Принцип работы лазеров. Что такое лазер? Принцип работы и применение Цветной лазерный принтер принцип работы

Лазер – одно из наиболее ярких и полезных изобретений XX века, открывшее перед человечеством огромное количество новых направлений деятельности.

Прежде всего, давайте разберемся, что это такое – лазер?

Лазерный луч представляет собой когерентный, монохромный, поляризованный узконаправленный световой поток. Если говорить человеческим языком, то это означает следующее:

Когерентный – то есть такой, где частота излучения всеми источниками синхронна (а надо понимать, что свет – это электромагнитная волна, испускаемая атомами и обладающая своей частотой).
Монохромный – значит сосредоточенный в узком диапазоне длинны волны.
Поляризованный – обладающий направленным вектором колебания электромагнитного поля (само это колебание – и есть световая волна).

Одним словом, это луч света, испускаемый мало того, что синхронными источниками, так еще и в очень узком диапазоне, причем направленно. Этакий чрезвычайно сконцентрированный световой поток.

Устройство лазера.

Толку от самого физического понятия о лазере было бы немного, если бы его не умели создавать. Основой устройства служит оптический квантовый генератор, который, используя электрическую, химическую, тепловую или какую-то другую энергию, производит лазерный луч. А производит он его посредством вынужденного или, как еще говорят, индуцированного излучения – то есть когда атом, в который попадает фотон (частица света), не поглощает его, а излучает еще один фотон, являющийся точной копией первого (когерентный). Таким образом, происходит усиление света.

Лазеры как правило состоят из трех частей:

Источник энергии или механизм накачки;
Рабочее тело;
Система зеркал или оптический резонатор.

За что отвечает каждая из этих частей:

Источник энергии , что очевидно из названия, подает необходимую для работы устройства энергию. Для лазеров применяются различные виды энергии, зависящие от того, что именно используется в качестве рабочего тела. Такой первоначальной энергией, в числе прочего, может выступать и другой источник света, а также электрический разряд, химическая реакция и т.д. Здесь нужно упомянуть, что свет – это передача энергии и фотон – не только частица или, говоря иначе, квант света, но и частица энергии.

Рабочее тело – это наиболее важная составляющая лазера. Оно как раз и является телом, в котором находятся атомы, излучающие когерентные фотоны. Для того, чтобы процесс излучения когерентных фотонов произошел, рабочее тело подвергается энергетической накачке, которая приводит, грубо говоря, к тому, что большая часть атомов, из которых состоит рабочее тело, перешли в возбужденное энергетическое состоянии с общим знаменателем. В этом состоянии переход к обратному – основному - не возбужденному состоянию произойдет, если через атом пройдет фотон, соответствующий по своей энергии разнице между этими двумя состояниями атома. Таким образом, возбужденный атом, при переходе в основное состояние добавляет к «пролетавшему через него» фотону его точную копию.

Именно рабочее тело определяет все наиболее важные характеристика лазера, такие как мощность, диапазон и т.п. Выбор рабочего тела производится из соображений, диктуемых нам тем, что мы хотим получить от этого лазера.

Ну и, соответственно, вариантов тут очень много: все агрегатные состояний (газ, твердое, жидкость и даже плазма), всевозможные материалы, используются также и полупроводники (например, в CD приводах).

Оптический резонатор – это обыкновенная система зеркал, расположенных вокруг рабочего тела, ведь оно излучает свет во всех направлениях, а нам нужно собрать в один узкий пучок. Для этой цели и служит оптический резонатор.

Применение лазер находит всюду, лишь бы хватило инженерной мысли додуматься как в тех или иных случаях применить эту технологию. Им есть место и в медицине, и в промышленности, и в быту, и в военном деле, и даже для передачи информации.

Сегодня лазеры получили такое широкое распространение в нашей жизни, что тяжело представить, что с момента их изобретения прошло всего 50 лет!

А если быть точнее, то первый лазер был создан 16 мая 1960 года физиком из Калифорнии Теодором Мейнманом (Theodore H. Maiman). Этот лазер работал на кристалле рубина с резонатором Фабри-Перо, а в качестве источника накачки использовалась лампа-вспышка. Лазер работал в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм.

В основу этого изобретения легла теория вынужденного излучения, выдвинутая Эйнштейном в 1917 г. Согласно теории, кроме процессов спонтанного поглощения и излучения света существует возможность вынужденного (или стимулированного) излучения, когда можно «заставить» электроны излучить свет определенной длины волны одновременно.

Так что же такое лазер?

Ла́зер (от англ. LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский означает «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор - это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

То есть, это луч света, испускаемый синхронными источниками, в узком направленном диапазоне. Такой чрезвычайно сконцентрированный световой поток.

Как работает лазер?

Принцип работы лазера основан на явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Типы лазеров:

Лазеры могут определяться на основе множества признаков, но чаще всего используется классификация

по принципу агрегатного состояния лазерного вещества:

Газовые;
Жидкостные;
Лазеры на свободных электронах;
Твердотельные.

По способу возбуждения лазерного вещества:

Газоразрядные лазеры (в тлеющих, дуговых разрядах, в разрядах на полых электродах);
Газодинамические лазеры (с созданием инверсий населенностей путем расширения горячих газов)
Инжекционные, или диодные лазеры (с возбуждением за счет прохождения тока в полупроводнике);
Лазеры с оптической накачкой (возбуждение с помощью лампы-вспышки, лампы непрерывного горения, другого лазера, светодиода);
Лазеры с электронно-лучевой накачкой (специальные типы газовых и полупроводниковых лазеров)
Лазеры с ядерной накачкой (с возбуждением посредством излучения из атомного реактора или в результате ядерного взрыва);
Разные лазерные системы обладают разными уникальными свойствами и находят свое особенное применение.
Химические лазеры (с возбуждением на основе химических реакций).

Применение лазеров.

С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё неизвестных проблем». В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту.

Передача информации по стекловолокнам
Лазерная обработка материалов:
- маркировка и художественная гравировка
- резка
- сварка
В микроэлектронике для прецизионной обработки материалов (резка полупроводниковых кристаллов, сверление особо тонких отверстий в печатных платах).
для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости.
Лазеры в медицине и биофотонике
- лазерная хирургия
- биофотоника и медицинская диагностика
- офтольмология (лечение катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.).
Косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).
Термоядерная реакция с применением лазеров
В военных целях:
- как средство наведения и прицеливания.
- ракетное оружие на основе лазерного излучения
Астрономия:
- Лидар: уточнил значения ряда фундаментальных астрономических постоянных и параметры космической навигации, расширил представления о строении атмосферы и поверхности планет Солнечной системы.
- В астрономических телескопах, с адаптивной оптической системой коррекции атмосферных искажений, лазер применяют для создания искусственных опорных звезд в верхних слоях атмосферы.
Использование лазеров в области научных исследований
Голография и интерферометрия
Метрология и измерительная техника. Измерение: расстояния (лазерные дальномеры), времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др.
Лазерная химия. Для запуска и анализа химических реакций Лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему.
Лазеры в приборах и оборудовании
- Устройства считывания штриховых кодов
- В лазерной мыши и лазерной клавиатуре
- Audio-CD, CD-ROM, DVD, Blu-ray disc
- Лазерные принтеры
- Лазерные пико-проекторы

Перед тем как ответить на вопрос о том, как работает принтер лазерного типа, нужно отметить, что первое изображение, полученное Ч. Карлсоном с применением статичного электричества и сухих чернил, относится к 1938-м году. А вот первый прообраз современного лазерного устройства был создан в середине 50-х годов прошлого столетия. Следует добавить, что принцип работы лазерного принтера основывается на процессе т.н. лазерного сканирования. После того как документ просканирован, происходит наложение и перенос красящего вещества, а также закрепление готового изображения. Подобный принцип лазерной печати позволяет распечатывать текст и графику на обычной бумаге с достаточно высокой скоростью. Узнать более подробно о том, как печатает лазерный принтер, вы можете ниже.

Если говорить о том, что представляет собой устройство лазерного принтера, то нужно сказать, что любая модель подобного устройства состоит из фотобарабана, блока лазера, узла переноса и блока закрепления. Кроме того, в картриджах в зависимости от модели используется магнитный вал или ролик проявки. Бумага подается на печать с помощью специального узла, отвечающего за данное действие.

Чтобы более подробно ответить на вопрос о том, как устроен принтер лазерного типа, необходимо рассказать также о краске (тонер), применяемой в данной оргтехнике. Итак, тонер представляет собой вещество, состоящее из очень маленьких частичек полимера, покрытых красителем, с включением магнетита. Кроме того, в его состав входит т.н. регулятор заряда. В зависимости от производителя, все подобные порошки отличаются такими показателями, как плотность, дисперсность, размер зерен, магинтность и т.п. По этой причине заправлять лазерный принтер любой случайной порошковой краской не стоит, т.к. это ухудшит качество печати.

Оргтехника такого типа, как монохромный принтер/мфу нашел широкое применение для личного пользования, т.е. дома. Его основное достоинство заключается в доступной стоимости, что обусловлено тем, что такие устройства не нуждаются в большом количестве программных ресурсов или памяти. Им нужен лишь контроллер, который позволит осуществлять самую основную функцию, которая заключается в распечатке всевозможных документов. В целом его можно использовать для распечатки обычного текста или каких-нибудь черно-белых диаграмм и схем, где наличие цвета не играет большого значения. Другие достоинства монохромных девайсов лазерного типа заключаются в невысокой стоимости на расходные материалы, выдерживании больших нагрузок и возможности распечатки большого количества страниц. Но подобное устройство принтера не позволяет ему распечатывать цветные фотографии и сложные схемы. Кроме того, такой девайс не обладает высоким качеством печати.

Что касается цветных лазерных принтеров, то их достоинства заключаются в хорошей скорости печати и возможности распечатки цветных схем, изображений и фотографий. Но учтите, что такой печатающий девайс стоит достаточно дорого, что, в свою очередь, существенно сужает его доступность. Другими его минусами являются низкая рентабельность ввиду дороговизны расходных материалов, высокое энергопотребление и недостаточно высокое качество цветных изображений. Т.е. такой девайс не подходит для распечатки профессиональных фотографий.

Но все виды лазерных принтеров, как правило, имеют один и тот же принцип действия. Отличия заключаются лишь в их стоимости и функциональных возможностях и параметрах, к примеру, таком, как разрешение лазерного принтера. Что касается непосредственно процесса печати, то его можно разделить на пять ключевых этапов, описанных далее.

Первый этап: образование заряда фотобарабана (фотовала)

Чтобы ответить на вопрос о том, как устроен лазерный принтер и как он работает, следует сказать, что одним из основных его устройств является печатающий барабан, покрытый специальным полупроводником, который имеет высокую фоточувствительность. Именно на нем на первом этапе и формируется изображение, предназначенное для дальнейшей печати. Для этого данная деталь снабжается зарядом со знаком плюс или минус. Делается это, как правило, с помощью коротрона (коронатора) или заряжающего вала (ролика заряда). Первый является блоком, состоящим из проволоки, вокруг которой имеется металлический каркас, вторым – вал из металла, покрытый поролоном или токопроводящей резиной.

Первый способ придания фотовалу определенного заряда с использованием коронатора заключается в том, что под действием напряжения между каркасом и проволокой (вольфрамовая нить с покрытием из платины/золота/углерода) образуется разряд. После этого формируется электрическое поле, которое, в свою очередь, передает фотобарабану заряд статического типа.

Использование коронатора обладает целым рядом минусов, которые заключаются том, что скопление на его нити частичек краски/пыли или ее изгиб могут привести к резкому снижению качества печати, усилению поля электрического типа в определенном месте и даже повреждению поверхности фотобарабана.

Что касается второго способа, то ролик заряда при соприкосновении с барабаном снабжает его поверхность, отличающуюся высокой фоточувствительностью определенным зарядом. Напряжение на ролике при этом на порядок ниже, что, в свою очередь, решает проблему с появлением озона. Но чтобы осуществить передачу заряда обязательно нужно соприкосновение. Следовательно, детали принтера в таком случае изнашиваются быстрее.

Второй этап: экспонирование

Цель данного этапа заключается в формировании на поверхности фотобарабана с повышенной светочувствительностью невидимого изображения из точек, причем без использования статического заряда. Для этого тонкий луч лазера светит на зеркало четырех- или шестигранной формы, после чего отражается и попадает на т.н. распределяющуюся линзу. Он отправляет его на конкретное место на поверхности барабана. Далее система, состоящая из нескольких линз и зеркал, перемещает лазерный луч вдоль фотовала, в результате чего формируется строка. Т.к. печать осуществляется при помощи точек, то лазер постоянно включается и выключается. Заряд при этом также снимается точечным образом. После того как строка подходит к концу, фотовал начинает поворачиваться с помощью пошагового двигателя и процедура экспонирования продолжается.

Третий этап: проявка

Еще один имеющийся в картридже лазерного принтера вал, является металлической трубкой, внутри которой имеется магнитный сердечник. Магнит, внутри отсека притягивает к поверхности вала тонер и, вращаясь, выносит его наружу. Специальное дозирующее лезвие позволяет регулировать толщину слоя красящего вещества и предотвращать, таким образом, его равномерное распределение.

После этого краска попадает между фотобарабаном и магнитным валом. На участках, прошедших экспонирование тонер начинает притягиваться к поверхности фотовала, а на заряженных – отталкиваться. Красящее вещество, оставшееся на магнитном ролике, как правило, идет дальше и снова проходит через бункер. Что касается тонера, переместившегося на поверхность барабана, то он делает изображение на нем видимым, после чего следует дальше, т.е. к бумаге.

Четвертый этап: перенос

Лист бумаги, который был подан в девайс, проходит под фотовалом. Под бумагой при этом располагается т.н. вал переноса изображения, который способствует тому, чтобы тонер, имеющийся на поверхности барабана, попал на поверхность бумаги. На сердцевину ролика, выполненную из металла, подается заряд со знаком плюс, который через резиновое покрытие переносится на бумагу. Перемещенные на поверхность листа микроскопические частички тонера держатся на нем исключительно за счет статического притяжения. Все оставшиеся на фотобарабане частички порошка, ворсинки бумаги и пыль отправляется с помощью ракеля или вайпера в бункер, специально предназначенный для отходов. Как только фотобарабан завершит весь цикл, ролик заряда/коротрон снова способствует восстановлению на его поверхности заряда и вся работа повторяется снова.

Пятый этап: закрепление

Тонер, используемый в лазерных принтерах обязательно должен обладать способностью плавиться при высоких температурных показателях. Только благодаря этому свойству он может окончательно закрепиться на поверхности бумаги.

Для этого лист протягивается между двумя валами, один из которых прижимает его, а другой – разогревает. Благодаря этому, микроскопические частички красящего вещества как бы вплавляются в структуру страницы. После выхода из печки, порошок достаточно быстро застывает, в результате чего отпечатанная картинка или текст становится достаточно устойчивым.

Следует также добавить, что верхний ролик, который разогревает лист бумаги бывает в виде термопленки или тефлонового вала. При этом второй вариант считается более долговечным и надежным. Однако он является дорогим и используется чаще всего в девайсах, которые должны выдерживать большие нагрузки. Первый вариант является менее надежным, и используют его обычно для принтеров, предназначенных для малых офисов и использования в домашних условиях.

Слово "лазер" или «laser» является аббревиатурой от “light amplification by stimulated emission of radiation.” На русском: - «усиление света посредством вынужденного излучения», или оптический квантовый генератор. Первый лазер, в котором в качестве резонатора применили покрытый серебром рубиновый цилиндр, был разработан в 1960 году «Hughes Research Laboratories», Калифорния. .Сегодня лазеры используются для различных целей, начиная от измерения различных величин до чтения кодированных данных. Существует несколько способов сделать лазер, в зависимости от вашего бюджета и навыков.

Шаги

Часть 1

Понимание того, как работает лазер

Для работы лазера необходим источник энергии. Лазеры работают путем возбуждения электронов активной среды лазера внешним источником энергии и стимулирования их к излучению света определенной длины волны. Этот процесс был впервые предложен в 1917 году Альбертом Эйнштейном. Для того чтобы электроны (в атомах активной среды лазера) излучали свет, они должны сначала поглотить энергию перейдя на более высокую орбиту, а затем отдать эту энергию в виде частицы света при возвращении на исходную орбиту. Такой способ ввода энергии в активную среду лазера, называют "накачкой".”

Канальное прохождение энергии через активную (усиливающую) среду. Усиливающая среда или активная лазерная среда увеличивает силу света за счет индуцированного (вынужденного) излучения выделяемого электронами. Усиливающей средой может быть любая структура или вещество из перечисленных ниже:

Установка зеркал для удерживания света внутри лазера. Зеркала, или резонаторы, удерживают свет в пределах рабочей камеры лазера, пока не накопится желаемый уровень энергии для излучения через маленькое отверстие в одном из зеркал или через линзу.

Простейший резонатор или «линейный резонатор» использует два зеркала, размещенных на противоположных сторонах рабочей камеры лазера генерирующий один выходной луч.
Более сложный «кольцевой резонатор» использует три или более зеркала. Он может генерировать несколько лучей или один луч с помощью оптического изолятора.

Применение фокусирующей линзы для направления света через усиливающую среду. Наряду с зеркалами, линза помогает сконцентрировать и направить свет так, что бы усилительная среда получит как можно больше света.

Часть 2

Построение Лазера

Метод первый: Создание лазера из комплекта

Покупка. Можно купить в магазине электроники или купить через интернет "лазерный комплект", "лазерный набор", "лазерный модуль» или «лазерный диод". Лазерный комплект должен включать в себя следующее:

Схема драйвера. Иногда продается отдельно от других компонентов. Подберите схему драйвера которая позволит регулировать ток.
Лазерный диод.
Регулирующая линза может быть из стекла или пластика. Как правило, диод и линза собраны вместе в небольшой трубке. Эти компоненты иногда продаваться отдельно без драйвера.

Сборка схемы драйвера. Многие лазерные наборы продаются с несобранным драйвером. Эти наборы включают в себя печатную плату и соответствующие детали, а вам предстоит спаять их, следуя прилагаемой схеме. Некоторые наборы могут иметь драйвер в собранном виде.

Подключите блок управления к лазерному диоду. Если у вас есть цифровой мультиметр, вы сможете включить его в цепь диода для контроля тока. Большинство лазерных диодов имеют ток находящийся в диапазоне от 30 до 250 миллиампер (мА). Диапазон тока от 100 до 150 мА даст достаточно мощный луч.
- Можно дать и более мощный ток на лазерный диод, чтобы получить более мощный луч, но дополнительный ток сократит срок службы или даже сожжет диод.
Подключите источник питания или аккумулятор к схеме драйвера. Лазерный диод должен ярко светиться.
Вращая линзу сфокусируйте лазерный луч. Направьте его на стену и фокусируйте, пока не появится хорошая, яркая точка.
- После того как вы отрегулировали линзу таким образом, поместите спичку на линию луча и вращайте линзу пока не увидите, что спичечная головка начнет дымить. Можно также попробовать лопать воздушные шары или прожечь отверстия в бумаге.

Метод второй: Построение лазера на диоде из старого DVD или Blu-Ray привода

Возьмите старый DVD или Blu-Ray пишущий плеер или привод. Выбирайте устройства со скоростью записи 16x или быстрее. Эти устройства имеют лазерные диоды с выходной мощностью 150мВт или больше.
- DVD привод имеет красный лазерный диод с длиной волны 650нм.
- Blu-Ray привод имеет синий лазерный диод с длиной волны 405нм.
- DVD привод должен быть достаточно в хорошем состоянии, чтобы записывать диски, хотя и не обязательно успешно. Другими словами, его диод должен быть исправным.
- Не стоит пытаться использовать читающий DVD, читающий и пишущий CD вместо пишущего DVD. Читающий DVD имеет красный диод, но не такой мощный, как в пишущем DVD. Лазерный диод в пишущем CD достаточно мощный, но излучает свет в инфракрасном диапазоне, и вы получите луч, который не виден глазу
Извлечение лазерного диода из привода. Переверните привод нижней частью вверх. Вы увидите винты, которые придется открутить, прежде чем вы сможете отделить механизм привода и вытянуть диод.
- После того как вы разберете привод, вы увидите пару металлических направляющих удерживаемых на месте с помощью винтов. Они поддерживают лазерный комплект. Отвинтите направляющие для того чтобы их удалить. Извлеките лазерный комплект.
- Лазерный диод по размеру меньше, чем копейка. Он имеет три металлических контакта в виде ножек. Может быть помещен в металлическую оболочку с защитным прозрачным окном или без окна, а может быть ничем не закрыт.
- Вам предстоит, вытянуть диод из лазерной головки. Возможно, будет легче если сначала снять теплоотвод со сборки, прежде чем пытаться извлечь диод. Если у вас есть антистатический браслет, используйте его во время удаления диода.
- Обращайтесь с лазерным диодом осторожно, тем более, если это незащищенный диод. Если у вас есть антистатический контейнер, поместите диод в него, пока вы не начнете собирать лазер.
Приготовьте фокусирующую линзу. Вам придется пропустить луч от диода через фокусирующую линзу, чтобы использовать его в качестве лазера. Вы можете сделать это одним из двух способов:
- Использование увеличительного стекла как фокусирующей линзы. Вращайте линзу так чтобы найти нужное место для получения сфокусированного лазерного луча. При необходимости это придется делать каждый раз перед использованием лазера.
- Купите маломощный лазерный диод, например 5мВт в сборе с линзой и трубкой. Затем замените его на лазерный диод от пишущего DVD.

Прежде всего, давайте разберемся, что это такое – лазер?

Когерентный – то есть такой, где частота излучения всеми источниками синхронна (а надо понимать, что свет – это электромагнитная волна, испускаемая атомами и обладающая своей частотой).
Монохромный – значит сосредоточенный в узком диапазоне длинны волны.
Поляризованный – обладающий направленным вектором колебания электромагнитного поля (само это колебание – и есть световая волна).

Устройство лазера.

Лазеры как правило состоят из трех частей: