Сегодня мне хочется рассказать об устройстве и принципе работы лазерного принтера . Все знакомы с этим устройством, но мало кто знает о принципе его работы и причинах его неисправностей. В этой статье я постараюсь наглядно рассказать о принципе работе «лазерников», а в последующих статьях о неисправностях лазерных принтеров , о причине их появления, и о способе их устранения.

Устройство лазерного принтера

В основе работы любого современного лазерного принтера лежит фотоэлектрический принцип ксерографии . Исходя из этого метода все лазерные принтера конструктивно состоят из трех основных частей (узлов):

- Блока лазерного санирования.

- Узел переноса изображения.

- Узел закрепления изображения.

Под узлом переноса изображения обычно понимают картридж лазерного принтера и ролик переноса заряда (Transfer roller ) в самом принтере. Об устройстве картриджа «лазерников» мы поговорим позже более детально, а в этой статье рассмотрим только принцип работы. Необходимо также отметить, что вместо лазерного сканирования в некоторых принтерах (в основном компании «ОК І» ) применяется светодиодное сканирование. Функции она выполняет т е же, только роль лазера выполняют светодиоды.

Для примера рассмотрим лазерный принтер НР LaserJet 1200 (рис 1.). Модель довольно удачную и хорошо зарекомендовавшую себя большим сроком службы, удобством и надежностью.

Мы печатаем, на каком-либо материале (в основном бумага), и за отправку в «жерло» принтера отвечает - узел подачи бумаги. Как правило, он делится на два типа конструктивно отличающиеся от друга. Механизм подачи из нижнего лотка , называется - Tray 1, а механизм подачи из верхнего (обходного) - Tray 2. Несмотря на конструктивные отличия в своем составе они имеют (см. рис. 3):

- Ролик захвата бумаги - нужен для затягивания бумаги в принтер,

- Блока тормозной площадки и сепаратора , необходимого для разделения и захвата только одного листа бумаги.

Непосредственно в формировании изображения участвуют картридж принтера (рис. 4) и блок лазерного сканирования .

Картридж для лазерных принтеров состоит из трех основных элементов (см. рис. 4):

Фотоцилиндра,

Вала предварительного заряда,

Магнитного вала.

Фотоцилиндр

Фотоцилиндр (ОРС - organic photoconductive drum ), или также фотобарабан , представляет собой алюминиевый вал с нанесенным на него тонким слоем фоточуствительного материала, который дополнительно покрыт защитным слоем. Раньше фотоцилиндры делали на основе селена, поэтому их еще называли селеновыми валами , сейчас их делают на основе фоточуствительных органических соединений, но их старое название по прежнему широко используется.

Основное свойство фотоцилиндра – изменять проводимость под действием света. Что это значит? Если фотоцилиндру придать какой либо заряд, то он будет оставаться заряженным довольно долгое время, однако если его поверхность засветить, то в местах засвети проводимость фото покрытия резко увеличивается (уменьшается сопротивление), заряд «стекает» с поверхности фотоцилиндра через проводящий внутренний слой ив этом месте появится нейтрально заряженная область.

Рис. 2 Лазерный принтер НР 1200 со снятой облицовкой.

Цифрами обозначены: 1 - Картридж; 2 - Узел переноса изображения; 3 - Узел закрепления изображения (печка).

Рис. 3 Узел подачи бумаги Tray 2 , вид с тыльной сторон ы.

1 - Ролик захвата бумаги; 2 - Тормозящая площадка (голубая полоска) с сепаратором (на фотографии не виден); 3 - Ролик переноса заряда (transfer roller ), передающий бумаге статический заряд.

Рис. 4 Картридж лазерного принтера в разобранном состоянии.

1- Фотоцилиндр; 2- Вал предварительного заряда; 3- Магнитный вал.

Процесс наложения изображения.

Фотоцилиндр с помощью вала предварительного заряда (PCR ) получает начальный заряд (положительный или отрицательный). Сама величина заряда определяется настройками печати принтера. После того как фотоцилиндр зарядился, луч лазера проходит по поверхности вращающегося фотоцилиндра, и места засвети фотоцилиндра становится нейтрально заряженными. Эти нейтральные области соответствуют требуемому изображению.

Блок лазерного сканирования состоит:

Полупроводникового лазера с фокусирующей линзой,
- Вращающегося зеркала на моторе,
- Группы формирующих линз,
- Зеркала.

Рис. 5 Блок лазерного сканирования со снятой крышкой.

1,2 - Полупроводниковый лазер с фокусирующей линзой ; 3- Вращающееся зеркало ; 4- Группа формирующих линз ; 5- Зеркало.

Барабан имеет непосредственный контакт магнитным вало м (Magnetic roller ), который подает тонер из бункера картриджа на фотоцилиндр.

Магнитный вал представляет собой пустотелый цилиндр с токопроводящим покрытием, внутрь которого вставлен стержень из постоянного магнита. Тонер находящийся в бункере в бункере притягивается к магнитному валу под действием магнитного поля сердечника и дополнительно подаваемого заряда, величина которого также определяется установками печати принтера. Это определяет плотность будущей печати. С магнитного вала под действием электростатики тонер переносится на сформированное лазером изображение на поверхности фотоцилиндра, т. к. он имеет начальный заряд он притягивается к нейтральным областям фотоцилиндра и отталкивается от одинаково заряженных. Это и есть нужное нам изображение.

Здесь стоит отметить два основных механизма создания изображения. В большинстве принтеров (НР, Canon , Xerox ) применяется тонер с положительным зарядом, остающийся только на нейтральных поверхностях фотоцилиндра, то есть лазер засвечивает только те участки, где должно быть изображение. Фото цилиндр в этом случаи заряжается отрицательно. Вторым механизмом (применяется в принтерах Epson , Kyocera , Brother ) является использование отрицательно заряженного тюнера, и лазер разряжает участки фотоцилиндра на которых не должно быть тонера. Фотоцилиндр изначально получает положительный заряд и тонер заряженный отрицательно, притягивается к положительно заряженным участкам фотоцилиндра. Таким образом в первом случаи получается более тонкая передача деталей, а во втором более плотная и равномерная заливка. Зная эти особенности можно точнее выбрать принтер для решения своих задачь (печать текста или печать скетчей).

Перед контактом с фотоцилиндром бумага также получает статический заряд (положительный или отрицательный), с помощью ролика переноса заряда (Transfer roller ). Под действием этого статического заряда тонер во время контакта переходит с фото цилиндра на бумагу. Сразу после этого нейтрализатор статического заряда удаляет этот заряд с бумаги, что устраняет притягивание бумаги к фотоцилиндру.

Тонер

Теперь нужно казать пару слов о тонере. Тонер представляет собой мелко дисперсный порошок, состоящий из полимерных шариков покрытых слоем магнитного материала. В состав цветного тюнера также входят красящие вещества. Каждая фирма в своих моделях принтеров, МФУ и копиров использует оригинальные тонера, отличающиеся дисперсностью, магнит н остью и физическими свойствами. Поэтому не в коем случаи нельзя заправлять картриджи случайными тонерами, иначе можно очень быстро загубить принтер или МФУ (проверено опытом).

Если после прохода бумаги через блок лазерного сканирования извлечь бумагу из принтера мы увидим уже сформировавшееся изображение, которое можно легко разрушить прикосновением.

Узел фиксации изображения или «печка»

Для того что бы изображение стало долговечным его нужно зафиксировать . Фиксация изображения происходит с помощью входящих в состав тонера добавок, имеющих определенную температуру плавления. За фиксацию изображения отвечает третий основной элемент лазерного принтера (рис. 6) - узел фиксации изображения или «печка» . С физической точки зрения фиксация осуществляется за счет вдавливания в структуру бумаги расплавленного тонера и последующего его застывания, что придает изображению долговечность и хорошую стойкость к внешним воздействиям.

Рис. 6 Узел фиксации изображения или печка. Вверху вид в сборе, внизу со снятой планкой бумагоотделителя.

1 - Термопленка; 2 - Прижимной вал; 3 - Планка отделителя бумаги.

Рис. 7 Нагревательный элемент и термопленка.

Конструктивно «печка» - может состоять из двух валов: верхнего, внутри которого находится нагревательный элемент и нижнего вала, необходимого для вдавливания расплавленного тонера в бумагу. В рассматриваемом принтере НР 1200 «печка» состоит из термопленки (рис. 7) - специального гибкого, термостойкого материала, внутри которой находится нагревательный элемент, и нижнего прижимного ролика, который прижимает бумагу за счет подпорной пружины. За температурой термопленки следит термодатчик (термистор). Проходя между термопленкой и прижимным валиком, в местах контакта с термопленкой бумага разогревается приблизительно до 200° C ˚ . При такой температуре тонер расплавляется и в жидком виде вдавливается в текстуру бумаги. Что бы бумага не прилипала к термопленке на выходе из печки стоят отделители бумаги.

Вот собственно мы и рассмотрели – «как устроен принтер» . Эти знания помогут нам в дальнейшем для выяснения причин поломок и их устранения. Но не в коем случаи не стоит самому лезть в принтер если вы не уверены что сможете его починить, этим вы только сделаете хуже. Лучше не экономить, а доверить это дело профессионалам, ведь покупка нового принтера вам обойдется значительно дороже.

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.

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.

Современные принтеры в большинстве своем по технологии работы подразделяются на лазерные и струйные. Причем, благодаря прогрессу, вторые постепенно покидают рынок «бытовой оргтехники», оставаясь специализированной. В офисах, домах и даже некоторых центрах печати чаще всего можно встретить именно лазерные принтеры.

В бытовом использовании главное отличие струйных принтеров от лазерных заключается в первую очередь в высокой экономичности последних. Расход чернил практически минимален - одного картриджа хватает на несколько тысяч листов с достаточно большой плотностью закрашивания. Кроме того, лазерные принтеры работают очень быстро и не требуют специального сервисного ухода.

Вопреки распространенному мнению, лазерные принтеры не «выжигают» символы на бумаге. Для нанесения изображения используется специальный тонер. Именно он прилипает к бумажному листу, оставляя символы или картинки. К слову, из-за данной особенности технологии цветные лазерные принтеры практически не встречаются, в отличие от монохромных (черно-белых).

Основные функциональные узлы лазерного принтера

Конструкция любого лазерного принтера независимо от конкретной модели, производителя и возможностей включает в себя несколько основных функциональных узлов:

• барабан. Именно на него наносится тонер посредством электростатического притяжения и отталкивания согласно закону Кулона;
• ракель. Он предназначен для очистки барабана от остатков тонера перед нанесением нового;
• коронатор. Это устройство предназначено для электростатической зарядки барабана;
• лазер и система зеркал. Будучи источником когерентного электромагнитного излучения, он точечно разряжает барабан;
• магнитный вал. На нем закрепляется тонер для последующего переноса на поверхность барабана;
• печка. Она предназначена для запекания тонера, оставшегося на бумаге. Поэтому листы, вышедшие из лазерного принтера, имеют достаточно высокую температуру;
• модель управления (контроллер) - микропроцессорная система, управляющая всем этим оборудованием.

И цветные, и монохромные лазерные принтеры имеют в своей основе именно эти функциональные узлы. Меняется только система и возможности. Например, в цветных лазерных принтерах установлено четыре барабана - для каждого из фундаментальных цветов (красный, желтый, синий и черный) - и так называемая лента переноса, которая предназначена для передачи изображения, сформированного соответствующими тонерами, на бумагу.

Принцип действия лазерного принтера

Принцип действия лазерного принтера в сокращенном описании довольно прост. Полное же отличается от одной модели к другой, однако некоторые фундаментальные элементы присутствуют в каждом случае:

1. Производится очистка барабана. Ракельный нож убирает с его поверхности прилипший, но не использованный в предыдущем цикле печати тонер;
2. Коронатор производит зарядку поверхности барабана. На ней возникают или положительные ионы, или увеличивается количество отрицательных электронов. Это предназначено для возникновения кулоновских сил.
3. Лазер, управляющийся поворотным зеркалом, частично разряжает поверхность барабана. Тонер сам по себе отрицательно или положительно заряжен. Поэтому он отталкивается от заряженных участков площади барабана и притягивается к разряженным. Опять же, это обусловлено действием кулоновских сил.
4. С поверхности магнитного вала на барабан переносится порошковый тонер.
5. С поверхности барабана прилепившийся к нему тонер переносится на бумажный лист.
6. Бумага отправляется в «печь», состоящую чаще всего из нагревательного элемента в виде галогеновой лампы и прижимного ролика. Тонер закрепляется за счет расплавления под действием высокой температуры и благодаря давлению со стороны закрепленного на пружине вала.

Если в цветных лазерных принтерах установлено 4 отдельных барабана и столько же магнитных валов, однако тонер наносится не на саму бумагу непосредственно, а на ленту переноса. Все четыре оттенка сначала наносятся именно на неё. Затем лента переноса прокатывается по бумаге, и разноцветное изображение оказывается на листе. Затем тонер запекается и закрепляется.

Фундаментальные нетехнологические различия между лазерными и струйными принтерами

Лазерные принтеры в последнее время более популярны, чем струйные. Если абстрагироваться от технологических различий, то они обладают следующими преимуществами:

• экономичность. Картриджа лазерного принтера хватает на несколько тысяч листов бумаги с высоким заполнением.
• возможность заправки. Картриджи лазерного принтера можно дозаправлять тонером при необходимости без риска нарушения их функциональности. Проводить данную операцию можно даже самостоятельно, но стоит быть осторожным, поскольку красящий пигмент отрицательно или положительно заряжен и под действием кулоновских сил быстро прилипает к коже, одежде и другим поверхностям. Картриджи струйного принтера в большинстве случаев заправлять нельзя, поскольку это приводит к нарушению их герметичности. Для некоторых моделей техники такого типа можно использовать системы непрерывной подачи чернил, однако это рассматривается как самовольная модификация и приводит к расторжению гарантийного соглашения.
• высокая скорость работы. Большинство моделей лазерных принтеров способно печатать до 10 страниц с текстом в минуту. Некоторые работают даже быстрее.
• отсутствие необходимости в еженедельной печати. Тонер, использующийся в лазерных принтерах, не высыхает и не слипается. Поэтому периодически «прогонять печать», чтобы предотвратить забивание головки, не нужно. Собственно, никакой головки в лазерных принтерах и нет.
• долговечность отпечатков. Изображения и текст на бумаге, полученные с использованием такой оргтехники, не выцветают и не исчезают со временем под действием высокой влажности воздуха.
• высокое разрешение изображения. Цветные лазерные принтеры обеспечивают разрешение при печати до 9600 Х 1200 точек на дюйм.

Впрочем, у них также есть некоторые недостатки по сравнению со струйными принтерами:

• дороговизна. В среднем лазерный принтер в комплектации «с завода» - то есть с неполными картриджами - стоит в несколько раз больше, чем аналогичный струйный. Для монохромных это 2-3-кратное увеличение цены, для цветных - 10-кратное и выше.
• дороговизна картриджей и тонера. Расходные материалы для лазерных принтеров стоят в 2-3 раза больше, чем для струйных. Однако стоит учесть, что их лимит использования также в 2-3 раза выше.
• громоздкость. Лазерные принтеры обычно в несколько раз больше, чем струйные. Это также объясняется сложностью конструкции. Как следствие, они требуют отдельного места для установки.
• необходимость прогрева перед работой и риск перегрева после продолжительного печатания. Несмотря на то, что в конструкцию «печки» входит специальный термоэлемент, не позволяющий температуре достигнуть критической отметки, в некоторых случаях он может выходить из строя или работать неадекватно. После этого наблюдается перегрев устройства с риском появления системных проблем.
• малая экологичность. При работе такие устройства выделяют в воздух некоторые вредные соединения, пыль, а также эмитируют инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.
• высокая ресурсоемкость. Вследствие наличия «прожорливых» по отношению к току элементов лазерные принтеры потребляют больше электричества. Более того, пиковая мощность может быть настолько высока, что такая оргтехника не будет работать от бытовых или офисных ИБП.
• невозможность стабильного повторения полноцветовых изображений вследствие бесконтрольного действия электромагнитных полей.

Таким образом, лазерные принтеры обладают как достоинствами, так и недостатками по сравнению со струйными. Однако в некоторых сценариях использования они проявляют себя как значительно более оптимальные или полезные, чем аналоги.

Лазеры

Квантовые генератор, излучающие в диапазоне видимого и инфракрасного излучения, получили название лазеров. Слово «лазер» является аббревиатурой выражения: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает усиление света в результате индуцированного или, как иногда называют, вынужденного излучения квантов.

Устройство лазера

Обобщенный лазер состоит из лазерной активной среды, системы «накачки» - источника напряжения и оптического резонатора.

Система накачки передает энергию атомам или молекулам лазерной среды, давая им возможность перейти в возбужденное «метастабильное состояние» создавая инверсию населенности.

· При оптической накачке используются фотоны, обеспечиваемые источником, таким как ксеноновая газонаполненная импульсная лампа или другой лазер, для передачи энергии лазерному веществу. Оптический источник должен обеспечивать фотоны, которые соответствуют допустимым уровням перехода в лазерном веществе.

· Накачка при помощи столкновений основана на передаче энергии лазерному веществу в результате столкновения с атомами (или молекулами) лазерного вещества. При этом также должна быть обеспечена энергия, соответствующая допустимым переходам. Обычно это выполняется при помощи электрического разряда в чистом газе или в смеси газов в трубке.

· Химические системы накачки используют энергию связи, высвобождаемую в результате химических реакций для перехода лазерного вещества в метастабильное состояние.

Оптический резонатор требуется для обеспечения нужного усилия в лазере и для отбора фотонов, которые перемещаются в нужном направлении. Когда первый атом или молекула в метастабильном состоянии инверсной населенности разряжается, за счет вынужденного излучения, он инициирует разряд других атомов или молекул, находящихся в метастабильном состоянии. Если фотоны перемещаются в направлении стенок лазерного вещества, обычно представляющего собой стержень или трубу, они теряются, а процесс усиления прерывается. Хотя они могут отразиться от стенок стержня или трубы, но рано или поздно они потеряются из системы, и не будут способствовать созданию луча.

С другой стороны, если один из разрушенных атомов или молекул высвободит фотон, параллельный оси лазерного вещества, он может инициировать выделение другого фотона, и они оба отразятся зеркалом на конце генерирующего стержня или трубы. Затем, отраженные фотоны проходят обратно через вещество, инициируя дальнейшее излучение в точности по тому же пути, которое снова отразится зеркалами на концах лазерного вещества. Пока этот процесс усиления продолжается, часть усиления всегда будет выходить через частично отражающее зеркало. По мере того, как коэффициент усиления или прирост этого процесса превысит потери из резонатора, начинается лазерная генерация. Таким образом, формируется узкий концентрированный луч когерентного света. Зеркала в лазерном оптическом резонаторе должны быть точно настроены для того, чтобы световые лучи были параллельны оси. Сам оптический резонатор, т.е. вещество среды, не должен сильно поглощать световую энергию.

Лазерная среда (генерирующий материал) – обычно лазеры обозначаются по типу используемого лазерного вещества. Существуют четыре таких типа:

Твердое вещество,

Краситель,

Полупроводник.

Твердотельные лазеры используют лазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Твердотельные лазеры занимают уникальное место в развитии лазеров. Первой рабочей лазерной средой был кристалл розового рубина (сапфировый кристалл, легированный хромом); с тех пор термин «твердотельный лазер» обычно используется для описания лазера, у которого активной средой является кристалл, легированный примесями ионов. Твердотельные лазеры – это большие, простые в обслуживании устройства, способные генерировать энергию высокой мощности. Наиболее замечательной стороной твердотельных лазеров является то, что выходная мощность обычно не постоянна, а состоит из большого числа отдельных пиков мощности.

Одним из примеров является Неодим – YAG лазер. Термин YAG является сокращением для кристалла: алюмоиттриевый гранат, который служит как носитель для ионов неодима. Этот лазер излучает инфракрасный луч с длиной волны 1 064 микрометра. Кроме того, могут использоваться и другие элементы для легирования,например эрбий (лазеры Er:YAG).

В газовых лазерах используется газ или смесь газов в трубе. В большинстве газовых лазеров используется смесь гелия и неона (HeNe), с первичным выходным сигналом в 6 328 нм (нм = 10-9 метра)видимого красного цвета. Впервые такой лазер был разработан в 1961 году и стал предвестником целого семейства газовых лазеров.

Все газовые лазеры довольно схожи по конструкции и свойствам. Например, СО2 газовый лазер излучает длину волны 10,6 микрометров в дальней инфракрасной области спектра. Аргоновый и криптоновый газовые лазеры работают с кратной частотой, излучая преимущественно в видимой части спектра. Основные длины волн излучения аргонового лазера – это 488 и 514 нм.

В лазерах на красителе используется лазерная среда, являющаяся сложным органическим красителем в жидком растворе или суспензии.

Наиболее значительная особенность этих лазеров – их «приспособляемость». Правильный выбор красителя и его концентрации позволяет генерировать лазерный свет в широком диапазоне длин волн в видимом спектре или около него. В лазерах на красителе обычно применяется система оптического возбуждения, хотя в некоторых типах таких лазеров используется возбуждение при помощи химических реакций.

Полупроводниковые (диодные) лазеры – состоят из двух слоев полупроводникового материала, сложенных вместе. Лазерный диод является диодом, излучающим свет, с оптической емкостью для усиления излучаемого света от люфта в стержне полупроводника, как показано на рисунке. Их можно настроить, меняя прикладываемый ток, температуру или магнитное поле.

Различные временные режимы работы лазера определяются частотой, с которой поступает энергия.

Лазеры с непрерывным излучением (Continuous wave, CW) работают с постоянной средней мощностью луча.

У одноимпульсных лазеров длительность импульса обычно составляет от нескольких сотен микросекунд до нескольких миллисекунд. Этот режим работы обычно называется длинноимпульсным или нормальным режимом.

Одноимпульсные лазеры с модуляцией добротности являютсярезультатом внутрирезонаторногозапаздывания (ячейка модуляциидобротности), которое позволяетлазерной среде сохранять максимум потенциальной энергии. Затем, примаксимально благоприятных условиях, происходит излучение одиночныхимпульсов, обычно с промежутком времени в 10-8 секунд. Эти импульсы обладают высокой пиковой мощностью, часто в диапазоне от 106 до 109 Ватт.

Импульсные лазеры периодического действия или сканирующие лазеры работают в принципе также как и импульсные лазеры, но с фиксированной (или переменной) частотой импульсов, которая может изменяться от нескольких импульсов в секунду до такого большого значения как 20 000 импульсов в секунду.

Принцип действия лазера

Физической основой работы лазера служит 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.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.)

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное - через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.