Principiul funcționării cu laser. Ce este un laser? Principiul de funcționare și aplicarea
Mulți oameni au folosit imprimante laser, unii le au acasă, dar știe toată lumea cum funcționează o imprimantă laser? Cititorul va găsi răspunsul la această întrebare în acest articol.
O imprimantă laser este un dispozitiv periferic care imprimă text și grafică rapid și eficient pe hârtie obișnuită de birou și specială. Principalele avantaje ale acestor imprimante, cum ar fi costul scăzut al imprimării, viteza mare de funcționare, resurse și rezoluții ridicate, rezistența la umiditate și decolorare, le-au făcut cele mai frecvent utilizate nu numai în rândul lucrătorilor de birou, ci și în rândul utilizatorilor obișnuiți.
Crearea și dezvoltarea imprimantelor laser
Prima imagine folosind cerneală uscată și electricitate statică a fost obținută de Chester Carlson în 1938. Și doar 8 ani mai târziu, a reușit să găsească un producător al dispozitivelor pe care le-a inventat. A fost compania pe care o cunoaștem cu toții astăzi sub numele de Xerox. Și în același an, 1946, a intrat pe piață primul copiator. Era o mașină imensă și complexă care necesită o serie de operații manuale. Abia la mijlocul anilor 1950 a fost creat primul mecanism complet automatizat, care a fost prototipul imprimantei laser moderne.
La sfârșitul anului 1969, Xerox a început să lucreze la dezvoltarea imprimantelor laser, adăugând un fascicul laser modelelor existente la acel moment. Dar a valorat o treime din milion de dolari conform acestor standarde și avea o dimensiune imensă, care nu permitea utilizarea unui astfel de dispozitiv nici măcar în întreprinderile mici, darămite în viața de zi cu zi.
Colaborarea dintre gigantii actuali ai industriei tipografice Canon și HP este lansarea seriei de imprimante LaserJet, care poate imprima până la 8 pagini de text pe minut. Astfel de dispozitive au devenit mai accesibile cu introducerea primului cartuș înlocuibil pentru o imprimantă laser.
Principiul de funcționare
Baza pentru formarea imaginii este colorantul conținut în toner. Sub influența electricității statice, acesta se lipeste și este literalmente imprimat pe hârtie. Dar cum se întâmplă acest lucru?
Orice imprimantă laser constă din trei blocuri funcționale principale: o placă cu circuite imprimate, o unitate de transfer de imagini (cartuș) și o unitate de imprimare. Unitatea de alimentare cu hârtie alimentează hârtia de imprimat. Acestea sunt proiectate în două moduri - alimentarea hârtiei din tava inferioară și alimentarea hârtiei din tava superioară.
Structura sa este destul de simplă:
- role - este necesar pentru a apuca hârtie;
- bloc pentru prinderea și alimentarea unei foi;
- o rolă care transferă electricitatea statică pe hârtie.
- Cartușul imprimantei laser constă din două părți, tonerul și cilindrul cilindru sau foto.
Toner
Tonerul constă din particule microscopice de polimer care sunt acoperite cu un colorant, cu includerea magnenitei și a unui regulator de încărcare. Fiecare firmă produce pulbere cu caracteristici unice pentru propriile sale imprimante și dispozitive multifuncționale. Toate pulberile diferă prin magnetism, densitate, dispersitate, mărimea bobului și alte caracteristici fizice. Prin urmare, nu reumpleti cartusele cu toner aleatoriu. Avantajele tonerului față de cerneală sunt claritatea imaginii imprimate și rezistența la umiditate, care este asigurată prin imprimarea pulberii în hârtie. Printre neajunsuri, merită menționate adâncimea de culoare redusă, saturația în timpul imprimării color și efectul negativ asupra corpului uman atunci când interacționează cu tonerul, de exemplu, la încărcarea unui cartuș.
Structura și etapele de imprimare a imaginilor
Tamburul este realizat sub forma unui arbore longitudinal din aluminiu, cu un strat subțire de material aplicat pe acesta, care este sensibil la razele de lumină cu anumiți parametri. Cilindrul este acoperit cu un strat protector. Pe lângă aluminiu, tamburile sunt realizate cu substanțe fotosensibile anorganice. Proprietatea principală a unui tambur este schimbarea conductivității (încărcării) sub influența unui fascicul laser. Aceasta înseamnă că, dacă cilindrului i se încarcă, acesta îl va stoca pentru o perioadă considerabilă de timp. Dar dacă luminați orice zonă a arborelui cu lumină, acestea își pierd imediat sarcina și devin încărcate neutru datorită creșterii conductivității (adică a scăderii rezistenței electrice) în aceste zone. Sarcina se scurge de la suprafață prin stratul conductiv interior.
Când ajunge un document pentru imprimare, placa cu circuite imprimate îl procesează și trimite impulsurile luminoase corespunzătoare către unitatea de transfer de imagini, unde imaginea digitală este convertită într-o imagine pe hârtie. Tamburul este rotit de arbore și primește o sarcină primară negativă sau pozitivă de la rola din apropiere. Valoarea sa este determinată de setările de imprimare, care sunt raportate de placa de circuit imprimat.
După încărcarea cilindrului, un fascicul laser orizontal îl scanează cu o frecvență extraordinară. Zonele expuse ale fotocilindrului, așa cum s-a menționat mai sus, devin neîncărcate. Aceste zone neîncărcate formează imaginea dorită pe tambur într-o imagine în oglindă. Mai mult, pentru ca imaginea să apară pe hârtie, zonele neîncărcate trebuie să fie umplute cu toner. Unitatea de scanare laser constă dintr-o oglindă, un laser semiconductor, mai multe lentile de modelare și un obiectiv de focalizare.
Tamburul intră în contact cu o rolă fabricată în principal din magneziu și livrează toner la fotocilindru din recipient. Rola, în care se află magnetul permanent, este realizată sub forma unui cilindru gol cu \u200b\u200bun strat conductiv. Sub influența câmpului magnetic, tonerul din buncăr este atras de rolă de forța miezului magnetizat.
Sub acțiunea tensiunii electrostatice, tonerul de pe rolă va fi transferat la imaginea formată de fasciculul laser de pe suprafața tamburului, rotindu-se aproape de rolă. Tonerul nu are încotro, deoarece particulele sale încărcate negativ sunt atrase de zonele încărcate pozitiv ale fotocilindrului, pe care se formează imaginea dorită. Încărcarea negativă a tamburului împinge tonerul înapoi în zonele scanate cu laser.
Să notăm o nuanță. Există două tipuri de imagistică. Cea mai comună este utilizarea tonerului încărcat pozitiv. Această pulbere rămâne pe zonele încărcate neutre ale fotocilindrului. Adică, laserul luminează zonele în care va fi imaginea noastră viitoare. Tamburul este încărcat negativ. Al doilea mecanism este mai puțin comun și folosește toner încărcat negativ. Raza laser „descarcă” zonele fotocilindrului încărcat pozitiv care nu ar trebui să fie imaginate. Merită să ne amintim când alegeți o imprimantă laser, deoarece în primul caz va exista un transfer mai precis al pieselor, iar în al doilea - o umplere mai uniformă și mai densă. Primele imprimante au fost perfecte pentru tipărirea documentelor text, motiv pentru care s-au răspândit.
Înainte de a atinge cilindrul, hârtia este încărcată cu electricitate statică de către rola de transfer a încărcăturii. Prin influența tonerului care este atras de hârtie atunci când intră în contact cu tamburul. Eliminatorul de încărcare statică este îndepărtat imediat de pe hârtie. Aceasta elimină atracția foii către fotocilindru. În timpul trecerii hârtiei prin unitatea de scanare laser, imaginea formată devine vizibilă pe foaie, care este ușor distrusă de cea mai mică atingere. Pentru durabilitatea sa, este necesar să se fixeze prin topirea aditivilor incluși în toner. Acest proces are loc în unitatea de imagistică - aceasta este a treia unitate cheie a imprimantei laser. Se mai numește „soba”. Pe scurt, substanțele care alcătuiesc tonerul se topesc. După ce sunt presate și solidificate, acești polimeri par să acopere cerneala, protejând-o de influențele externe. Cititorul va înțelege acum de ce foile tipărite care ies din imprimantă sunt atât de calde.
Prin proiectare, așa-numita „sobă” constă din doi arbori, dintre care unul conține un element de încălzire. Al doilea, adesea cel inferior, este necesar pentru a apăsa polimerul topit în hârtie. Elementele de încălzire sunt realizate sub formă de termistori realizați sub formă de pelicule termice. Când li se aplică tensiune, aceste elemente sunt încălzite la temperaturi ridicate (aproximativ 200 ° C) într-o fracțiune de secundă. O rolă de presiune apasă foaia împotriva încălzitorului, timp în care particulele lichide microscopice de toner sunt presate în textura hârtiei. Există distanțieri la ieșirea din unitatea de fixare, astfel încât hârtia să nu se lipească de filmul termic.
Pagina 2 din 2
ÎN articol considerat principiu acțiuni și dispozitiv modern laser imprimante. Ea se deschide serie articole, dedicat principii și probleme laser taxe.
O imagine obținută cu imprimante laser moderne (precum și imprimante cu matrice de puncte și cu jet de cerneală) constă din puncte. Cu cât aceste puncte sunt mai mici și cu cât sunt localizate mai des, cu atât este mai mare calitatea imaginii. Numărul maxim de puncte pe care o imprimantă le poate imprima separat pe o linie de 1 inch (25,4 mm) se numește rezoluție și este exprimat în puncte per inch, în timp ce rezoluția poate fi de 1200 dpi sau mai mult. Calitatea textului tipărit pe o imprimantă laser cu o rezoluție de 300 dpi este aproximativ cea a unei tipografice. Cu toate acestea, dacă pagina conține desene care conțin culori în nuanțe de gri, atunci este necesară o rezoluție de cel puțin 600 dpi pentru a obține o imagine grafică de înaltă calitate. Cu o rezoluție a imprimantei de 1200 dpi, imprimarea este aproape de calitate foto. Dacă trebuie să imprimați un număr mare de documente (de exemplu, mai mult de 40 de coli pe zi), o imprimantă laser pare să fie singura alegere rezonabilă, deoarece pentru imprimantele laser personale personale, parametrii standard sunt rezoluția 600 dpi și viteza de imprimare 8 ... 1 2 pagini pe minut.
PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL IMPRIMANTEI LASER
Prima imprimantă laser a fost introdusă de Hewlett Packard. A folosit principiul electrografic al creării imaginilor - la fel ca la aparatele de copiat. Diferența a fost în modul de expunere: la copiatoare, are loc folosind o lampă, iar în imprimantele laser, lumina lămpii a înlocuit raza laser.
Inima unei imprimante laser este Conductorul Foto Organic, adesea denumit tambur imagistic sau pur și simplu tambur. Cu ajutorul său, imaginea este transferată pe hârtie. Fotodrumul este un cilindru metalic acoperit cu o peliculă subțire a unui semiconductor fotosensibil. Suprafața unui astfel de cilindru poate fi prevăzută cu o sarcină pozitivă sau negativă, care se menține până când tamburul este luminat. Dacă orice parte a tamburului este expusă, acoperirea capătă conductivitate, iar sarcina se scurge din zona iluminată, formând o zonă neîncărcată. Aceasta este cheia pentru a înțelege modul în care funcționează o imprimantă laser.
O altă parte critică a imprimantei este laserul și sistemul optico-mecanic de oglinzi și lentile, care deplasează fasciculul laser de-a lungul suprafeței tamburului. Micul laser generează un fascicul de lumină foarte subțire. Reflectându-se de la oglinzile rotative (de obicei tetraedrice sau hexagonale), acest fascicul luminează suprafața tamburului, îndepărtându-și sarcina în punctul de expunere.
Pentru a obține o imagine cu punct, laserul este pornit și oprit folosind un microcontroler de control. Oglinda rotativă desfășoară fasciculul sub forma unei linii de imagine latentă pe suprafața tamburului.
După formarea unei linii, un motor special pas cu pas trece tamburul pentru a forma următorul. Acest offset corespunde rezoluției verticale a imprimantei și este de obicei de 1/300 sau 1/600 inch. Procesul de formare a unei imagini latente pe un tambur seamănă cu formarea unui raster pe un monitor de televiziune.
Există două metode principale de încărcare preliminară (primară) a suprafeței fotocilindrului:
Ø cu un fir subțire sau plasă numită fir corona. Tensiunea înaltă aplicată firului duce la apariția unei zone luminoase ionizate în jurul său, care se numește coroană, și conferă tamburului sarcina statică necesară;
Ø cu rolă de cauciuc preîncărcată (PCR).
Deci, pe tambur se formează o imagine invizibilă sub formă de puncte descărcate static. Ce urmeaza?
DISPOZITIVCARTUŞ
Înainte de a vorbi despre procesul de transfer și fixare a unei imagini pe hârtie, luați în considerare dispozitivul cartușului pentru imprimanta Laser Jet 5L de la Hewlett Packard. Acest cartuș tipic are două compartimente principale: compartimentul pentru toner uzat și compartimentul pentru toner.
Principalele elemente structurale ale compartimentului pentru toner rezidual:
1 - Tobă (Tambur cu foto-conductor organic (OPC)).Este un cilindru de aluminiu acoperit cu un material organic fotosensibil și fotoconductor (de obicei oxid de zinc), care este capabil să păstreze imaginea aplicată de fasciculul laser;
2 - Ax primar încărca (Rola de încărcare primară (PCR)).Asigură o încărcare negativă chiar a tamburului. Fabricat din cauciuc conductiv sau bază din cauciuc spumos aplicat pe un arbore metalic;
3 - « Viperă» , racleta, curatenie lamă (Ștergător, lamă de curățare).Curăță tamburul reziduurilor de toner care nu au fost transferate pe hârtie. Structural realizat sub forma unui cadru metalic (ștanțare) cu o placă poliuretanică (lamă) la capăt;
4 - Lamă curatenie (Recuperare Lamă). Acoperă zona dintre tambur și cutia de toner uzată. Lama de recuperare permite ca tonerul rămas pe tambur să treacă în buncăr și împiedică revărsarea acestuia în direcția opusă (din buncăr pe hârtie).
Principalele elemente structurale ale compartimentului de toner:
1 - Magnetic arbore (Rola pentru dezvoltatori magnetici, Rola Mag, Rola pentru dezvoltatori).Este un tub metalic cu un miez magnetic care nu se mișcă în interior. Tonerul este atras de rola magnetică, care, înainte de a fi alimentată în tambur, capătă o sarcină negativă sub acțiunea tensiunii DC sau AC;
2 - « Doctor» (Doctor Blade, Metering Blade).Oferă o distribuție uniformă a unui strat subțire de toner pe rola magnetică. Structural realizat sub forma unui cadru metalic (ștanțare) cu o placă flexibilă (lamă) la capăt;
3 - Sigila lamă magnetic arbore(Mag Roller Sigila Lamă). O placă subțire similară ca funcționalitate cu Recovery Blade. Acoperă zona dintre rolă magnetică și compartimentul de alimentare cu toner. Lama de etanșare a rolei Mag trece tonerul rămas pe rola magnetică în compartiment, prevenind scurgerea de toner în direcția opusă;
4 - Buncăr pentru toner (Toner Rezervor). În interior se află tonerul „funcțional”, care va fi transferat pe hârtie în timpul imprimării. În plus, un activator de toner (Toner Agitator Bar) este încorporat în buncăr - un cadru de sârmă conceput pentru agitarea tonerului;
5 - Sigiliu, verifica (Sigiliu). Într-un cartuș nou (sau regenerat), buncărul de toner este sigilat cu un sigiliu special care împiedică vărsarea de toner la transportul cartușului. Acest sigiliu este îndepărtat înainte de utilizare.
PRINCIPIUL LASERULUI
Ilustrația arată un cartuș tăiat. Când imprimanta este pornită, toate componentele cartușului sunt în mișcare: cartușul este pregătit pentru imprimare. Acest proces este același cu imprimarea, dar fasciculul laser nu pornește. Apoi mișcarea componentelor cartușului se oprește - imprimanta intră în starea gata de imprimare.
După trimiterea unui document pentru tipărire, urmează următoarele procese în cartușul imprimantei laser:
Încărcare tobă. Rola de încărcare primară (PCR) transferă o sarcină negativă uniform pe suprafața tamburului rotativ.
Expunere. Suprafața tamburului încărcat negativ este expusă razei laser numai acolo unde va fi aplicat tonerul. Sub influența luminii, suprafața fotosensibilă a tamburului își pierde parțial sarcina negativă. Astfel, laserul expune o imagine latentă pe tambur sub formă de puncte cu o sarcină negativă slăbită.
Cerere toner. În acest stadiu, imaginea latentă de pe tambur este convertită cu toner într-o imagine vizibilă, care va fi transferată pe hârtie. Tonerul din apropierea rolei magnetice este atras de suprafața sa de câmpul magnetului permanent din care este fabricat miezul rolei. Pe măsură ce rola magnetică se rotește, tonerul trece prin fanta îngustă formată de medic și rolă. Ca urmare, acesta capătă o sarcină negativă și se lipeste de acele părți ale tamburului care au fost expuse. „Doctorul” asigură aplicarea uniformă a tonerului pe rola magnetică.
Transfer toner pe hârtie. Continuând să se rotească, tamburul de imagine dezvoltat vine în contact cu hârtia. Pe partea din spate, hârtia este apăsată pe rolă de transfer încărcată pozitiv. Ca urmare, particulele de toner încărcate negativ sunt atrase de hârtie, pe care se produce o imagine stropită cu toner.
Ancorare imagini. O foaie de hârtie cu o imagine liberă se deplasează către un mecanism de fixare, care este doi arbori care se ating, între care se trage hârtia. Rola de presiune inferioară îl împinge pe rola superioară a fuzorului. Rola superioară este fierbinte și atunci când este atinsă, particulele de toner se vor topi și se vor lipi de hârtie.
Curățare tobă. Unele tonere nu se transferă pe hârtie și rămân pe tambur, deci trebuie curățate. Această funcție este îndeplinită de „viperă”. Orice toner rămas pe tambur este șters cu un ștergător în cutia de toner uzată. Procedând astfel, lama de recuperare închide zona dintre tambur și buncăr, împiedicând tonerul să se revărseze pe hârtie.
"Şterge" imagini. În acest stadiu, imaginea latentă aplicată de fasciculul laser este „ștearsă” de pe suprafața tamburului. Cu ajutorul arborelui de încărcare primar, suprafața tamburului este „acoperită” uniform cu o sarcină negativă, care se restabilește în acele locuri în care a fost parțial îndepărtată prin acțiunea luminii.
Laser este un generator de lumină coerent. O undă coerentă (ordonată) ideală are o lungime și o frecvență strict definite, un front plat și este ideal polarizată. Undele incoerente (dezordonate) sunt caracterizate printr-o răspândire a frecvențelor și a lungimilor de undă într-un interval suficient de mare de valori și nu au un plan de polarizare definit.
În natură, ambele unde de lumină, în mod ideal coerente și incoerente, sunt absente. Indiferent de sursă, undele luminoase se caracterizează printr-o răspândire a caracteristicilor lor într-un anumit interval de valori. Cu cât aceste intervale sunt mai înguste, cu atât este mai ordonată și mai coerentă radiația luminii. Într-un mod oarecum simplificat, o undă de lumină reală poate fi privită ca un set de unde polarizate monocromatice plane cu frecvențe diferite, direcții de propagare și planuri de polarizare. Creșterea coerenței radiațiilor poate fi înțeleasă ca reducerea numărului de unde diferite dintr-un set. Într-o radiație coerentă ideală, care este abordată de un laser, întregul set constă dintr-o singură undă.
Radiațiile coerente au proprietăți precum monocromaticitatea, divergența fasciculului redus, luminozitatea ridicată. Acest lucru permite focalizarea radiației laser pe suprafața materialului procesat folosind un sistem optic simplu. Dimensiunile liniare ale unui fascicul laser focalizat (spot) pot atinge fracțiuni de micrometru. Cu dimensiuni atât de mici, toată energia radiației este concentrată pe o suprafață în milionimi de centimetru pătrat, creând o densitate de energie pe suprafața a sute de miliarde de wați pe centimetru pătrat. Astfel, un fascicul coerent focalizat poate vaporiza cele mai refractare materiale.
Cuvântul laser constă din literele inițiale ale expresiei în limba engleză Amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiație, care tradusă în rusă este amplificarea luminii prin emisie stimulată.
Lucrarea unui laser se bazează pe utilizarea rezervelor de energie internă a atomilor și moleculelor unei substanțe care formează microsisteme - formațiuni formate din nuclei și electroni, al căror comportament și stare respectă legile mecanicii cuantice.
Energia mișcării relative a particulelor care alcătuiesc atomii nu poate lua decât valori strict definite. Aceste valori energetice E 1, E 2, ..., E k se numesc nivelurile de energie... Sistemul nivelurilor de energie constituie spectrul energetic al atomului. Nivelul inferior - cu energie minimă - este numit principalul, restul - excitat... Spectrul energetic al unui atom izolat depinde de structura acestuia. Se numește numărul de atomi cu o anumită energie populației nivel.
Dacă un atom situat la nivelul solului E 1 este alimentat cu energie, acesta poate merge la unul dintre nivelurile excitate (Fig. 1). Dimpotrivă, un atom excitat poate merge în mod spontan (spontan) la unul dintre nivelurile inferioare, în timp ce emite o anumită porțiune de energie sub forma unui cuantum de lumină (foton). Dacă emisia de lumină are loc în timpul tranziției unui atom de la nivelul de energie E m la nivelul E n, atunci frecvența cuantului de lumină emis (sau absorbit) mn:
unde h este constanta lui Planck.
Fig. 1. Spectrul energetic al atomului
Aceste procese de radiații spontane apar în corpurile încălzite și gazele strălucitoare: încălzirea sau descărcarea electrică transformă unii atomi într-o stare excitată; trecând în stări inferioare, acestea emit lumină. În procesul tranzițiilor spontane, atomii emit lumină independent unul de celălalt. Cuantele ușoare sunt emise haotic sub formă de undă trenuri(pachete). Trenurile nu sunt coordonate între ele în timp, adică au o fază diferită. Prin urmare, emisia spontană este incoerentă.
Împreună cu emisia spontană a unui atom excitat, există forţat(sau induse) radiații: atomii emit sub influența unui câmp electromagnetic extern, care se schimbă rapid, cum ar fi lumina. În acest caz, se dovedește că sub acțiunea unei unde electromagnetice externe, atomul emite o undă secundară, în care frecvența, polarizarea, direcția de propagare și faza coincid complet cu caracteristicile undei externe care acționează asupra atomului. Fenomenul radiațiilor stimulate face posibilă controlul radiației atomilor cu ajutorul undelor electromagnetice și în acest fel amplifică și generează lumină coerentă. Pentru a face acest lucru în practică, trebuie îndeplinite anumite condiții. Mai întâi, ai nevoie rezonanţă - coincidența frecvenței luminii incidente cu una dintre frecvențele mn ale spectrului energetic al atomului. Natura însăși a avut grijă de îndeplinirea condiției de rezonanță: dacă un foton luminos este emis spontan în timpul tranziției unui atom de la un nivel superior E m la nivelul E n, atunci frecvența sa este egală cu mn și va corespunde tranziției între niveluri similare ale unui alt atom de același tip, deoarece spectrul energetic al atomilor identici este absolut identic. În viitor, emisia stimulată a atomilor excitați generează o întreagă avalanșă de fotoni, în tot ceea ce este similar cu fotonul primar. Ca rezultat, colecția de atomi va emite o undă de lumină coerentă intensă, adică se va realiza generarea de lumină coerentă. O altă afecțiune este legată de populația de diferite niveluri. Împreună cu emisia stimulată de lumină de către atomii situați la nivelul superior E m, apare și ea absorbție rezonantă atomi care locuiesc la nivelul inferior Е n. Atomul situat la nivelul inferior E n absoarbe o cuantă ușoară, în timp ce trece la nivelul superior E m. Absorbția rezonantă previne inerția luminii. Dacă în final un sistem de atomi va genera sau nu lumină depinde de ce atomi sunt mai mulți în substanță. Pentru ca generația să apară, este necesar ca numărul de atomi de la nivelul superior N m să fie mai mare decât numărul de atomi de la nivelul inferior N n, între care are loc tranziția.
În condiții naturale, există mai puține particule la un nivel mai ridicat la orice temperatură decât la un nivel inferior. Prin urmare, orice corp, oricât de puternic ar fi, nu va genera lumină datorită tranzițiilor forțate.
Pentru a excita generarea de lumină coerentă, este necesar să se ia măsuri speciale astfel încât dintre cele două niveluri selectate, cel superior să fie populat mai mult decât cel inferior. O stare a materiei în care numărul de atomi la unul dintre nivelurile de energie superioară este mai mare decât numărul de atomi la nivelul energiei inferioare se numește activ, sau un stat cu inversiune (recurs) populații. Astfel, pentru a excita generarea de lumină coerentă, este necesară o inversare a populației pentru acea pereche de niveluri, tranziția dintre care corespunde frecvenței de generare.
A doua problemă care trebuie rezolvată pentru a crea un laser este problema părere. Pentru ca lumina să controleze radiația atomilor, este necesar ca o parte din energia luminii emise să rămână tot timpul în interiorul substanței de lucru, provocând emisia forțată de lumină de către tot mai mulți atomi. Acest lucru se face folosind oglinzi. În cel mai simplu caz, substanța de lucru este plasată între două oglinzi, dintre care una este semitransparentă (Fig. 2). Unda de lumină emisă în orice loc ca urmare a tranziției spontane a atomului este amplificată datorită emisiei forțate atunci când se propagă prin substanța de lucru. Ajunsă la oglinda translucidă, lumina va trece parțial prin ea. Această parte a energiei luminoase este emisă de laserul exterior și poate fi utilizată. O parte din lumina reflectată de oglinda semitransparentă va da naștere unei noi avalanșe de fotoni. Această avalanșă nu va diferi de cea anterioară din cauza proprietăților emisiilor forțate.
Fig. 2. Circuit de excitație pentru generarea de lumină coerentă
Dar îndeplinirea celor două condiții descrise nu este încă suficientă. Pentru ca generarea de lumină să aibă loc, amplificarea substanței active trebuie să fie suficient de mare. Trebuie să depășească o anumită valoare numită prag... Într-adevăr, să se reflecte o parte din fluxul de lumină incident pe oglinda semitransparentă. Amplificarea la dubla distanță dintre oglinzi (o trecere) ar trebui să fie astfel încât energia luminoasă returnată oglinzii semitransparente să nu fie mai mică decât timpul precedent. Abia atunci unda de lumină va începe să se acumuleze de la trecere la trecere. Dacă nu este cazul, atunci în timpul celei de-a doua treceri a oglinzii semitransparente va ajunge mai puțină energie decât în \u200b\u200bmomentul precedent, în timpul celui de-al treilea - chiar mai puțin etc. Procesul de atenuare va continua până când fluxul luminos se stinge complet. Este clar că cu cât reflectanța oglinzii semitransparente este mai mică, cu atât este mai mare câștigul de prag al substanței de lucru.
Deci, pentru a crea o sursă de lumină coerentă, sunt necesare următoarele cerințe:
aveți nevoie de o substanță de lucru cu o populație inversă, numai atunci puteți obține amplificarea luminii datorită tranzițiilor forțate;
substanța de lucru trebuie plasată între oglinzile care oferă feedback;
amplificarea dată de substanța de lucru, ceea ce înseamnă că numărul de atomi sau molecule excitate din substanța de lucru trebuie să fie mai mare decât valoarea pragului, care depinde de coeficientul de reflexie al oglinzii semitransparente.
Modalități de a crea inversiune. Există mai multe modalități de a crea inversiune (pomparea mediului activ): optic, termic, chimic, folosind un fascicul de electroni, folosind o descărcare electrică autosusținută etc.
Din metodele prezentate, vom lua în considerare pomparea optică și pomparea utilizând o descărcare electrică auto-susținută.
Prima cale este universal și este utilizat pentru a excita diverse medii active - cristale dielectrice, pahare, lichide, amestecuri de gaze. Excitația optică poate fi utilizată în același mod ca un element constitutiv al altor metode de pompare (de exemplu, electroionizare și chimică).
A doua cale utilizat pentru pomparea mediilor active gazoase rarefiate.
Ambele metode, ca multe altele, permit pomparea continuă și pulsată. Cu metoda optică, pot fi utilizate lămpi cu descărcare de gaz sau lămpi cu ardere continuă. La pompare utilizând o descărcare electrică, se utilizează descărcări pulsatorii și staționare. Cu pomparea pulsată, energia de excitație intră în elementul activ în porțiuni (impulsuri), iar cu pomparea continuă, este continuă (stabilă).
Pomparea pulsată (în comparație cu pomparea continuă) are o serie de avantaje, deoarece oferă laser în majoritatea mediilor active, este mai ușor de implementat din punct de vedere tehnic și nu este necesară răcirea forțată a elementului activ datorită încălzirii sale nesemnificative. Sub pompare pulsată, sunt posibile diferite regimuri de lasare; radiația laser se formează sub formă de impulsuri luminoase unice sau o succesiune de impulsuri. În același timp, se obține o concentrație ridicată a energiei emise în timp și spațiu (impulsuri ultra-scurte de lumină cu o putere de până la 10 12 W).
Excitația centrelor active sub pompare optică are loc ca urmare a absorbției radiațiilor dintr-o sursă specială de lumină.
Când sunt pompate de o descărcare electrică auto-susținută, nivelurile superioare sunt populate ca urmare a coliziunilor inelastice ale centrelor active cu electroni de plasmă liberi.
Sub pomparea prin electroionizare, electronii rapizi, care excită stările vibraționale ale moleculelor de gaz (în special, azot și dioxid de carbon), se formează nu într-o descărcare auto-susținută, ci sub acțiunea radiațiilor ionizante și a unui câmp extern accelerat. Un fascicul de electroni de la un accelerator este folosit ca radiație ionizantă.
Astfel, orice laser constă din trei părți principale: un element activ, o cavitate optică și un sistem de pompare. Diagrama funcțională a laserului este prezentată în Fig. 3.
Fig. 3. Schema funcțională a laserului: 1 - element activ; 2 - oglinda rezonatorului; 3 - element rezonator; 4 - sistem de pompare
Lasere cu stare solidă... Laserele sunt numite lasere în stare solidă, al căror mediu activ este un cristal dielectric sau sticlă cu ioni introduși în ele, care joacă rolul de centri activi.
Schema de pompare optică într-un laser în stare solidă este prezentată în Fig. 4. Lampa flash cu descărcare de gaz 2 (sursa pompei) are forma unui cilindru drept și este plasată paralel cu elementul activ 1. Lampa și elementul activ sunt instalate în interiorul reflectorului 3 în așa fel încât în \u200b\u200bfiecare secțiune perpendiculară pe axa cilindrului să fie în centrul elipsei. Drept urmare, razele de lumină care ies dintr-un singur foc, după ce au fost reflectate de pe suprafața eliptică, cad pe elementul activ, oferind focalizare maximă. Puterea de ieșire laser chiar mai mare este obținută prin utilizarea reflectoarelor cu două lămpi.
Fig. 4. Schema de pompare optică într-un laser solid: 1 - element activ, 2 - lampă flash (sursă pompă), 3 - reflectoare
La laserele în stare solidă, rezonatoarele optice sunt fețe opuse ale elementelor active, pe care se depune un strat metalic.
Pentru prima dată, lasarea a fost obținută din rubin. Rubinul se formează prin dizolvarea unor cantități mici de Cr 2 O 3 în safir Al 2 O 3. Culoarea roz este cauzată de benzile largi de absorbție ale ionilor Cr 3+, ceea ce face posibilă obținerea tranzițiilor laser în regiunea roșie la pompare. Lungimea de undă a laserului la temperatura camerei este de 0,6943 μm.
Cristalele de rubin au o rezistență mecanică mare și conductivitate termică. Datorită acestor calități ale cristalelor, precum și a posibilității de creștere a lingourilor de aproape orice lungime și diametru, uniforme în lungime și secțiune transversală, laserele cu rubin s-au răspândit.
Lasere rubine funcționează în modul pulsat sau continuu. Datorită eficienței sale scăzute (~ 0,1%), laserul rubin CW este neeconomic în comparație cu alte lasere în stare solidă CW. Laserul este pompat de lămpi cu spirală sau liniare cu bliț xenon.
Lasere granate de aluminiu cu itriu prin adăugarea elementului chimic neodim (YAG: Nd-lasere) s-a găsit cea mai răspândită aplicație printre toate laserele cu stare solidă, deoarece au o eficiență suficient de mare, o putere de ieșire ridicată și nu se supraîncălzesc la o rată mare de repetare a impulsurilor de lumină. YAG: lungimea de undă a laserului Nd 1,06 μm. Laserul este pompat cu lămpi cu xenon sau cripton.
În plus, sunt utilizate pe scară largă lasere din sticlă de neodim, care sunt, de asemenea, surse relativ eficiente de radiații coerente în apropierea unei lungimi de undă de 1,06 μm. Ușurința relativă de prelucrare a sticlei face posibilă nu numai obținerea de elemente active sub formă de tije de până la 2 m lungime sau plăci cu dimensiuni transversale de până la 10 cm, ci și crearea de designuri pentru amplificatoare cu film subțire și lasere cu fibră de câteva zeci de metri lungime. Datorită acestui fapt, astfel de lasere sunt utilizate în sistemele optice integrate.
Lasere cu gaz. În aceste lasere, inversiunea nivelului populației este creată datorită excitației atomilor sau moleculelor de gaz în timpul coliziunilor lor cu electroni liberi formați într-o descărcare electrică. Presiunea în laserele cu descărcare de gaz este selectată în intervalul de la sutimi la câțiva mm Hg. La presiuni mai mici, electronii accelerați de un câmp electric se ciocnesc foarte rar cu atomii. În acest caz, ionizarea și excitația atomilor nu sunt suficient de intense. La presiuni ridicate, aceste coliziuni, dimpotrivă, devin prea frecvente. Datorită acestui fapt, electronii nu au timp să accelereze suficient într-un câmp electric și să dobândească energia necesară ionizării și excitării atomilor, adică coliziunile devin ineficiente.
Există trei tipuri de lasere cu descărcare de gaz: lasere cu atom neutru, lasere cu ioni și lasere moleculare. Ele diferă între ele atât prin mecanismul de formare a inversiunii populației, cât și prin intervalele de lungimi de undă generate. Diferența de intervale se datorează diferențelor în spectrul de energie al atomilor neutri, moleculelor și ionilor.
Lasere cu un element activ format dintr-un amestec de heliu și neon (10: 1), laserul He-Ne, este o tranziție atomică cu descărcare de gaze care generează radiații cu o lungime de undă de 0,6328 μm.
Laserele cu ioni de argon și cripton sunt cele mai puternice lasere cw din regiunile vizibile și apropiate ale ultraviolete ale spectrului. De regulă, dispozitivele industriale au o putere de 10-20 W în regiunea de 0,5 microni și 1-2 W în vecinătatea 0,35 microni, eficiența laserelor nu depășește 0,1%.
Laserele cu dioxid de carbon (lasere CO 2) au cea mai mare eficiență de conversie (până la 40%) a energiei electrice în energie radiațională în comparație cu alte lasere cu gaz. Acestea sunt ușor de operat la o putere mare, prin urmare sunt utilizate pe scară largă în industrie.
Fig. 6. Dispozitiv laser CO 2 cu separarea regiunilor de descărcare și a volumului de lucru al rezonatorului: 1 - sistem de pompare a azotului, 2 - regiune de descărcare electrică, 3 - volum de lucru al rezonatorului, 4 - oglindă de ieșire a rezonatorului, 5 - sistem de pompare a dioxidului de carbon
Mediul activ al unui laser cu CO2 constă dintr-un amestec de gaze de dioxid de carbon, azot molecular și o cantitate mică de heliu și vapori de apă. Laserul este excitat de o descărcare de strălucire. Laserul (Fig. 6) are sisteme separate pentru pomparea dioxidului de carbon 5 și a azotului 1. Moleculele de azot care cad în regiunea de descărcare electrică a capilarului de lucru 2 sunt excitate de coliziuni cu electroni. Apoi intră în volumul de lucru al rezonatorului 3, unde se amestecă cu molecule de CO 2 neexcitate și își transferă energia către ele.
Laserul cu CO2 generează radiații cu lungimi de undă de 0,940 și 1,040 μm și poate funcționa în moduri continue și pulsate. În primul caz, laserul este excitat de o descărcare electrică longitudinală într-un tub cilindric. Acesta este modul în care toate laserele industriale cw CO 2 cu o putere de până la 800 W. În al doilea caz, laserele CO 2 pot genera impulsuri cu o energie de până la 2 kJ și lasere de electroionizare cu o energie mai mare de 2 kJ.
Lasere chimice.În plus față de descărcarea electrică, inversarea populației nivelurilor de atomi și molecule din laserele cu gaz poate fi creată ca urmare a reacții chimice, la care se formează atomi sau radicali în stări excitate. Deoarece reacțiile obișnuite sunt destul de lente, ele nu sunt potrivite pentru a crea o inversare a populației. Înainte să se acumuleze suficienți atomi excitați, ei au timp să meargă la starea de bază, iar laserul nu va funcționa. Din acest motiv, laserii chimici pot funcționa doar la reacții rapide, cum ar fi fotodisocierea moleculelor (dezintegrarea unei molecule în mai multe părți sub acțiunea luminii), explozie sau reacții chimice între atomi sau molecule din fascicule opuse de atomi sau molecule de substanțe diverse. Metoda chimică de creare a inversiunilor populației, în principiu, permite crearea de lasere cu eficiență și putere de ieșire foarte ridicate. Laserul de fotodisociere CF 3 J produce puteri de lumină mari (până la 50 kW) la energii de impulsuri de până la 65 J. Laserele care operează în explozii pot oferi o putere deosebit de mare.
Amenajarea instalațiilor tehnologice cu laser.În prezent, în tehnologia de fabricație a produselor electronice, sunt utilizate diverse instalații tehnologice cu laser, care, indiferent de scopul lor, au o diagramă structurală comună și elemente structurale similare (Fig. 7).
Laserul 2 este principala sursă de energie pentru implementarea procesului tehnologic. Sistemul optic 5 focalizează radiația laser 4 într-un fascicul de lumină și îl direcționează către obiectul procesat 7. În plus, sistemul optic 5 controlează vizual poziția piesei de prelucrat față de fascicul, monitorizează progresul procesului și evaluează rezultatele acestuia. Cu ajutorul dispozitivului 8, piesa de prelucrat 7 este deplasată în timpul procesului tehnologic, este fixată într-o poziție dată și piesele de prelucrat sunt schimbate după prelucrare.
Unele procese tehnologice necesită crearea unor condiții specifice (de exemplu, furnizarea unui anumit mediu tehnologic zonei de lucru). Pentru aceasta, instalațiile asigură un dispozitiv corespunzător 10, care permite alimentarea cu gaz inert în timpul sudării.
În unele cazuri, energia mecanică sau electromagnetică este injectată în zona de tratament pentru a spori eficiența tratamentului cu laser. Procesele combinate (tăierea cu laser cu gaz, prelucrarea cu scânteie cu laser, etc.) sunt asigurate de o sursă de energie auxiliară 6 introdusă în instalație. Mișcarea piesei de prelucrat și poziția laserului sunt controlate de dispozitivul software 1. Radiația este controlată de senzorul 3, temperatura zonei de tratament, starea suprafeței piesei de prelucrat de senzorul 9, care, în plus, corectează parametrii sau oprește operațiunea.
Fig. 7. Schema bloc a unității tehnologice laser: 1 - dispozitiv software, 2 - laser, 3 - senzor de parametri de radiație, 4 - radiație laser, 5 - sistem optic, 6 - sursă de energie auxiliară, 7 - piesă de prelucrat, 8 - dispozitiv pentru fixarea și mișcarea piesei de prelucrat piese, 9 - senzor al parametrilor tehnologici ai procesului, 10 - dispozitiv pentru alimentarea mediului de proces
Primul principiu al funcționării cu laser, a cărui fizică se baza pe legea radiației Planck, a fost fundamentat teoretic de Einstein în 1917. El a descris absorbția, radiația electromagnetică spontană și stimulată folosind coeficienți de probabilitate (coeficienții lui Einstein).
Pionieri
Theodore Meiman a fost primul care a demonstrat principiul de funcționare bazat pe pomparea optică folosind o lampă cu rubin sintetic care produce radiații coerente pulsate la o lungime de undă de 694 nm.
În 1960, oamenii de știință iranieni Javan și Bennett au creat primul generator cuantic de gaze folosind un amestec de gaze He și Ne într-un raport de 1:10.
În 1962, R.N. Hall a demonstrat prima arsenidă de galiu (GaAs) care a emis la o lungime de undă de 850 nm. Mai târziu în acel an, Nick Golonyak a dezvoltat primul generator cuantic semiconductor pentru lumină vizibilă.
Dispozitivul și principiul de funcționare al laserelor
Fiecare sistem laser constă dintr-un mediu activ plasat între o pereche de oglinzi optic paralele și foarte reflectorizante, dintre care una este semitransparentă și o sursă de energie pentru pompare. Mediul de amplificare poate fi un solid, lichid sau gazos, care are proprietatea de a amplifica amplitudinea undei luminoase care trece prin ea prin emisie stimulată cu pompare electrică sau optică. Substanța este plasată între o pereche de oglinzi în așa fel încât lumina reflectată în ele să treacă prin ea de fiecare dată și, după ce a obținut o amplificare semnificativă, pătrunde printr-o oglindă semitransparentă.
Medii pe două niveluri
Să luăm în considerare principiul funcționării unui laser cu un mediu activ, ai cărui atomi au doar două niveluri de energie: E 2 excitat și baza E 1. Dacă atomii sunt excitați la starea E2 de către orice mecanism de pompare (descărcare optică, electrică, transmisie de curent sau bombardament de electroni), atunci după câteva nanosecunde vor reveni la poziția solului, emitând fotoni de energie hν \u003d E 2 - E 1. Conform teoriei lui Einstein, emisia este produsă în două moduri diferite: fie este indusă de un foton, fie se întâmplă spontan. În primul caz, are loc emisia stimulată, iar în al doilea, emisia spontană. În echilibrul termic, probabilitatea emisiei stimulate este semnificativ mai mică decât cea a emisiei spontane (1:10 33), prin urmare, majoritatea surselor de lumină obișnuite sunt incoerente, iar lasarea este posibilă în alte condiții decât echilibrul termic.
Chiar și cu pompare foarte puternică, populația sistemelor pe două niveluri poate fi egală doar. Prin urmare, pentru a realiza o populație inversă prin metode optice sau alte metode de pompare, sunt necesare sisteme pe trei sau patru niveluri.
Sisteme pe mai multe niveluri
Care este principiul de funcționare al unui laser cu trei niveluri? Iradierea cu lumină intensă de frecvență ν 02 pompează un număr mare de atomi chiar de la nivel scăzut energia E 0 la E 2 superioară. Tranziția neradiativă a atomilor de la E 2 la E 1 stabilește o inversare a populației între E 1 și E 0, care în practică este posibilă numai atunci când atomii perioadă lungă de timp sunt într-o stare metastabilă E1, iar tranziția de la E2 la E1 are loc rapid. Principiul de funcționare al unui laser cu trei niveluri este de a îndeplini aceste condiții, datorită cărora se realizează o inversare a populației între E 0 și E 1, iar fotonii sunt amplificați de energia E 1 -E 0 a radiației induse. Un nivel E 2 mai larg ar putea crește intervalul de absorbție a lungimilor de undă pentru o pompare mai eficientă, rezultând o creștere a emisiilor stimulate.
Sistemul pe trei niveluri necesită o putere foarte mare a pompei, deoarece nivelul inferior implicat în generare este cel de bază. În acest caz, pentru ca inversiunea populației să aibă loc, mai mult de jumătate din numărul total de atomi trebuie pompat în starea E1. Aceasta este energie irosită. Puterea pompei poate fi redusă semnificativ dacă nivelul de generație inferior nu este de bază, ceea ce necesită cel puțin un sistem pe patru niveluri.
În funcție de natura substanței active, laserele sunt clasificate în trei categorii principale, și anume solid, lichid și gazos. Din 1958, când laserul a fost observat pentru prima dată într-un cristal de rubin, oamenii de știință și cercetătorii au studiat o mare varietate de materiale din fiecare categorie.
Laser cu stare solidă
Principiul de funcționare se bazează pe utilizarea unui mediu activ, care se formează prin adăugarea unui grup de tranziție metalic la rețeaua cristalină izolatoare (Ti +3, Cr +3, V +2, Co +2, Ni +2, Fe +2 etc.) , ioni de pământuri rare (Ce +3, Pr +3, Nd +3, Pm +3, Sm +2, Eu + 2, + 3, Tb +3, Dy +3, Ho +3, Er +3, Yb +3 , etc.), și actinide precum U +3. ionii sunt responsabili doar pentru generație. Proprietăți fizice material de bază, cum ar fi conductivitatea termică și sunt esențiale pentru o performanță eficientă a laserului Aranjamentul atomilor de rețea în jurul ionului dopat îi modifică nivelurile de energie. Prin dopaj se realizează diferite lungimi de undă de lasare în mediul activ diverse materiale cu același ion.
Laser cu Holmiu
Un exemplu este un generator cuantic în care holmiul înlocuiește un atom din materialul de bază al rețelei de cristal. Ho: YAG este unul dintre materialele de cea mai bună generație. Principiul de funcționare al unui laser de holmiu este că granatul de itriu și aluminiu este dopat cu ioni de holmiu, pompat optic cu o lampă flash și emite la o lungime de undă de 2097 nm în domeniul infraroșu, care este bine absorbit de țesuturi. Acest laser este utilizat pentru operații pe articulații, în tratamentul dentar, pentru evaporarea celulelor canceroase, a rinichilor și a calculilor biliari.
Generator cuantic semiconductor
Laserele cu puț cuantic sunt ieftine, permit producția în masă și sunt ușor scalabile. Principiul de funcționare al unui laser semiconductor se bazează pe utilizarea unei diode de joncțiune pn, care produce lumină cu o lungime de undă specifică prin recombinarea purtătorului la o polarizare pozitivă, similară cu LED-urile. LED-urile emit spontan, în timp ce diodele laser emit forțat. Pentru a îndeplini condiția de inversare a populației, curentul de funcționare trebuie să depășească valoarea pragului. Mediul activ dintr-o diodă semiconductoare are forma unei regiuni de conectare a două straturi bidimensionale.
Principiul de funcționare a acestui tip de laser este de așa natură încât nu este necesară o oglindă externă pentru a menține oscilația. Reflectivitatea creată de straturi și reflexia internă a mediului activ este suficientă în acest scop. Suprafețele finale ale diodelor sunt tăiate, ceea ce asigură că suprafețele reflectorizante sunt paralele.
Un compus format dintr-un tip se numește oameni funcție, iar unul creat prin alăturarea a două tipuri diferite se numește heterojuncție.
Semiconductorii de tipuri p și n cu o densitate mare a purtătorului formează o joncțiune pn cu un strat de subțire foarte subțire (± 1 μm).
Laser cu gaz
Principiul de funcționare și utilizare a unui laser de acest tip vă permite să creați dispozitive de aproape orice putere (de la milliwați la megawați) și lungimi de undă (de la UV la IR) și vă permite să lucrați în moduri pulsate și continue. Pe baza naturii mediilor active, se disting trei tipuri de generatoare cuantice de gaze, și anume atomice, ionice și moleculare.
Majoritatea laserelor cu gaz sunt pompate electric. Electronii din tubul de descărcare sunt accelerați de câmpul electric dintre electrozi. Acestea se ciocnesc cu atomi, ioni sau molecule ale mediului activ și induc o tranziție la niveluri mai ridicate de energie pentru a atinge starea de inversare a populației și emisie stimulată.
Laser molecular
Principiul funcționării unui laser se bazează pe faptul că, spre deosebire de atomii și ionii izolați, moleculele din generatorii cuantici atomici și ionici au benzi largi de energie cu niveluri de energie discrete. În acest caz, fiecare nivel electronic de energie are un număr mare de niveluri vibraționale, iar acestea, la rândul lor, au mai multe niveluri rotaționale.
Energia dintre nivelurile de energie electronică se află în regiunile UV și vizibile ale spectrului, în timp ce între nivelurile vibraționale-rotaționale - în regiunile IR îndepărtate și apropiate. Astfel, majoritatea generatoarelor cuantice moleculare funcționează în regiunile infraroșii îndepărtate sau apropiate.
Lasere cu excimer
Excimerii sunt molecule precum ArF, KrF, XeCl, care au o stare de bază separată și sunt stabile la primul nivel. Principiul laserului este după cum urmează. De regulă, numărul de molecule în starea de bază este mic; prin urmare, pomparea directă din starea de bază nu este posibilă. Moleculele se formează într-o primă stare electronică excitată prin combinarea cu halogenuri de mare energie gaze inerte... Inversia populației se realizează cu ușurință, deoarece numărul de molecule la nivelul de bază este prea mic în comparație cu cel excitat. Principiul funcționării unui laser, pe scurt, constă în trecerea de la o stare electronică excitată legată la o stare de bază disociativă. Populația din starea fundamentală rămâne întotdeauna la un nivel scăzut, deoarece moleculele din acest moment se disociază în atomi.
Dispozitivul și principiul de funcționare al laserelor este că tubul de refulare este umplut cu un amestec de halogenură (F 2) și gaz de pământ rar (Ar). Electronii din el disociază și ionizează moleculele de halogenură și creează ioni încărcați negativ. Ionii pozitivi Ar + și F negativ - reacționează și produc molecule de ArF într-o primă stare legată excitată, urmată de trecerea lor la o stare de bază respingătoare și generarea de radiații coerente. Un laser cu excimeri, al cărui principiu de funcționare și aplicare îl analizăm acum, poate fi utilizat pentru a pompa un mediu activ pe bază de coloranți.
Laser lichid
Comparativ cu solidele, lichidele sunt mai omogene și au o densitate mai mare de atomi activi decât gazele. În plus, acestea nu sunt dificil de fabricat, permit disiparea ușoară a căldurii și pot fi ușor înlocuite. Principiul de funcționare al laserului este utilizarea coloranților organici ca mediu activ, cum ar fi DCM (4-dicianometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piran), rodamină, stiril, LDS, cumarină, stilbene etc. ., dizolvat într-un solvent adecvat. O soluție de molecule de colorant este excitată de radiații a căror lungime de undă are un bun coeficient de absorbție. Principiul funcționării cu laser, pe scurt, este de a genera la o lungime de undă mai mare, numită fluorescență. Diferența dintre energia absorbită și fotonii emiși este exploatată prin tranziții de energie neradiativă și încălzește sistemul.
Banda mai largă de fluorescență a generatoarelor cuantice lichide are o caracteristică unică - reglarea lungimii de undă. Principiul de funcționare și utilizarea acestui tip de laser ca sursă de lumină reglabilă și coerentă câștigă din ce în ce mai multă importanță în spectroscopie, holografie și aplicații biomedicale.
Recent, generatorii cuantici de coloranți au fost folosiți pentru separarea izotopilor. În acest caz, laserul excită selectiv unul dintre ele, determinându-l să intre într-o reacție chimică.
Laser - o sursă de unde electromagnetice în intervalele vizibile, infraroșii și ultraviolete, pe baza radiației stimulate (sau induse) a atomilor și moleculelor. Cuvântul „laser” este alcătuit din literele inițiale (abrevierea) cuvintelor expresiei englezești „Amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații”, care înseamnă „amplificarea luminii ca urmare a emisiei stimulate”. În literatură, se folosește și termenul „generator cuantic optic” (LQG).
Principiul funcționării cu laser se bazează pe trei idei fundamentale. Prima idee este de a folosi emisie forțată (indusă) lumina de către sistemele atomice. A doua idee este să aplici medii fără echilibru termodinamic cu populație inversă niveluri la care este posibilă amplificarea, mai degrabă decât absorbția luminii. A treia idee este de a folosi feedback pozitiv pentru convertirea sistemului de amplificare într-un generator de radiații coerent.
Luați în considerare un atom liber al unui mediu radiant care nu este supus influențelor externe, care se află într-o stare excitată. Apoi poate trece spontan (spontan) de la o stare excitată cu energia E 2 la starea solului (neexcitată) cu energia E 1. În acest caz, va fi emisă o cuantă de lumină - un foton cu energia E a fotonului \u003d hn \u003d E 2 - E 1, unde n este frecvența radiației emise. Natura statistică, aleatorie a proceselor de emisie spontană duce la faptul că undele electromagnetice emise de atomii individuali ai surselor de lumină obișnuite nu sunt coordonate între ele: au faze, direcții de propagare și polarizare diferite. Aceasta înseamnă că emisia spontană din sursele de lumină convenționale este incoerentă.
Radiații stimulate (induse) - Aceasta este radiația undelor electromagnetice, care apare dacă atomii mediului trec de la starea excitată la starea de bază sub acțiunea radiației externe (foton). O astfel de interacțiune a unui foton cu un atom excitat poate fi dacă energia fotonului hn este egală cu diferența dintre nivelurile de energie ale atomului în stările excitate și la sol: E al fotonului \u003d hn \u003d E 2 - E 1 (Fig. 1), unde n este frecvența radiațiilor externe. În acest caz, după interacțiunea fotonilor cu un atom, doi fotoni se vor propaga din atom: convingătorși obligat, adică, există o creștere a luminii. Radiația stimulată generată are aceeași frecvență și fază ca și stimularea acestui proces și se propagă în aceeași direcție, adică radiația indusă este coerentă cu radiația stimulatoare.
Când fotonii interacționează cu materia, împreună cu emisia stimulată, există un proces de absorbție a fotonilor, în care atomii materiei trec de la starea fundamentală la starea excitată. În starea obișnuită, există mult mai mulți atomi neexcitați în materie decât cei excitați, prin urmare, atunci când fotonii interacționează cu materia, predomină procesul de absorbție și nu există o amplificare a luminii. Pentru ca procesul de emisie stimulată să prevaleze asupra absorbției, este necesar să se schimbe distribuția atomilor substanței iradiate asupra nivelurilor de energie. Amplificarea luminii are loc dacă concentrația atomilor substanței la nivelurile superioare de energie, corespunzătoare stării excitate, este mai mare decât la cele inferioare. O astfel de distribuție a atomilor în mediu pe niveluri de energie se numește populație inversă... Această stare este posibilă numai în cazul mediilor fără echilibru termodinamic.
Un mediu cu o populație inversă de niveluri, în care există mai degrabă amplificare decât absorbție a luminii, se numește mediu activ. După tipul de mediu activ utilizat, laserele sunt împărțite în gaze (de exemplu, heliu-neon, argon etc.), lichide, în stare solidă (rubin, sticlă sau safir) și semiconductoare (folosesc o joncțiune semiconductoare ca substanță activă).
Metodele de creare a unui mediu activ se numesc pompare cu laser. Există diferite metode de pompare a laserelor - pompare optică (iradierea mediului de lucru al laserelor în stare solidă cu lumina unei lămpi puternice cu bliț), excitație prin impact de electroni (în lasere cu descărcare de gaz), pompare chimică etc.
Pentru ca feedback-ul pozitiv să aibă loc, o parte din radiația generată trebuie să rămână în interiorul mediului activ și să provoace emisia forțată de atomi din ce în ce mai excitați. Pentru a crea un astfel de proces, mediul activ este plasat în rezonator optic... Un rezonator optic este un sistem de două oglinzi, între care se află un mediu activ. Oglinzile pot fi plate, convexe sau concave. Cea mai importantă proprietate a lor sunt valorile ridicate ale coeficientului de reflexie. Oglinzi folosite cu un strat dielectric multistrat, care sunt foarte reflectorizante și cu greu absorb lumina. Datorită reflexiei multiple a undelor de lumină care se propagă în mediul activ din oglinzile rezonatorului optic, este asigurată amplificarea lor multiplă, ca urmare a căreia se obține o putere de radiație mare.
Luați în considerare dispozitivul și principiul de funcționare al unui laser cu heliu-neon, care funcționează în mod continuu în regiunea vizibilă a spectrului. Elementul principal al laserului este un tub de descărcare umplut cu un amestec de gaze - heliu și neon. Presiunea parțială a heliului este de 1 mm Hg. Art. Neon - 0,1 mm Hg. Artă. Atomii de neon sunt atomi ai mediului activ (de lucru), atomii de heliu sunt auxiliari, necesari pentru a crea o populație inversă de atomi de neon.
În fig. 2 prezintă nivelurile de energie ale atomilor de neon și heliu. Într-o descărcare electrică, atomii de heliu sunt excitați în tub și trec în stare 2 ... Primul nivel entuziasmat 2 heliul coincide cu nivelul de energie 3 atomi de neon. Prin urmare, ciocnindu-se cu atomii de neon, atomii de heliu își transferă energia către ei și îi transferă într-o stare excitată 3 ... Astfel, se creează un mediu activ în tub, care constă din atomi de neon cu o populație de nivel inversat.
Tranziția spontană (spontană) a atomilor de neon individuali de la nivelul energiei 3 la nivel 2 provoacă apariția fotonilor. Cu acțiunea ulterioară a acestor fotoni cu atomi de neon excitați, apare radiația coerentă indusă a acestora din urmă și apare un flux în creștere de fotoni cu energie în tub hn.
Pentru a crește puterea de radiație, tubul 1 umplut cu un amestec de heliu și neon este plasat într-o cavitate optică formată din oglinzile 5 și 6 (vezi Fig. 3). Reflectând de la oglinzi, fluxul de fotoni trece de-a lungul axei tubului, în timp ce un număr tot mai mare de atomi de neon sunt incluși în procesul de radiație indusă, iar intensitatea radiației generate crește ca o avalanșă.
Laserul funcționează în modul de generare dacă pierderea de energie a undei de lumină la fiecare reflecție de la oglinda rezonatorului este mai mică decât creșterea energiei ca urmare a radiației induse atunci când trece de-a lungul tubului prin mediul activ. Prin urmare, calitatea oglinzilor rezonatoare este foarte importantă. Rezonatorul este format dintr-un plat 5 și concav 6 oglinzi cu acoperiri dielectrice multistrat (Fig. 3). Reflectanța acestor oglinzi este foarte mare - 98-99%. Transmitanța luminii unei oglinzi este de aproximativ 0,1%, în timp ce cealaltă este de aproximativ 0,2%. Utilizarea unui rezonator de oglindă permite obținerea unui fascicul puternic și îngust de lumină.
Nivelurile de energie 2 și 3 Atomii de neon au o structură complexă, astfel încât laserul poate emite până la 30 de lungimi de undă diferite în domeniul infraroșu și vizibil. Oglinzile rezonatorului sunt realizate multistrat pentru a crea coeficientul de reflecție necesar pentru o lungime de undă datorită interferențelor. Astfel, laserul emite o lungime de undă strict definită.
Tubul de descărcare a gazului 1 (Fig. 3) este închis la capete de plăcile de sticlă plan paralele 4 instalate la un unghi Brewster față de axa tubului. Această poziție a plăcilor asigură transmisia radiației de neon polarizate prin ele fără pierderi de reflexie și duce la polarizarea plană a radiației laser. Pentru a crea o descărcare electrică în tub, în \u200b\u200bel sunt introduși doi electrozi: anodul 2 și catodul 3. Datorită trecerii unui curent electric prin tub, se creează o populație inversă de niveluri în mediul He-Ne.
Sursele de lumină laser au o serie de avantaje semnificative față de alte surse:
1. Laserii sunt capabili să producă fascicule de lumină cu un unghi de divergență foarte mic (aproximativ 10 -5 rad). Pe Lună, o astfel de rază, emisă de pe Pământ, dă un loc cu un diametru de 3 km.
2. Lumina laserului este extrem de coerentă și monocromatică.
3. Laserele sunt cele mai puternice surse de lumină. Într-un interval spectral îngust, pentru o perioadă scurtă de timp (într-un interval de timp de aproximativ 10-13 s), unele tipuri de lasere ating o putere de radiație de 10 17 W / cm 2, în timp ce puterea de radiație solară este de numai 7 × 10 3 W / cm 2 și în total pe întregul spectru. Pentru intervalul îngust Dl \u003d 10 -6 cm (lățimea liniei spectrale laser), Soarele are doar 0,2 W / cm2. Puterea câmpului electric într-o undă electromagnetică emisă de un laser este mai mare decât puterea câmpului din interiorul atomului.
