A lézer működésének elve. Mi az a lézer? Működési elv és alkalmazás
Sokan használtak lézernyomtatót, van, akinek otthon van, de mindenki tudja, hogyan működik a lézernyomtató? Az olvasó erre a kérdésre ebben a cikkben talál választ.
A lézernyomtató egy olyan perifériás eszköz, amely gyorsan és hatékonyan nyomtat szöveget és grafikákat hétköznapi irodai és speciális papírra. Ezeknek a nyomtatóknak az olyan fő előnyei, mint az alacsony nyomtatási költség, a nagy működési sebesség, a nagy erőforrások és a felbontás, a nedvességnek való ellenállás és a fakulás, ezért nem csak az irodai dolgozók, hanem a hétköznapi felhasználók körében is használják őket.
Lézernyomtatók készítése és fejlesztése
Az első képet száraz tintával és statikus elektromossággal Chester Carlson szerezte még 1938-ban. És csak 8 évvel később sikerült megtalálni az általa kitalált eszközök gyártóját. Ez volt az a cég, amelyet ma mindannyian Xerox néven ismerünk. Ugyanebben az 1946-ban pedig az első fénymásoló belépett a piacra. Hatalmas és összetett gép volt, amely számos kézi műveletet igényelt. Csak az 1950-es évek közepén hozták létre az első teljesen automatizált mechanizmust, amely a modern lézernyomtató prototípusa volt.
1969 végén a Xerox elkezdte dolgozni a lézernyomtatók fejlesztésén, hozzáadva egy lézersugarat az akkor már létező tervekhez. De ezek szerint a szabványok szerint harmadmillió dollárt ért el, és hatalmas méretű volt, ami még a kisvállalkozásoknál sem tette lehetővé ilyen eszköz használatát, nem úgy, mint a mindennapi életben.
A nyomdaipar jelenlegi óriásainak, a Canonnak és a HP-nak az együttműködésével elindul a LaserJet nyomtatósorozat, amely percenként akár 8 oldalnyi szöveget képes kinyomtatni. Az ilyen eszközök megfizethetőbbé váltak a lézernyomtató első cserélhető kazettájának bevezetésével.
Működés elve
A képalkotás alapja a festékben található festék. A statikus elektromosság hatására megtapad és szó szerint be van nyomva a papírra. De hogyan történik ez?
Bármely lézernyomtató három fő funkcionális blokkból áll: nyomtatott áramköri kártya, képátviteli egység (patron) és nyomtató egység. A papíradagoló egység táplálja a nyomtatópapírt. Kétféle módon lettek megtervezve - a papír adagolása az alsó tálcából és a papír a felső tálcából.
Felépítése meglehetősen egyszerű:
- henger - a papír megragadásához szükséges;
- tömb egy lap megfogásához és etetéséhez;
- egy görgő, amely statikus elektromosságot továbbít a papírra.
- A lézernyomtató kazetta két részből áll, a festékből és a dobból vagy fotóhengerből.
Toner
A festék mikroszkopikus polimer részecskékből áll, amelyek festékkel vannak bevonva, magnenit és töltésszabályozó bevonásával. Minden cég egyedi jellemzőkkel rendelkező port állít elő saját nyomtatóihoz és multifunkcionális eszközeihez. Valamennyi por különbözik mágnesességében, sűrűségében, diszperziójában, szemcseméretében és egyéb fizikai jellemzőiben. Ezért ne töltse be a patronokat véletlenszerű festékkel. A festék előnye a festékkel szemben a nyomtatott kép tisztasága és nedvességállósága, amelyet a por papírba történő bejuttatása biztosít. A hátrányok között szerepel a sekély színmélység, a színes nyomtatás telítettsége és az emberi testre gyakorolt \u200b\u200bnegatív hatások, ha például festékkazettával érintkeznek a patron töltése közben.
A képek nyomtatásának szerkezete és szakaszai
A képdob hosszanti alumínium tengely formájában készül, vékony anyagréteggel, bizonyos paraméterekkel rendelkező fénysugarakra érzékeny anyaggal. A hengert védőréteg borítja. Az alumínium mellett a dobok szervetlen fényérzékeny anyagokkal készülnek. A dob fő tulajdonsága a vezetőképesség (töltés) változása lézersugár hatására. Ez azt jelenti, hogy ha a henger töltést kap, akkor jelentős ideig tárolja. De ha a tengely bármely területét megvilágítja fénnyel, akkor ezek a zónákban a vezetőképesség növekedése (vagyis az elektromos ellenállás csökkenése) következtében azonnal elveszítik töltésüket és semlegesen töltődnek fel. A töltés a belső vezetőrétegen keresztül a felszínről távozik.
Amikor egy dokumentum megérkezik nyomtatásra, a nyomtatott áramköri kártya feldolgozza azt, és megfelelő fényimpulzusokat küld a képátviteli egységnek, ahol a digitális képet képpé alakítják papíron. A dobot a tengely forgatja, és elsődleges negatív vagy pozitív töltést kap a közeli hengerből. Értékét a nyomtatási beállítások határozzák meg, amelyeket a nyomtatott áramköri kártya jelent.
A henger feltöltése után egy vízszintes lézersugár óriási frekvenciával pásztázza. A fényhenger kitett területei, amint azt fentebb említettük, nem töltődnek fel. Ezek a töltés nélküli zónák képezik a kívánt képet a dobon tükörképként. Továbbá, hogy a kép megjelenhessen a papíron, a nem töltött területeket festékkel kell megtölteni. A lézeres letapogató egység egy tükörből, egy félvezető lézerből, több alakító lencséből és egy fókuszáló lencséből áll.
A dob érintkezik egy elsősorban magnéziumból készült hengerrel, és a tartályból festéket juttat a fotociklusba. A henger, amelyben az állandó mágnes található, üreges henger formájában készül, vezetőképes réteggel. A mágneses tér hatására a garatból származó festék a mágnesezett mag erejével vonzódik a hengerhez.
Elektrosztatikus feszültség hatására a henger festéke átkerül a dob felületén lévő lézersugár által képviselt képhez, amely a henger közelében forog. A festéknek nincs hova mennie, mert negatív töltésű részecskéi vonzódnak a fotocilinder pozitív töltésű területeihez, amelyeken a kívánt kép kialakul. A negatív dob töltés visszaszorítja a hulladék festéket a lézerszkennelt területekre.
Jegyezzünk fel egy árnyalatot. Kétféle képalkotás létezik. A leggyakoribb a pozitív töltésű festék használata. Ez a por a fotocilinder semleges töltésű területein marad. Vagyis a lézer megvilágítja azokat a területeket, ahol a jövőbeni képünk lesz. A dob negatív töltésű. A második mechanizmus kevésbé gyakori, és negatív töltésű festéket használ. A lézersugár "kisüti" a pozitív töltésű fotocilinder azon területeit, amelyeken a képnek nem szabad lennie. Érdemes emlékezni a lézernyomtató kiválasztásakor, mert az első esetben az alkatrészek pontosabb átvitele lesz, a másodikban - egyenletesebb és sűrűbb töltelék. Az első nyomtatók tökéletesek voltak a szöveges dokumentumok nyomtatásához, ezért terjedtek el.
Mielőtt hozzáérne a hengerhez, a papírt statikus elektromossággal tölti fel a töltetátadó henger. Melyik festék hatására vonzódik a papír, ha érintkezik a dobral. A statikus töltéseltávolítót azonnal eltávolítják a papírról. Ez kiküszöböli a lap vonzódását a fotocilinderhez. A papír lézerszkenner egységen való áthaladása során egy kialakult kép válik láthatóvá a lapon, amelyet a legkisebb érintés is könnyen elpusztít. Tartóssága érdekében rögzíteni kell a festékben található adalékanyagok megolvasztásával. Ez a folyamat a képalkotó egységben zajlik - ez a lézernyomtató harmadik kulcsegysége. "Kályhának" is nevezik. Röviden: a festéket alkotó anyagok megolvadnak. Préselésük és megszilárdulásuk után ezek a polimerek úgy tűnik, hogy eltakarják a festéket, megvédve azt a külső behatásoktól. Az olvasó most meg fogja érteni, miért olyan melegek a nyomtatóból kijövő nyomtatott lapok.
A kialakítás szerint az úgynevezett "kályha" két tengelyből áll, amelyek közül az egyik fűtőelemet tartalmaz. A másodikra, gyakran az alsóra van szükség, hogy az olvadt polimert a papírba nyomjuk. A fűtőelemek hőfóliák formájában készült termisztorok formájában készülnek. Amikor feszültséget adnak rájuk, ezeket az elemeket másodperc töredéke alatt magas hőmérsékletre (kb. 200 ° C) melegítik. Egy csipet görgő nyomja a lapot a fűtőelemhez, amely során folyékony mikroszkopikus festékrészecskék nyomódnak be a papír textúrájába. A rögzítő egység kijáratánál vannak távtartók, hogy a papír ne tapadjon a hőfóliához.
2. oldal / 2
BAN BEN cikk figyelembe vett elv cselekvések és eszköz modern lézer nyomtatók. Kinyílik sorozat cikkeket, dedikált elveket és problémák lézer díjak.
A modern lézernyomtatókkal (valamint a pontmátrixos és tintasugaras nyomtatókkal) készített képek pontokból állnak. Minél kisebbek ezek a pontok és minél gyakrabban helyezkednek el, annál jobb a képminőség. Az a maximális pontszám, amelyet a nyomtató külön képes kinyomtatni 1 hüvelykes (25,4 mm) szegmensre, felbontásnak nevezzük, és pont per hüvelykben fejezzük ki, míg a felbontás 1200 dpi vagy annál nagyobb lehet. A 300 dpi felbontású lézernyomtatóra nyomtatott szöveg minősége megközelítőleg a tipográfiai minősége. Ha azonban az oldal szürkeárnyalatos színeket tartalmaz rajzokat tartalmaz, akkor a jó minőségű grafikai kép eléréséhez legalább 600 dpi felbontásra van szükség. 1200 dpi felbontással a nyomtatás szinte fényképminőségű. Ha nagy számú dokumentumot kell kinyomtatnia (például naponta több mint 40 lapot), úgy tűnik, hogy a lézernyomtató az egyetlen ésszerű választás, mivel a modern személyi lézernyomtatók esetében a szokásos paraméterek 600 dpi felbontás és 8 ... 1 2 oldal / perc nyomtatási sebesség.
A LÉZERNYOMTATÓ MŰKÖDÉSÉNEK ELVE
Az első lézernyomtatót a Hewlett Packard mutatta be. A képek létrehozásának elektrográfiai elvét használta - ugyanaz, mint a másológépekben. A különbség az expozíció módja volt: a fénymásolókban ez egy lámpa segítségével történik, a lézernyomtatókban pedig a lámpa fénye váltotta fel a lézersugarat.
A lézernyomtató szíve az Organic Photo Conductor, amelyet gyakran képdobnak vagy egyszerűen dobnak neveznek. Segítségével a kép papírra kerül. A dob egy fémhenger, amelyet fényérzékeny félvezető vékony filmje borít. Az ilyen henger felületét biztosíthatjuk pozitív vagy negatív töltéssel, amelyet addig tartunk, amíg a dob meg nem világít. Ha a dob bármely része ki van téve, a bevonat vezetőképességet szerez, és a töltet a megvilágított területről távozik, és egy töltetlen zónát képez. Ez a kulcs a lézernyomtató működésének megértéséhez.
A nyomtató másik kritikus része a lézer, valamint a tükrök és lencsék optikai-mechanikai rendszere, amelyek a dob felületén mozgatják a lézersugarat. A kis lézer nagyon vékony fénysugarat generál. Visszaverődve a forgó tükröktől (általában tetraéderes vagy hatszögletű), ez a nyaláb megvilágítja a dob felületét, eltávolítva annak töltését az expozíció pontján.
Pontkép készítéséhez a lézert egy vezérlő mikrokontroller segítségével be- és kikapcsolják. A forgó tükör a fénysugarat látens kép vonala formájában tárja fel a dob felületén.
Vonal kialakítása után egy speciális léptetőmotor forgatja a dobot, hogy kialakítsa a következőt. Ez az eltolás megfelel a nyomtató függőleges felbontásának, és általában 1/300 vagy 1/600 hüvelyk. A dobban látens kép kialakításának folyamata hasonlít a televízió monitorának képernyőjére.
A fotociklin felületének előzetes (elsődleges) töltésére két fő módszer létezik:
Ø egy vékony huzal vagy háló használata, amelyet koronaszálnak hívnak. A vezetékre alkalmazott nagyfeszültség izzó ionizált területet hoz létre körülötte, amelyet koronának neveznek, és megadja a dobnak a szükséges statikus töltést;
Ø egy előre feltöltött gumihengerrel (PCR).
Tehát egy láthatatlan kép képződik a dobon statikusan kisült pontok formájában. Mi a következő lépés?
ESZKÖZPATRON
Mielőtt a kép papírra helyezésének és rögzítésének folyamatáról beszélne, fontolja meg a Hewlett Packard által gyártott Laser Jet 5L nyomtatóhoz használt patron eszközét. Ennek a tipikus kazettának két fő rekesze van: a hulladékfesték-rekesz és a festékrekesz.
A hulladékfesték-rekesz fő szerkezeti elemei:
1 - Dob (Szerves fotóvezető (OPC) dob).Ez egy szerves fényérzékeny és fényvezető anyaggal (általában cink-oxid) bevont alumínium henger, amely képes megőrizni a lézersugár által alkalmazott képet;
2 - Tengely elsődleges díj (Elsődleges töltőhenger (PCR)).Egyenletes negatív töltést biztosít a dob számára. Vezetőképes gumiból vagy habszivacs alapból készül, amelyet fém tengelyre visznek fel;
3 - « Vipera» , gumibetét, tisztítás penge (Ablaktörlő lapát, tisztító lapát).Megtisztítja a festékmaradványok dobját, amelyek nem kerültek át a papírra. Szerkezetileg fém keret formájában (bélyegzés), amelynek végén poliuretán lemez (penge) van;
4 - Penge tisztítás (Felépülés Penge). Fedezi a dob és a hulladékfesték doboz közötti területet. A helyreállító penge lehetővé teszi a dob festékének a garatba való bejutását, és megakadályozza, hogy az ellenkező irányba (a garatból a papírra) szivárogjon.
A festékrekesz fő szerkezeti elemei:
1 - Mágneses tengely (Mágneses Fejlesztő Henger, Mag Henger, Fejlesztői Henger).Ez egy fémcső, benne nem mozgó mágneses maggal. A festéket a mágneses henger vonzza, amely a dobba történő betáplálás előtt negatív töltetet kap egyenáramú vagy váltakozó feszültség hatására;
2 - « Orvos» (Doctor Blade, adagoló penge).Vékony festékréteg egyenletes eloszlását biztosítja a mágneses hengeren. Szerkezetileg fém keret formájában (bélyegzés), amelynek végén rugalmas lemez (penge) van;
3 - Tömítés penge mágneses tengely(Mag Henger Tömítés Penge). A Recovery Blade-hez hasonlóan vékony lemez. Fedezi a mágneses henger és a festékellátó rekesz közötti területet. A Mag Roller Sealing Blade a mágneses hengeren maradt festékanyagot a rekeszbe vezeti, megakadályozva a festék ellentétes irányú szivárgását;
4 - Bunker mert festék (Toner Rezervoár). Belsejében található a "működő" festék, amely a nyomtatás során a papírra kerül. Ezenkívül toneraktivátor (Toner Agitator Bar) van beépítve a garatba - egy drótkeret, amelyet festék keverésére terveztek;
5 - Fóka, jelölje be (Fóka). Egy új (vagy regenerált) patronban a festéktartály egy speciális tömítéssel van lezárva, amely megakadályozza a festék kiömlését szállítás közben. Ezt a tömítést használat előtt eltávolítják.
LÉZERELV
Az ábra kivágott patront mutat. A nyomtató bekapcsolásakor a patron összes alkatrésze mozgásban van: a patron elő van készítve a nyomtatásra. Ez a folyamat megegyezik a nyomtatással, de a lézersugár nem kapcsol be. Ezután a patron alkatrészeinek mozgása leáll - a nyomtató készen áll a nyomtatásra.
Miután elküldte a dokumentumot nyomtatásra, a következő folyamatok történnek a lézernyomtató patronban:
Töltés dob. Az elsődleges töltőhenger (PCR) negatív töltést egyenletesen juttat a forgó dob felületére.
Kitettség. A negatívan feltöltött dobfelület csak ott van kitéve a lézersugárnak, ahol a festéket felviszik. A fény hatására a dob fényérzékeny felülete részben elveszíti negatív töltését. Így a lézer látens képet mutat a dobon pontok formájában, gyengített negatív töltéssel.
Alkalmazás festék. Ebben a szakaszban a dob látens képét a festék átalakítja látható képpé, amely átkerül a papírra. A mágneses henger közelében lévő festéket az állandó mágnes mezője vonzza a felületére, amelyből a hengermag készül. Amint a mágneses henger forog, a festék áthalad az orvos és a henger által kialakított keskeny résen. Ennek eredményeként negatív töltést szerez és tapad a dob azon részeihez, amelyek ki voltak téve. A "Doctor" biztosítja a festék egyenletes felvitelét a mágneses hengeren.
Átutalás festék a papír. A továbbfejlesztett képdob tovább forog, és érintkezésbe kerül a papírral. A hátoldalon a papírt a pozitív töltésű átviteli hengerhez nyomják. Ennek eredményeként negatív töltésű festékrészecskék vonzódnak ahhoz a papírhoz, amelyen festékkel meghintett kép készül.
Lehorgonyzás képek. Egy laza képpel ellátott papírlap egy rögzítő mechanizmushoz mozog, amely két érintő tengely, amelyek között a papír meghúzódik. Az alsó nyomóhenger a felső beégetőhengerhez nyomja. A felső henger forró, és amikor hozzáér, a festékrészecskék megolvadnak és kötődnek a papírhoz.
Tisztítás dob. Néhány festék nem kerül át a papírra, és a dobon marad, ezért meg kell tisztítani. Ezt a funkciót a "vipera" látja el. A dobon maradt festéket egy törlővel töröljük le a hulladék festéktartályba. Ennek során a helyreállító penge bezárja a dob és a garat közötti területet, megakadályozva, hogy a festék kifolyjon a papírra.
"Törli" képek. Ebben a szakaszban a lézersugár által alkalmazott látens képet "kitörlik" a dob felületéről. Az elsődleges töltőtengely segítségével a dob felületét egyenletesen "lefedik" negatív töltéssel, amelyet azokon a helyeken helyreállítanak, ahol a fény hatására részben eltávolították.
Lézer koherens fénygenerátor. Az ideális koherens (rendezett) hullám szigorúan meghatározott hosszúságú és frekvenciájú, lapos elülső, ideálisan polarizált. Az inkoherens (rendezetlen) hullámokat a frekvenciák és hullámhosszak elterjedése jellemzi kellően nagy értéktartományban, és nincs meghatározott polarizációs síkjuk.
A természetben mind az ideálisan koherens, mind az inkoherens fényhullámok hiányoznak. A fényhullámokat a forrástól függetlenül jellemzőik terjedése jellemzi egy bizonyos értéktartományban. Minél szűkebbek ezek az intervallumok, annál rendezettebb és koherensebb a fénysugárzás. Valamivel leegyszerűsítve a valós fényhullám különböző frekvenciájú, terjedési irányú és polarizációs síkú sík monokromatikus polarizált hullámok halmazának tekinthető. A sugárzás koherenciájának növelése úgy értelmezhető, mint egy halmaz különböző hullámainak számának csökkentése. Ideális koherens sugárzás esetén, amelyet lézer közelít meg, a teljes készlet egyetlen hullámból áll.
A koherens sugárzás olyan tulajdonságokkal rendelkezik, mint a monokromatikusság, a kis fénysugár divergenciája, a nagy fényerő. Ez lehetővé teszi, hogy a lézersugárzás egy egyszerű optikai rendszer segítségével a feldolgozandó anyag felületére fókuszálódjon. A fókuszált lézersugár (folt) lineáris méretei elérhetik a mikrométer frakcióit. Ilyen kicsi méretek esetén az összes sugárzási energia egymilliárd négyzetcentiméterben koncentrálódik egy területre, ami energiasűrűséget eredményez a felületen több száz milliárd watt per négyzetcentiméter. Így egy fókuszált koherens nyaláb képes elpárologtatni a leginkább tűzálló anyagokat.
A lézer szó a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation című angol kifejezés kezdőbetűiből áll, amelyet oroszul fordítanak a stimulált emisszióval történő fényerősítésként.
A lézer munkája az atomok és az anyagmolekulák belső energiakészleteinek felhasználásán alapul, mikroszisztémákat képezve - magokból és elektronokból álló képződmények, amelyek viselkedése és állapota engedelmeskedik a kvantummechanika törvényeinek.
Az atomokat alkotó részecskék relatív mozgásának energiája csak szigorúan meghatározott értékeket vehet fel. Ezeket az E 1, E 2, ..., E k energiaértékeket hívjuk meg energiaszintek... Az energiaszintek rendszere alkotja az atom energiaspektrumát. Az alsó szintet - minimális energiával - ún a fő, a maradék - izgatott... Az izolált atom energiaspektruma annak szerkezetétől függ. Egy adott energiájú atomok számát hívjuk népesség szint.
Ha az E 1 talajszinten elhelyezkedő atom energiát kap, az az egyik gerjesztett szintre léphet (1. ábra). Éppen ellenkezőleg, egy gerjesztett atom spontán (spontán) mehet az egyik alacsonyabb szintre, miközben egy bizonyos mennyiségű energiát kibocsát egy fénykvantum (foton) formájában. Ha a fénykibocsátás egy atom átmenete során történik az E m energiaszintről az E n szintre, akkor a kibocsátott (vagy elnyelt) fénykvantum frekvenciája mn:
ahol h Planck állandója.
1. ábra. Az atom energia spektruma
Ezek a spontán sugárzási folyamatok fordulnak elő a fűtött testekben és az izzó gázokban: a hevítés vagy az elektromos kisülés az atomok egy részét gerjesztett állapotgá alakítja; alacsonyabb állapotokba lépve fényt bocsátanak ki. A spontán átmenetek során az atomok egymástól függetlenül bocsátanak ki fényt. A fénykvantusok kaotikusan hullám formájában bocsátanak ki vonatok(csomagok). A vonatok nincsenek időben összehangolva egymással, azaz. van egy másik fázisa. Ezért a spontán emisszió összefüggéstelen.
A gerjesztett atom spontán emissziójával együtt létezik kényszerű(vagy indukált) sugárzás: az atomok külső, gyorsan változó elektromágneses mező, például fény hatására bocsátanak ki. Kiderült, hogy egy külső elektromágneses hullám hatására az atom másodlagos hullámot bocsát ki, amelyben a frekvencia, a polarizáció, a terjedési irány és a fázis teljesen egybeesik az atomra ható külső hullám jellemzőivel. A stimulált sugárzás jelensége lehetővé teszi az atomok sugárzásának szabályozását elektromágneses hullámok segítségével, és így koherens fény erősítését és generálását. Ehhez a gyakorlatban bizonyos feltételeknek teljesülniük kell. Először is szükséged van rezonancia - a beeső fény frekvenciájának egybeesése az atom energiaspektrumának mn egyik frekvenciájával. A természet maga gondoskodott a rezonanciafeltétel teljesítéséről: ha egy fény foton spontán bocsátódik ki az atom átmenete során egy magasabb E m szintről az E n szintre, akkor a frekvenciája egyenlő mn és megfelel egy másik azonos típusú atom hasonló szintjei közötti átmenetnek, mivel az azonos atomok energiaspektruma abszolút azonos. A jövőben a gerjesztett atomok stimulált emissziója a fotonok egész lavináját generálja, amelyek mind hasonlóak a primer fotonhoz. Ennek eredményeként az atomok gyűjtése intenzív koherens fényhullámot bocsát ki, azaz a koherens fény előállítása történik. Egy másik feltétel a különböző szintű népességhez kapcsolódik. Az E m felső szinten található atomok stimulált fénykibocsátása mellett ott is előfordul rezonáns abszorpció az alsó szinten lakó atomok Е n. Az E n alsó szinten elhelyezkedő atom elnyeli a fénykvantumot, miközben áthalad a felső E m szintre. A rezonáns abszorpció megakadályozza a könnyű tehetetlenséget. Az, hogy egy atomrendszer végül fényt generál-e vagy sem, attól függ, melyik atomban van több az anyagban. A generáció megjelenéséhez szükséges, hogy az atomok száma a felső N m-nél nagyobb legyen, mint az alsó N n atomok száma, amelyek között az átmenet megtörténik.
Természetes körülmények között kevesebb részecske van magasabb szinten bármilyen hőmérsékleten, mint alacsonyabb szinten. Ezért bármely test, bármennyire is erősen fűtött, a kényszerű átmenetek miatt nem generál fényt.
A koherens fény keletkezésének gerjesztése érdekében különleges intézkedéseket kell hozni annak érdekében, hogy a két kiválasztott szint közül a felső jobban lakjon, mint az alsó. Olyan anyagállapotot nevezünk, amelyben az atomok száma a magasabb energiaszintek egyikénél nagyobb, mint az alacsonyabb szintű atomok száma. aktív, vagy egy állapot inverzió (fellebbezés) populációk. Így a koherens fény keletkezésének gerjesztéséhez populáció inverzióra van szükség ahhoz a szintpárhoz, amelynek átmenete megfelel a generációs frekvenciának.
A második probléma, amelyet meg kell oldani egy lézer létrehozásához, az a probléma visszacsatolás. Annak érdekében, hogy a fény szabályozza az atomok sugárzását, szükség van arra, hogy a kibocsátott fényenergia egy része folyamatosan a munkaanyag belsejében maradjon, és egyre több atom kényszerített fénykibocsátását okozza. Ez tükrök segítségével történik. A legegyszerűbb esetben a munkaanyagot két tükör közé helyezzük, amelyek közül az egyik félig átlátszó (2. ábra). Az atom spontán átmenetének eredményeként bárhol kibocsátott fényhullám a stimulált emisszió miatt felerősödik, amikor a munkaanyagon keresztül terjed. Az áttetsző tükörhöz érve a fény részben áthalad rajta. A fényenergia ezen részét a kinti lézer bocsátja ki, és felhasználható. A félig átlátszó tükörből visszavert fény egy része új fotonavinát fog előidézni. Ez a lavina a kényszerű emisszió tulajdonságai miatt nem fog különbözni az előzőtől.
2. ábra Koherens fénytermelő gerjesztő áramkör
De a két leírt feltétel teljesítése még mindig nem elegendő. Annak érdekében, hogy a fény létrejöjjön, a amplifikációnak a hatóanyagban elég nagynak kell lennie. Meg kell haladnia egy bizonyos nevezett értéket küszöb... Hagyja, hogy a félig átlátszó tükrön beeső fényáram egy része visszaverődjön. A tükrök közötti kétszeres távolságban (egy menetben) történő erősítésnek olyannak kell lennie, hogy a félig átlátszó tükörbe visszajuttatott fényenergia ne legyen kevesebb, mint az előző alkalommal. A fényhullám csak ekkor kezd növekedni az átjárástól. Ha nem ez a helyzet, akkor a félig átlátszó tükör második átjutása során kevesebb energia fog elérni, mint az előző pillanatban, a harmadik során - még kevesebb stb. A csillapítási folyamat addig folytatódik, amíg a fényáram teljesen ki nem olt. Nyilvánvaló, hogy minél alacsonyabb a félig átlátszó tükör reflexiója, annál magasabb a munkaanyag küszöbérték-erősítése.
Tehát egy koherens fényforrás létrehozásához a következő követelményekre van szükség:
szüksége van egy működő anyagra, amelynek fordított populációja van, csak akkor érheti el a fény erősítését a kényszerű átmenetek miatt;
a működő anyagot a visszajelzést adó tükrök közé kell helyezni;
a munkaanyag által adott amplifikáció, ami azt jelenti, hogy a gerjesztett atomok vagy molekulák számának nagyobbnak kell lennie, mint a félig átlátszó tükör reflexiós együtthatójától függő küszöbérték.
Inverzió létrehozásának módjai. Az inverzió létrehozásának (az aktív közeg pumpálásának) többféle módja van: optikai, termikus, kémiai, elektronnyaláb felhasználása, önfenntartó elektromos kisülés stb.
A bemutatott módszerek közül figyelembe vesszük az optikai szivattyúzást és az önfenntartó elektromos kisülés alkalmazásával történő szivattyúzást.
Az első út univerzális, és különféle aktív közegek - dielektromos kristályok, poharak, folyadékok, gázkeverékek - gerjesztésére szolgál. Az optikai gerjesztés ugyanúgy használható, mint néhány más szivattyúzási módszer (például elektroionizálás és kémiai módszer) alkotóeleme.
Második út ritka gáznemű aktív közegek szivattyúzására használják.
Mindkét módszer, mint sok más, lehetővé teszi a pulzáló és folyamatos pumpálást. Az optikai módszerben gázkisüléses villanólámpák vagy folyamatos égésű lámpák használhatók. Elektromos kisüléssel történő szivattyúzás esetén impulzusos és álló kisüléseket használnak. Impulzusos szivattyúzással a gerjesztési energia részekben (impulzusokban) jut be az aktív elembe, és folyamatos szivattyúzással folyamatosan (stabil).
Az impulzusos szivattyúzásnak (a folyamatos szivattyúzással összehasonlítva) számos előnye van, mivel a legtöbb aktív közegben biztosítja a lézerezést, technikai szempontból könnyebben kivitelezhető, és jelentéktelen hevítése miatt nincs szükség az aktív elem kényszerű hűtésére. Impulzusos szivattyúzás esetén különféle lézeres rendszerek lehetségesek; a lézersugárzás egyetlen fényimpulzus vagy impulzussorozat formájában képződik. Ugyanakkor a kibocsátott energia nagy koncentrációja valósul meg időben és térben (ultrarövid fényimpulzusok akár 10 12 W teljesítményig).
Az aktív központok gerjesztése optikai szivattyúzás során egy speciális fényforrásból származó sugárzás abszorpciójának eredményeként következik be.
Ha önfenntartó elektromos kisülés szivattyúzza, a felső szinteket az aktív központok és a szabad plazmaelektronik rugalmatlan ütközéseinek eredményeként lakják.
Az elektroionizációs szivattyúzás során a gázmolekulák (különösen a nitrogén és a szén-dioxid) rezgési állapotát gerjesztő gyors elektronok nem önfenntartó kisülésben, hanem ionizáló sugárzás és gyorsuló külső mező hatására keletkeznek. A gyorsító elektronsugarát ionizáló sugárzásként használják.
Így bármely lézer három fő részből áll: egy aktív elemből, egy optikai üregből és egy szivattyúrendszerből. A lézer funkcionális diagramját a 3. ábra mutatja.
3. ábra A lézer funkcionális diagramja: 1 - aktív elem; 2 - rezonátor tükör; 3 - rezonátor elem; 4 - szivattyúrendszer
Szilárdtest lézerek... A lézereket szilárdtestnek nevezzük, amelyek aktív közege egy dielektromos kristály vagy üveg, amelyekbe ionok kerülnek, amelyek aktív központok szerepét töltik be.
A szilárdtest lézer optikai szivattyúzásának sémáját a 4. ábra mutatja. A gázkisüléses 2 villanólámpa (szivattyúforrás) egyenes henger alakú, és párhuzamosan van elhelyezve az 1 aktív elemmel. A lámpa és az aktív elem a 3 reflektor belsejében vannak elhelyezve oly módon, hogy a henger tengelyére merőleges minden szakaszban az ellipszis gyújtópontjaiban vannak. Ennek eredményeként az egyik fókuszból kikerülő fénysugarak, miután visszatükröződtek az elliptikus felületről, az aktív elemre esnek, maximális fókuszt biztosítva. Még nagyobb lézerkimeneti teljesítmény érhető el kétlámpás reflektorok használatával.
4. ábra Optikai szivattyúzási séma szilárdtest állapotú lézerben: 1 - aktív elem, 2 - villanólámpa (szivattyúforrás), 3 - reflektor
A szilárdtest lézerekben az optikai rezonátorok az aktív elemek ellentétes felületei, amelyeken egy fémréteg van elhelyezve.
Először a rubinból nyerték a lézerezést. A rubin kis mennyiségű Cr 2 O 3 feloldásával Al 2 O 3 zafírban képződik. A rózsaszínű szín a Cr 3+ -ionok széles abszorpciós sávjainak köszönhető, ami lehetővé teszi a vörös régióban a lézeres átmeneteket a szivattyúzás során. A lézer hullámhossza szobahőmérsékleten 0,6943 µm.
A rubinkristályok nagy mechanikai szilárdsággal és hővezető képességgel rendelkeznek. A kristályok ezen tulajdonságai, valamint a szinte bármilyen hosszúságú és átmérőjű, egyenletes hosszúságú és keresztmetszetű tuskók termesztésének lehetősége miatt a rubinlézerek elterjedtek.
Rubin lézerek impulzusos vagy folyamatos üzemmódban dolgozni. Az alacsony hatásfok (~ 0,1%) miatt a CW rubin lézer gazdaságtalan a többi CW szilárdtest lézerhez képest. A lézert spirális vagy lineáris xenon villanólámpák pumpálják.
Ittrium alumínium gránát lézerek a kémiai elem hozzáadásával a neodímium (YAG: Nd-lézerek) találták a legelterjedtebb felhasználást az összes szilárdtest lézer között, mivel kellően nagy hatásfokúak, nagy kimenőteljesítménnyel rendelkeznek, és a fényimpulzusok nagy ismétlődési sebességével nem melegítik túl. YAG: Második lézer hullámhossz 1,06 μm. A lézert xenon vagy kripton lámpákkal pumpálják.
Ezenkívül széles körben használják a neodímium üveglézereket, amelyek szintén viszonylag hatékony koherens sugárforrások az 1,06 μm hullámhossz közelében. Az üvegfeldolgozás viszonylagos egyszerűsége lehetővé teszi nemcsak aktív elemek előállítását legfeljebb 2 m hosszú rudak vagy 10 cm keresztirányú méretekkel rendelkező lemezek formájában, hanem vékonyfilm-erősítők és több tíz méter hosszú szállézerek kialakítását is. Emiatt az ilyen lézereket integrált optikai rendszerekben használják.
Gázlézerek. Ezekben a lézerekben az szintű populáció inverzió az atomok vagy a gázmolekulák gerjesztése miatt jön létre, amikor ütköznek az elektromos kisülésben képződő szabad elektronokkal. A gázkisüléses lézerek nyomását a századtól a több Hgmm-ig választják. Alacsonyabb nyomáson az elektromos mező által felgyorsított elektronok nagyon ritkán ütköznek atomokkal. Ebben az esetben az atomok ionizációja és gerjesztése nem elég intenzív. Nagy nyomáson ezek az ütközések éppen ellenkezőleg, túl gyakoriak. Emiatt az elektronoknak nincs ideje elegendő gyorsulásra egy elektromos mezőben és megszerezniük az atomok ionizálásához és gerjesztéséhez szükséges energiát, azaz. az ütközések hatástalanná válnak.
Három típusú gázkisüléses lézer létezik: semleges atomlézerek, ionlézerek és molekuláris lézerek. Mind a populáció inverzió kialakulásának mechanizmusában, mind a generált hullámhossz tartományokban különböznek egymástól. A tartományok közötti különbség a semleges atomok, molekulák és ionok energiaspektrumának különbségéből adódik.
A hélium és a neon (10: 1) keverékéből álló aktív elemmel rendelkező lézerek, a He-Ne lézer egy gázkisüléses lézer, amely atomátmeneteken alapul, és 0,6328 μm hullámhosszú sugárzást generál.
Az argon és a kriptonion lézerek a legerősebb cw lézerek a spektrum látható és az ultraibolya tartományában. Általános szabály, hogy az ipari eszközök teljesítménye 10–20 W 0,5 μm tartományban és 1-2 W 0,35 μm közelében, a lézerek hatékonysága nem haladja meg a 0,1% -ot.
A szén-dioxid lézerek (CO 2 lézerek) a legnagyobb hatékonysággal (akár 40% -ig) alakítják át a villamos energiát sugárzási energiává, összehasonlítva más gázlézerekkel. Könnyen kezelhetők nagy teljesítmény mellett, ezért széles körben használják őket az iparban.
6. ábra CO 2 lézerkészülék a kisülési területek és a rezonátor üzemi térfogatának elkülönítésével: 1 - nitrogénszivattyús rendszer, 2 - elektromos kisülési tartomány, 3 - rezonátor üzemi térfogata, 4 - rezonátor kimeneti tükre, 5 - széndioxid-pumpáló rendszer
A CO 2 lézer aktív közege szén-dioxid, molekuláris nitrogén, valamint kis mennyiségű hélium és vízgőz keverékéből áll. A lézert izzó kisülés gerjeszti. A lézer (6. ábra) különálló rendszerekkel rendelkezik az 5 szén-dioxid és a nitrogén 1 szivattyúzására. A 2 munkakapilláris elektromos kisülésének területére belépő nitrogénmolekulák elektronokkal ütközve gerjesztődnek. Ezután belépnek a 3 rezonátor munkaterületébe, ahol nem izgatott CO 2 molekulákkal keverednek, és energiájukat átadják nekik.
A CO 2 lézer 0,940 és 1,040 μm hullámhosszúságú sugárzást generál, és folyamatos és impulzusos üzemmódban képes működni. Az első esetben a lézert egy hengeres csőben hosszanti elektromos kisülés gerjeszti. Ez az összes ipari folyamatos CO 2 lézer felépítése 800 W teljesítményig. A második esetben a CO 2 lézerek legfeljebb 2 kJ energiájú impulzusokat és 2 kJ feletti energiájú elektroionizációs lézerek képesek előállítani.
Vegyi lézerek.Az elektromos kisülés mellett az atomok és molekulák szintjének populációinverziója a gázlézerekben kémiai reakciók eredményeként hozható létre, amelyekben atomok vagy gyökök gerjesztett állapotban képződnek. Mivel a szokásos reakciók meglehetősen lassúak, nem alkalmasak a populáció inverziójának létrehozására. Mielőtt elegendő izgatott atom halmozódna fel, ideje van az alapállapotba kerülni, és a lézer nem fog működni. Emiatt a kémiai lézerek csak gyors reakciókon működhetnek, mint például a molekulák fotodisszociációja (egy molekula szétesése több részre fény hatására), robbanás vagy kémiai reakciók az atomok vagy molekulák között ellentétes atomnyalábokban vagy különböző anyagok molekuláiban. A populációs inverziók létrehozásának kémiai módszere elvileg nagyon nagy hatékonyságú és kimenő teljesítményű lézerek létrehozását teszi lehetővé. A CF 3 J fotodiszociációs lézer nagy fényerőt (50 kW-ig) produkál 65 J-ig terjedő impulzus-energiánál. A robbanásokon működő lézerek különösen nagy teljesítményt adhatnak.
Lézeres technológiai berendezések elrendezése.Jelenleg az elektronikai termékek gyártásának technológiájában különféle lézeres technológiai installációkat alkalmaznak, amelyek rendeltetésüktől függetlenül közös szerkezeti ábrával és hasonló szerkezeti elemekkel rendelkeznek (7. ábra).
A Laser 2 a fő energiaforrás a technológiai folyamat megvalósításához. Az 5 optikai rendszer a 4 lézersugárzást egy fénysugárba fókuszálja, és a feldolgozott 7 tárgyra irányítja. Ezenkívül az 5 optikai rendszer vizuálisan ellenőrzi a munkadarab helyzetét a sugárhoz viszonyítva, figyelemmel kíséri a folyamat előrehaladását és értékeli annak eredményeit. A 8 eszköz segítségével a technológiai folyamat során a 7 munkadarabot elmozdítják, rögzítik egy adott helyzetben, és a munkadarabokat a feldolgozás után kicserélik.
Egyes technológiai folyamatok speciális feltételek megteremtését igénylik (például egy bizonyos technológiai közeg ellátását a munkaterülethez). Ehhez a létesítmények egy megfelelő 10 eszközt biztosítanak, amely lehetővé teszi az inert gáz adagolását hegesztés közben.
Bizonyos esetekben mechanikus vagy elektromágneses energiát vezetnek be a kezelés területére a lézeres kezelés hatékonyságának növelése érdekében. A kombinált folyamatokat (gáz-lézeres vágás, lézeres szikrafurat-kezelés stb.) A berendezésbe bevezetett 6 segédenergia-forrás biztosítja. A munkadarab mozgását és a lézer helyzetét az 1 szoftveres eszköz vezérli. A sugárzást a 3 érzékelő, a feldolgozási zóna hőmérséklete, a munkadarab felületének állapotát a 9 érzékelő vezérli, amely emellett korrigálja a paramétereket, vagy leállítja a működést.
7. ábra A lézer technológiai egység blokkdiagramja: 1 - szoftvereszköz, 2 - lézer, 3 - sugárzási paraméterek érzékelő, 4 - lézersugárzás, 5 - optikai rendszer, 6 - segédenergia-forrás, 7 - munkadarab, 8 - eszköz a munkadarab rögzítésére és mozgatására alkatrészek, 9 - a technológiai folyamatparaméterek érzékelője, 10 - eszköz a folyamatközeg ellátására
A lézer működésének első elvét, amelynek fizikája Planck sugárzási törvényén alapult, Einstein elméletileg 1917-ben igazolta. Az abszorpciót, a spontán és stimulált elektromágneses sugárzást valószínűségi együtthatók (Einstein-együtthatók) felhasználásával írta le.
Úttörők
Theodore Maiman mutatta be elsőként a szintetikus rubin villanólámpával történő optikai szivattyúzáson alapuló működési elvet, amely pulzáló koherens sugárzást produkált 694 nm hullámhosszon.
1960-ban Javan és Bennett iráni tudósok létrehozták az első gázkvantumgenerátort, amely He és Ne gázok keverékét használta 1:10 arányban.
1962-ben R. N. Hall kimutatta, hogy az első gallium-arsenid (GaAs) 850 nm hullámhosszon bocsát ki. Később abban az évben Nick Golonyak kifejlesztette az első félvezető kvantumgenerátort a látható fény számára.
A lézerek készüléke és működési elve
Mindegyik lézerrendszer egy aktív közegből áll, amely egy optikailag párhuzamos és erősen visszaverő tükrök közé helyezkedik el, amelyek közül az egyik félig átlátszó, és egy energiaforrásból, amely szivattyúzható. Szilárd, folyékony vagy gázerősítő közegként működhet, amelyeknek az a tulajdonságuk, hogy elektromos vagy optikai szivattyúzással stimulált emisszióval felerősítsék a rajta áthaladó fényhullám amplitúdóját. Az anyagot úgy kell elhelyezni egy tükörpár között, hogy a bennük visszavert fény minden alkalommal áthaladjon rajta, és miután jelentős erősítést ért el, egy félig átlátszó tükörön keresztül hatol be.
Kétrétegű környezetek
Vegyük figyelembe egy aktív közeggel rendelkező lézer működési elvét, amelynek atomjainak csak két energiaszintje van: gerjesztett E 2 és E 1 bázis. Ha az atomokat bármely szivattyúzási mechanizmus (optikai, elektromos kisülés, áramátvitel vagy elektronbombázás) gerjeszti az E 2 állapotba, akkor néhány nanoszekundum után visszatérnek a földi helyzetbe, hν \u003d E 2 - E 1 energia fotonokat bocsátva ki. Einstein elmélete szerint az emisszió kétféle módon jön létre: vagy foton indukálja, vagy spontán történik. Az első esetben stimulált emisszió történik, a másodikban spontán emisszió. Hőegyensúlyban a stimulált emisszió valószínűsége lényegesen alacsonyabb, mint a spontán emisszióé (1:10 33), ezért a legtöbb közönséges fényforrás inkoherens, és a hőkezelés más körülmények között is lehetséges.
A kétszintű rendszerek populációja nagyon erős szivattyúzás mellett is csak egyenlővé tehető. Ezért az inverz populáció optikai vagy más szivattyúzási módszerekkel történő eléréséhez három- vagy négyszintű rendszerek szükségesek.
Többszintű rendszerek
Mi a háromszintű lézer működési elve? Az intenzív ν 02 frekvenciájú besugárzás nagyszámú atomot pumpál az E 0 legalacsonyabb energiaszinttől a felső E 2 szintig. Az atomok nem besugárzó átmenete az E 2-ről az E 1-re létrehozza a populáció inverzióját E 1 és E 0 között, ami a gyakorlatban csak akkor lehetséges, ha az atomok hosszú ideig az E 1 metastabil állapotban vannak, és az E 2-ről az E 1-re való átmenet gyorsan megtörténik. A háromszintű lézer működésének elve az, hogy megfeleljen ezeknek a feltételeknek, amelyek következtében E 0 és E 1 között létrejön a populáció inverzió, és a fotonokat felerősítik az indukált sugárzás E 1 -E 0 energiájával. Egy szélesebb E 2 szint növelheti a hullámhosszak abszorpciós tartományát a hatékonyabb szivattyúzás érdekében, ami a stimulált emisszió növekedését eredményezi.
A háromszintű rendszer nagyon nagy szivattyúteljesítményt igényel, mivel a generációban részt vevő alacsonyabb szint az alapvető. Ebben az esetben a populáció inverziójának megvalósulásához az összes atomszám több mint felét az E 1 állapotba kell pumpálni. Ez pazarolt energia. A szivattyú teljesítménye jelentősen csökkenthető, ha az alacsonyabb generációs szint nem alapszintű, ehhez legalább négyszintű rendszerre van szükség.
A hatóanyag jellegétől függően a lézereket három fő kategóriába sorolják, nevezetesen a szilárd, a folyékony és a gáz kategóriába. 1958 óta, amikor a lézerezést először rubinkristályban figyelték meg, a tudósok és kutatók minden kategóriában sokféle anyagot tanulmányoztak.
Szilárdtest lézer
A működési elv egy aktív közeg használatán alapul, amely úgy alakul ki, hogy egy átmeneti csoportot tartalmazó fémet adunk a szigetelő kristályrácshoz (Ti +3, Cr +3, V +2, Co +2, Ni +2, Fe +2 stb.) , ritkaföldfémionok (Ce +3, Pr +3, Nd +3, Pm +3, Sm +2, Eu + 2, + 3, Tb +3, Dy +3, Ho +3, Er +3, Yb +3 stb.), valamint aktinidák, például U +3. az ionok csak a termelésért felelősek. Az alapanyag fizikai tulajdonságai, például a hővezető képesség, elengedhetetlenek a hatékony lézeres működéshez. A rácsatomok elrendezése az adalékolt ion körül megváltoztatja energiaszintjét. Különböző lézer hullámhosszakat az aktív közegben úgy érünk el, hogy különböző anyagokat adunk ugyanannak az ionnak.
Holmium lézer
Ilyen például egy kvantumgenerátor, amelyben a holmium egy atomot helyettesít a kristályrács alapanyagában. Ho: A YAG az egyik legjobb generációs anyag. A holmium lézer működésének elve az, hogy az ittrium alumínium gránátot holmium ionokkal adalékolják, optikailag vaku lámpával pumpálják és 2097 nm hullámhosszon bocsátanak ki az infravörös tartományban, amelyet a szövetek jól felszívnak. Ezt a lézert ízületek műveleteihez, fogászati \u200b\u200bkezeléshez, rákos sejtek, vese- és epekövek párologtatására használják.
Félvezető kvantumgenerátor
A kvantumkút lézerek olcsók, sorozatgyártásúak és könnyen méretezhetők. A félvezető lézer működési elve egy pn-csatlakozási dióda használatán alapul, amely meghatározott hullámhosszú fényt állít elő a hordozó rekombinálásával pozitív előfeszítéssel, hasonlóan a LED-ekhez. A LED-ek spontán, míg a lézerdiódák erőszakosan bocsátanak ki. A populáció inverziós feltétel teljesítéséhez az üzemi áramnak meg kell haladnia a küszöbértéket. A félvezető diódában lévő aktív közeg két kétdimenziós réteg összekötő régiója.
Az ilyen típusú lézerek működési elve olyan, hogy az oszcilláció fenntartásához nincs szükség külső tükörre. A rétegek által létrehozott reflektivitás és az aktív közeg belső reflexiója elegendő erre a célra. A diódák végfelületei aprítottak, ami biztosítja a fényvisszaverő felületek párhuzamosságát.
Az egyik típus által alkotott vegyületet homojunctionnak, a két különböző típus összekapcsolásával létrehozott vegyületet heterojunction-nak nevezzük.
A nagy hordozósűrűségű p és n típusú félvezetők egy nagyon vékony (~ 1 μm) kimerítő réteggel rendelkező pn csatlakozást alkotnak.
Gázlézer
Az ilyen típusú lézerek működési elve és használata lehetővé teszi, hogy szinte bármilyen teljesítményű (milliwattól megawattig) és hullámhosszú (UV-tól IR-ig) eszközöket hozzon létre, és lehetővé teszi pulzáló és folyamatos üzemmódban történő munkát. Az aktív közeg jellege alapján három típusú gázkvantum-generátort különböztetünk meg, nevezetesen atomi, ionos és molekuláris.
A legtöbb gázlézert elektromos szivattyúval látják el. A kisülőcsőben lévő elektronokat az elektródák közötti elektromos mező felgyorsítja. Összeütköznek az aktív közeg atomjaival, ionjaival vagy molekuláival, és átmenetet váltanak ki magasabb energiaszintekre a populáció inverziójának és a stimulált emissziónak az elérése érdekében.
Molekuláris lézer
A lézer működésének elve azon a tényen alapul, hogy az izolált atomokkal és ionokkal ellentétben az atomi és ionos kvantumgenerátorokban lévő molekulák széles, diszkrét energiaszintű energiasávokkal rendelkeznek. Ebben az esetben minden elektronikus energiaszintnek nagyszámú rezgésszintje van, ezeknek viszont több forgási szintjük van.
Az elektronikus energiaszintek közötti energia a spektrum UV és látható régióiban van, míg a vibrációs-forgási szintek között - a távoli és a közeli IR régiókban. Így a legtöbb molekuláris kvantumgenerátor az infravörös távoli vagy közeli területeken működik.
Excimer lézerek
Az excimerek olyan molekulák, mint az ArF, KrF, XeCl, amelyek elválasztott alapállapotúak és stabilak az első szinten. A lézer elve a következő. Alapszabályként az alapállapotú molekulák száma kicsi, ezért az alapállapotból történő közvetlen pumpálás nem lehetséges. A molekulák első elektronikus gerjesztett állapotban jönnek létre nagy energiájú halogenidek és inert gázok kombinálásával. A populáció inverziója könnyen elérhető, mivel az alapvonalon lévő molekulák száma túl kicsi a gerjesztetthez képest. A lézer működési elve röviden a kötött gerjesztett elektronikus állapotból a disszociatív alapállapotba való áttérésben áll. Az alapállapotú populáció mindig alacsony szinten marad, mivel a molekulák ezen a ponton disszociálnak atomokká.
Az eszköz és a lézerek működésének elve az, hogy a kisülési csövet halogenid (F 2) és ritkaföldfém gáz (Ar) keverékével töltjük meg. A benne lévő elektronok disszociálnak és ionizálják a halogenid molekulákat, és negatív töltésű ionokat hoznak létre. Az Ar + és a negatív F pozitív ionok az első gerjesztett kötött állapotban reagálnak és termelik az ArF molekulákat, majd áttérnek taszító alapállapotra és koherens sugárzás keletkezik. Egy excimer lézerrel, amelynek működési elvét és alkalmazását most mérlegeljük, fel lehet használni egy festékeken alapuló aktív közeg szivattyúzására.
Folyékony lézer
A szilárd anyagokkal összehasonlítva a folyadékok homogénebbek, az aktív atomok sűrűsége nagyobb, mint a gázoké. Ezenkívül nem nehéz őket gyártani, könnyű hőelvezetést tesznek lehetővé és könnyen cserélhetők. A lézer működésének elve az, hogy aktív közegként szerves színezékeket, például DCM-et (4-diciano-metilén-2-metil-6-p-dimetil-amino-sztiril-4H-piránt), rodamint, sztirilt, LDS-t, kumarint, stilbenet stb. megfelelő oldószerben oldva. A festékmolekulák oldatát olyan sugárzás gerjeszti, amelynek hullámhossza jó abszorpciós együtthatóval rendelkezik. Röviden: a lézer működésének elve az, hogy hosszabb hullámhosszon kell létrehozni, az úgynevezett fluoreszcenciát. Az elnyelt energia és a kibocsátott fotonok közötti különbséget a nem sugárzó energiaátmenetek kihasználják, és felmelegítik a rendszert.
A folyékony kvantumgenerátorok szélesebb fluoreszcencia sávjának egyedülálló tulajdonsága van - a hullámhossz hangolása. A működési elv és az ilyen típusú lézerek hangolható és koherens fényforrásként való alkalmazása egyre nagyobb jelentőséget kap a spektroszkópia, a holografia és az orvosbiológiai alkalmazások területén.
A közelmúltban festékkvantum-generátorokat használtak az izotópok elválasztására. Ebben az esetben a lézer szelektíven gerjeszti egyiküket, kémiai reakcióba lépve.
Lézer - az elektromágneses hullámok forrása a látható, infravörös és ultraibolya tartományban, az atomok és molekulák stimulált (vagy indukált) sugárzása alapján. A "lézer" szó az angol "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" angol kifejezés szavainak kezdőbetűiből (rövidítéséből) áll, ami "a fény erősítését stimulált emisszió eredményeként" jelenti. Az irodalomban az "optikai kvantumgenerátor" (LQG) kifejezést is használják.
A lézer működésének elve három alapvető elképzelésen alapszik. Az első ötlet a felhasználás kényszerített (indukált) emisszió fény atomi rendszerek által. A második ötlet az, hogy alkalmazzuk termodinamikailag nem egyensúlyi közeg inverz populációval olyan szintek, amelyeknél a fény elnyelése helyett amplifikáció lehetséges. A harmadik ötlet a felhasználás pozitív visszajelzést az erősítő rendszer koherens sugárgenerátorrá történő átalakításához.
Tekintsünk egy sugárzó közeg szabad atomját, amely nincs kitéve külső hatásoknak, és amely gerjesztett állapotban van. Ezután spontán (spontán) átmehet egy gerjesztett állapotból az E 2 energiával a földi (nem izgatott) állapotba az E 1 energiával. Ebben az esetben egy fénykvantum bocsát ki - egy foton a foton E energiájával \u003d hn \u003d E 2 - E 1, ahol n a kibocsátott sugárzás frekvenciája. A spontán emisszió folyamatainak statisztikai, véletlenszerű jellege oda vezet, hogy a közönséges fényforrások egyes atomjai által kibocsátott elektromágneses hullámok nincsenek összehangolva egymással: különböző fázisúak, terjedési irányaik és polarizációjuk van. Ez azt jelenti, hogy a hagyományos fényforrásokból származó spontán emisszió összefüggéstelen.
Stimulált (indukált) sugárzás - Ez az elektromágneses hullámok sugárzása, amely akkor következik be, ha a közeg atomjai a gerjesztett állapotból a külső sugárzás (foton) hatására az alapállapotba kerülnek. A foton ilyen hatása egy gerjesztett atomra akkor fordulhat elő, ha a fotonenergia hn egyenlő az atom energiaszintjeinek különbségével gerjesztett és alapállapotban: A foton E \u003d hn \u003d E 2 - E 1 (1. ábra), ahol n a külső sugárzás frekvenciája. Ebben az esetben a fotonok és az atom kölcsönhatása után két foton terjed az atomból: kényszerítőés kényszerített, vagyis növekszik a fény. Az ebben az esetben képződött stimulált sugárzás frekvenciája és fázisa megegyezik az e folyamatot stimuláló frekvenciával, és ugyanabba az irányba terjed, vagyis az indukált sugárzás koherens a stimuláló sugárzással.
Amikor a fotonok kölcsönhatásba lépnek az anyaggal, a stimulált emisszióval együtt a fotonok abszorpciós folyamata zajlik, amelyben az anyag atomjai az alapállapotból gerjesztett állapotba kerülnek. A közönséges állapotban sokkal több nem gerjesztett atom van az anyagban, mint gerjesztett, ezért amikor a fotonok kölcsönhatásba lépnek az anyaggal, az abszorpciós folyamat érvényesül, és nincs fényerősítés. Annak érdekében, hogy a stimulált sugárzás folyamata érvényesüljön az abszorpcióval szemben, meg kell változtatni a besugárzott anyag atomjainak megoszlását az energiaszint felett. A fény erősítése akkor történik meg, ha az anyag atomjainak koncentrációja a gerjesztett állapotnak megfelelő felső energiaszinteken nagyobb, mint az alsó szinteken. Az atomok ilyen eloszlását a közegben az energiaszint fölött nevezzük inverz populáció... Ez az állapot csak termodinamikailag nem egyensúlyi közegek esetén lehetséges.
A szint inverziójú közeget, amelyben a fény elnyelése helyett amplifikáció van, aktív közegnek nevezzük. Az alkalmazott aktív közeg típusa szerint a lézereket gázra (például hélium-neon, argon stb.), Folyékonyra, szilárdtestre (rubin, üveg vagy zafír) és félvezetőre osztják (hatóanyagként félvezetői elágazást használnak).
Az aktív közeg létrehozásának módszereit lézeres szivattyúzásnak nevezzük. Különböző módszerek léteznek a lézerek szivattyúzására - optikai szivattyúzás (a szilárdtest lézerek munkaközegének besugárzása egy erős villanólámpa fényével), gerjesztés elektronütéssel (gázkisüléses lézerekben), vegyi szivattyúzás stb.
A pozitív visszacsatolás bekövetkezése érdekében a keletkező sugárzás egy részének az aktív közegben kell maradnia, és újabb és újabb gerjesztett atomok kényszerű kibocsátását kell előidéznie. Egy ilyen folyamat létrehozásához az aktív közeget be kell helyezni optikai rezonátor... Az optikai rezonátor két tükör rendszere, amelyek között aktív közeg található. A tükrök lehetnek laposak, domborúak vagy homorúak. Legfontosabb tulajdonságuk a reflexiós együttható magas értéke. Használt, többrétegű dielektromos bevonattal ellátott tükrök, amelyek nagy fényvisszaverő képességgel bírnak, és alig szívják el a fényt. Az aktív közegben terjedő fényhullámok többszörös visszaverődése miatt az optikai rezonátor tükreiből többszörös erősítésük biztosított, ennek eredményeként nagy sugárzási teljesítmény érhető el.
Vegyük figyelembe a gáz-hélium-neon lézer készülékét és működési elvét, amely folyamatos üzemmódban működik a spektrum látható területén. A lézer fő eleme egy kisülési cső, amely gázok - hélium és neon - keverékével van töltve. A hélium parciális nyomása 1 Hgmm. Art., Neon - 0,1 Hgmm. Művészet. A neonatomok az aktív közeg (működő) atomjai, a héliumatomok segédanyagok, amelyek a neonatomok inverz populációjának létrehozásához szükségesek.
Ábrán. A 2. ábra a neon és a hélium atomok energiaszintjét mutatja. Elektromos kisülés esetén a hélium atomok gerjesztődnek a csőben és átjutnak az állapotba 2 ... Első izgatott szint 2 a hélium egybeesik az energiaszinttel 3 neon atomok. Ezért a neon atomokkal ütközve a hélium atomok energiájukat átadják nekik, és gerjesztett állapotba viszik át 3 ... Így egy aktív közeg jön létre a csőben, amely fordított szintű populációjú neon atomokból áll.
Az egyes neon atomok spontán (spontán) átmenete az energiaszintről 3 szintre 2 fotonok megjelenését okozza. Ezen gerjesztett neonatomokkal rendelkező fotonok további hatására az utóbbiak koherens sugárzása keletkezik, és a csőben növekvő energiájú fotonáramlás jelenik meg hn.
A sugárzási teljesítmény növelése érdekében az 1. csövet, hélium és neon keverékével töltve, egy optikai rezonátorba helyezzük, amelyet az 5. és 6. tükrök alkotnak (lásd a 3. ábrát). A tükrökre visszatükrözve a foton fluxusa áthalad a cső tengelye mentén, miközben az indukált sugárzás folyamatában egyre több neon atom vesz részt, és a generált sugárzás intenzitása lavinaként növekszik.
A lézer generációs üzemmódban működik, ha a fényhullám energiavesztesége a rezonátortükör minden egyes visszaverődésénél kisebb, mint az indukált sugárzás következtében bekövetkező energia-növekedés, amikor a cső mentén halad át az aktív közegen. Ezért a rezonátor tükrök minősége nagyon fontos. A rezonátor síkból áll 5 és konkáv 6 tükrök többrétegű dielektromos bevonattal (3. ábra). E tükrök fényvisszaverése nagyon magas - 98–99%. Az egyik tükör fényáteresztése körülbelül 0,1%, míg a másik körülbelül 0,2%. A tükörrezonátor használata lehetővé teszi az erős és keskeny fénysugár elérését.
Energiaszint 2 és 3 A neon atomok összetett felépítésűek, így a lézer akár 30 különböző hullámhosszat is képes kibocsátani az infravörös és a látható tartományban. A rezonátor tükrök többrétegűvé válnak annak érdekében, hogy az interferencia miatt egy hullámhosszra előállítsák a szükséges reflexiós együtthatót. Így a lézer szigorúan meghatározott hullámhosszat bocsát ki.
Az 1 gázkisülési csövet (3. ábra) a végein sík-párhuzamos 4 üveglapok zárják, amelyek Brewster szögben vannak felszerelve a cső tengelyéhez. A lemezek ezen pozíciója biztosítja a polarizált neon sugárzás átjutását rajtuk reflexiós veszteségek nélkül, és a lézersugárzás síkbeli polarizációjához vezet. Az elektromos kisülés létrehozásához a csőben két elektródát vezetünk be: a 2-es anódot és a 3-as katódot. A csövön keresztüli elektromos áram áthaladása miatt a He-Ne közegben fordított szint-populáció jön létre.
A lézerfényforrásoknak számos jelentős előnye van más forrásokkal szemben:
1. A lézerek képesek nagyon kis (kb. 10 -5 rad) divergenciaszögű fénysugarak előállítására. A Holdon egy ilyen sugár, amelyet a Föld bocsát ki, 3 km átmérőjű foltot ad.
2. A lézerfény rendkívül koherens és monokromatikus.
3. A lézerek a legerősebb fényforrások. Szűk spektrális tartományban, rövid ideig (körülbelül 10 -13 s időintervallumon belül) egyes lézertípusok 10 17 W / cm 2 sugárzási teljesítményt érnek el, míg a napsugárzás teljesítménye csak 7 × 10 3 W / cm 2, és összesen a teljes spektrumon. A keskeny intervallumban Dl \u003d 10 -6 cm (a lézerspektrum vonala szélessége) a Napnak csak 0,2 W / cm2. A lézer által kibocsátott elektromágneses hullámban az elektromos tér ereje nagyobb, mint az atom belsejében lévő tér erőssége.
