Инверсию населенностей в лазерах создают разными способами. Чаще всего для этого используют облучение светом (оптическая накачка), электрический разряд, электрический ток, химические реакции.

Для того, чтобы от режима усиления перейти к режиму генерации света, в лазере, как и в любом генераторе, используют обратную связь. Обратная связь в лазере осуществляется с помощью оптического резонатора, который в простейшем случае представляет собой пару параллельных зеркал.

Принципиальная схема лазера показана на рис. 6. Она содержит активный элемент, резонатор, источник накачки.

Лазер работает следующим образом. Сначала источник накачки (например, мощная лампа - вспышка), воздействуя на рабочее вещество (активный элемент) лазера, создает в нем инверсию населенностей. Затем инвертированная среда начинает спонтанно испускать кванты света. Под действием спонтанного излучения начинается процесс вынужденного излучения света. Благодаря инверсии населенностей этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к экспоненциальному усилению света. Потоки света, идущие в боковых направлениях, быстро покидают активный элемент, не успевая набрать значительную энергию. В тоже время световая волна, распространяющаяся вдоль оси резонатора, многократно проходит через активный элемент, непрерывно набирая энергию. Благодаря частичному пропусканию света одним из зеркал резонатора излучение выводится наружу, образуя лазерный луч.

Рис.6. Принципиальная схема лазера. 1- активный элемент; 2- система накачки;

3- оптический резонатор; 4- генерируемое излучение.

§5. Устройство и работа гелий-неонового лазера

Рис.7. Принципиальная схема гелий - неонового лазера.

1). Лазер состоит из газоразрядной трубки Т длиной от нескольких десятков см. до 1,5-2м и внутренним диаметром 7-10мм. Трубка наполнена смесью гелия (давление~1мм рт.ст.) и неона (давление ~0,1мм рт. ст.). Концы трубки закрыты плоскопараллельными стеклянными или кварцевыми пластинками Р 1 и Р 2 , установленными под углом Брюстера к ее оси. Это создает линейную поляризацию лазерного излучения с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. Зеркала S 1 и S 2 , между которыми помещается трубка, делаются обычно сферическими с многослойными диэлектрическими покрытиями. Они имеют высокие коэффициенты отражения и практически не поглощают свет. Пропускаемость зеркала, через которое преимущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 2%, другого - менее 1%. Между электродами трубки прикладывается постоянное напряжение 1-2кВ. Катод К трубки может быть холодным, но для увеличения разрядного тока применяют также трубки с пустотелым цилиндрическим анодом, катод которых нагревается низковольтным источником тока. Разрядный ток в трубке составляет несколько десятков миллиампер. Лазер генерирует красный свет с длиной волны =632,8 нм и может генерировать также инфракрасное излучение с длинами волн 1,15 и 3,39 мкм (см. рис. 2). Но тогда необходимо иметь торцевые окна, прозрачные для инфракрасного света, и зеркала с высокими коэффициентами отражения в инфракрасной области.

2). В лазерах индуцированное излучение используется для генерации когерентных световых волн. Идея этого впервые была высказана в 1957 г. А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и независимо от них Ч. Таунсом. Чтобы активное вещество лазера превратить в генератор световых колебаний, надо осуществить обратную связь. Это означает, что часть излученного света должна все время возвращаться в зону активного вещества и вызвать вынужденное излучение все новых и новых атомов. Для этого активное вещество помещают между двумя зеркалами S 1 и S 2 (см. рис.7), которые являются элементами обратной связи. Луч света, претерпевая многократные отражения от зеркал S 1 и S 2 , будет проходить много раз через активное вещество, усиливаясь при этом в результате вынужденных переходов с высшего энергетического уровня " 3 на более низкий уровень  " 1 . Получается открытый резонатор, в котором зеркала обеспечивают многократное прохождение (и тем самым усиление) светового потока в активной среде. В реальном лазере часть света, чтобы ее можно было использовать, должна быть выпущена из активной среды наружу. С этой целью одной из зеркал, например S 2 , делается полупрозрачным.

Такой резонатор будет не только усиливать свет, но также коллимировать и монохроматизировать его. Для простоты предложим сначала, что зеркала S 1 и S 2 идеальны. Тогда лучи, параллельно оси цилиндра, будут проходить через активное вещество туда и обратно неограниченное число раз. Все же лучи, идущие наклонно, в конце концов, попадут на боковую стенку цилиндра, где они рассеются или выйдут наружу. Ясно поэтому, что максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра. Этим и объясняется коллимация лучей. Конечно, строго параллельные лучи получить нельзя. Этому препятствует дифракция света. Угол расхождения лучей принципиально не может быть меньше дифракционного предела  D , где D - ширина пучка. Однако, в лучших газовых лазерах такой предел практически достигнут.

Объясним теперь, как происходит монохроматизация света. Пусть Z - оптическая длина пути между зеркалами. Если 2 Z = m  , то есть на длине Z укладывается целое число полуволн m, то световая волна, выйдя от S 1 , после прохождения туда и обратно вернется к S 1 в той же фазе. Такая волна усилится при втором и всех следующих прохождениях через активное вещество в прямом и обратном направлениях. Ближайшая длина волны  , для которой должно происходить такое же усиление, найдется из условия 2 Z =(m  1)( ). Следовательно,  =  / m , то есть  , как и следовало ожидать совпадает со спектральной областью интерферометрам Фабри-Перо. Учтем теперь, что энергетические уровни " 3 и  " 1 и спектральные линии, возникающие при переходах между ними, не бесконечно тонкие, а имеют конечную ширину. Предположим, что ширина спектральной линии, излучаемой атомами, меньше дисперсной области прибора. Тогда из всех длин волн, излучаемых атомами, условию 2 Z = m  может удовлетворять только одна длина волны  . Такая волна усилится максимально. Это и ведет к сужению спектральных линий, генерируемых лазером, то есть к монохроматизации света.

Основные свойства пучка лазерного света:

монохроматичность;

пространственная и временная когерентность;

высокая интенсивность;

малая расходимость пучка.

Благодаря высокой когерентности гелий-неоновый лазер служит превосходным источником непрерывного монохроматического излучения для исследования всякого рода интерференционных и дифракционных явлений, осуществления которых с обычными источниками света требует применения специальной аппаратуры.

Наверно, сложно себе представить человека в нынешнем обществе, никогда не слышавшего о компьютерах и периферийной технике для них На сегодняшний день данные устройства стали практически незаменимыми в жизни современных потребителей. Одними из вспомогательных элементов для быстрой и удобной работы являются принтеры. Как правило, подобную технику можно встретить практически в каждом офисе, а вот для домашней эксплуатации ее приобретение встречается гораздо реже. Тем не менее, многие знают о существовании этих устройств, но далеко не все понимают принципы работы принтера.

Различают два основных типа печатающих устройств -- струйные и лазерные. лазерного принтера, естественно, не похожи на принцип действия так как и конструкция у них разная. На сегодняшний день потребители предпочитают выбирать модели с лазерной печатью, аргументируя это более высоким качеством. Конечно, такие модели имеют стоимость гораздо выше, но если есть постоянная необходимость в получении качественного изображения, то цена отходит на второй план.

Итак, в чем же заключаются принципы работы лазерного принтера? В первую очередь, следует отметить, что они основаны на особенностях конструкции необходимого изображения происходит по электрофотографической технологии. Она заключается в том, что каждая точка на листе располагается в конкретном месте на странице с помощью изменения на специальной пленке. Она, как правило, состоит из полупроводника, способного менять электропроводность под действием излучения. Такая же технология обычно применяется в ксероксах.

Какими бы ни были принципы работы лазерного принтера, ничего бы не получилось без вращающегося барабана, являющегося главным конструктивным элементом всего устройства, ведь именно с его помощью происходит перенесение изображения на лист бумаги. Он представляет собой некий цилиндр из металла, который покрыт той самой специальной полупроводниковой пленкой. Прежде всего, поверхность этого барабана заряжается положительными или отрицательными ионами.

Далее с помощью лазера создается тончайший световой луч, который перемещается по барабану, отражаясь от нескольких линз и зеркал. Попадающий на поверхность барабана точечный свет разряжает его в месте соприкосновения. Лазером, как правило, управляет микроконтроллер, включающий и выключающий его при необходимости. Обычно, формирование изображения на барабане происходит построчно. По окончанию составления картинки в одной строке, специальный двигатель, называемый также шаговым, слегка проворачивает барабан, чтобы появилась возможность дальнейшей работы лазера. Таким образом, на поверхности цилиндра появляется изображение, состоящее из заряженных точек. Эти точки чередуются с разряженными, расположенными в тех местах, где не должно быть изображения.

На следующем этапе принципы работы лазерного принтера подразумевают непосредственное нанесение изображения на лист бумаги. Перед этим на заряженные места на поверхности барабана налипает тонер, имеющий противоположный заряд. При этом барабан медленно вращается, чтобы краска распределялась равномерно. Продолжая вращаться, цилиндр с нанесенным на него тонером соприкасается с поверхностью бумаги, в результате чего краска переносится на лист.

Далее бумага должна пройти между двумя валами. Как правило, верхний вал имеет высокую температуру, а нижний вал прижимает лист к верхнему. Таким образом, частички краски нагреваются и закрепляются на поверхности бумаги. В последнюю очередь барабан очищается от остатков тонера специальным приспособлением, а затем на всю его поверхность вновь наносится заряд.

Здравствуйте дорогие читатели блога о компьютерных . Как Вы уже поняли из заголовка, данную статью я полностью посвятил такому устройству, как . Популярности этого способствует масса достоинств, которыми они обладают. Высокое разрешение, большая скорость печати, большой ресурс, экономичность – это те свойства, благодаря которым многие пользователи предпочитают лазерные принтеры другим устройствам печати.

Немного истории

Первый опытный образец лазерного принтера был изготовлен фирмой Xerox в 1971 году. Эта модель не попала в серийное производство. Только в 1977году был выпущен первый серийный лазерный принтер Xerox 9700 Electronic Printing System. Он мог печатать 120 страниц в минуту,но имел огромные размеры и вес и стоил на тот момент около 350 тыс. долларов.

Первой настольной моделью был лазерный принтер LDR-10 фирмы Canon. В 1984 году Canon и Hewlett-Packard в сотрудничестве выпустили модель HP LaserJet. Этот принтер печатал всего 8 страниц в минуту, но благодаря доступной цене и хорошему качеству печати, очень скоро стал лидером на рынке.

Следующими этапами было появление сменных картриджей и выпуск цветных лазерных принтеров.

В процессе развития и совершенствования моделей росли качество печати и производительность лазерных принтеров, а снижение стоимости сделали их доступными каждому. На сегодняшний день лазерные принтеры, наряду со струйными, самые популярные печатающие устройства в мире.

Устройство и принцип работы монохромного лазерного принтера

Информация из компьютера попадает в контроллер (1) , который преобразует полученный текст или изображение в матрицу точек, которые нужно нанести на бумагу.

Основным узлом устройства является фотобарабан (2) . Это цилиндрический вал с покрытием, способным изменять свою проводимость под воздействием света. Поверхность этого вала получает отрицательный заряд от зарядного валика (3) . Лазерный луч (4) отражается от подвижного зеркала (5) и попадает на фотобарабан. Проворачиваясь, зеркало перемещает отраженный луч вдоль барабана.

Контроллер управляет лазером, включая и выключая его в нужных местах, согласно сформированной матрице. Благодаря этому засвечиваются участки поверхности фотобарабана, на которые нужно нанести тонер для печати. Под воздействием света они теряют свой заряд.

Далее поверхность с засвеченными участками проходит мимо магнитного вала (девелопера)(6) . Он покрыт отрицательно заряженным тонером из бункера (7) . Тонер прилипает к разряженным участкам фотобарабана, формируя на нем зеркальное отображение печатного текста или картинки.

Продолжая вращение, поверхность фотовала с нанесенным на нее тонером соприкасается с бумагой, которая подается к нему через роликовый узел (8) из лотка (9) мимо вала переноса (10) . Вал переноса сообщает бумаге положительный заряд, благодаря которому тонер с фотобарабана переносится на подаваемый лист. Остатки тонера счищаются чистящим ножом (11) .

Последний этап в работе лазерного принтера – закрепление тонера на бумаге, путем запекания его в печке (12) , которая представляет собой два вала (нагревательный и прижимной), между которыми проходит лист. При прокатывании через печку тонер нагревается до температуры порядка 200 градусов цельсия, а затем быстро остывает, надежно фиксируясь на бумаге.

Цветная лазерная печать

Цветные лазерные принтеры работают аналогично, но для формирования цветного изображения понадобится четыре прохода бумаги через барабан (по одному проходу для каждого цвета). Альтернативными способами, используемыми в лазерных принтерах, являются формирование цветного изображения на ремне передачи перед переносом тонера на бумагу, либо использование четырех фотобарабанов.

В дополнение к вышесказанному, хочу предложить Вам видео о работе лазерного сканера от Discovery channel.

Лазер без преувеличения можно назвать одним из важнейших открытий XX века.

Что такое лазер

Говоря простыми словами, лазер - это устройство, создающее мощный узконаправленный пучок света. Название «лазер» (laser ) образовано путём сложения первых букв слов, составляющих английское выражение l ighta mplification bys timulatede mission ofr adiation , что означает «усиление света посредством вынужденного излучения». Лазер создаёт световые лучи такой силы, что они способны прожигать отверстия даже в очень прочных материалах, затрачивая на это лишь доли секунды.

Обычный свет рассевается от источника по разным направлениям. Чтобы собрать его в пучок, используют различные оптические линзы или вогнутые зеркала. И хотя таким световым лучом можно даже разжечь огонь, его энергию невозможно сравнить с энергией лазерного луча.

Принцип работы лазера

В физической основе работы лазера лежит явление вынужденного, или индуцированного, излучения . В чём же его суть? Какое излучение называют вынужденным?

В стабильном состоянии атом вещества имеют наименьшую энергию. Такое состояние считается основным , а все другие состояния - возбуждёнными . Если сравнить энергию этих состояний, то в возбуждённом состоянии она избыточна по сравнению с основным. При переходе атома из возбуждённого состояния в стабильное атом самопроизвольно испускает фотон. Такое электромагнитное излучение называется спонтанным излучением .

Если же переход из возбуждённого состояния в стабильное происходит принудительно под воздействием внешнего (индуцирующего) фотона, то образуется новый фотон, энергия которого равна разности энергий уровней перехода. Такое излучение называется вынужденным .

Новый фотон является «точной копией» фотона, вызвавшего излучение. Он имеет такую же энергию, частоту и фазу. При этом он не поглощается атомом. В результате фотонов становится уже два. Воздействуя на другие атомы, они вызывают дальнейшее появление новых фотонов.

Новый фотон излучается атомом под воздействием индуцирующего фотона, когда атом находится в возбуждённом состоянии. Атом, находящийся в невозбуждённом состоянии, просто поглотит индуцирующий фотон. Поэтому, чтобы свет усиливался, необходимо, чтобы возбуждённых атомов было больше, чем невозбуждённых. Такое состояние называется инверсией населённости .

Как устроен лазер

В конструкцию лазера входят 3 элемента:

1. Источник энергии, который называют механизмом «накачки» лазера.

2. Рабочее тело лазера.

3. Система зеркал, или оптический резонатор.

Источники энергии могут быть разными: электрические, тепловые, химические, световые и др. Их задача - «накачать» энергией рабочее тело лазера, чтобы вызвать в нём генерацию светового лазерного потока. Источник энергии называют механизмом «накачки» лазера . Им могут быть химическая реакция, другой лазер, импульсная лампа, электрический разрядник и др.

Рабочим телом , или лазерными материалами , называют вещества, выполняющие функции активной среды . Собственно в рабочем теле и зарождается лазерный луч. Как же это происходит?

В самом начале процесса рабочее тело находится в состоянии термодинамического равновесия, а большинство атомов - в нормальном состоянии. Для того чтобы вызвать излучение, необходимо подействовать на атомы, чтобы система перешла в состояние инверсии населённости . Эту задачу и выполняет механизм накачки лазера. Как только новый фотон появится в одном атоме, он запустит процесс образования фотонов в других атомах. Этот процесс вскоре станет лавинообразным. Все образующиеся фотоны будут иметь одинаковую частоту, а световые волны сформируют световой луч огромной мощности.

В качестве активных сред в лазерах используют твёрдые, жидкие, газообразные и плазменные вещества. Например, в первом лазере, созданном в 1960 г., активной средой был рубин.

Рабочее тело помещается в оптический резонатор . Самый простой из них состоит из двух параллельных зеркал, одно из которых полупрозрачное. Часть света оно отражает, а часть пропускает. Отражаясь от зеркал, пучок света возвращается обратно и усиливается. Это процесс повторяется многократно. На выходе из лазера образуется очень мощная световая волна. Зеркал в резонаторе может быть и больше.

Кроме того, в лазерах используют и другие устройства - зеркала, способные менять угол поворота, фильтры, модулятора и др. С их помощью можно изменять длину волны, длительность импульсов и других параметров.

Когда изобрели лазер

В 1964 г. русские физики Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадиевич Басов, а также американский физик Чарлз Хард Таунс стали лауреатами Нобелевской премии по физике, которая была присуждена им за открытие принципа работы квантового генератора на аммиаке (мазера), которое они сделали независимо друг от друга.

Александр Михайлович Прохоров

Николай Геннадиевич Басов

Нужно сказать, что мазер был создан за 10 лет до этого события, в 1954 г. Он излучал когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона и стал прообразом лазера.

Автор первого рабочего оптического лазера - американский физик Теодор Майман. 16 мая 1960 г. он впервые получил красный лазерный луч, вышедший из красного рубинового стержня. Длина волны этого излучения составляла 694 нанометра.

Теодор Майман

Современные лазеры имеют разные размеры, от микроскопических полупроводниковых, до громадных, размером с футбольное поле, неодимовых лазеров.

Применение лазеров

Без лазеров невозможно представить современную жизнь. Лазерные технологии применяются в самых разных отраслях: науке, технике, медицине.

В быту мы пользуемся лазерными принтерами. В магазинах применяются лазерные считыватели штрих-кодов.

С помощью лазерных лучей в промышленности возможно проводить обработку поверхностей с высочайшей точностью (резку, напыление, легирование и др.).

Лазер позволил измерить расстояние до космических объектов с точностью до сантиметров.

Появление лазеров в медицине изменило многое.

Трудно представить современную хирургию без лазерных скальпелей, которые обеспечивают высочайшую стерильность и разрезают ткани аккуратно. С их помощью проводят практически бескровные операции. С помощью лазерного луча очищают сосуды организма от холестериновых бляшек. Широко используется лазер в офтальмологии, где с его помощью делается коррекция зрения, лечатся отслоения сетчатки, катаракта и др. С его помощью дробят камни в почках. Незаменим он в нейрохирургии, ортопедии, стоматологии, косметологии и т.д.

В военном деле применяют лазерные системы локации и навигации.

Лазеры (или оптические квантовые генераторы) - это одно из самых замечательных и перспективных достижений науки и техники последних десятилетий, одно из «чудес» XX века. У оптических квантовых генераторов, несомненно, блестящее будущее, так как область их применения поистине безгранична: с помощью лазеров изучают плазму, ускоряют химические реакции, следят за движением искусственных спутников Земли, производят разнообразные научные исследования и многое, многое другое. Так, например, используя лазерное излучение было определено расстояние до Луны с точностью до 100 метров. Если обычная современная вычислительная машина может в секунду произвести несколько миллионов арифметических действий, то вычислительная машина с использованием луча ОКГ за ту же секунду может произвести несколько сотен или тысяч миллионов операций.

Все оптические квантовые генераторы состоят их внешнего источника накачки, активной лазерной среды, оптического резонатора. С помощью источника накачки внешняя энергия направляется к оптическому квантовому генератору. Активная лазерная среда, находящаяся внутри, в зависимости от конструкции может состоять из кристаллического тела (YAG-лазер), смеси газа (CO₂-лазер) или стекловолокна (волоконный лазер). При подаче энергии через систему накачки в активную лазерную среду выделяется энергия в форме излучения. Активная лазерная среда находится в так называемом «оптическом резонаторе» между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное. В резонаторе происходит усиление излучения активной лазерной среды, а в то же время часть излучения способна выходить из оптического резонатора через полупрозрачное зеркало. Таким образом собранное в пучок электромагнитное излучение оптического (светового) диапазона и представляет собой лазерное излучение.

Оптические квантовые генераторы подразделяются на основе множества признаков, но в основном используется следующая классификация:

• по режиму работы:
  • импульсные;
  • непрерывного действия;
• по виду активной среды:
  • жидкостные;
  • газовые;
  • твердотельные;
  • лазеры на свободных электронах;
• по способу возбуждения лазерного вещества (накачки):
  • газоразрядные (в разрядах на полых электродах, в дуговых, тлеющих разрядах);
  • газодинамические (с созданием инверсий населенностей путем расширения горячих газов);
  • диодные или инжекционные (возбуждение при прохождении тока в полупроводнике);
  • химические лазеры (возбуждение на основе химических реакций);
  • с оптической накачкой (с возбуждением при помощи лампы непрерывного горения, лампы-вспышки, светодиода или другого лазера);
  • с ядерной накачкой (возбуждение в результате ядерного взрыва или с помощью излучения из атомного реактора);
  • с электронно-лучевой накачкой (специальные типы полупроводниковых и газовых лазеров).

В настоящее время различают следующие виды лазерных устройств:

• твердотельные лазеры с твердым рабочим веществом (кристаллы искусственного рубина, неодимовые стекла, фтористый кальций, некоторые редкоземельные элементы и др.), обладающие большой мощностью излучения;
• газовые лазеры, в которых в качестве активного вещества используются различные инертные газы (гелий, неон, аргон и др.); они менее мощные по сравнению со твердотельными лазерами;
• полупроводниковые лазеры с использованием арсенида галлия и др., обладающие большим коэффициентом полезного действия и относительно большой удельной мощностью по сравнению с другими лазерами.

Применение лазеров

В настоящее время имеется много типов различных ОКГ, предназначенных для научных исследований, для использования в области техники и промышленности. Созданы оптические квантовые генераторы с различными специальными устройствами (приставками) в виде микроскопов, телевизоров и т. п. для биологических и медицинских целей. Сочетание с микроскопом («лазерный микроскоп») позволяет облучать не только отдельные клетки, но даже и различные образования, находящиеся в них, как например, ядра и другие. В зависимости от материала, служащего активным веществом, меняется интенсивность излучения и длина волны. Большинство лазеров, применяемых в настоящее время, работает в красном и инфракрасном диапазоне светового спектра.

Импульсные оптические квантовые генераторы, дающие кратковременные импульсы большой энергии, могут применяться в медицине, в основном, для одно- или многократного воздействия на различные патологические очаги, например, для «обстрела» опухолей и др. Менее мощные приборы непрерывного действия предназначаются по преимуществу для производства различных оперативных вмешательств. В первом случае лазерный луч можно образно назвать «световой пулей», поражающей избранную цель, а во втором - «световым ножом» (или «световым скальпелем»).

Нефокусированный лазерный луч обычно имеет ширину в 1-2 см, а с наведенным фокусом - от 1 до 0,01 мм и меньше. Благодаря этому возникла возможность концентрировать огромную световую энергию на площади в несколько микрон, то есть меньше поперечного сечения человеческого волоса, и достигать при этом очень высоких температур - до многих миллионов градусов! Именно благодаря такой способности концентрировать энергию на минимальной площади облучаемой поверхности лазеры и представляют огромный интерес для медицины. Интенсивность лазерного излучения определяется по величине энергии импульса, приходящейся на квадратный сантиметр, и выражается в джоулях (Дж/см²) или калориях, а для устройств непрерывного действии - в ваттах на см². Энергия каждой вспышки лазера может колебаться от долей джоуля до 1000 джоулей и более. Сфокусированный пучок мощного лазера буквально не знает преград. Достаточно сказать, что луч лазера способен «просверливать», плавить и обращать в пар сталь, вольфрам, алмаз, корунд и все другие известные человечеству материалы. В настоящее время мощность оптических квантовых генераторов достигла колоссальной величины. В течение импульса продолжительностью в несколько наносекунд (10-11 сек) она превосходит 10 миллионов киловатт! За последние годы сконструированы лазерные устройства, яркость излучения которых в миллион раз больше яркости солнца, а импульсная мощность превышает мощность крупных электростанций.