Le principe du fonctionnement du laser. Qu'est-ce qu'un laser? Principe de fonctionnement et application

Beaucoup de gens ont utilisé des imprimantes laser, certains en ont à la maison, mais est-ce que tout le monde sait comment fonctionne une imprimante laser? Le lecteur trouvera la réponse à cette question dans cet article.

Une imprimante laser est un périphérique qui imprime du texte et des graphiques rapidement et efficacement sur du papier ordinaire de bureau et de spécialité. Les principaux avantages de ces imprimantes, tels que le faible coût d'impression, la vitesse de fonctionnement élevée, les ressources et la résolution élevées, la résistance à l'humidité et à la décoloration, en ont fait les plus couramment utilisées non seulement par les employés de bureau, mais également par les utilisateurs ordinaires.

Création et développement d'imprimantes laser

La première image utilisant de l'encre sèche et de l'électricité statique a été obtenue par Chester Carlson en 1938. Et seulement 8 ans plus tard, il a pu trouver un fabricant des appareils qu'il a inventés. C'était l'entreprise que nous connaissons tous aujourd'hui sous le nom de Xerox. Et la même année, 1946, le premier copieur est entré sur le marché. C'était une machine énorme et complexe nécessitant un certain nombre d'opérations manuelles. Ce n'est qu'au milieu des années 1950 que le premier mécanisme entièrement automatisé a été créé, qui était le prototype de l'imprimante laser moderne.

À la fin de 1969, Xerox a commencé à travailler sur le développement d'imprimantes laser, ajoutant un faisceau laser aux conceptions existantes à l'époque. Mais il valait un tiers de million de dollars selon ces normes et avait une taille énorme, ce qui ne permettait pas d'utiliser un tel appareil, même dans les petites entreprises, et encore moins dans la vie quotidienne.

La collaboration entre les géants actuels de l'industrie de l'impression Canon et HP est le lancement d'une série d'imprimantes LaserJet pouvant imprimer jusqu'à 8 pages de texte par minute. Ces appareils sont devenus plus abordables avec l'introduction de la première cartouche remplaçable pour une imprimante laser.

Principe d'opération

La base de la formation d'image est le colorant contenu dans le toner. Sous l'influence de l'électricité statique, il colle et s'imprime littéralement sur le papier. Mais comment cela se produit-il?

Toute imprimante laser se compose de trois blocs fonctionnels principaux: une carte de circuit imprimé, une unité de transfert d'image (cartouche) et une unité d'impression. L'unité d'alimentation papier alimente le papier d'impression. Ils sont conçus de deux manières: alimentation papier à partir du bac inférieur et alimentation papier à partir du bac supérieur.

Sa structure est assez simple:

• rouleau - nécessaire pour saisir le papier;
• bloc pour saisir et alimenter une feuille;
• un rouleau qui transfère l'électricité statique au papier.
• La cartouche d'imprimante laser se compose de deux parties, le toner et le tambour ou cylindre photo.

Toner

Le toner se compose de particules de polymère microscopiques recouvertes d'un colorant, avec l'inclusion de magnénite et d'un régulateur de charge. Chaque entreprise produit de la poudre aux caractéristiques uniques pour ses propres imprimantes et appareils multifonctionnels. Toutes les poudres diffèrent par le magnétisme, la densité, la dispersion, la taille des grains et d'autres caractéristiques physiques. Par conséquent, ne remplissez pas les cartouches avec du toner aléatoire. Les avantages du toner par rapport à l'encre sont la clarté de l'image imprimée et la résistance à l'humidité, qui est fournie par l'impression de la poudre dans le papier. Parmi les inconvénients, il convient de mentionner la faible profondeur de couleur, la saturation lors de l'impression couleur et l'effet négatif sur le corps humain lors de l'interaction avec le toner, par exemple lors du chargement d'une cartouche.

La structure et les étapes de l'impression des images

Le tambour d'imagerie est réalisé sous la forme d'une tige longitudinale en aluminium avec une fine couche de matériau appliquée dessus, sensible aux rayons lumineux avec certains paramètres. Le cylindre est recouvert d'une couche protectrice. En plus de l'aluminium, les fûts sont fabriqués avec des substances photosensibles inorganiques. La propriété principale d'un tambour est un changement de conductivité (charge) sous l'influence d'un faisceau laser. Cela signifie que si le cylindre reçoit une charge, il le stockera pendant une période de temps considérable. Mais si vous illuminez une zone de l'arbre avec de la lumière, ils perdent immédiatement leur charge et deviennent chargés de manière neutre en raison d'une augmentation de la conductivité (c'est-à-dire d'une diminution de la résistance électrique) dans ces zones. La charge s'écoule de la surface à travers la couche conductrice interne.

Lorsqu'un document arrive pour impression, la carte de circuit imprimé le traite et envoie des impulsions lumineuses appropriées à l'unité de transfert d'image, où l'image numérique est convertie en une image sur papier. Le tambour est mis en rotation par l'arbre et reçoit une charge primaire négative ou positive du rouleau voisin. Sa valeur est déterminée par les paramètres d'impression, qui sont signalés par la carte de circuit imprimé.

Après avoir chargé le cylindre, un faisceau laser horizontal le scanne avec une fréquence énorme. Les zones exposées du photocylindre, comme mentionné ci-dessus, se déchargent. Ces zones non chargées forment l'image souhaitée sur le tambour dans une image miroir. En outre, pour que l'image apparaisse sur le papier, les zones non chargées doivent être remplies de toner. L'unité de balayage laser se compose d'un miroir, d'un laser à semi-conducteur, de plusieurs lentilles de mise en forme et d'une lentille de focalisation.

Le tambour entre en contact avec un rouleau constitué principalement de magnésium et délivre du toner au photocylindre depuis le récipient. Le rouleau, dans lequel se trouve l'aimant permanent, est réalisé sous la forme d'un cylindre creux avec une couche conductrice. Sous l'influence du champ magnétique, le toner de la trémie est attiré vers le rouleau par la force du noyau magnétisé.

Sous l'influence de la tension électrostatique, le toner du rouleau sera transféré à l'image formée par le faisceau laser sur la surface du tambour, tournant à proximité du rouleau. Le toner n'a nulle part où aller, car ses particules chargées négativement sont attirées vers les zones chargées positivement du photocylindre, sur lesquelles l'image souhaitée est formée. La charge négative du tambour repousse le toner usagé dans les zones numérisées au laser.

Notons une nuance. Il existe deux types d'imagerie. Le plus courant consiste à utiliser un toner chargé positivement. Cette poudre reste sur les zones chargées neutres du photocylindre. Autrement dit, le laser illumine les zones où sera notre image future. Le tambour est chargé négativement. Le deuxième mécanisme est moins courant et utilise un toner chargé négativement. Le faisceau laser "décharge" les zones du photocylindre chargé positivement, sur lesquelles l'image ne doit pas se trouver. Il convient de se rappeler lors du choix d'une imprimante laser, car dans le premier cas, il y aura un transfert plus précis des pièces, et dans le second - un remplissage plus uniforme et dense. Les premières imprimantes étaient parfaites pour l'impression de documents texte, c'est pourquoi elles se sont généralisées.

Avant de toucher le cylindre, le papier est chargé d'électricité statique par le rouleau de transfert de charge. Par l'influence du toner qui est attiré par le papier lorsqu'il entre en contact avec le tambour. L'éliminateur de charge statique est immédiatement retiré du papier. Ceci élimine l'attraction de la feuille vers le photocylindre. Lors du passage du papier à travers l'unité de balayage laser, l'image formée devient visible sur la feuille, qui est facilement détruite au moindre contact. Pour sa durabilité, il est nécessaire de fixer par fusion les additifs inclus dans le toner. Ce processus a lieu dans l'unité d'imagerie - il s'agit de la troisième unité clé de l'imprimante laser. On l'appelle aussi le "poêle". En bref, les substances qui composent le toner fondent. Une fois pressés et solidifiés, ces polymères semblent recouvrir l'encre, la protégeant des influences extérieures. Le lecteur comprendra maintenant pourquoi les feuilles imprimées sortant de l'imprimante sont si chaudes.

De par sa conception, le soi-disant «poêle» se compose de deux arbres, dont l'un contient un élément chauffant. Le second, souvent le plus bas, est nécessaire pour presser le polymère fondu dans le papier. Les éléments chauffants sont réalisés sous la forme de thermistances réalisées sous forme de films thermiques. Lorsqu'une tension leur est appliquée, ces éléments sont chauffés à des températures élevées (environ 200 ° C) en une fraction de seconde. Un rouleau pinceur presse la feuille contre le dispositif de chauffage, au cours duquel des particules microscopiques liquides de toner sont pressées dans la texture du papier. Il y a des entretoises à la sortie de l'unité de fixation pour que le papier ne colle pas au film thermique.

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DANS article pris en considération principe actions et appareil moderne laser imprimantes. Elle ouvre séries des articles, dévoué des principes et problèmes laser honoraires.

Une image obtenue avec des imprimantes laser modernes (ainsi qu'avec des imprimantes matricielles et à jet d'encre) est constituée de points. Plus ces points sont petits et localisés fréquemment, meilleure est la qualité de l'image. Le nombre maximum de points qu'une imprimante peut imprimer séparément sur un segment de 1 pouce (25,4 mm) est appelé résolution et est exprimé en points par pouce, tandis que la résolution peut être de 1200 ppp ou plus. La qualité du texte imprimé sur une imprimante laser avec une résolution de 300 dpi est approximativement celle d'un texte typographique. Cependant, si la page contient des dessins contenant des couleurs en niveaux de gris, une résolution d'au moins 600 ppp est nécessaire pour obtenir une image graphique de haute qualité. Avec une résolution d'imprimante de 1200 dpi, l'impression est presque de qualité photographique. Si vous devez imprimer un grand nombre de documents (par exemple, plus de 40 feuilles par jour), une imprimante laser semble être le seul choix raisonnable, car pour les imprimantes laser personnelles modernes, les paramètres standard sont 600 dpi et une vitesse d'impression de 8 ... 1 2 pages par minute.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UNE IMPRIMANTE LASER

La première imprimante laser a été introduite par Hewlett Packard. Il a utilisé le principe électrographique de la création d'images - le même que dans les photocopieuses. La différence réside dans le mode d'exposition: dans les photocopieurs, cela se fait à l'aide d'une lampe, et dans les imprimantes laser, la lumière de la lampe remplace le faisceau laser.

Le cœur d'une imprimante laser est le conducteur photo organique, souvent appelé tambour d'imagerie, ou simplement le tambour. Avec son aide, l'image est transférée sur papier. Le tambour est un cylindre métallique recouvert d'un film mince d'un semi-conducteur photosensible. La surface d'un tel cylindre peut être pourvue d'une charge positive ou négative, qui est maintenue jusqu'à ce que le tambour soit éclairé. Si une partie quelconque du tambour est exposée, le revêtement acquiert une conductivité et la charge s'écoule de la zone éclairée, formant une zone non chargée. C'est la clé pour comprendre le fonctionnement d'une imprimante laser.

Un autre élément critique de l'imprimante est le laser et le système optique-mécanique de miroirs et de lentilles qui déplacent le faisceau laser sur la surface du tambour. Le petit laser génère un faisceau lumineux très fin. Réfléchissant à des miroirs rotatifs (généralement tétraédriques ou hexagonaux), ce faisceau illumine la surface du tambour, supprimant sa charge au point d'exposition.

Pour obtenir une image de points, le laser est allumé et éteint à l'aide d'un microcontrôleur de contrôle. Le miroir rotatif déplie le faisceau sous la forme d'une ligne d'image latente à la surface du tambour.

Après avoir formé une ligne, un moteur pas à pas spécial fait tourner le tambour pour former le suivant. Ce décalage correspond à la résolution verticale de l'imprimante et est généralement de 1/300 ou 1/600 de pouce. Le processus de formation d'une image latente sur un tambour ressemble à la formation d'une trame sur un écran de télévision.

Il existe deux méthodes principales de chargement préliminaire (primaire) de la surface du photocylindre:

Ø avec un fil fin ou un treillis appelé fil corona. La haute tension appliquée au fil conduit à l'apparition d'une zone ionisée lumineuse autour de lui, appelée corona, et confère au tambour la charge statique nécessaire;

Ø avec rouleau en caoutchouc préchargé (PCR).

Ainsi, une image invisible est formée sur le tambour sous la forme de points déchargés statiquement. Et après?

DISPOSITIFCARTOUCHE

Avant de parler du processus de transfert et de fixation d'une image sur papier, considérez le périphérique de la cartouche pour l'imprimante Laser Jet 5L de Hewlett Packard. Cette cartouche typique comporte deux compartiments principaux: le compartiment de récupération de toner et le compartiment de toner.

Les principaux éléments structurels du compartiment de récupération de toner:

1 - Tambour (Tambour à photoconducteur organique (OPC)).Il s'agit d'un cylindre en aluminium revêtu d'un matériau organique photosensible et photoconducteur (généralement de l'oxyde de zinc), qui est capable de retenir l'image appliquée par le faisceau laser;

2 - Arbre primaire charge (Rouleau de charge primaire (PCR)).Fournit une charge même négative au tambour. Fait de caoutchouc conducteur ou de caoutchouc mousse appliqué sur une tige métallique;

3 - « Vipère» , raclette, nettoyage lame (Balai d'essuie-glace, lame de nettoyage).Nettoie le tambour des résidus de toner qui n'ont pas été transférés sur le papier. Structurellement réalisé sous la forme d'un cadre métallique (emboutissage) avec une plaque de polyuréthane (lame) à l'extrémité;

4 - Lame nettoyage (Récupération Lame). Couvre la zone entre le tambour et le bac de récupération de toner. La lame de récupération permet au toner restant sur le tambour de passer dans la trémie et l'empêche de se répandre dans la direction opposée (de la trémie sur le papier).

Les principaux éléments structurels du compartiment de toner:

1 - Magnétique arbre (Rouleau de développement magnétique, rouleau magnétique, rouleau de développement).C'est un tube métallique avec un noyau magnétique non mobile à l'intérieur. Le toner est attiré vers le rouleau magnétique qui, avant d'être alimenté dans le tambour, acquiert une charge négative sous l'action d'une tension continue ou alternative;

2 - « Docteur» (Doctor Blade, Lame de dosage).Fournit une distribution uniforme d'une fine couche de toner sur le rouleau magnétique. Structurellement réalisé sous la forme d'un cadre métallique (emboutissage) avec une plaque flexible (lame) à l'extrémité;

3 - Scellage lame magnétique arbre(Mag Rouleau Scellage Lame). Une plaque mince similaire en fonctionnalité à la lame de récupération. Couvre la zone entre le rouleau magnétique et le compartiment d'alimentation en toner. La lame de scellage du rouleau magnétique passe le toner restant sur le rouleau magnétique dans le compartiment, empêchant le toner de fuir dans la direction opposée;

4 - Bunker pour toner (Toner Réservoir). À l'intérieur se trouve le toner «de travail», qui sera transféré sur le papier pendant l'impression. De plus, un activateur de toner (barre d'agitateur de toner) est intégré dans la trémie - un cadre métallique conçu pour l'agitation du toner;

5 - Joint, vérifier (Joint). Dans une cartouche neuve (ou régénérée), la trémie de toner est scellée avec un joint spécial qui empêche le toner de se répandre lors du transport de la cartouche. Ce sceau est retiré avant utilisation.

PRINCIPE LASER

L'illustration montre une cartouche en coupe. Lorsque l'imprimante est allumée, tous les composants de la cartouche sont en mouvement: la cartouche est préparée pour l'impression. Ce processus est identique à l'impression, mais le faisceau laser ne s'allume pas. Ensuite, le mouvement des composants de la cartouche s'arrête - l'imprimante passe à l'état prêt à imprimer.

Après l'envoi d'un document pour impression, les processus suivants se produisent dans la cartouche d'imprimante laser:

Mise en charge tambour. Le rouleau de charge primaire (PCR) transfère une charge négative uniformément à la surface du tambour rotatif.

Exposition. La surface du tambour chargée négativement est exposée au faisceau laser uniquement là où le toner sera appliqué. Sous l'influence de la lumière, la surface photosensible du tambour perd partiellement sa charge négative. Ainsi, le laser expose une image latente sur le tambour sous forme de points avec une charge négative affaiblie.

Application toner. À ce stade, l'image latente sur le tambour est convertie avec du toner en une image visible, qui sera transférée sur le papier. Le toner près du rouleau magnétique est attiré vers sa surface par le champ de l'aimant permanent à partir duquel le noyau du rouleau est fabriqué. Lorsque le rouleau magnétique tourne, le toner passe à travers une fente étroite formée par le docteur et le rouleau. En conséquence, il acquiert une charge négative et adhère aux parties du tambour qui ont été exposées. "Doctor" assure une application uniforme du toner sur le rouleau magnétique.

Transfert toner sur papier. En continuant à tourner, le tambour avec l'image développée entre en contact avec le papier. Au verso, le papier est pressé contre le rouleau de transfert chargé positivement. En conséquence, des particules de toner chargées négativement sont attirées vers le papier, sur lequel une image saupoudrée de toner est produite.

Ancrage images. Une feuille de papier avec une image lâche se déplace vers un mécanisme de fixation, qui est deux arbres en contact, entre lesquels le papier est tiré. Le rouleau de pression inférieur le pousse contre le rouleau de fusion supérieur. Le rouleau supérieur est chaud et lorsqu'il touche, les particules de toner fondent et adhèrent au papier.

Nettoyage tambour. Une partie du toner ne se transfère pas sur le papier et reste sur le tambour, il doit donc être nettoyé. Cette fonction est assurée par la "vipère". Tout le toner restant sur le tambour est essuyé avec un chiffon dans le bac de récupération de toner. Ce faisant, la lame de récupération ferme la zone entre le tambour et la trémie, empêchant le toner de se répandre sur le papier.

"Effacer" images. A ce stade, l'image latente appliquée par le faisceau laser est "effacée" de la surface du tambour. Avec l'aide de l'arbre de charge primaire, la surface du tambour est uniformément «recouverte» d'une charge négative, qui est restaurée dans les endroits où elle a été partiellement éliminée par la lumière.

Laser est un générateur de lumière cohérent. Une onde cohérente (ordonnée) idéale a une longueur et une fréquence strictement définies, un front plat et est idéalement polarisée. Les ondes incohérentes (désordonnées) sont caractérisées par un étalement des fréquences et des longueurs d'onde dans une plage de valeurs suffisamment large et n'ont pas de plan de polarisation défini.

Les ondes lumineuses parfaitement cohérentes et incohérentes sont absentes dans la nature. Quelle que soit la source, les ondes lumineuses se caractérisent par un étalement de leurs caractéristiques dans une certaine plage de valeurs. Plus ces intervalles sont étroits, plus le rayonnement lumineux est ordonné et cohérent. D'une manière quelque peu simplifiée, une onde lumineuse réelle peut être considérée comme un ensemble d'ondes planes monochromatiques polarisées avec différentes fréquences, directions de propagation et plans de polarisation. Augmenter la cohérence du rayonnement peut être compris comme réduire le nombre d'ondes différentes dans un ensemble. Dans un rayonnement cohérent idéal, qui est approché par un laser, l'ensemble complet se compose d'une seule onde.

Le rayonnement cohérent a des propriétés telles que la monochromaticité, la divergence de faisceau faible, la luminosité élevée. Cela permet au rayonnement laser d'être focalisé sur la surface du matériau traité en utilisant un système optique simple. Les dimensions linéaires d'un faisceau laser focalisé (spot) peuvent atteindre des fractions de micromètre. Avec de si petites dimensions, toute l'énergie de rayonnement est concentrée sur une surface en millionièmes de centimètre carré, créant une densité d'énergie à la surface de centaines de milliards de watts par centimètre carré. Ainsi, un faisceau cohérent focalisé peut vaporiser les matériaux les plus réfractaires.

Le mot laser se compose des lettres initiales de l'expression anglaise Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, qui en russe signifie amplification de la lumière par émission stimulée.

Le travail d'un laser est basé sur l'utilisation des réserves d'énergie interne des atomes et des molécules d'une substance, formant des microsystèmes - formations constituées de noyaux et d'électrons, dont le comportement et l'état obéissent aux lois de la mécanique quantique.

L'énergie du mouvement relatif des particules qui composent les atomes ne peut prendre que des valeurs strictement définies. Ces valeurs d'énergie E 1, E 2, ..., E k sont appelées niveaux d'énergie... Le système des niveaux d'énergie constitue le spectre énergétique de l'atome. Le niveau inférieur - avec un minimum d'énergie - est appelé le principal, le reste - excité... Le spectre d'énergie d'un atome isolé dépend de sa structure. Le nombre d'atomes avec une énergie donnée est appelé population niveau.

Si un atome situé au niveau du sol E 1 est alimenté en énergie, il peut aller à l'un des niveaux excités (Fig. 1). Au contraire, un atome excité peut aller spontanément (spontanément) à l'un des niveaux inférieurs, tout en émettant une certaine portion d'énergie sous la forme d'un quantum de lumière (photon). Si l'émission de lumière se produit lors de la transition d'un atome du niveau d'énergie E m au niveau E n, alors la fréquence du quantum de lumière émis (ou absorbé)  mn:

où h est la constante de Planck.

Fig. 1. Spectre d'énergie de l'atome

Ce sont ces processus de radiation spontanée qui se produisent dans les corps chauffés et les gaz incandescents: un chauffage ou une décharge électrique transforme certains des atomes en un état excité; passant dans des états inférieurs, ils émettent de la lumière. Dans le processus de transitions spontanées, les atomes émettent de la lumière indépendamment les uns des autres. Les quanta de lumière sont émis de manière chaotique sous forme d'onde les trains(paquets). Les trains ne sont pas coordonnés entre eux dans le temps, c'est-à-dire avoir une phase différente. Par conséquent, l'émission spontanée est incohérente.

Parallèlement à l'émission spontanée d'un atome excité, il y a forcé(ou induit) rayonnement: les atomes émettent sous l'influence d'un champ électromagnétique externe en évolution rapide, comme la lumière. Dans ce cas, il s'avère que sous l'action d'une onde électromagnétique externe, l'atome émet une onde secondaire, dans laquelle la fréquence, la polarisation, la direction de propagation et la phase coïncident complètement avec les caractéristiques de l'onde externe agissant sur l'atome. Le phénomène de rayonnement stimulé permet de contrôler le rayonnement des atomes à l'aide d'ondes électromagnétiques et ainsi amplifier et générer une lumière cohérente. Pour ce faire en pratique, certaines conditions doivent être remplies. Tout d'abord, vous avez besoin résonance - coïncidence de la fréquence de la lumière incidente avec l'une des fréquences  mn du spectre d'énergie de l'atome. La nature elle-même s'est occupée du respect de la condition de résonance: si un photon lumineux est émis spontanément lors de la transition d'un atome d'un niveau supérieur E m au niveau E n, alors sa fréquence est égale à  mn et correspondra à une transition entre des niveaux similaires d'un autre atome du même type, puisque le spectre d'énergie d'atomes identiques est absolument identique. Dans le futur, l'émission stimulée d'atomes excités génère toute une avalanche de photons, tous similaires au photon primaire. En conséquence, la collection d'atomes émettra une onde lumineuse cohérente intense, c'est-à-dire la génération de lumière cohérente sera réalisée. Une autre condition est liée à la population de différents niveaux. Parallèlement à l'émission de lumière stimulée par des atomes situés au niveau supérieur E m, il se produit également absorption résonnante atomes habitant le niveau inférieur Е n. L'atome situé au niveau inférieur E n absorbe un quantum lumineux, en passant au niveau supérieur E m. L'absorption résonante empêche l'inertie de la lumière. Que finalement un système d'atomes produise de la lumière ou non dépend des atomes qui sont le plus dans la substance. Pour que la génération apparaisse, il faut que le nombre d'atomes au niveau supérieur N m soit supérieur au nombre d'atomes au niveau inférieur N n, entre lesquels se produit la transition.

Dans des conditions naturelles, il y a moins de particules à un niveau plus élevé à n'importe quelle température qu'à un niveau inférieur. Par conséquent, tout corps, même fortement chauffé, ne générera pas de lumière en raison de transitions forcées.

Pour exciter la génération de lumière cohérente, il est nécessaire de prendre des mesures spéciales pour que des deux niveaux sélectionnés, le supérieur soit plus peuplé que le inférieur. Un état de la matière dans lequel le nombre d'atomes à l'un des niveaux d'énergie supérieure est supérieur au nombre d'atomes au niveau d'énergie inférieure est appelé actif, ou un état avec inversion (charme) populations. Ainsi, pour exciter la génération de lumière cohérente, une inversion de population est nécessaire pour cette paire de niveaux, dont la transition correspond à la fréquence de génération.

Le deuxième problème qui doit être résolu pour créer un laser est le problème retour d'information. Pour que la lumière contrôle le rayonnement des atomes, il est nécessaire qu'une partie de l'énergie lumineuse émise reste tout le temps à l'intérieur de la substance de travail, provoquant l'émission forcée de lumière par de plus en plus d'atomes. Cela se fait à l'aide de miroirs. Dans le cas le plus simple, la substance de travail est placée entre deux miroirs, dont l'un est semi-transparent (Fig. 2). L'onde lumineuse émise en tout lieu à la suite de la transition spontanée de l'atome est amplifiée en raison de l'émission forcée lorsqu'elle se propage à travers la substance de travail. Après avoir atteint le miroir translucide, la lumière le traversera partiellement. Cette partie de l'énergie lumineuse est émise par le laser à l'extérieur et peut être utilisée. Une partie de la lumière réfléchie par le miroir semi-transparent donnera naissance à une nouvelle avalanche de photons. Cette avalanche ne différera pas de la précédente en raison des propriétés d'émission forcée.

Fig. 2. Circuit d'excitation pour la génération de lumière cohérente

Mais le respect des deux conditions décrites est encore insuffisant. Pour que la génération de lumière se produise, l'amplification dans la substance active doit être suffisamment importante. Il doit dépasser une certaine valeur appelée seuil... En effet, laissez une partie du flux lumineux incident sur le miroir semi-transparent être réfléchie. L'amplification au double de la distance entre les miroirs (un passage) doit être telle que l'énergie lumineuse renvoyée au miroir semi-transparent ne soit pas inférieure à la fois précédente. Ce n'est qu'alors que l'onde lumineuse commencera à s'accumuler de passage en passage. Si ce n'est pas le cas, alors lors du deuxième passage du miroir semi-transparent, moins d'énergie atteindra qu'au moment précédent, pendant le troisième - encore moins, etc. Le processus d'atténuation se poursuivra jusqu'à ce que le flux lumineux soit complètement éteint. Il est clair que plus la réflectance du miroir semi-transparent est faible, plus le gain de seuil de la substance de travail est élevé.

Ainsi, pour créer une source de lumière cohérente, les exigences suivantes sont requises:

vous avez besoin d'une substance de travail avec une population inversée, ce n'est qu'alors que vous pouvez obtenir l'amplification de la lumière due aux transitions forcées;

la substance de travail doit être placée entre les miroirs qui fournissent une rétroaction;

le gain donné par la substance de travail, ce qui signifie que le nombre d'atomes ou de molécules excités dans la substance de travail doit être supérieur à la valeur seuil, qui dépend du coefficient de réflexion du miroir semi-transparent.

Façons de créer une inversion. Il existe plusieurs manières de créer une inversion (pompage d'un milieu actif): optique, thermique, chimique, à l'aide d'un faisceau d'électrons, à l'aide d'une décharge électrique auto-entretenue, etc.

A partir des méthodes présentées, nous considérerons le pompage optique et le pompage par décharge électrique auto-entretenue.

La première façon est universel et est utilisé pour exciter divers milieux actifs - cristaux diélectriques, verres, liquides, mélanges gazeux. L'excitation optique peut être utilisée de la même manière qu'un élément constitutif de certaines autres méthodes de pompage (par exemple, électroionisation et chimie).

Deuxième voie utilisé pour le pompage de milieux actifs gazeux raréfiés.

Les deux méthodes, comme beaucoup d'autres, permettent un pompage pulsé et continu. Avec la méthode optique, des lampes flash à décharge ou des lampes à combustion continue peuvent être utilisées. Lors du pompage par décharge électrique, des décharges pulsées et stationnaires sont utilisées. Avec un pompage pulsé, l'énergie d'excitation entre dans l'élément actif par portions (impulsions), et avec un pompage continu, elle est continuellement (stable).

Le pompage pulsé (par rapport au pompage continu) présente un certain nombre d'avantages, car il permet une génération dans la plupart des milieux actifs, il est plus facile à mettre en œuvre d'un point de vue technique et il n'y a pas besoin de refroidissement forcé de l'élément actif en raison de son échauffement insignifiant. Sous pompage pulsé, divers régimes laser sont possibles; le rayonnement laser est formé sous la forme d'impulsions lumineuses uniques ou d'une séquence d'impulsions. Dans le même temps, une concentration élevée de l'énergie émise dans le temps et dans l'espace est obtenue (impulsions lumineuses ultra-courtes d'une puissance allant jusqu'à 10 12 W).

L'excitation des centres actifs sous pompage optique se produit à la suite de l'absorption du rayonnement d'une source lumineuse spéciale.

Lorsqu'ils sont pompés par une décharge électrique auto-entretenue, les niveaux supérieurs sont peuplés à la suite de collisions inélastiques de centres actifs avec des électrons de plasma libres.

Sous pompage par électro-ionisation, des électrons rapides qui excitent les états vibrationnels des molécules de gaz (en particulier, l'azote et le dioxyde de carbone) se forment non pas dans une décharge auto-entretenue, mais sous l'action d'un rayonnement ionisant et d'un champ externe accéléré. Un faisceau d'électrons provenant d'un accélérateur est utilisé comme rayonnement ionisant.

Ainsi, tout laser se compose de trois parties principales: un élément actif, une cavité optique et un système de pompage. Le schéma fonctionnel du laser est illustré à la Fig.3.

Fig. 3. Schéma fonctionnel du laser: 1 - élément actif; 2 - miroir résonateur; 3 - élément résonateur; 4 - système de pompage

Lasers à l'état solide... Les lasers sont appelés lasers à semi-conducteurs, dont le milieu actif est un cristal ou un verre diélectrique dans lequel sont introduits des ions qui jouent le rôle de centres actifs.

Le schéma de pompage optique dans un laser à semi-conducteurs est illustré à la figure 4. La lampe flash à décharge 2 (source de pompe) a la forme d'un cylindre droit et est placée parallèlement à l'élément actif 1. La lampe et l'élément actif sont installés à l'intérieur du réflecteur 3 de telle sorte que dans chaque section perpendiculaire à l'axe du cylindre, ils se trouvent aux points focaux de l'ellipse. En conséquence, les rayons lumineux sortant d'un foyer, après avoir été réfléchis par la surface elliptique, tombent sur l'élément actif, fournissant une focalisation maximale. Une puissance de sortie laser encore plus élevée est obtenue en utilisant des réflecteurs à deux lampes.

Fig. 4. Schéma de pompage optique dans un laser à semi-conducteurs: 1 - élément actif, 2 - lampe flash (source de pompe), 3 - réflecteurs

Dans les lasers à l'état solide, les résonateurs optiques sont des faces opposées d'éléments actifs, sur lesquelles une couche métallique est déposée.

Pour la première fois, le laser a été obtenu à partir de rubis. Le rubis se forme en dissolvant de petites quantités de Cr 2 O 3 dans du saphir Al 2 O 3. Couleur rose grâce aux larges bandes d'absorption des ions Cr 3+, ce qui permet d'obtenir des transitions laser dans la région rouge lors du pompage. La longueur d'onde du laser à température ambiante est de 0,6943 μm.

Les cristaux de rubis ont une grande résistance mécanique et une conductivité thermique. En raison de ces qualités de cristaux, ainsi que de la possibilité de faire pousser des lingots de presque toutes les longueurs et diamètres, uniformes en longueur et en section transversale, les lasers à rubis se sont généralisés.

Lasers rubis travailler en mode pulsé ou continu. En raison de sa faible efficacité (~ 0,1%), le laser rubis CW n'est pas rentable par rapport aux autres lasers à semi-conducteurs CW. Le laser est pompé par des lampes flash au xénon en spirale ou linéaire.

Lasers à grenat d'aluminium et d'yttrium avec l'ajout de l'élément chimique néodyme (YAG: Nd-lasers) ont trouvé l'application la plus répandue parmi tous les lasers à semi-conducteurs, car ils ont un rendement suffisamment élevé, une puissance de sortie élevée et ne surchauffent pas à un taux de répétition élevé des impulsions lumineuses. YAG: longueur d'onde du laser Nd 1,06 μm. Le laser est pompé avec des lampes au xénon ou au krypton.

De plus, les lasers en verre au néodyme sont largement utilisés, qui sont également des sources relativement efficaces de rayonnement cohérent au voisinage d'une longueur d'onde de 1,06 µm. La relative facilité de traitement du verre permet non seulement d'obtenir des éléments actifs sous forme de tiges jusqu'à 2 m de longueur ou de plaques avec des dimensions transversales jusqu'à 10 cm, mais aussi de créer des conceptions d'amplificateurs à couches minces et de lasers à fibre de plusieurs dizaines de mètres de long. Pour cette raison, de tels lasers sont utilisés dans des systèmes optiques intégrés.

Lasers à gaz. Dans ces lasers, l'inversion de population de niveau est créée en raison de l'excitation d'atomes ou de molécules de gaz lors de leurs collisions avec des électrons libres générés dans une décharge électrique. La pression dans les lasers à décharge gazeuse est choisie dans la gamme de centièmes à plusieurs mm Hg. À des pressions plus basses, les électrons accélérés par un champ électrique entrent très rarement en collision avec des atomes. Dans ce cas, l'ionisation et l'excitation des atomes ne sont pas assez intenses. Aux hautes pressions, ces collisions deviennent au contraire trop fréquentes. De ce fait, les électrons n'ont pas le temps d'accélérer suffisamment dans un champ électrique et d'acquérir l'énergie nécessaire à l'ionisation et à l'excitation des atomes, c'est-à-dire les collisions deviennent inefficaces.

Il existe trois types de lasers à décharge gazeuse: les lasers à atomes neutres, les lasers ioniques et les lasers moléculaires. Ils diffèrent les uns des autres à la fois par le mécanisme de formation de l'inversion de population et par les plages de longueurs d'onde générées. La différence dans les plages est due aux différences dans le spectre d'énergie des atomes neutres, des molécules et des ions.

Les lasers à élément actif constitué d'un mélange d'hélium et de néon (10: 1) - le laser He-Ne - est un laser à décharge gazeuse basé sur des transitions atomiques générant un rayonnement d'une longueur d'onde de 0,6328 μm.

Les lasers à ions argon et krypton sont les lasers cw les plus puissants dans les régions visible et proche ultraviolette du spectre. En règle générale, les appareils industriels ont une puissance de 10 à 20 W dans la région de 0,5 μm et de 1 à 2 W au voisinage de 0,35 μm, le rendement des lasers ne dépasse pas 0,1%.

Les lasers à dioxyde de carbone (lasers CO 2) ont le plus haut rendement de conversion (jusqu'à 40%) de l'électricité en énergie de rayonnement par rapport aux autres lasers à gaz. Ils sont faciles à utiliser à haute puissance, ils sont donc largement utilisés dans l'industrie.

Fig. 6. Dispositif laser CO 2 avec séparation des régions de décharge et du volume de travail du résonateur: 1 - système de pompage d'azote, 2 - région de décharge électrique, 3 - volume de travail du résonateur, 4 - miroir de sortie du résonateur, 5 - système de pompage de dioxyde de carbone

Le milieu actif d'un laser CO 2 est constitué d'un mélange de gaz de dioxyde de carbone, d'azote moléculaire et d'une petite quantité d'hélium et de vapeur d'eau. Le laser est excité par une décharge luminescente. Le laser (figure 6) possède des systèmes séparés pour pomper le dioxyde de carbone 5 et l'azote 1. Les molécules d'azote tombant dans la région de décharge électrique du capillaire de travail 2 sont excitées par des collisions avec des électrons. Puis ils entrent dans le volume de travail du résonateur 3, où ils se mélangent aux molécules de CO 2 non excitées et leur transfèrent leur énergie.

Le laser CO 2 génère un rayonnement avec des longueurs d'onde de 0,940 et 1,040 microns et peut fonctionner en modes continu et pulsé. Dans le premier cas, le laser est excité par une décharge électrique longitudinale dans un tube cylindrique. C'est ainsi que tous les lasers CO 2 industriels cw d'une puissance allant jusqu'à 800 W. Dans le second cas, les lasers CO 2 peuvent générer des impulsions avec des énergies jusqu'à 2 kJ, et des lasers d'électroionisation avec des énergies supérieures à 2 kJ.

Lasers chimiques.En plus de la décharge électrique, l'inversion de population des niveaux d'atomes et de molécules dans les lasers à gaz peut être créée à la suite de réactions chimiquesauquel des atomes ou des radicaux sont formés dans des états excités. Les réactions habituelles étant plutôt lentes, elles ne conviennent pas pour créer une inversion de population. Avant que suffisamment d'atomes excités ne s'accumulent, ils ont le temps de passer à l'état fondamental et le laser ne fonctionnera pas. Pour cette raison, les lasers chimiques ne peuvent fonctionner que sur des réactions rapides, comme la photodissociation de molécules (désintégration d'une molécule en plusieurs parties sous l'action de la lumière), l'explosion ou des réactions chimiques entre atomes ou molécules en faisceaux opposés d'atomes ou de molécules de diverses substances. La méthode chimique pour générer des inversions de population permet en principe la création de lasers avec un rendement et une puissance de sortie très élevés. Le laser à photodissociation CF 3 J produit des puissances lumineuses élevées (jusqu'à 50 kW) à des énergies d'impulsion allant jusqu'à 65 J. Les lasers fonctionnant sur des explosions peuvent donner une puissance particulièrement élevée.

Aménagement des installations technologiques laser.Actuellement, dans la technologie de fabrication de produits électroniques, diverses installations technologiques laser sont utilisées, qui, quel que soit leur objectif, ont un schéma structurel commun et des éléments structurels similaires (Fig.7).

Le laser 2 est la principale source d'énergie pour la mise en œuvre du processus technologique. Le système optique 5 focalise le rayonnement laser 4 dans le faisceau lumineux et le dirige vers l'objet traité 7. De plus, le système optique 5 contrôle visuellement la position de la pièce par rapport au faisceau, surveille l'avancement du processus et évalue ses résultats. A l'aide du dispositif 8, la pièce 7 est déplacée pendant le processus technologique, elle est fixée dans une position donnée et les pièces sont remplacées après le traitement.

Certains processus technologiques nécessitent la création de conditions spécifiques (par exemple, la fourniture d'un certain environnement technologique à la zone de travail). Pour cela, les installations prévoient un dispositif correspondant 10, qui permet l'alimentation en gaz inerte lors du soudage.

Dans certains cas, de l'énergie mécanique ou électromagnétique est introduite dans la zone de traitement pour améliorer l'efficacité du traitement au laser. Les procédés combinés (découpe gaz-laser, traitement laser-trou d'étincelle, etc.) sont assurés par une source d'énergie auxiliaire 6 introduite dans l'installation. Le mouvement de la pièce et la position du laser sont contrôlés par le dispositif logiciel 1. Le rayonnement est contrôlé par le capteur 3, la température de la zone de traitement, l'état de la surface de la pièce par le capteur 9, qui, en plus, corrige les paramètres ou arrête l'opération.

Fig. 7. Schéma de principe de l'unité technologique laser: 1 - dispositif logiciel, 2 - laser, 3 - capteur de paramètres de rayonnement, 4 - rayonnement laser, 5 - système optique, 6 - source d'énergie auxiliaire, 7 - pièce, 8 - dispositif de fixation et de déplacement de la pièce pièces, 9 - capteur de paramètres technologiques de processus, 10 - dispositif d'alimentation en fluide de processus

Le premier principe de fonctionnement du laser, dont la physique était basée sur la loi du rayonnement de Planck, a été théoriquement justifié par Einstein en 1917. Il a décrit l'absorption, le rayonnement électromagnétique spontané et stimulé en utilisant des coefficients de probabilité (coefficients d'Einstein).

Pionniers

Theodore Meiman a été le premier à démontrer le principe de fonctionnement basé sur le pompage optique à l'aide d'une lampe flash rubis synthétique produisant un rayonnement cohérent pulsé à une longueur d'onde de 694 nm.

En 1960, les scientifiques iraniens Javan et Bennett ont créé le premier générateur de gaz quantique utilisant un mélange de gaz He et Ne dans un rapport de 1:10.

En 1962, R.N. Hall a démontré le premier arséniure de gallium (GaAs) à émettre à une longueur d'onde de 850 nm. Plus tard dans l'année, Nick Golonyak a développé le premier générateur quantique à semi-conducteur pour la lumière visible.

Le dispositif et le principe de fonctionnement des lasers

Chaque système laser se compose d'un milieu actif placé entre une paire de miroirs optiquement parallèles et hautement réfléchissants, dont l'un est semi-transparent, et une source d'énergie pour le pomper. Le milieu d'amplification peut être un solide, liquide ou gazeux, qui ont la propriété d'amplifier l'amplitude de l'onde lumineuse le traversant par émission stimulée par pompage électrique ou optique. La substance est placée entre une paire de miroirs de telle manière que la lumière qui y est réfléchie la traverse à chaque fois et, après avoir réalisé une amplification significative, pénètre à travers un miroir semi-transparent.

Environnements à deux niveaux

Considérons le principe de fonctionnement d'un laser à milieu actif dont les atomes n'ont que deux niveaux d'énergie: excité E 2 et base E 1. Si les atomes sont excités à l'état E 2 par n'importe quel mécanisme de pompage (optique, décharge électrique, transmission de courant ou bombardement électronique), ils retourneront alors en position au sol après quelques nanosecondes, émettant des photons d'énergie hν \u003d E 2 - E 1. Selon la théorie d'Einstein, l'émission est produite de deux manières différentes: soit elle est induite par un photon, soit elle se produit spontanément. Dans le premier cas, une émission stimulée a lieu, et dans le second, une émission spontanée. En équilibre thermique, la probabilité d'émission stimulée est significativement inférieure à celle d'émission spontanée (1:10 33), par conséquent, la plupart des sources lumineuses ordinaires sont incohérentes et le laser est possible dans des conditions autres que l'équilibre thermique.

Même avec un pompage très fort, la population des systèmes à deux niveaux ne peut être rendue égale. Par conséquent, pour obtenir une population inverse par des méthodes de pompage optiques ou autres, des systèmes à trois ou quatre niveaux sont nécessaires.

Systèmes à plusieurs niveaux

Quel est le principe de fonctionnement d'un laser à trois niveaux? L'irradiation avec une lumière intense de fréquence ν 02 pompe un grand nombre d'atomes du très niveau faible énergie E 0 vers le E 2 supérieur. La transition non radiative des atomes de E 2 à E 1 établit une inversion de population entre E 1 et E 0, ce qui n'est en pratique possible que lorsque les atomes longtemps sont dans un état métastable E 1, et le passage de E 2 à E 1 se produit rapidement. Le principe de fonctionnement d'un laser à trois niveaux est de remplir ces conditions, grâce auxquelles une inversion de population est réalisée entre E 0 et E 1 et les photons sont amplifiés par l'énergie E 1 -E 0 du rayonnement induit. Un niveau E 2 plus large pourrait augmenter la plage d'absorption des longueurs d'onde pour un pompage plus efficace, entraînant une augmentation de l'émission stimulée.

Le système à trois niveaux nécessite une puissance de pompe très élevée, car le niveau inférieur impliqué dans la production est le niveau de base. Dans ce cas, pour que l'inversion de population se produise, plus de la moitié du nombre total d'atomes doit être pompée à l'état E 1. C'est de l'énergie gaspillée. La puissance de la pompe peut être considérablement réduite si le niveau de génération inférieur n'est pas de base, ce qui nécessite au moins un système à quatre niveaux.

Selon la nature de la substance active, les lasers sont classés en trois grandes catégories, à savoir solide, liquide et gazeux. Depuis 1958, lorsque le laser a été observé pour la première fois dans un cristal de rubis, les scientifiques et les chercheurs ont étudié une grande variété de matériaux dans chaque catégorie.

Laser à l'état solide

Le principe de fonctionnement repose sur l'utilisation d'un milieu actif, qui est formé par l'ajout d'un métal de transition au réseau cristallin isolant (Ti +3, Cr +3, V +2, Co +2, Ni +2, Fe +2, etc.) , ions de terres rares (Ce +3, Pr +3, Nd +3, Pm +3, Sm +2, Eu + 2, + 3, Tb +3, Dy +3, Ho +3, Er +3, Yb +3 , etc.) et des actinides comme U +3. les ions ne sont responsables que de la génération. Propriétés physiques matériau de base tel que la conductivité thermique et sont essentiels pour des performances laser efficaces. La disposition des atomes du réseau autour de l'ion dopé modifie ses niveaux d'énergie. Différentes longueurs d'onde laser dans le milieu actif sont obtenues par dopage divers matériaux avec le même ion.

Laser Holmium

Un exemple est un générateur quantique dans lequel l'holmium remplace un atome du matériau de base du réseau cristallin. Ho: YAG est l'un des meilleurs matériaux de génération. Le principe de fonctionnement d'un laser holmium est que le grenat yttrium aluminium est dopé avec des ions holmium, pompé optiquement avec une lampe flash et émet à une longueur d'onde de 2097 nm dans le domaine infrarouge, qui est bien absorbé par les tissus. Ce laser est utilisé pour les opérations sur les articulations, en traitement dentaire, pour l'évaporation des cellules cancéreuses, des reins et des calculs biliaires.

Générateur quantique à semi-conducteur

Les lasers à puits quantiques sont peu coûteux, permettent une production de masse et sont facilement évolutifs. Le principe de fonctionnement d'un laser à semi-conducteur est basé sur l'utilisation d'une diode à jonction pn, qui produit de la lumière d'une longueur d'onde spécifique en recombinant la porteuse à polarisation positive, similaire aux LED. Les LED émettent spontanément, tandis que les diodes laser émettent de manière forcée. Pour répondre à la condition d'inversion de population, le courant de fonctionnement doit dépasser la valeur seuil. Le milieu actif dans une diode semi-conductrice a la forme d'une région de connexion de deux couches bidimensionnelles.

Le principe de fonctionnement de ce type de laser est tel qu'aucun miroir extérieur n'est nécessaire pour maintenir l'oscillation. La réflectivité créée par les couches et la réflexion interne du milieu actif sont suffisantes à cet effet. Les surfaces d'extrémité des diodes sont ébréchées, ce qui garantit que les surfaces réfléchissantes sont parallèles.

Un composé formé par un type est appelé une homojonction, et un composé créé en joignant deux types différents est appelé une hétérojonction.

Les semi-conducteurs de types p et n avec une densité de porteurs élevée forment une jonction pn avec une couche d'appauvrissement très mince (≈1 μm).

Laser à gaz

Le principe de fonctionnement et d'utilisation d'un laser de ce type vous permet de créer des appareils de presque toutes les puissances (des milliwatts aux mégawatts) et longueurs d'onde (de l'UV à l'IR) et vous permet de travailler en modes pulsé et continu. Sur la base de la nature des milieux actifs, trois types de générateurs quantiques de gaz sont distingués, à savoir atomique, ionique et moléculaire.

La plupart des lasers à gaz sont pompés électriquement. Les électrons dans le tube à décharge sont accélérés par le champ électrique entre les électrodes. Ils entrent en collision avec des atomes, des ions ou des molécules du milieu actif et induisent une transition vers des niveaux d'énergie plus élevés pour atteindre l'état d'inversion de population et d'émission stimulée.

Laser moléculaire

Le principe de fonctionnement d'un laser est basé sur le fait que, contrairement aux atomes et ions isolés, les molécules des générateurs quantiques atomiques et ioniques ont de larges bandes d'énergie de niveaux d'énergie discrets. Dans ce cas, chaque niveau d'énergie électronique a un grand nombre de niveaux de vibration, et ceux-ci, à leur tour, ont plusieurs niveaux de rotation.

L'énergie entre les niveaux d'énergie électroniques se trouve dans les régions UV et visible du spectre, tandis qu'entre les niveaux vibrationnels-rotationnels - dans les régions IR éloignées et proches. Ainsi, la plupart des générateurs quantiques moléculaires fonctionnent dans les régions infrarouges lointaines ou proches.

Lasers à excimère

Les excimères sont des molécules telles que ArF, KrF, XeCl, qui ont un état fondamental séparé et sont stables au premier niveau. Le principe du laser est le suivant. En règle générale, le nombre de molécules à l'état fondamental est petit; par conséquent, le pompage direct à partir de l'état fondamental n'est pas possible. Les molécules sont formées dans un premier état électronique excité en combinant des halogénures à haute énergie avec des gaz inertes... L'inversion de population est facilement obtenue car le nombre de molécules à la ligne de base est trop petit par rapport à celui excité. Le principe de fonctionnement d'un laser, en bref, consiste dans le passage d'un état électronique excité lié à un état fondamental dissociatif. La population à l'état fondamental reste toujours à un niveau bas, car les molécules à ce stade se dissocient en atomes.

Le dispositif et le principe de fonctionnement des lasers est que le tube à décharge est rempli d'un mélange d'un halogénure (F 2) et d'un gaz de terre rare (Ar). Les électrons qu'il contient dissocient et ionisent les molécules d'halogénure et créent des ions chargés négativement. Les ions positifs Ar + et F négatif - réagissent et produisent des molécules ArF dans un premier état lié excité, suivi de leur transition vers un état de base répulsif et de la génération d'un rayonnement cohérent. Un laser excimère, dont nous envisageons maintenant le principe de fonctionnement et d'application, peut être utilisé pour pomper un milieu actif à base de colorants.

Laser liquide

Par rapport aux solides, les liquides sont plus homogènes et ont une densité d'atomes actifs plus élevée que les gaz. De plus, ils ne sont pas difficiles à fabriquer, permettent une dissipation thermique aisée et peuvent être facilement remplacés. Le principe de fonctionnement du laser est d'utiliser des colorants organiques comme milieu actif, tels que le DCM (4-dicyanométhylène-2-méthyl-6-p-diméthylaminostiryl-4H-pyran), la rhodamine, le styryle, le LDS, la coumarine, le stilbène, etc. ., dissous dans un solvant approprié. Une solution de molécules de colorant est excitée par un rayonnement dont la longueur d'onde a un bon coefficient d'absorption. Le principe du fonctionnement du laser, en bref, est de générer à une longueur d'onde plus longue, appelée fluorescence. La différence entre l'énergie absorbée et les photons émis est exploitée par des transitions d'énergie non radiative et chauffe le système.

La bande de fluorescence plus large des générateurs quantiques liquides a une caractéristique unique: le réglage de la longueur d'onde. Le principe de fonctionnement et l'utilisation de ce type de laser comme source de lumière accordable et cohérente prend de plus en plus d'importance dans la spectroscopie, l'holographie et les applications biomédicales.

Récemment, des générateurs quantiques de colorant ont été utilisés pour la séparation isotopique. Dans ce cas, le laser excite sélectivement l'un d'entre eux, l'incitant à entrer dans une réaction chimique.

Le laser est une source d'ondes électromagnétiques dans les gammes visible, infrarouge et ultraviolet, basée sur le rayonnement stimulé (ou induit) des atomes et des molécules. Le mot «laser» est composé des lettres initiales (abréviation) des mots de l'expression anglaise «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», qui signifie «amplification de la lumière à la suite d'une émission stimulée». Dans la littérature, le terme «générateur quantique optique» (LQG) est également utilisé.

Le principe du fonctionnement du laser repose sur trois idées fondamentales. La première idée est d'utiliser émission forcée (induite) lumière par les systèmes atomiques. La deuxième idée est d'appliquer milieux thermodynamiquement hors équilibre avec population inverse niveaux auxquels une amplification plutôt qu'une absorption de la lumière est possible. La troisième idée est d'utiliser commentaire positif pour convertir le système amplificateur en un générateur de rayonnement cohérent.

Considérons un atome libre d'un milieu rayonnant qui n'est pas soumis à des influences extérieures, qui est dans un état excité. Ensuite, il peut passer spontanément (spontanément) d'un état excité d'énergie E 2 à l'état fondamental (non excité) d'énergie E 1. Dans ce cas, un quantum de lumière sera émis - un photon avec l'énergie E du photon \u003d hn \u003d E 2 - E 1, où n est la fréquence du rayonnement émis. La nature statistique et aléatoire des processus d'émission spontanée conduit au fait que les ondes électromagnétiques émises par des atomes individuels de sources lumineuses ordinaires ne sont pas coordonnées les unes avec les autres: elles ont des phases, des directions de propagation et de polarisation différentes. Cela signifie que l'émission spontanée de sources lumineuses conventionnelles est incohérente.

Rayonnement stimulé (induit) - Il s'agit du rayonnement des ondes électromagnétiques, qui se produit si les atomes du milieu passent de l'état excité à l'état fondamental sous l'action d'un rayonnement extérieur (photon). Une telle interaction d'un photon avec un atome excité peut être si l'énergie du photon hn est égal à la différence entre les niveaux d'énergie de l'atome dans les états excité et fondamental: E du photon \u003d hn \u003d E 2 - E 1 (Fig.1), où n est la fréquence du rayonnement externe. Dans ce cas, après l'interaction des photons avec un atome, deux photons se propageront à partir de l'atome: irrésistibleet obligé, c'est-à-dire qu'il y a une augmentation de la lumière. Le rayonnement stimulé généré a la même fréquence et la même phase que le processus de stimulation et se propage dans la même direction, c'est-à-dire que le rayonnement induit est cohérent avec le rayonnement de stimulation.

Lorsque les photons interagissent avec la matière, en même temps que l'émission stimulée, il y a un processus d'absorption des photons, dans lequel les atomes de la matière passent de l'état fondamental à l'état excité. Dans l'état ordinaire, il y a beaucoup plus d'atomes non excités dans la matière que d'atomes excités, par conséquent, lorsque les photons interagissent avec la matière, le processus d'absorption prévaut et il n'y a pas d'amplification de la lumière. Pour que le processus d'émission stimulée l'emporte sur l'absorption, il est nécessaire de modifier la distribution des atomes de la substance irradiée sur les niveaux d'énergie. L'amplification de la lumière a lieu si la concentration d'atomes de la substance aux niveaux d'énergie supérieurs correspondant à l'état excité est supérieure à celle des niveaux inférieurs. Une telle distribution des atomes dans le milieu sur les niveaux d'énergie est appelée population inverse... Cet état n'est possible que dans le cas de milieux thermodynamiquement hors équilibre.

Un milieu avec inversion de niveau, dans lequel il y a une amplification plutôt qu'une absorption de lumière, est appelé un milieu actif. Par le type de milieu actif utilisé, les lasers sont divisés en gaz (par exemple, hélium-néon, argon, etc.), liquide, à l'état solide (rubis, verre ou saphir) et semi-conducteur (ils utilisent une jonction semi-conductrice comme substance active).

Les méthodes de création d'un milieu actif sont appelées pompage laser. Il existe différentes méthodes de pompage des lasers - pompage optique (irradiation du milieu de travail des lasers à solide avec la lumière d'une puissante lampe flash), excitation par impact d'électrons (dans les lasers à décharge), pompage chimique, etc.

Pour qu'une rétroaction positive se produise, une partie du rayonnement généré doit rester à l'intérieur du milieu actif et provoquer l'émission forcée d'atomes de plus en plus excités. Pour créer un tel processus, le support actif est placé dans résonateur optique... Un résonateur optique est un système de deux miroirs, entre lesquels se trouve un milieu actif. Les miroirs peuvent être plats, convexes ou concaves. Leur propriété la plus importante est des valeurs élevées du coefficient de réflexion. Miroirs d'occasion avec un revêtement diélectrique multicouche, qui sont hautement réfléchissants et absorbent à peine la lumière. Du fait de la réflexion multiple des ondes lumineuses se propageant dans le milieu actif à partir des miroirs du résonateur optique, leur amplification multiple est assurée, ce qui permet d'obtenir une puissance de rayonnement élevée.

Considérons le dispositif et le principe de fonctionnement d'un laser à gaz hélium-néon, qui fonctionne en mode continu dans la zone visible du spectre. L'élément principal du laser est un tube à décharge rempli d'un mélange de gaz - hélium et néon. La pression partielle de l'hélium est de 1 mm Hg. Art., Néon - 0,1 mm Hg. Art. Les atomes de néon sont des atomes du milieu actif (travaillant), les atomes d'hélium sont auxiliaires, nécessaires pour créer une population inverse d'atomes de néon.

En figue. 2 montre les niveaux d'énergie des atomes de néon et d'hélium. Lors d'une décharge électrique, les atomes d'hélium sont excités dans le tube et passent à l'état 2 ... Premier niveau excité 2 l'hélium coïncide avec le niveau d'énergie 3 atomes de néon. Par conséquent, en collision avec des atomes de néon, les atomes d'hélium leur transfèrent leur énergie et les transfèrent à un état excité 3 ... Ainsi, un milieu actif est créé dans le tube, constitué d'atomes de néon avec une population de niveau inversé.

Transition spontanée (spontanée) d'atomes de néon individuels à partir du niveau d'énergie 3 au niveau 2 provoque l'apparition de photons. Avec une action supplémentaire de ces photons avec des atomes de néon excités, un rayonnement cohérent induit de ce dernier se produit et un flux croissant de photons avec de l'énergie apparaît dans le tube. hn.

Pour augmenter la puissance de rayonnement, le tube 1 rempli d'un mélange d'hélium et de néon est placé dans une cavité optique formée par les miroirs 5 et 6 (voir figure 3). En se reflétant sur les miroirs, le flux de photons passe le long de l'axe du tube, tandis qu'un nombre croissant d'atomes de néon sont inclus dans le processus de rayonnement induit, et l'intensité du rayonnement généré augmente comme une avalanche.

Le laser fonctionne en mode génération si la perte d'énergie de l'onde lumineuse à chaque réflexion du miroir du résonateur est inférieure à l'augmentation d'énergie résultant du rayonnement induit lors de son passage le long du tube à travers le milieu actif. Par conséquent, la qualité des miroirs résonateurs est très importante. Le résonateur se compose d'un plat 5 et concave 6 miroirs avec revêtements diélectriques multicouches (Fig. 3). La réflectance de ces miroirs est très élevée - 98–99%. La transmittance lumineuse d'un miroir est d'environ 0,1%, tandis que l'autre est d'environ 0,2%. L'utilisation d'un résonateur miroir permet d'obtenir un faisceau lumineux puissant et étroit.

Niveaux d'énergie 2 et 3 Les atomes de néon ont une structure complexe, de sorte que le laser peut émettre jusqu'à 30 longueurs d'onde différentes dans les gammes infrarouge et visible. Les miroirs du résonateur sont multicouches afin de créer le coefficient de réflexion nécessaire pour une longueur d'onde en raison des interférences. Ainsi, le laser émet une longueur d'onde strictement définie.

Le tube à décharge de gaz 1 (figure 3) est fermé aux extrémités par des plaques de verre parallèles planes 4 installées à un angle de Brewster par rapport à l'axe du tube. Cette position des plaques assure le passage du rayonnement néon polarisé à travers elles sans pertes de réflexion et conduit à une polarisation plane du rayonnement laser. Pour créer une décharge électrique dans le tube, deux électrodes y sont introduites: l'anode 2 et la cathode 3. Du fait du passage d'un courant électrique à travers le tube, une population inverse de niveaux est créée dans le milieu He-Ne.

Les sources de lumière laser présentent un certain nombre d'avantages importants par rapport aux autres sources:

1. Les lasers sont capables de produire des faisceaux lumineux avec un très petit angle de divergence (environ 10 -5 rad). Sur la Lune, un tel faisceau, émis par la Terre, donne une tache d'un diamètre de 3 km.

2. La lumière laser est extrêmement cohérente et monochromatique.

3. Les lasers sont les sources lumineuses les plus puissantes. Dans une plage spectrale étroite, pendant une courte période (dans un intervalle de temps d'environ 10 à 13 s), certains types de lasers atteignent une puissance de rayonnement de 10 17 W / cm 2, tandis que la puissance de rayonnement solaire n'est que de 7 × 10 3 W / cm 2, et au total sur tout le spectre. Pour l'intervalle étroit Dl \u003d 10 -6 cm (la largeur de la raie spectrale laser), le Soleil n'a que 0,2 W / cm2. La force du champ électrique dans une onde électromagnétique émise par un laser est supérieure à la force du champ à l'intérieur de l'atome.

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