Цветные лазерные принтеры начинают активно завоевывать рынок печати. Если еще несколько лет назад цветная лазерная печать была для большинства организаций и тем более для отдельных граждан чем-то недосягаемым, то сейчас купить цветной лазерный принтер может позволить себе весьма широкий круг пользователей. Быстрорастущий парк цветных лазерных принтеров приводит к тому, что растет и интерес к ним со стороны служб технической поддержки.

Принципы цветной печати

В принтерах, как и в полиграфии для создания цветных изображений применяется субтрактивная цветовая модель, а не аддитивная, как в мониторах и сканерах, в которых любой цвет и оттенок получается смешением трех основных цветов – R (красный), G (зеленый), B (синий). Субтрактивная модель цветоделения называется так потому, что для образования какого-либо оттенка надо вычесть из белого цвета “лишние” составляющие. В печатающих устройствах для получения любого оттенка в качестве основных цветов используют: Cyan (голубой, бирюзовый), Magenta (пурпурный), Yellow (желтый) . Эта цветовая модель получила название CMY по первым буквам основных цветов.

В субтрактивной модели при смешивании двух или более цветов дополнительные цвета получаются посредством поглощения одних световых волн и отражения других. Голубая краска, например, поглощает красный цвет и отражает зеленый и синий; пурпурная краска поглощает зеленый цвет и отражает красный и синий; а желтая краска поглощает синий цвет и отражает красный и зеленый. При смешивании основных составляющих субтрактивной модели можно получить различные цвета, которые описаны ниже:

Голубой + Желтый = Зеленый

Пурпурный + Желтый = Красный

Пурпурный + Голубой = Синий

Пурпурный + Голубой + Желтый = Черный

Стоит отметить, что для получения черного цвета необходимо смешать все три составляющие, т.е. голубой, пурпурный и желтый, однако получить качественный черный цвет таким образом, практически невозможно. Получаемый цвет будет не черным, а скорее грязно-серым. Для устранения такого недостатка к трем основным цветам добавляется еще один – черный. Такая расширенная цветовая модель называется CMYK (C yan-M agenta-Y ellow-blacK – голубой-пурпурный-желтый-черный). Введение черного цвета позволяет значительно повысить качество цветопередачи.

Принтер HP Color LaserJet 8500

После того, как мы обсудили общие принципы построения и работы цветных лазерных принтеров, стоит ознакомиться более подробно с их устройством, механизмами, модулями и блоками. Это лучше всего сделать на примере какого-нибудь принтера. В качестве такого примера давайте возьмем принтер фирмы Hewlett-Packard Color LaserJet 8500.

Основными его характеристиками являются :
- разрешающая способность: 600 DPI;
- скорость печати в “цветном” режиме: 6 стр/мин.;
- скорость печати в “черно-белом” режиме: 24 стр./мин.

Основные узлы принтера и их взаимное расположение приводится на рис.5.

Формирование изображения начинается с того, что с поверхности фотобарабана снимаются (нейтрализуются) остаточные потенциалы. Это делается для того, чтобы последующий заряд фотобарабана был более равномерным, т.е. перед зарядом он полностью разряжается. Снятие остаточных потенциалов осуществляется путем засвечивания всей поверхности барабана специальной лампой предварительного (кондиционирующего) экспонирования, которая представляет собой линейку светодиодов (рис.7).

Далее на поверхности фотобарабана создается высоковольтный (до -600В) отрицательный потенциал. Заряжается барабан коротроном в виде ролика из токопроводящей резины (рис.8). На коротрон подается переменное напряжение синусоидальной формы с отрицательной постоянной составляющей. Переменная составляющая (АС) обеспечивает равномерное распределение зарядов на поверхности, а постоянная составляющая (DC) заряжает барабан. Уровень постоянной составляющей может регулироваться при изменении плотности печати (плотности тонера), что делается с помощью драйвера принтера или регулировками через панель управления. Увеличение отрицательного потенциала приводит к уменьшению плотности, т.е. к более светлому изображению, уменьшение же потенциала – наоборот, к более плотному (темному) изображению. Фотобарабан (его внутренняя металлическая основа) должен быть обязательно “заземлен”.

После всего этого на поверхности фотобарабана лазерным лучом создается изображение в виде заряженных и незаряженных участков. Световой пучок лазера, попадая на поверхность барабана, разряжает данный участок. Лазером засвечиваются те участки барабана, на которых должен быть тонер. Те участки, которые должны быть белыми, лазером не засвечиваются, и на них остается высокий отрицательный потенциал. Луч лазера перемещается по поверхности барабана с помощью вращающегося шестигранного зеркала, находящегося в сборке лазера. Изображение на барабане называют скрытым электрографическим изображением, т.к. оно представлено в виде невидимых электростатических потенциалов.

Скрытое электрографическое изображение становится видимым после прохождения через узел проявки. Проявительный модуль черного тонера является стационарным и находится в постоянном соприкосновении c фотобарабаном (рис.9).

Цветной проявительный модуль представляет собой карусельный механизм с поочередной подачей “цветных” картриджей к поверхности барабана (рис.10). Черный тонер-порошок является магнитным однокомпонентным, а цветные порошки – однокомпонентные, но немагнитные. Любой тонер-порошок заряжается до отрицательного потенциала за счет трения о поверхность проявительного вала и дозировочный ракель. За счет разности потенциалов и кулоновского взаимодействия зарядов, отрицательно заряженные частички тонера притягиваются к тем участкам фотобарабана, которые разряжены лазером и отталкиваются от участков с высоким отрицательным потенциалом, т.е. от тех, которые не засвечивались лазером. В каждый момент времени осуществляется проявка тонером только одного цвета. В момент проявки на проявительный вал подается напряжение смещения, которое вызывает перенос тонера с проявительного вала на фотобарабан. Это напряжение представляет собой переменное напряжение прямоугольной формы с отрицательной постоянной составляющей. Уровень постоянной составляющей может регулироваться при изменении плотности тонера. После окончания процедуры проявки изображение на фотобарабане становится видимым, и его необходимо перенести на барабан переноса.

Поэтому следующим этапом в создании изображения является передача проявленного изображения на барабан переноса. Этот этап называют этапом первичного переноса. Перенос тонера с одного барабана на другой происходит за счет электростатической разности потенциалов, т.е. отрицательно заряженные частички тонера должны притянуться положительным потенциалом на поверхности барабана переноса. Для этого на поверхность барабана переноса подается положительное напряжение смещения постоянного тока от специального источника питания, в результате чего вся поверхность этого барабана имеет положительный потенциал. При полноцветной печати напряжение смещения на барабане переноса должно постоянно увеличиваться, т.к. после каждого прохода количество отрицательно заряженного тонера на барабане возрастает. И для того, чтобы тонер мог переноситься и ложиться поверх уже существующего тонера, напряжение переноса увеличивается с каждым новым цветом. Этот этап формирования изображения показан на рис.11.

В процессе переноса тонера на барабан переноса отдельные частички тонера могут остаться на поверхности фотобарабана, и они должны быть удалены, чтобы не искажать последующее изображение. Для удаления остатков тонера в принтере имеется блок очистки фотобарабана (см. рис 17). В составе этого модуля имеется специальный вал – кисть для снятия заряда с тонера и фотобарабана – это ослабляет силу притяжения тонера к фотобарабану. Также имеется традиционный очистительный ракель, который соскребает тонер в специальный бункер, где он и хранится до тех пор, пока очистительный модуль не будет заменен или не будет вычищен.

Далее фотобарабан снова заряжается (после предварительного разряда), и процесс повторяется до тех пор, пока на барабане переноса не будет полностью сформировано изображение соответствующего цвета. Поэтому размер барабана переноса должен полностью соответствовать формату печати, т.е. в данной модели принтера длина окружности этого барабана соответствует длине листа формата А3 (420 мм). После нанесения тонера одного цвета процесс формирования изображения полностью повторяется с той лишь разницей, что используется проявительный блок другого цвета. Для использования другого проявительного узла карусельный механизм поворачивается на заданный угол и подводит “новый” проявительный вал к поверхности фотобарабана. Таким образом, при формировании полноцветного изображения, состоящего из четырех цветовых составляющих, барабан переноса проворачивается четыре раза, и на каждом обороте к уже существующему тонеру добавляется тонер другого цвета. При этом первым наносится порошок желтого цвета, потом пурпурного, потом голубого и уже последним наносится черный порошок. В итоге, на барабане переноса создается полноцветное видимое изображение, состоящее из частичек четырех разноцветных тонер-порошков.

После того, как тонер-порошок оказывается на поверхности барабана переноса, он проходит через блок дополнительного заряда. Этот блок (рис.12) представляет собой проволочный коротон, на который подается переменное напряжение синусоидальной формы (АС) с отрицательной постоянной составляющей (DC). Этим напряжением тонер порошок дополнительно заряжается, т.е. его отрицательный потенциал становится выше, что будет способствовать более эффективному переносу тонера на бумагу. Кроме того, дополнительное напряжение уменьшает значение положительного потенциала барабана переноса, что способствует правильному расположению тонера на барабане переноса и препятствует смещению тонера. Как результат этого – точное воспроизведение цветовых оттенков. Напряжение дополнительного заряда подается на барабан переноса во время нанесения желтого тонера, т.е. в самом начале процесса формирования изображения. При нанесении желтого тонер-порошка напряжение дополнительного заряда устанавливается на минимальное значение, и после нанесения каждого нового цвета это напряжение увеличивается. Максимальное напряжение дополнительного заряда подается во время нанесения черного тонера.

Далее полноцветное видимое изображение с барабана переноса должно быть перенесено на бумагу. Этот процесс переноса получил название вторичного переноса. Вторичный перенос осуществляется еще одним коротроном, выполненным в виде транспортного ремня (рис.13). Тонер перемещается на бумагу под действием электростатических сил, т.е. за счет разности потенциалов тонер-порошка (отрицательный) и коротрона вторичного переноса, на который подается положительное напряжение смещения. Так как вторичный перенос осуществляется только после четырех оборотов барабана переноса, транспортный ремень коротрона должен подать бумагу только тогда, когда все цвета нанесены, т.е. во время уже четвертого оборота, а до этого момента времени ремень должен быть в таком положении, чтобы бумага не касалась барабана переноса.

Таким образом, транспортный ремень во время создания изображения опущен вниз, и не соприкасается с барабаном переноса, а в момент вторичного переноса поднят вверх и касается этого барабана. Перемещение транспортного ремня коротрона осуществляется эксцентриковым кулачком, который приводится в действие электрической муфтой по команде от микроконтроллера (рис.14).

При вторичном переносе лист бумаги может притягиваться к поверхности барабана переноса за счет разницы электростатических потенциалов. Это может стать причиной накручивания листа бумаги на барабан, и соответственно к замятию бумаги. Для предотвращения такого явления в составе принтера имеется система отделения бумаги и снятия с нее статического потенциала. Система представляет собой коротрон, на который подается переменное напряжение синусоидальной формы с положительной постоянной составляющей. Расположение коротрона относительно бумаги и барабана переноса показано на рис.15.

На этапе вторичного переноса некоторые частички тонера не переносятся на бумагу, а остаются на поверхности барабана. Чтобы эти частички не мешали созданию следующего листа и не искажали изображения необходимо произвести очистку барабана переноса и удалить остатки тонера. Очистка барабана переноса является достаточно сложным процессом. Для этой процедуры задействуется специальный ролик очистки, фотобарабан и блок очистки фотобарабана. Очистка барабана переноса должна осуществляться не постоянно, а только после вторичного переноса, т.е. система очистки должна управляться аналогично коротрону переноса. Пока создается изображение, система очистки не активна, а когда начинается перенос тонера на бумагу - включается. Первым этапом очистки является перезаряд остаточного тонер-порошка, т.е. его потенциал меняется с отрицательного на положительный. Для этого применяется ролик очистки, на который подается переменное синусоидальное напряжение с положительной постоянной составляющей. Этот ролик прижимается к поверхности фотобарабана в период очистки, а в процессе создания изображения он откидывается. Управляется ролик эксцентриковым кулачком, который в свою очередь приводится в действие соленоидом (рис.16).

После этого положительно заряженный тонер переносится на фотобарабан, на котором по-прежнему имеется отрицательное напряжение смещения. И уже с поверхности фотобарабана тонер счищается очистительным ракелем блока очистки фотобарабана (рис.17).

Заканчивается создание полноцветного изображения фиксацией тонера на бумаге с помощью температуры и давления. Лист бумаги проходит между двумя роликами блока фиксации (печки), разогревается до температуры порядка 200 ºС, тонер расплавляется и вдавливается в поверхность бумаги. Для предотвращения прилипания тонера к печке на нагревательный вал подается отрицательное напряжение смещения, в результате чего отрицательный тонер-порошок остается на бумаге, а не на тефлоновом валу.

Мы рассмотрели принцип работы только одного принтера одной фирмы. Другими производителями могут применяться и иные принципы формирования изображения и другие технические решения при построении принтеров, однако, все эти решения будут весьма близки к тем, что были рассмотрены ранее.

Лазер обязательно состоит из трех основных компонент:

1) активной среды , в которой создаются состояния с инверсией населенностей;

2) системы накачки − устройства для создания инверсии в активной среде;

3) оптическог о резонатора − устройства, формирующего направление пучка фотонов.

Кроме этого оптический резонатор предназначен для многократного усиления лазерного излучения.

В настоящее время в качестве активной (рабочей) среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма .

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные методы накачки . Накачка лазера может осуществляться как непрерывно, так и импульсно. При длительном (непрерывном) режиме вводимая в активную среду мощность накачки ограничена перегревом активной среды и связанными с ним явлениями. В режиме одиночных импульсов возможно введение в активную среду значительно большей энергии, чем за то же время в непрерывном режиме. Это обусловливает большую мощность одиночного импульса.

Одним из самых значимых изобретений прошлого века можно считать изобретение лазера, который сейчас используется практически во всех сферах жизни. Слово LASER образовалось от сокращения английского словосочетания «light amplification by stimulated emission of radiation» – «усиление света посредством вынужденного излучения»

Еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном была спрогнозирована возможность перехода атомов с высшего энергетического состояния в низшее при внешнем воздействии. При данном переходе освобождается некоторое количество энергии, и такое излучение называется вынужденным. Вынужденное излучение и лежит в основе работы лазеров.

Принцип действия лазера основывается на вынужденном излучении фотонов света при воздействии внешнего электромагнитного поля.

Как известно еще со школьного курса физики, строение атома имеет планетарную модель (за Резерфордом), согласно которой вокруг положительно заряженного ядра по определенным энергетическим орбитам вращаются негативно заряженные электроны – подобно планетам вокруг солнца. Каждой орбите соответствует определенное значение энергии электрона. При невозбужденном состоянии электроны размещаются на низких энергетических уровнях, что обусловлено минимальной затратой энергии, и могут только поглощать излучение, которое на них попадает. При воздействии излучения на атом, он получает дополнительную порцию энергии, что провоцирует переход электронов (одного или нескольких) на более высокие энергетические уровни атома, то есть электрон переходит в возбужденное состояние. Энергия поглощается строго определенными порциями – квантами. Возбужденный атом стремится снова вернутся к состоянию спокойствия, и отдает лишнюю энергию, излучая ее тоже строго определенными порциями. При этом электроны возвращаются на первоначальные энергетические уровни. Образующиеся кванты или фотоны света имеют энергию равную разности энергий двух задействованных уровней. Таким образом происходит вынужденное излучение.

Атом в возбужденном состоянии может сам излучать энергию, а может излучать и при воздействии внешнего излучения. Характерно, что квант, который излучается и квант, который вызвал излучение схожи между собой. Эта характеристика определяет то, что длина волны индуцированного (вызванного) излучения равна волне, которая вызвала это излучение. Итого, индуцированное излучение будет увеличиваться с возрастанием количества электронов, которые перескочили на верхние энергетические уровни.

Также, бывают инверсные системы атомов, в которых электроны сосредотачиваются на более высоких энергетических уровнях. В таких системах атомов процесс излучения квантов доминирует над процессом поглощением. Инверсные системы атомов и применяют для конструирования оптических квантовых генераторов (лазеров). Активное вещество (среда) размещается в оптическом резонаторе состоящего из двух параллельно размещенных высококачественных зеркал, которые размещены по обе стороны активного вещества. Излученные кванты, попадая внутрь и неоднократно отражаясь от зеркал, множество раз перерезают активное вещество, вызывая тем самым возникновение аналогичных квантов посредством излучения атомов, где электроны находятся на дальних орбитах. Активная среда может быть из разных материалов, любого агрегатного состояния и выбор ее определяется от того, какие характеристики требуются от лазера. Именно от активной среды зависят основные характеристики лазеров – мощность и диапазон.

Эффект лазера (лазерная генерация) может возникнуть только в том случае, когда число атомов в возбужденном состоянии превышает число атомов в состоянии спокойствия. Среду с такими характеристиками, можно подготовить, накачав ее дополнительной энергией из определенного внешнего источника. Эта операция так и называется – накачка. Именно от способа накачки и различаются лазеры по типам. Накачка может осуществляться при воздействии электромагнитного излучения, электрического тока, электрического разряда, пучка релятивистских электронов, а также химической реакции. Вид используемой энергии зависит от того, какая именно применяется активная (рабочая) среда.

Исходя из всего выше написанного, можно определить три основные части конструкции, которые имеет в своем составе любой лазер:

1) Активная рабочая среда

2) Источник энергии или система накачки

3) Устройство для усиления излучаемого света - система зеркал (оптический резонатор)

Основные виды лазеров

Газовые лазеры (СО2)

Использование газа в лазере в качестве активной среды, имеет очень важное качество – это высокая оптическая однородность, то есть луч света в газе рассеивается и искажается в наименьшей степени. Лазер на основе газа характеризуется высокой направленностью и монохроматичностью излучения, а также может работать в непрерывном режиме. Намного повысить мощность газового лазера можно при использовании разных методов возбуждения и увеличения давление газа. Поэтому данные лазеры наиболее часто используются там, где необходима очень высокая направленность и монохроматичность луча. Самый первый газовый лазер был создан в 1960 году на основе смеси гелия и неона, который по сей день остается наиболее распространённым. После этого было создано, и еще в процессе создания, множество самых разных газовых лазеров, где используются квантовые переходы нейтральных ионов, атомов и молекул в различных диапазонах спектра светового луча (от ультрафиолетового до инфракрасного, и даже рентгеновского излучения)

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры работают в видимом и инфракрасном диапазонах. Имеют ряд уникальных характеристик, которые делают их особо ценными в практике. Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются высоким, почти 100% КПД перехода электрической энергии в когерентное (вынужденное) излучение; малой степенью инерционности; могут работать в непрерывном режиме; имеют достаточно простую конструкцию; обладают возможностью перестройки длины волны излучения, а также большое количество полупроводников, которые могут беспрерывно перекрывать волны в диапазоне 0.32 – 32 мкм.

Но полупроводниковые лазеры имеют и свои недостатки – слабая направленность излучения, которая связана с их небольшим размером; сложности при получении высокой монохроматичности излучения, что обусловлено большой шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.

Полупроводниковые лазеры используются тогда, когда не особо важна когерентность и направленность волновых процессов, но нужны малые размеры и высокий КПД лазера.

Жидкостные лазеры.

В жидкостных лазерах активной средой является жидкость. Важной характеристикой данного лазера есть возможность получения большой энергии и мощности излучения при импульсном и непрерывном режимах работы, применяя циркуляцию используемой жидкости для ее охлаждения. Первые жидкостные лазеры работали на растворах редкоземельных хелатов – в практике сейчас не используются из-за малой излучаемой энергии и недостаточной химической стойкости.

На данный момент особо распространены жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях или на растворах органических красителей.

Жидкостные лазеры на неорганических активных жидкостях характеризуются большой импульсной энергией при значительной средней мощности и излучением с узким спектром частот.

Жидкостные лазеры, работающие на растворах органических красителей, могут работать в широком диапазоне излучения. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют осуществить жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в диапазоне порядка несколько сотен. Перекрыть весь видимый спектр излучения, и даже часть инфракрасного участка можно, всего лишь, заменив краситель. Для накачки активной среды в данном жидкостном лазере используются, чаще всего, твердотельные лазеры. Некоторые красители могут накачиваться при воздействии на них особых импульсных газосветных ламп, с более короткими интенсивными вспышками белого цвета, чем в обычных импульсных лампах.

Твердотельные лазеры.

На сегодняшний день создано много разных твердотельных лазеров, которые могут работать и в импульсном и в непрерывном режиме излучения.

Чаще всего встречаются лазеры на рубине и неодимовом стекле, которые являются одними из самых мощных импульсных лазеров.

Неодимовый лазер может иметь довольно большой (диной до 100 см и диаметром 4-5 см) и оптически однородный стержень, который может дать импульс генерации энергии 1000 Дж за время ~ 10-3 сек. Работают неодимовые лазеры на длине волны ℓ = 1,06 мкм. Лазер на рубине может выдать полную энергию импульса генерации в сотни Дж при длительности импульса 10-3 сек. Обладает возможностью реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения -до нескольких КГц.

Твердотельным лазером непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате с примесями различных редкоземельных атомов. Одним из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров является лазер, в котором матрицей служит иттрий-алюминиевый гранат, а активатором - ионы неодима. Лазер имеет сравнительно низкий порог возбуждения и высокую теплопроводность, что позволяет реализовать генерацию при большой частоте следования импульсов, а также генерацию в непрерывном режиме, КПД лазера сравнительно высок. Большая часть твердотельных лазеров непрерывного действия работают в диапазоне волн длиной ℓ от 1 до 3 мкм. Мощность непрерывной генерации современных лазеров на АИГ: Nd (лазер на иттриево-алюминиевом гранате с неодимом) достигает 0,5 – 2,0 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов 1 -3 %.

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.

Лазеры давно вошли в нашу жизнь повседневную жизнь. С одной стороны, почти у каждого дома или на работе есть лазерный принтер, к которому все привыкли. С другой – лезерные мечи все так же будоражат воображение тех, кто первый раз (да и не первый тоже) смотрит Звездные Войны. В данной статье мы на элементарном уровне разберем, что такое лазер, а также рассмотрим физические основы работы этого хитрого понятия.

Что такое лазер?

Интересный факт: знаете ли Вы, что до появления лазеров были мазеры?

Мазер – квантовый генератор, излучающий когерентные микроволны (волны сантиметрового диапазона)

Мазер – это аббревиатура, от английского m icrowave a mplification by s timulated e mission of r adiation, что в переводе означает "усиление микроволн с помощью вынужденного излучения". Мазер был изобретен в 1950-х годах, на несколько лет раньше лазера.

Мазеры и лазеры работают по одному и тому же принципу. Отличие состоит в том, что мазеры усиливают волны разного диапазона. Мазер – это усиление микроволн, а лазер – усиление света, то есть волн видимого диапазона.

Лазер (от ight a mplification by s timulated e mission of r adiation - «усиление света посредством вынужденного излучения») – устройство, которое преобразует энергию накачки в энергию монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Среди всех этих умных слов для понимания принципа работы лазера нужно выделить два – «вынужденного излучения» . Это именно то, что лежит в основе работы лазера.

Именно явление вынужденного излучения лежит в основе работы лазера. В чем суть?

Вынужденное излучение

Мы знаем, что атом может находиться в разных энергетических состояниях. В самом простом случае состояний всего два – основное и возбужденное. Электроны вращаются вокруг ядра атома по орбитам, которые соответствуют определенным энергиям. При определенных условиях электрон может как бы перескакивать с одной орбиты на другую и обратно. Т.е. электроны, вращающиеся вокруг ядра, могут переходить с одного энергетического уровня на другой. Причем если электрон переходит с более высокого энергетического уровня на нижний, выделяется энергия. Для перехода с нижнего уровня на верхний или наоборот, энергию электрону нужно сообщить.

А теперь представим, что у нас есть атом в возбужденном состоянии, и на него налетает фотон с энергией, равной разности энергий уровней атома. В таком случае наш атом испустит точно такой же фотон, а электрон с высшего уровня энергии перейдет на более низкий. Это и есть вынужденное излучение. Различают также спонтанное излучение, когда возбужденный атом самопроизвольно испускает фотон.

Как это явление работает в лазерах?

Представим себе самый простой лазер, состоящий из системы накачки, рабочей среды и оптического резонатора. Система накачки необходима, чтобы сообщить рабочей среде энергию, которая будет преобразована в энергию излучения, и создать инверсию населенностей энергетических уровней. Например, если рабочим телом нашего лазера являются атомы с всего двумя энергетическими состояниями, то для работы лазера необходимо, чтобы возбужденные атомы превышали по количеству невозбужденные. Инверсия населенностей - основа того, чтобы генерация излучения в лазере могла начаться. вы можете в обзорной статье наших авторов.

Рабочим телом лазера могут быть как твердые тела, так и жидкости с газами. Физическая суть работы всех этих приборов остается одной и той же. Кстати, первый в мире лазер был рубиновым, т.е. имел в качестве рабочего тела кристалл рубина.

Когда инверсия населенностей достигнута, возбужденные атомы рабочей среды начинают излучать фотоны (спонтанное излучение). Чтобы процесс не «угас», необходимо обеспечить обратную связь. В простейшем случае роль оптического резонатора играют два зеркала, одно из которых пропускает часть фотонов (полупрозрачно), а второе – отражает. Таким образом, определенная часть испущенных фотонов остается в рабочем пространстве, индуцируя излучение все новых и новых атомов, от чего процесс начинает развиваться лавинообразно и лазер светит.

Надеемся, Вы стали чуточку эрудированнее после прочтения этой статьи. Если у Вас есть более глубинные и фундаментальные вопросы по теме «лазеры», помните – среди есть люди, готовые в любой момент ответить на них.

Удачи, и да прибудет с Вами сила!