ، پارامترهای استاندارد 600 dpi و سرعت چاپ 8 ... 1 صفحه در دقیقه است.

اصل عملکرد چاپگر لیزری

اولین چاپگر لیزری توسط Hewlett Packard معرفی شد. از اصل الکتروگرافیک در ایجاد تصاویر استفاده کرد - همان چیزی که در دستگاه های کپی. تفاوت در نحوه قرار گرفتن در معرض بود: در دستگاه های کپی ، با کمک یک لامپ انجام می شود ، در حالی که در چاپگرهای لیزری ، نور لامپ جایگزین پرتو لیزر شده است.

قلب یک چاپگر لیزری رسانای ارگانیک عکس است که غالباً به آن درام تصویربرداری یا به سادگی درام گفته می شود. با کمک آن ، تصویر به کاغذ منتقل می شود. درام یک استوانه فلزی است که با یک فیلم نازک از یک نیمه هادی حساس به نور پوشانده شده است. سطح چنین استوانه ای را می توان با بار مثبت یا منفی تهیه کرد که تا زمان روشن شدن درام حفظ می شود. اگر هر قسمت از طبل در معرض دید باشد ، پوشش رسانایی پیدا می کند و بار از ناحیه روشن تخلیه می شود و یک منطقه بدون بار را تشکیل می دهد. این کلید درک نحوه عملکرد چاپگر لیزری است.

قسمت مهم دیگر چاپگر لیزر و سیستم نوری-مکانیکی آینه ها و لنزها است که پرتوی لیزر را در امتداد سطح طبل حرکت می دهد. لیزر کوچک پرتوی نوری بسیار نازکی را ایجاد می کند. با بازتاب از آینه های چرخان (معمولاً چهار ضلعی یا شش ضلعی) ، این پرتو سطح درام را روشن می کند و در هنگام قرار گرفتن در معرض بار آن را از بین می برد.

برای بدست آوردن تصویر نقطه ای ، لیزر با استفاده از میکروکنترلر کنترل روشن و خاموش می شود. آینه چرخان پرتو را به شکل خطی از تصویر نهان در سطح طبل باز می کند.

پس از تشکیل یک خط ، یک موتور پله مخصوص درام را می چرخاند تا بعدی ایجاد شود. این افست با وضوح عمودی چاپگر مطابقت دارد و معمولاً 1/300 یا 1/600 اینچ است. روند تشکیل یک تصویر نهفته در یک درام شبیه شکل گیری یک رستر در یک مانیتور تلویزیون است.

دو روش اصلی برای شارژ مقدماتی (اولیه) سطح فتوسیلندر وجود دارد:

Ø با سیم یا مش نازک به نام سیم تاج. ولتاژ زیادی که به سیم وارد می شود ، یک ناحیه یونیزه درخشان در اطراف آن ایجاد می کند که به آن تاج می گویند و بار استاتیک لازم را به درام می دهد.

Ø استفاده از غلتک لاستیکی از قبل شارژ شده (PCR).

بنابراین ، یک تصویر نامرئی بر روی طبل به صورت نقطه های تخلیه ایستا تشکیل می شود. بعدی چیست؟

دستگاهکارتریج

قبل از صحبت در مورد فرآیند انتقال و اصلاح یک تصویر روی کاغذ ، دستگاه کارتریج مخصوص چاپگر Laser Jet 5L را از Hewlett Packard در نظر بگیرید. این کارتریج معمولی دارای دو محفظه اصلی است: محفظه تونر زباله و محفظه تونر.

عناصر اصلی ساختاری محفظه تونر زباله:

1 - طبل (طبل هادی عکس ارگانیک (OPC)).این یک سیلندر آلومینیومی است که با ماده حساس به نور و رسانای نوری (معمولاً اکسید روی) پوشانده شده است و قادر است تصویر اعمال شده توسط پرتو لیزر را حفظ کند.

2 - شافت اولیه شارژ (غلتک شارژ اولیه (PCR)).یک بار منفی به طبل می رساند. ساخته شده از پایه لاستیکی رسانا یا لاستیک فوم که روی شافت فلزی اعمال می شود.

3 - « افعی» , چاقو, تمیز کردن تیغه (تیغه برف پاک کن ، تیغه تمیز کننده).درام باقی مانده های تونر را که به کاغذ منتقل نشده اند پاک می کند. از نظر ساختاری به شکل یک قاب فلزی (مهر زنی) با صفحه پلی اورتان (تیغه) در انتها ساخته شده است.

4 - تیغه تمیز کردن (بهبود تیغه). ناحیه بین طبل و جعبه تونر زباله را پوشش می دهد. Recovery Blade اجازه می دهد تونر باقی مانده روی درام به قیف منتقل شود و از ریختن آن در جهت مخالف (از قیف به روی کاغذ) جلوگیری می کند.

عناصر اصلی ساختاری محفظه تونر:

1 - مغناطیسی شافت (غلتک توسعه دهنده مغناطیسی ، غلتک مگ ، رولر توسعه دهنده).این یک لوله فلزی است که یک هسته مغناطیسی غیر متحرک درون آن دارد. تونر جذب غلتک مغناطیسی می شود که قبل از تغذیه به درام ، تحت تأثیر ولتاژ DC یا AC بار منفی پیدا می کند.

2 - « دکتر» (دکتر تیغه ، تیغه اندازه گیری).توزیع یکنواخت لایه نازک تونر روی غلتک مغناطیسی را فراهم می کند. از نظر ساختاری به شکل یک قاب فلزی (مهر زنی) با یک صفحه انعطاف پذیر (تیغه) در انتها ساخته شده است.

3 - آب بندی تیغه مغناطیسی شافت(مگ غلتک آب بندی تیغه). صفحه ای نازک از لحاظ عملکردی مشابه Recovery Blade. منطقه بین غلتک مغناطیسی و محفظه تامین تونر را پوشش می دهد. Mag Roller Sealing Blade تونر باقی مانده روی غلتک مغناطیسی را به محفظه منتقل می کند و از نشت تونر در جهت مخالف جلوگیری می کند.

4 - سنگر برای تونر (تونر مخزن). در داخل آن تونر "در حال کار" است که هنگام چاپ به کاغذ منتقل می شود. علاوه بر این ، یک فعال کننده تونر (نوار همزن تونر) در قیف تعبیه شده است - یک قاب سیم طراحی شده برای هم زدن تونر.

5 - مهر, بررسی (مهر). در یک کارتریج جدید (یا بازسازی شده) ، قیف تونر با یک مهر و موم مخصوص مهر و موم شده است که از ریختن تونر هنگام حمل کارتریج جلوگیری می کند. این مهر و موم قبل از استفاده برداشته می شود.

اصل لیزر

تصویر کارتریج برش خورده را نشان می دهد. وقتی چاپگر روشن است ، تمام اجزای کارتریج در حال حرکت هستند: کارتریج برای چاپ آماده شده است. این فرآیند همان چاپ است ، اما پرتو لیزر روشن نمی شود. سپس حرکت اجزای کارتریج متوقف می شود - چاپگر وارد حالت آماده چاپ می شود.

پس از ارسال سندی برای چاپ ، فرآیندهای زیر در کارتریج چاپگر لیزری رخ می دهد:

شارژ کردن طبل. غلتک شارژ اولیه (PCR) بار منفی را به طور مساوی به سطح درام چرخان منتقل می کند.

قرار گرفتن در معرض بیماری. سطح طبل با بار منفی فقط در جایی قرار می گیرد که از تونر استفاده شود. تحت تأثیر نور ، سطح حساس به نور طبل بار منفی خود را تا حدی از دست می دهد. بنابراین ، لیزر تصویری پنهان روی طبل را به صورت نقاط با بار منفی ضعیف در معرض دید قرار می دهد.

کاربرد تونر. در این مرحله ، تصویر نهان روی درام با تونر به یک تصویر قابل مشاهده تبدیل می شود ، که به کاغذ منتقل می شود. تونر نزدیک غلتک مغناطیسی توسط میدان آهنربای دائمی که هسته غلتک از آن ساخته شده است ، به سطح خود جذب می شود. با چرخش غلتک مغناطیسی ، تونر از شکاف باریکی که توسط پزشک و غلتک تشکیل شده است عبور می کند. در نتیجه ، بار منفی به دست می آورد و به قسمت هایی از طبل که در معرض قرار گرفته می چسبد. "دکتر" استفاده یکنواخت از تونر بر روی غلتک مغناطیسی را تضمین می کند.

انتقال تونر بر کاغذ. در ادامه چرخش ، درام با تصویر توسعه یافته با کاغذ تماس می گیرد. در قسمت عقب ، کاغذ بر روی غلتک انتقال بار مثبت فشار داده می شود. در نتیجه ، ذرات تونر با بار منفی به کاغذی که روی آن تصویر پاشیده شده با تونر تولید می شود ، جذب می شوند.

لنگر انداختن تصاویر. یک ورق کاغذ با یک تصویر شل به مکانیزم ثابت سازی منتقل می شود ، که دو شافت لمس کننده است و کاغذ بین آنها کشیده می شود. غلتک فشار پایین آن را به سمت غلتک فوزر فوقانی فشار می دهد. غلتک بالایی داغ است و با لمس ، ذرات تونر ذوب می شوند و به کاغذ می چسبند.

تمیز کردن طبل. مقداری تونر به کاغذ منتقل نمی شود و روی درام می ماند ، بنابراین باید تمیز شود. این عملکرد توسط "افعی" انجام می شود. هر تونر باقی مانده روی درام با برف پاک کن درون جعبه تونر زباله پاک می شود. با این کار ، Recovery Blade ناحیه بین طبل و قیف را می بندد و از ریختن تونر روی کاغذ جلوگیری می کند.

"پاک کردن" تصاویر. در این مرحله ، تصویر نهان اعمال شده توسط پرتو لیزر از سطح درام "پاک می شود". با کمک غلتک شارژ اولیه ، سطح طبل به طور مساوی با بار منفی "پوشانده" می شود ، که در مناطقی بازیابی می شود که با اثر نور بخشی از آن برداشته شده است.

لیزر یک مولد نور منسجم است. یک موج منسجم (مرتب) ایده آل دارای طول و فرکانس کاملاً مشخص ، یک جلو صاف و در حالت ایده آل قطبی است. امواج ناهماهنگ (بی نظم) با گسترش فرکانس ها و طول موج ها در یک محدوده کاملاً بزرگ از مقادیر مشخص می شوند و صفحه قطبی مشخصی ندارند.

امواج نوری منسجم و منسجم در طبیعت وجود ندارد. صرف نظر از منبع ، امواج نور با گسترش خصوصیات آنها در محدوده خاصی از مقادیر مشخص می شوند. هرچه این فواصل باریک تر باشند ، ترتیب تابش نور مرتب و منسجم تر است. به روشی تا حدی ساده ، می توان موج نوری واقعی را مجموعه ای از امواج پلاریزه تک رنگ صفحه ای با فرکانس های مختلف ، جهات انتشار و صفحات قطبش دانست. افزایش انسجام تابش را می توان کاهش تعداد امواج مختلف در یک مجموعه دانست. در تابش منسجم ایده آل ، که توسط لیزر به آن نزدیک می شود ، کل مجموعه از یک موج تشکیل شده است.

تابش منسجم دارای خواصی نظیر تک رنگ بودن ، واگرایی پرتو کم ، روشنایی زیاد است. این اجازه می دهد تا تابش لیزر بر روی سطح ماده در حال پردازش با استفاده از یک سیستم نوری ساده متمرکز شود. ابعاد خطی پرتوی لیزر متمرکز (نقطه ای) می تواند به کسری از میکرومتر برسد. با چنین ابعاد کوچکی ، تمام انرژی تابشی در ناحیه ای در میلیونیوم سانتی متر مربع متمرکز می شود و باعث ایجاد تراکم انرژی در سطح صدها میلیارد وات بر سانتی متر مربع می شود. بنابراین ، یک پرتو منسجم متمرکز می تواند مواد نسوز بیشتر را بخار کند.

کلمه لیزر از حروف ابتدایی عبارت انگلیسی Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation تشکیل شده است که به روسی ترجمه شده تقویت نور توسط انتشار تحریک شده است.

کار لیزر بر اساس استفاده از ذخایر انرژی داخلی اتم ها و مولکول های یک ماده ، تشکیل ریزسیستم ها است - تشکیلات متشکل از هسته ها و الکترون ها ، رفتار و وضعیت آنها از قوانین مکانیک کوانتوم پیروی می کند.

انرژی حرکت نسبی ذرات سازنده اتم ها فقط می تواند مقادیر کاملاً مشخصی به خود بگیرد. به این مقادیر انرژی E 1، E 2، ...، E k گفته می شود سطح انرژی... سیستم سطوح انرژی طیف انرژی اتم را تشکیل می دهد. سطح پایین تر - با حداقل انرژی - نامیده می شود اصلی، بقیه - برانگیخته... طیف انرژی یک اتم جدا شده به ساختار آن بستگی دارد. به تعداد اتمهای دارای انرژی معین گفته می شود جمعیت مرحله.

اگر به اتمی واقع در سطح زمین E 1 انرژی داده شود ، می تواند به یکی از سطوح برانگیخته برود (شکل 1). برعکس ، یک اتم هیجان زده می تواند خود به خود (خود به خود) به یکی از سطوح پایین برود ، در حالی که بخش خاصی از انرژی را به شکل یک کوانتوم نور (فوتون) ساطع می کند. اگر در هنگام انتقال اتم از سطح انرژی E m به سطح E n ، تابش نور رخ دهد ، فرکانس کوانتوم نور ساطع شده (یا جذب شده) n mn:

جایی که h ثابت پلانک است.

عکس. 1. طیف انرژی اتم

این فرایندهای تابش خود به خودی هستند که در اجسام گرم شده و گازهای درخشان رخ می دهند: گرم شدن یا تخلیه الکتریکی برخی از اتم ها را به حالت برانگیخته تبدیل می کند. با عبور از حالت های پایین تر ، آنها نور ساطع می کنند. در فرآیند انتقال خود به خود ، اتم ها نور را به طور مستقل از یکدیگر ساطع می کنند. کوانتاهای نوری به صورت موجی از هرج و مرج ساطع می شوند قطارها(بسته ها) قطارها به موقع با یکدیگر هماهنگ نیستند ، یعنی فاز دیگری دارند بنابراین ، انتشار خود به خودی منسجم نیست.

همراه با انتشار خود به خود یک اتم هیجان زده ، وجود دارد مجبور(یا القاء شده) تابش: اتم ها تحت تأثیر یک میدان الکترومغناطیسی خارجی که به سرعت در حال تغییر است مانند نور ساطع می شوند. در این حالت ، معلوم می شود که در اثر یک موج الکترومغناطیسی خارجی ، اتم موج ثانویه ساطع می کند ، که در آن فرکانس ، قطبش ، جهت انتشار و فاز کاملاً با ویژگی های موج خارجی که بر روی اتم کار می کند منطبق است. پدیده تابش تحریک شده می تواند تابش اتم ها را به کمک امواج الکترومغناطیسی کنترل کرده و از این طریق نور منسجم را تقویت و تولید کند. برای انجام این کار در عمل ، شرایط خاصی باید رعایت شود. اول ، شما نیاز دارید طنین - همزمانی فرکانس نور حادثه با یکی از فرکانس های  mn از طیف انرژی اتم. طبیعت خود از تحقق شرایط تشدید مراقبت می کرد: اگر هنگام انتقال اتم از سطح بالاتر E m به سطح E n ، یک فوتون نوری خود به خود ساطع شود ، فرکانس آن برابر با  mn است و با انتقال بین سطوح مشابه اتم دیگر از همان نوع مطابقت دارد ، زیرا طیف انرژی اتمهای یکسان کاملاً یکسان است. در آینده ، انتشار تحریک شده اتم های برانگیخته ، بهمن کاملی از فوتون ها را تولید می کند ، در همه موارد مشابه فوتون اولیه. در نتیجه ، مجموعه اتمها یک موج نوری منسجم شدید ، یعنی تولید نور منسجم انجام خواهد شد. شرایط دیگر مربوط به جمعیت در سطوح مختلف است. همراه با انتشار نور تحریک شده توسط اتمهای واقع در سطح بالاتر E متر ، نیز وجود دارد جذب تشدید اتم های ساکن در سطح پایین Е n. اتم واقع در سطح پایین E n کوانتومی نور را جذب می کند ، در حالی که به سطح بالایی E m می رسد. جذب رزونانس از اینرسی نور جلوگیری می کند. اینکه آیا در پایان یک سیستم اتمی نور تولید خواهد کرد یا نه ، به این بستگی دارد که کدام اتمها در ماده بیشتری وجود دارند. برای ایجاد لیزر ، لازم است که تعداد اتمها در سطح بالا N m بیشتر از تعداد اتمها در سطح پایین N n باشد ، که انتقال بین آنها اتفاق می افتد.

در شرایط طبیعی ، ذرات کمتری در هر درجه حرارت نسبت به سطح پایین تر ، در سطح بالاتر وجود دارد. بنابراین ، هر جسمی ، هر چند به شدت گرم شود ، به دلیل انتقال اجباری ، نوری ایجاد نخواهد کرد.

برای برانگیختن تولید نور منسجم ، لازم است اقدامات ویژه ای انجام شود تا از دو سطح انتخاب شده ، سطح بالا بیشتر از سطح پایین جمع شود. حالتی از ماده که در آن تعداد اتم در یکی از سطوح با انرژی بالاتر از تعداد اتم در سطح انرژی پایین تر باشد ، نامیده می شود. فعال، یا ایالتی با وارونگی (درخواست) جمعیت. بنابراین ، برای تحریک تولید نور منسجم ، وارونگی جمعیت برای آن جفت سطح مورد نیاز است ، انتقال بین آن مربوط به فرکانس تولید است.

دومین مشکلی که برای ایجاد لیزر باید حل شود ، مشکل است بازخورد. برای اینکه نور بتواند تابش اتم ها را کنترل کند ، لازم است که بخشی از انرژی نور ساطع شده در تمام مدت درون ماده در حال کار باقی بماند و باعث انتشار اجباری نور توسط بیشتر و بیشتر اتم ها شود. این کار با استفاده از آینه انجام می شود. در ساده ترین حالت ، ماده فعال بین دو آینه قرار می گیرد ، یکی از آنها نیمه شفاف است (شکل 2). یک موج نوری که در نتیجه انتقال خود به خودی یک اتم در هر مکان منتشر می شود ، هنگام انتشار از طریق ماده فعال ، به دلیل انتشار تحریک شده ، تقویت می شود. پس از رسیدن به آینه شفاف ، نور تا حدی از آن عبور می کند. این قسمت از انرژی نوری توسط لیزر در خارج ساطع می شود و می تواند مورد استفاده قرار گیرد. بخشی از نور منعکس شده از آینه نیمه شفاف باعث ایجاد بهمن جدیدی از فوتون ها می شود. این بهمن به دلیل خاصیت انتشار اجباری با قبلی تفاوت نخواهد داشت.

شکل 2 مدار تحریک تولید نور منسجم

اما تحقق دو شرط توصیف شده هنوز ناکافی است. برای ایجاد نور ، تقویت ماده فعال باید به اندازه کافی بزرگ باشد. باید بیش از یک مقدار خاص بنامد آستانه... در واقع ، اجازه دهید بخشی از جریان شار نور روی آینه نیمه شفاف بازتاب شود. تقویت در فاصله دو برابر آینه ها (یک پاس) باید به گونه ای باشد که انرژی نوری که به آینه نیمه شفاف برگردانده می شود کمتر از زمان قبلی نباشد. فقط در این صورت است که موج نور از گذر به محل دیگر شروع به جمع شدن می کند. اگر اینگونه نباشد ، در هنگام عبور دوم از آینه نیمه شفاف ، انرژی کمتری نسبت به لحظه قبلی ، در مرحله سوم - حتی کمتر و غیره خواهد رسید. روند میرایی تا زمان خاموش شدن کامل شار نورانی ادامه خواهد داشت. واضح است که هرچه بازتاب آینه نیمه شفاف کمتر باشد ، افزایش آستانه ماده فعال بیشتر است.

بنابراین ، برای ایجاد یک منبع نور منسجم ، موارد زیر لازم است:

شما به یک ماده فعال با جمعیت معکوس نیاز دارید ، فقط در این صورت می توانید تقویت نور را به دلیل انتقال اجباری بدست آورید.

ماده فعال باید بین آینه هایی قرار گیرد که بازخورد می دهند.

سود حاصل از ماده فعال ، به این معنی که تعداد اتم ها یا مولکول های تحریک شده در ماده کار باید بیشتر از مقدار آستانه باشد ، که به ضریب بازتاب آینه نیمه شفاف بستگی دارد.

راه های ایجاد یک وارونگی. روش های مختلفی برای ایجاد وارونگی (پمپاژ یک محیط فعال) وجود دارد: نوری ، حرارتی ، شیمیایی ، استفاده از پرتو الکترون ، استفاده از تخلیه الکتریکی خود پایدار و غیره

از روش های ارائه شده ، پمپاژ نوری و پمپاژ با استفاده از تخلیه الکتریکی پایدار را در نظر خواهیم گرفت.

راه اول جهانی است و برای تحریک رسانه های مختلف فعال - بلورهای دی الکتریک ، لیوان ها ، مایعات ، مخلوط های گاز استفاده می شود. از تحریک نوری می توان به همان روشی استفاده کرد که بعنوان عنصر تشکیل دهنده برخی روشهای پمپاژ دیگر (به عنوان مثال ، الکتروایونیزاسیون و مواد شیمیایی).

راه دوم برای پمپاژ محیط های فعال گازی نادر مورد استفاده قرار می گیرد.

هر دو روش ، مانند بسیاری دیگر ، پمپاژ پالسی و مداوم را امکان پذیر می کند. با استفاده از روش نوری می توان از لامپ های چشمک زن دبی یا لامپ های مداوم سوز استفاده کرد. هنگام پمپاژ با استفاده از تخلیه الکتریکی ، از تخلیه های پالسی و ثابت استفاده می شود. با پمپاژ پالسی ، انرژی تحریک به بخشی (پالس) وارد عنصر فعال می شود و با پمپاژ مداوم ، به طور مداوم (پایدار) است.

پمپاژ پالسی (در مقایسه با پمپاژ مداوم) دارای مزایای زیادی است ، از آنجا که لیزینگ را در اکثر محیط های فعال فراهم می کند ، از نظر فنی اجرای آن آسان تر است و به دلیل گرم شدن ناچیز آن نیازی به خنک کننده اجباری عنصر فعال نیست. تحت پمپاژ پالسی ، رژیم های مختلف لیزر امکان پذیر است. تابش لیزر به صورت یک پالس نور منفرد یا یک توالی پالس تشکیل می شود. در همان زمان ، غلظت بالایی از انرژی ساطع شده در زمان و مکان حاصل می شود (پالس های نور کوتاه مدت با قدرت حداکثر 10 12 وات).

تحریک مراکز فعال تحت پمپاژ نوری در نتیجه جذب تابش از یک منبع نور ویژه اتفاق می افتد.

هنگامی که توسط تخلیه الکتریکی خود پایدار پمپ می شود ، سطح بالایی در نتیجه برخورد غیر الاستیک مراکز فعال با الکترونهای پلاسما آزاد پر می شود.

تحت پمپاژ الکترواینیزاسیون ، الکترونهای سریعی که حالتهای ارتعاشی مولکولهای گاز را تحریک می کنند (بخصوص نیتروژن و دی اکسید کربن) نه در یک تخلیه خود پایدار ، بلکه تحت تأثیر تشعشعات یونیزان و یک میدان خارجی شتاب دهنده تشکیل می شوند. از پرتو الکترون شتاب دهنده به عنوان تشعشع یونیزان استفاده می شود.

بنابراین ، هر لیزر از سه قسمت اصلی تشکیل شده است: یک عنصر فعال ، یک حفره نوری و یک سیستم پمپاژ. نمودار عملکردی لیزر در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3 نمودار عملکردی لیزر: 1 - عنصر فعال ؛ 2 - آینه تشدید کننده 3 - عنصر تشدید کننده ؛ 4 - سیستم پمپاژ

لیزرهای حالت جامد... به لیزرها لیزر حالت جامد گفته می شود که محیط فعال آن یک کریستال دی الکتریک یا شیشه ای با یونهای وارد شده در آنها است که نقش مراکز فعال را بازی می کنند.

طرح پمپاژ نوری در لیزر حالت جامد در شکل 4 نشان داده شده است. چراغ قوه تخلیه گاز 2 (منبع پمپ) به شکل یک استوانه مستقیم است و به موازات عنصر فعال 1 قرار می گیرد. لامپ و عنصر فعال در داخل بازتابنده 3 نصب می شوند به گونه ای که در هر بخش عمود بر محور سیلندر در نقاط کانونی بیضی قرار می گیرند. در نتیجه ، پرتوهای نوری که از یک کانون بیرون می آیند ، پس از بازتاب از سطح بیضوی ، به عنصر فعال برخورد می کنند و حداکثر تمرکز را فراهم می کنند. با استفاده از بازتابنده های دو لامپ ، توان خروجی لیزر حتی بالاتر نیز حاصل می شود.

شکل 4 طرح پمپاژ نوری در لیزر حالت جامد: 1 - عنصر فعال ، 2 - لامپ فلاش (منبع پمپ) ، 3 - بازتابنده

در لیزرهای حالت جامد ، تشدیدکننده های نوری در مقابل عناصر فعال قرار دارند که روی آنها یک لایه فلزی رسوب می کند.

برای اولین بار ، لیزر از یاقوت به دست آمد. یاقوت سرخ از محلول مقدار کمی Cr 2 O 3 در یاقوت کبود Al 2 O 3 تشکیل می شود. رنگ صورتی با توجه به باندهای جذب وسیعی از یونهای Cr3+ ، که امکان بدست آوردن انتقال لیزر در ناحیه قرمز هنگام پمپاژ را فراهم می کند. طول موج لیزر در دمای اتاق 0.6943 میکرومتر است.

بلورهای یاقوت دارای مقاومت مکانیکی و هدایت حرارتی زیادی هستند. به دلیل این کیفیت کریستال ها و همچنین امکان رشد شمش هایی با طول و قطر تقریباً یکسان و از طول و سطح مقطع ، لیزرهای یاقوت گسترده شده اند.

لیزرهای روبی کار در حالت پالس یا مداوم. لیزر یاقوتی CW به دلیل کارایی کم (~ 1/0)) در مقایسه با سایر لیزرهای حالت جامد CW اقتصادی نیست. لیزر توسط لامپ های زنونی مارپیچی یا خطی پمپ می شود.

لیزرهای گارنت آلومینیوم ایتریوم با افزودن عنصر شیمیایی نئودیمیم (لیزرهای YAG: Nd) بیشترین کاربرد را در بین لیزرهای حالت جامد پیدا کرده اند ، زیرا آنها دارای بازده کافی بالا ، قدرت خروجی بالا هستند و با سرعت تکرار بالای پالس های نور بیش از حد گرم نمی شوند. YAG: طول موج لیزر Nd 1.06 میکرومتر. لیزر با لامپهای زنون یا کریپتون پمپ می شود.

علاوه بر این ، از لیزرهای شیشه ای نئودیمیم به طور گسترده ای استفاده می شود ، که همچنین منابع نسبتاً کارآیی تابش منسجم در مجاورت یک طول موج 1.06 میکرومتر هستند. سهولت نسبی پردازش شیشه این امکان را فراهم می کند که نه تنها عناصر فعال به شکل میله هایی به طول 2 متر یا صفحاتی با ابعاد عرضی تا 10 سانتی متر بدست آورید ، بلکه می توانید طرح هایی از تقویت کننده های فیلم نازک و لیزرهای الیافی به طول چند ده متر را ایجاد کنید. به همین دلیل از چنین لیزرهایی در سیستم های نوری یکپارچه استفاده می شود.

لیزرهای گازی در این لیزرها ، سطح معکوس جمعیت به دلیل تحریک اتمها یا مولکولهای گاز در هنگام برخورد آنها با الکترونهای آزاد تشکیل شده در تخلیه الکتریکی ایجاد می شود. فشار در لیزرهای تخلیه گاز در محدوده صدم تا چند میلی متر جیوه انتخاب می شود. در فشارهای کمتر ، الکترونهایی که توسط یک میدان الکتریکی شتاب می گیرند به ندرت با اتمها برخورد می کنند. در این حالت ، یونیزاسیون و تحریک اتم ها به اندازه کافی شدت ندارند. برعکس ، در فشارهای زیاد ، این برخوردها بیش از حد مکرر می شوند. به همین دلیل ، الکترون ها فرصت ندارند تا در یک میدان الکتریکی شتاب کافی داشته و انرژی لازم برای یونیزاسیون و تحریک اتم ها را بدست آورند ، یعنی برخوردها بی اثر می شوند.

لیزر تخلیه گاز به سه نوع وجود دارد: لیزر اتم خنثی ، لیزر یونی و لیزر مولکولی. آنها هم از نظر مکانیسم تشکیل وارونگی جمعیت و هم از نظر دامنه طول موج تولید شده از یکدیگر متفاوتند. اختلاف در دامنه ها به دلیل اختلاف در طیف انرژی اتم ها ، مولکول ها و یون های خنثی است.

لیزرهای دارای عنصر فعال متشکل از مخلوطی از هلیوم و نئون (10: 1) ، لیزر He-Ne ، یک انتقال اتمی تخلیه گاز است که باعث تولید تشعشع با طول موج 6328 میکرومتر می شود.

لیزرهای یونی آرگون و کریپتون قدرتمندترین لیزرهای cw در نواحی مرئی و ماوراlet بنفش طیف هستند. به عنوان یک قاعده ، دستگاه های صنعتی دارای قدرت 10-20 وات در منطقه 0.5 میکرون و 1-2 وات در مجاورت 0.35 میکرومتر هستند ، کارایی لیزرها از 0.1 درصد بیشتر نیست.

لیزرهای دی اکسید کربن (لیزرهای CO 2) در مقایسه با سایر لیزرهای گازی بیشترین بازده تبدیل (تا 40٪) برق به انرژی تابشی را دارند. کار با قدرت بالا آسان است ، بنابراین به طور گسترده ای در صنعت استفاده می شود.

شکل 6 دستگاه لیزر CO 2 با تفکیک مناطق تخلیه و حجم کار تشدید کننده: 1 - سیستم پمپاژ ازت ، 2 - منطقه تخلیه الکتریکی ، 3 - حجم کار تشدید کننده ، 4 - آینه خروجی تشدید ، 5 - سیستم پمپاژ دی اکسید کربن

محیط فعال لیزر CO 2 از مخلوط گازهای دی اکسید کربن ، ازت مولکولی و مقدار کمی هلیوم و بخار آب تشکیل شده است. لیزر با تخلیه درخشان هیجان زده می شود. لیزر (شکل 6) سیستم های جداگانه ای برای پمپاژ دی اکسید کربن 5 و نیتروژن 1 دارد. مولکول های نیتروژن که به ناحیه تخلیه الکتریکی مویرگ کار می کنند ، در اثر برخورد با الکترون هیجان زده می شوند. سپس آنها وارد حجم کار تشدید کننده 3 می شوند ، جایی که با مولکول های CO 2 تحریک نشده مخلوط می شوند و انرژی خود را به آنها منتقل می کنند.

لیزر CO 2 تابشی با طول موج 0.940 و 1.040 میکرون تولید می کند و می تواند در حالت های پیوسته و پالسی کار کند. در حالت اول ، لیزر با تخلیه الکتریکی طولی در یک لوله استوانه ای تحریک می شود. به این ترتیب است که تمام لیزرهای cw CO 2 صنعتی با قدرت تا 800 وات. در حالت دوم ، لیزرهای CO 2 می توانند پالسهایی با انرژی تا 2 کیلوژول تولید کنند و لیزرهای الکتروایونیزاسیون با انرژی بیش از 2 کیلوژول.

لیزرهای شیمیاییعلاوه بر تخلیه الکتریکی ، وارونگی جمعیتی از سطح اتم ها و مولکول های لیزرهای گازی می تواند در نتیجه واکنشهای شیمیایی، که در آن اتمها یا رادیکالها در حالتهای برانگیخته تشکیل می شوند. از آنجا که واکنشهای معمول نسبتاً کند هستند ، برای ایجاد وارونگی جمعیت مناسب نیستند. قبل از انباشته شدن کافی اتم های برانگیخته ، زمان لازم برای عبور از حالت اولیه وجود دارد و لیزر کار نمی کند. به همین دلیل ، لیزرهای شیمیایی فقط می توانند در واکنش های سریع مانند تجزیه نوری مولکول ها (تجزیه یک مولکول به چند قسمت تحت تأثیر نور) ، انفجار یا واکنش های شیمیایی بین اتم ها یا مولکول ها در پرتوهای مخالف اتم ها یا مولکول های مواد مختلف کار کنند. روش شیمیایی برای ایجاد وارونگی جمعیت در اصل اجازه ایجاد لیزرهایی با بازده و توان خروجی بسیار بالا را می دهد. لیزر متصل به اتصال CF 3 J قدرت نوری بالایی (تا 50 کیلووات) در انرژی پالس تا 65 J. تولید می کند. لیزرهایی که با انفجار کار می کنند می توانند قدرت بالایی داشته باشند.

ترتیب تأسیسات فن آوری لیزر.در حال حاضر ، در فن آوری تولید محصولات الکترونیکی ، از تاسیسات مختلف لیزری استفاده می شود ، که بدون در نظر گرفتن هدف ، دارای یک نمودار ساختاری مشترک و عناصر ساختاری مشابه هستند (شکل 7).

لیزر 2 منبع اصلی انرژی برای اجرای فرآیند فن آوری است. سیستم نوری 5 تابش لیزر 4 را به پرتو نور متمرکز کرده و آن را به سمت جسم پردازش شده 7 هدایت می کند. بعلاوه ، سیستم نوری 5 از نظر بصری موقعیت قطعه کار را نسبت به پرتو کنترل می کند ، پیشرفت روند را کنترل می کند و نتایج آن را ارزیابی می کند. با کمک دستگاه 8 ، قطعه کار 7 در طی فرآیند فن آوری منتقل می شود ، در یک موقعیت مشخص ثابت شده و قطعه کار پس از پردازش تغییر می کند.

برخی از فرایندهای فن آوری نیاز به ایجاد شرایط خاص دارند (به عنوان مثال ، تأمین یک محیط خاص تکنولوژیکی به منطقه کار). برای این کار ، تأسیسات دستگاه متناظر 10 را فراهم می کنند که امکان تأمین گاز بی اثر در هنگام جوشکاری را فراهم می کند.

در برخی موارد ، انرژی مکانیکی یا الکترومغناطیسی برای افزایش کارایی لیزر درمانی در ناحیه درمان وارد می شود. فرآیندهای ترکیبی (برش لیزر گاز ، پردازش سوراخ لیزر ، و غیره) توسط منبع انرژی کمکی 6 وارد شده در تأسیسات فراهم می شود. حرکت قطعه کار و موقعیت لیزر توسط دستگاه نرم افزاری کنترل می شود. 1. تابش توسط سنسور 3 ، دمای منطقه تصفیه ، وضعیت سطح قطعه توسط حسگر 9 کنترل می شود ، که علاوه بر این ، پارامترها را اصلاح می کند یا عملکرد را متوقف می کند.

شکل 7 نمودار بلوک واحد فناوری لیزر: 1 - دستگاه نرم افزار ، 2 - لیزر ، 3 - سنسور پارامترهای تابش ، 4 - تابش لیزر ، 5 - سیستم نوری ، 6 - منبع انرژی کمکی ، 7 - قطعه کار ، 8 - دستگاه برای رفع و حرکت قطعه کار قطعات ، 9 - سنسور پارامترهای فرآیند فن آوری ، 10 - دستگاه تأمین محیط فرآیند

اولین اصل عملکرد لیزر ، که فیزیک آن بر اساس قانون تابش پلانک بود ، توسط انیشتین در سال 1917 از نظر تئوری اثبات شد. وی تشعشعات الکترومغناطیسی جذب ، خود به خودی و تحریک شده را با استفاده از ضرایب احتمال (ضرایب اینشتین) توصیف کرد.

پیشگامان

تئودور میمن اولین کسی بود که اصل عملکرد مبتنی بر پمپاژ نوری را با استفاده از یک لامپ فلش یاقوت مصنوعی نشان داد که تابش منسجم پالس را با طول موج 694 نانومتر تولید می کند.

در سال 1960 دانشمندان ایرانی جوان و بنت اولین مولد کوانتوم گاز را با استفاده از مخلوط گازهای He و Ne به نسبت 1:10 ایجاد کردند.

در سال 1962 ، R.N. Hall اولین گالیم آرسنید (GaAs) را منتشر کرد که در طول موج 850 نانومتر منتشر می شود. بعداً در همان سال ، نیک گولونیاک اولین مولد کوانتومی نیمه هادی را برای نور مرئی تولید کرد.

دستگاه و اصل کار لیزرها

هر سیستم لیزر متشکل از یک محیط فعال است که بین یک جفت آینه موازی نوری و بسیار بازتابنده قرار دارد که یکی از آنها نیمه شفاف است و یک منبع انرژی برای پمپاژ آن است. محیط تقویت می تواند یک جامد ، مایع یا گاز باشد که دارای خاصیت تقویت دامنه موج نوری است که از آن عبور می کند با انتشار تحریک شده با پمپاژ الکتریکی یا نوری. این ماده به گونه ای بین یک جفت آینه قرار می گیرد که نور منعکس شده در آنها هر بار از آن عبور می کند و پس از تقویت قابل توجه ، از طریق یک آینه نیمه شفاف نفوذ می کند.

محیط های دو لایه

بیایید اصل عملکرد لیزر را با یک محیط فعال در نظر بگیریم ، اتمهای آن فقط دو سطح انرژی دارند: E 2 تحریک شده و پایه E 1. اگر اتم ها با هر مکانیسم پمپاژ (حالت نوری ، تخلیه الکتریکی ، انتقال جریان یا بمباران الکترون) به حالت E 2 برانگیخته شوند ، پس از چند نانو ثانیه آنها به موقعیت زمین باز می گردند و فوتون های انرژی hn \u003d E 2 - E 1 را ساطع می کنند. طبق نظریه انیشتین ، انتشار به دو روش مختلف تولید می شود: یا توسط یک فوتون القا می شود ، یا خود به خود اتفاق می افتد. در حالت اول ، انتشار تحریک شده اتفاق می افتد و در حالت دوم ، انتشار خود به خودی. در تعادل گرمایی ، احتمال انتشار تحریک شده به طور قابل توجهی کمتر از انتشار خود به خود است (1:10 33) ، بنابراین ، اکثر منابع نور معمولی ناسازگار هستند و لیز زدن تحت شرایط دیگری غیر از تعادل گرمایی امکان پذیر است.

حتی با پمپاژ بسیار قوی ، جمعیت سیستم های دو سطح فقط می تواند برابر باشد. بنابراین ، برای دستیابی به وارونگی جمعیت با استفاده از روش های پمپاژ نوری یا سایر روش ها ، سیستم های سه یا چهار سطح لازم است.

سیستم های چند سطحی

اصل کار لیزر سه سطح چیست؟ تابش با نور شدید فرکانس ν 02 تعداد زیادی اتم را از همان پمپ می کند سطح پایین انرژی E 0 تا E 2 بالایی. انتقال غیر تابشی اتمها از E 2 به E 1 وارونگی جمعیتی را بین E1 و E 0 ایجاد می کند ، که در عمل فقط وقتی اتم ها امکان پذیر است مدت زمان طولانی در حالت قابل متغیر E1 قرار دارند و انتقال از E 2 به E 1 به سرعت اتفاق می افتد. اصل عملکرد لیزر سه سطح ، تحقق این شرایط است که به دلیل آن وارونگی جمعیتی بین E 0 و E 1 حاصل می شود و فوتون ها توسط انرژی E 1-E 0 تابش القا شده تقویت می شوند. سطح E 2 گسترده تر می تواند دامنه جذب طول موج را برای پمپاژ کارآمدتر افزایش دهد ، و در نتیجه باعث افزایش انتشار تحریک می شود.

سیستم سه سطح به یک قدرت پمپ بسیار بالا احتیاج دارد ، زیرا سطح پایین تر در تولید ، سطح اصلی است. در این حالت ، برای اینکه وارونگی جمعیت رخ دهد ، باید بیش از نیمی از تعداد کل اتم ها به حالت E 1 پمپ شود. این انرژی هدر رفته است. اگر سطح تولید پایین تر پایه نباشد ، که حداقل به یک سیستم چهار سطح نیاز دارد ، می توان قدرت پمپ را به میزان قابل توجهی کاهش داد.

بسته به ماهیت ماده فعال ، لیزرها در سه دسته اصلی ، جامد ، مایع و گاز طبقه بندی می شوند. از سال 1958 ، زمانی که لیزر برای اولین بار در یک کریستال یاقوت مشاهده شد ، دانشمندان و محققان انواع مختلفی از مواد را در هر گروه مطالعه کرده اند.

لیزر حالت جامد

اصل کار بر اساس استفاده از یک محیط فعال است که با افزودن فلز گروه انتقالی به شبکه کریستال عایق (Ti +3 ، Cr +3 ، V +2 ، Co +2 ، Ni +2 ، Fe +2 و غیره) تشکیل می شود ، یونهای نادر زمین (Ce +3 ، Pr +3 ، Nd +3 ، Pm +3 ، Sm +2 ، Eu + 2 ، + 3 ، Tb +3 ، Dy +3 ، Ho +3 ، Er +3 ، Yb +3 و غیره) و اکتینیدها مانند U +3. یونها فقط مسئول تولید هستند. مشخصات فیزیکی مواد پایه مانند هدایت حرارتی و برای عملکرد موثر لیزر ضروری است. آرایش اتمهای شبکه در اطراف یون دوپ شده ، سطح انرژی آن را تغییر می دهد. طول موجهای مختلف لیزر در محیط فعال با دوپینگ حاصل می شود مواد مختلف با همان یون.

لیزر هولمیوم

به عنوان مثال یک مولد کوانتومی است که در آن هولمیوم جایگزین اتمی از ماده پایه شبکه بلوری می شود. هو: YAG یکی از بهترین مواد تولیدی است. اصل عملکرد لیزر هولمیوم این است که گارنت آلومینیوم ایتریوم با یون های هولمیوم دوپ می شود ، با یک چراغ قوه به صورت نوری پمپ می شود و با طول موج 2097 نانومتر در محدوده مادون قرمز ساطع می شود ، که به خوبی توسط بافت ها جذب می شود. این لیزر برای عمل در مفاصل ، در درمان دندانپزشکی ، برای تبخیر سلولهای سرطانی ، کلیه و سنگ صفرا استفاده می شود.

ژنراتور کوانتومی نیمه هادی

لیزرهای چاه کوانتومی ارزان هستند ، امکان تولید انبوه را دارند و به راحتی مقیاس پذیر هستند. اصل عملکرد لیزر نیمه هادی بر اساس استفاده از یک دیود اتصال pn است که با ترکیب مجدد حامل در یک بایاس مثبت ، مشابه LED ها ، نوری با طول موج خاص تولید می کند. LED ها خود به خود ساطع می شوند ، در حالی که دیودهای لیزر به اجبار ساطع می شوند. برای تأمین شرایط وارونگی جمعیت ، جریان عملیاتی باید از مقدار آستانه فراتر رود. محیط فعال در یک دیود نیمه هادی به شکل یک منطقه اتصال از دو لایه دو بعدی است.

اصل عملکرد این نوع لیزر به گونه ای است که برای حفظ نوسان نیازی به آینه خارجی نیست. بازتاب ایجاد شده توسط لایه ها و بازتاب داخلی محیط فعال برای این منظور کافی است. سطوح انتهایی دیودها تراش خورده اند ، که اطمینان از موازی بودن سطوح بازتابنده می دهد.

به ترکیبی که توسط یک نوع تشکیل شده است ، همسو و به دیگری که با پیوستن به دو نوع مختلف ایجاد می شود ، هتروژانسیون گفته می شود.

نیمه هادی های انواع p و n با تراکم حامل بالا یک اتصال pn با یک لایه تخلیه بسیار نازک (≈1 میکرومتر) تشکیل می دهند.

لیزر گاز

اصل کارکرد و استفاده از لیزر از این نوع به شما امکان می دهد دستگاههایی با تقریباً هر قدرت (از میلی وات تا مگاوات) و طول موج (از UV تا IR) ایجاد کنید و به شما امکان می دهد در حالت پالس و مداوم کار کنید. بر اساس ماهیت محیط فعال ، سه نوع مولد کوانتومی گاز متمایز می شوند ، یعنی اتمی ، یونی و مولکولی.

اکثر لیزرهای گاز به صورت الکتریکی پمپ می شوند. الکترونهای موجود در لوله تخلیه توسط میدان الکتریکی بین الکترودها تسریع می شوند. آنها با اتم ها ، یون ها یا مولکول های محیط فعال برخورد می کنند و برای رسیدن به وضعیت وارونگی جمعیت و انتشار تحریک شده ، به سطوح بالاتر انرژی منتقل می شوند.

لیزر مولکولی

اصل عملکرد لیزر بر این اساس استوار است که ، بر خلاف اتم ها و یون های جدا شده ، مولکول های موجود در ژنراتورهای کوانتومی اتمی و یونی دارای نوارهای گسترده انرژی از سطوح گسسته انرژی هستند. در این حالت ، هر سطح انرژی الکترونیکی دارای تعداد زیادی سطح ارتعاشی است و آنها به نوبه خود ، دارای چندین سطح چرخشی هستند.

انرژی بین سطح انرژی الکترونیکی در UV و مناطق مرئی طیف است ، در حالی که بین سطوح ارتعاشی - چرخشی - در مناطق دور و نزدیک IR. بنابراین ، بیشتر مولدهای کوانتومی مولکولی در مناطق دور یا نزدیک IR فعالیت می کنند.

لیزرهای اکسایمر

اکسایمرها مولکول هایی مانند ArF ، KrF ، XeCl هستند که حالت پایه جدا شده دارند و در سطح اول پایدار هستند. اصل لیزر به شرح زیر است. به عنوان یک قاعده ، تعداد مولکول ها در حالت زمین کم است ؛ بنابراین ، پمپاژ مستقیم از حالت زمین امکان پذیر نیست. مولکول ها در اولین حالت الکترونیکی برانگیخته با ترکیب هالیدهای با انرژی بالا با تشکیل می شوند گازهای بی اثر... وارونگی جمعیت به راحتی حاصل می شود زیرا تعداد مولکول های پایه نسبت به مولکول هیجان زده خیلی کم است. به طور خلاصه ، اصل کار لیزر در انتقال از حالت الکترونیکی تحریک شده محدود به حالت پایه تجزیه شده است. جمعیت در حالت پایه همیشه در سطح پایین باقی می ماند ، زیرا مولکول ها در این مرحله به اتم ها جدا می شوند.

دستگاه و اصل کار لیزرها این است که لوله تخلیه با مخلوطی از یک هالید (F 2) و یک گاز خاکی کمیاب (Ar) پر می شود. الکترونهای موجود در آن مولکولهای هالید را جدا و یونیزه کرده و یونهایی با بار منفی ایجاد می کنند. یونهای مثبت Ar + و F منفی - در اولین حالت محدود و برانگیخته واکنش نشان داده و مولکولهای ArF تولید می کنند و به دنبال آن انتقال آنها به حالت پایه دافعه و تولید تابش منسجم انجام می شود. از لیزر اگزایمر ، که اصل کار و کاربرد آن اکنون مورد بررسی قرار می گیرد ، می توان برای پمپاژ یک محیط فعال مبتنی بر رنگ استفاده کرد.

لیزر مایع

در مقایسه با جامدات ، مایعات همگن ترند و از اتم های فعال چگالی بیشتری نسبت به گازها دارند. علاوه بر این ، ساخت آنها دشوار نیست ، باعث می شود حرارت به راحتی تخلیه شود و به راحتی قابل جایگزینی است. اصل عملکرد لیزر استفاده از رنگهای آلی به عنوان یک ماده فعال مانند DCM (4-دی سیانومتیلن-2-متیل -6-ف-دی متیل آمینوستیل-4H-پیران) ، رودامین ، استایریل ، LDS ، کومارین ، استیلبن و غیره است. . ، در یک حلال مناسب حل می شود. محلول مولکولهای رنگ با تشعشعاتی که طول موج آن ضریب جذب خوبی دارد هیجان زده می شود. به طور خلاصه ، اصل عمل لیزر تولید در طول موج طولانی تری است که فلورسانس نامیده می شود. تفاوت بین انرژی جذب شده و فوتون های ساطع شده توسط انتقال انرژی غیر تابشی مورد سو استفاده قرار گرفته و سیستم را گرم می کند.

باند وسیعتر فلورسانس ژنراتورهای کوانتومی مایع یک ویژگی منحصر به فرد دارد - تنظیم طول موج. اصل عملکرد و استفاده از این نوع لیزرها به عنوان منبع نوری قابل تنظیم و منسجم در کاربردهای طیف سنجی ، هولوگرافی و پزشکی از اهمیت بیشتری برخوردار می شود.

اخیراً از مولدهای کوانتومی رنگ برای جداسازی ایزوتوپ استفاده شده است. در این حالت ، لیزر به طور انتخابی یکی از آنها را تحریک می کند و باعث می شود وارد یک واکنش شیمیایی شود.

لیزر منبعی از امواج الکترومغناطیسی در محدوده مرئی ، مادون قرمز و فرابنفش است که بر اساس تابش تحریک شده (یا القا induc شده) از اتم ها و مولکول ها است. کلمه "لیزر" از حروف اولیه (مخفف) کلمات عبارت انگلیسی "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" تشکیل شده است که به معنی "تقویت نور در نتیجه انتشار تحریک شده" است. در ادبیات ، اصطلاح "مولد کوانتوم نوری" (LQG) نیز استفاده شده است.

اصل عمل لیزر بر سه ایده اساسی استوار است. اولین ایده استفاده از آن است انتشار اجباری (ناشی) نور توسط سیستم های اتمی. ایده دوم این است که اعمال شود رسانه های عدم تعادل ترمودینامیکی با جمعیت معکوس سطوحی که در آن تقویت به جای جذب نور امکان پذیر است. ایده سوم استفاده از آن است بازخورد مثبت برای تبدیل سیستم تقویت کننده به یک مولد تابش منسجم.

یک اتم آزاد از یک محیط تابشی را در نظر بگیرید که تحت تأثیر خارجی نیست ، که در یک حالت برانگیخته است. سپس می تواند خود به خود (خود به خود) از یک حالت برانگیخته با انرژی E 2 به حالت زمین (بدون هیجان) با انرژی E 1 عبور کند. در این حالت ، کوانتومی از نور ساطع می شود - فوتونی با انرژی E فوتون \u003d hn \u003d E 2 - E 1 ، کجا n فرکانس تابش ساطع شده است. ماهیت آماری و تصادفی فرآیندهای انتشار خود به خود منجر به این واقعیت می شود که امواج الکترومغناطیسی منتشر شده توسط اتمهای منفرد از منابع نور معمولی با یکدیگر هماهنگ نیستند: آنها دارای مراحل مختلف ، جهت انتشار و قطبش هستند. این بدان معنی است که انتشار خود به خود از منابع نوری متعارف ناسازگار است.

تابش تحریک شده (ناشی) - این تابش امواج الکترومغناطیسی است که در صورت عبور اتمهای محیط از حالت برانگیخته به حالت زمین تحت اثر تابش خارجی (فوتون) رخ می دهد. چنین برهم کنشی فوتون با اتم برانگیخته می تواند در صورت انرژی فوتون باشد hn برابر است با اختلاف بین سطح انرژی اتم در حالت برانگیخته و زمین: E فوتون \u003d hn \u003d E 2 - E 1 (شکل 1) ، کجا n فرکانس تابش خارجی است. در این حالت ، پس از برهم کنش فوتون ها با یک اتم ، دو فوتون از اتم منتشر می شوند: متقاعد کنندهو مجبور، به عنوان مثال ، افزایش نور وجود دارد. تابش تحریک شده در این حالت همان فرکانس و فاز تحریک کننده این فرایند را دارد و در همان جهت پخش می شود ، یعنی تابش القایی با تابش تحریک کننده منسجم است.

هنگامی که فوتونها با ماده ، همراه با انتشار تحریک شده برهم کنش می کنند ، یک فرآیند جذب فوتون وجود دارد که در آن اتمهای ماده از حالت پایه به حالت برانگیخته منتقل می شوند. در حالت عادی ، اتمهای غیرتحریک شده بسیار بیشتری نسبت به اتمهای هیجان زده در ماده وجود دارند ، بنابراین ، هنگامی که فوتونها با ماده برهم کنش می کنند ، فرآیند جذب غالب می شود و هیچ گونه تقویت نور وجود ندارد. برای اینکه روند انتشار تحریک شده بر جذب غالب شود ، تغییر توزیع اتمهای ماده تابش شده روی سطح انرژی ضروری است. اگر غلظت اتمهای ماده در سطوح بالای انرژی مربوط به حالت برانگیخته بیشتر از غلظت های پایین باشد ، تقویت نور صورت می گیرد. چنین توزیعی از اتم ها در محیط بر روی سطح انرژی نامیده می شود جمعیت معکوس... این حالت فقط در مورد محیط عدم تعادل ترمودینامیکی امکان پذیر است.

یک محیط با جمعیت معکوس از سطوح ، که در آن به جای جذب نور ، تقویت وجود دارد ، یک محیط فعال نامیده می شود. با توجه به نوع ماده فعال مورد استفاده ، لیزرها به گاز (به عنوان مثال هلیوم-نئون ، آرگون و غیره) ، مایع ، حالت جامد (یاقوت ، شیشه یا یاقوت کبود) و نیمه هادی تقسیم می شوند (از اتصال نیمه هادی به عنوان ماده فعال استفاده می کنند).

روش های ایجاد یک محیط فعال را لیزر پمپاژ می نامند. روشهای مختلفی برای پمپاژ لیزر وجود دارد - پمپاژ نوری (تابش محیط کار لیزرهای حالت جامد با نور یک لامپ فلاش قدرتمند) ، تحریک در اثر الکترون (در لیزرهای تخلیه گاز) ، پمپاژ شیمیایی و غیره

برای بروز بازخورد مثبت ، بخشی از تابش تولید شده باید در داخل محیط فعال باقی بماند و باعث انتشار اجباری اتمهای بیشتر و بیشتر برانگیخته شود. برای ایجاد چنین فرایندی ، محیط فعال در آن قرار می گیرد تشدید کننده نوری... تشدید کننده نوری سیستمی از دو آینه است که میان آنها یک محیط فعال واقع شده است. آینه ها می توانند تخت ، محدب یا مقعر باشند. مهمترین ویژگی آنها مقادیر بالای ضریب بازتاب است. آینه های دست دوم با پوشش دی الکتریک چند لایه ، که بسیار بازتابنده هستند و به سختی نور را جذب می کنند. با توجه به بازتاب چندگانه امواج نوری که در محیط فعال از آینه های تشدید کننده نوری منتشر می شوند ، از تقویت چندگانه آنها اطمینان حاصل می شود ، در نتیجه یک قدرت تابش بالا حاصل می شود.

دستگاه و اصل عملکرد لیزر هلیوم-نئون گازی را در نظر بگیرید ، که در یک حالت مداوم در منطقه قابل مشاهده طیف کار می کند. عنصر اصلی لیزر یک لوله تخلیه است که با مخلوطی از گازها - هلیوم و نئون پر شده است. فشار جزئی هلیوم 1 میلی متر جیوه است. هنر ، نئون - 0.1 میلی متر جیوه هنر اتمهای نئون اتمهای محیط فعال (در حال کار) هستند ، اتمهای هلیوم کمکی هستند و برای ایجاد یک جمعیت معکوس از اتمهای نئون لازم هستند.

در شکل 2 سطح انرژی اتم های نئون و هلیوم را نشان می دهد. در تخلیه الکتریکی ، اتم های هلیوم در لوله تحریک شده و به حالت خارج می شوند 2 ... اولین سطح هیجان زده 2 هلیوم همزمان با سطح انرژی است 3 اتم های نئون. بنابراین ، با برخورد با اتم های نئون ، اتم های هلیوم انرژی خود را به آنها منتقل کرده و آنها را به حالت برانگیخته منتقل می کنند 3 ... بنابراین ، یک محیط فعال در لوله ایجاد می شود که متشکل از اتم های نئون با جمعیت سطح معکوس است.

انتقال خود به خود (خود به خود) اتم های نئون منفرد از سطح انرژی 3 به سطح 2 باعث پیدایش فوتون ها می شود. با عملکرد بیشتر این فوتون ها با اتم های نئون برانگیخته ، تابش منسجم دومی ایجاد می شود ، و یک شار رو به افزایش فوتون با انرژی hn.

برای افزایش قدرت تابش ، لوله 1 پر از مخلوط هلیوم و نئون در یک تشدید کننده نوری تشکیل شده توسط آینه های 5 و 6 قرار می گیرد (شکل 3 را ببینید). با انعکاس از آینه ها ، شار فوتون ها از محور لوله عبور می کنند ، در حالی که تعداد بیشتری از اتم های نئون در روند تشعشع القا می شوند و شدت تابش تولید شده مانند بهمن افزایش می یابد.

لیزر در حالت تولید عمل می کند اگر اتلاف انرژی موج نور در هر بازتاب از آینه رزوناتور کمتر از افزایش انرژی در نتیجه تابش ناشی از عبور آن از طریق لوله از طریق محیط فعال باشد. بنابراین ، کیفیت آینه های تشدید کننده بسیار مهم است. تشدید کننده از یک تخت تشکیل شده است 5 و مقعر 6 آینه هایی با پوشش های دی الکتریک چند لایه (شکل 3). بازتاب این آینه ها بسیار زیاد است - 98-99٪. میزان انتقال نور یک آینه در حدود 0.1٪ است ، در حالی که آینه در حدود 0.2٪ است. استفاده از تشدیدکننده آینه امکان دستیابی به یک پرتو نور قوی و باریک را فراهم می کند.

سطح انرژی 2 و 3 اتم های نئون ساختار پیچیده ای دارند ، بنابراین لیزر می تواند تا 30 طول موج مختلف را در محدوده مادون قرمز و مرئی منتشر کند. آینه های تشدید کننده به منظور ایجاد ضریب انعکاس لازم برای یک طول موج در اثر تداخل ، چند لایه ساخته می شوند. بنابراین ، لیزر از طول موج کاملاً مشخصی ساطع می کند.

لوله تخلیه گاز 1 (شکل 3) در انتهای آن توسط صفحات شیشه ای موازی صفحه 4 که در زاویه Brewster نسبت به محور لوله نصب شده است ، بسته می شود. این موقعیت صفحات انتقال تابش نئون قطبی را از طریق آنها بدون تلفات بازتابی تضمین می کند و منجر به قطبش صفحه ای تابش لیزر می شود. برای ایجاد تخلیه الکتریکی در لوله ، دو الکترود به آن وارد می شود: آند 2 و کاتد 3. به دلیل عبور جریان الکتریکی از لوله ، یک سطح معکوس از سطح در محیط He-Ne ایجاد می شود.

منابع نور لیزر دارای چندین مزیت قابل توجه نسبت به سایر منابع هستند:

1. لیزرها قادر به تولید پرتوهای نوری با زاویه واگرایی بسیار کوچک (حدود 10 -5 راد) هستند. بر روی ماه ، چنین پرتویی که از زمین ساطع می شود ، به قطر 3 کیلومتر نقطه می دهد.

2. نور لیزر بسیار منسجم و تک رنگ است.

3. لیزر قدرتمندترین منابع نوری هستند. در یک محدوده طیفی باریک ، برای مدت کوتاهی (در یک فاصله زمانی حدود 10 تا 13 ثانیه) ، برخی از انواع لیزرها به قدرت تابش 10 17 وات بر سانتی متر مربع می رسند ، در حالی که قدرت تابش خورشید فقط 7 × 10 3 وات بر سانتی متر مربع است و در کل در کل طیف برای فاصله باریک Dl \u003d 10 -6 cm (عرض خط طیفی لیزر) ، خورشید فقط 0.2 W / cm2 دارد. قدرت میدان الکتریکی در یک موج الکترومغناطیسی ساطع شده توسط لیزر از قدرت میدان داخل اتم بیشتر است.

خانه » دستورالعمل ها » اصل عمل لیزر. لیزر چیست؟ اصل کار و کاربرد