По принципу своей работы лазер достаточно схож с ранее созданным мазером*, отсюда и его альтернативное название – оптический мазер. Для обоих устройств характерно излучение избыточной энергии атомов, находящихся в возбужденном состоянии посредством внешнего воздействия.
Что есть свет? Это особая форма материи. Он состоит из своего рода сгустков, которые называются квантами. Любое вещество состоит из атомов; атомы вещества, излучая или поглощая свет, испускают или, соответственно, поглощают цельные кванты. Длина волны (следовательно – цвет) излучения определяется энергией его кванта. При отсутствии каких-либо дополнительных условий атомы вещества с долями квантов не взаимодействуют. Атомы, одинаковые по своей природе, излучают или поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Наглядным примером может служить газоразрядная лампа, например, однородно заполненная неоном. Излучающий квант света атом расходует энергию; напротив, поглощая квант, он приобретает излишнюю энергию. Поскольку энергия переносится порциями и от атома, и к нему, то он способен пребывать только в одном состоянии: в основном, для которого свойственна минимальная энергия, или в одном из возбужденных. Если атом пребывает в основном состоянии, то после поглощения кванта света он переходит в состояние возбуждения. А, соответственно, при излучении кванта – все наоборот. Таким образом, чем большее количество квантов вблизи атомов, тем больше число атомов, совершающих переходы с повышением или же с понижением энергии. Само присутствие света вынуждает атомы принимать участие в энергетических переходах. Отсюда и название подобных процессов – вынужденное поглощение и вынужденное излучение. В процессе вынужденного поглощения количество квантов снижается и, как следствие, интенсивность света тоже снижается. Некоторое количество атомов, попав в освещение, начинает вынужденно излучать суммарно большее количество энергии, чем вынужденно поглощает. Так возникает лазерный эффект, то есть усиление света посредством вынужденного излучения данного множества атомов.
Лазерная генерация способна возникнуть лишь в том множестве микрочастиц, где число возбужденных атомов выше, чем находящихся в основном состоянии. Отсюда следует сделать вывод, что это множество следует сначала подготовить, предварительно накачав в него энергию, черпаемую от внешнего источника. Данная операция носит именно это название – накачка.
Главное различие всех типов лазера именно в способе накачки. Накачкой могут служить: электромагнитное излучение с длиной волны, отличающейся от лазерной; электрический ток; пучок релятивистских (чрезвычайно быстрых) электронов; электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде.
* Мазер (англ. maser) — квантовый генератор, излучающий когерентные радиоволны длиной около сантиметра. Его название — сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification stimulated by emission of radiation) - было дано в 1954году его создателями: советскими учёными А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым, а также американцами Ч. Таунсом, Д. Гордоном и Х. Цейгером. Изначально, после изобретения, считалось, что мазер — чисто человеческое творение, однако позже астрономы обнаружили, что некоторые из далёких галактик работают как исполинские мазеры. В огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, возникают условия для генерации, а источником накачки служит космическое излучение. Мазеры используются в технике (вчастности, в космической связи), в физических исследованиях, а такжекак квантовые стандарты частоты.
Неоспоримым достоинством газов как активной среды лазера является высокая оптическая однородность. Поэтому для тех научных и технических применений, для которых необходимы максимально высокая направленность и монохроматичность излучения, газовые лазеры представляют самый больший интерес. После первого газового лазера, основой которого была смесь гелия и неона (1960), было создано большое количество разнообразных газовых лазеров. В них использовались квантовые переходы нейтральных атомов, молекул и ионов, имеющих частоты в широком диапазоне: от ультрафиолетовой до далёкой инфракрасной частей спектра. Среди лазеров непрерывного действия видимой и ближней инфракрасной областей спектра наибольшее распространение получил гелио-неоновый лазер. Этот лазер представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку, заполненную смесью Не и Ne .
В излучении газового лазера наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность газового лазера. С помощью газового лазера возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, а также диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений.
Среди лазеров, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах, полупроводниковые лазеры занимают особое место по ряду своих характеристик. Полупроводниковые инжекционные лазеры имеют очень высокий КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение, который практически равен 100%. Они способны работать в непрерывном режиме. Другими особенностями полупроводниковых лазеров, имеющими практическую значимость, являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (30—50%); малая степень инерционности, которая обусловливает широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 ГГц); простая конструкция; также – возможность перестройки длины волны излучения и наличие значительного количества полупроводников, которые непрерывно перекрывают интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.
Общим недостатком всех полупроводниковых лазеров является сравнительно невысокая направленность излучения, связанная с их малыми размерами, и трудность получения высокой монохроматичности, что связано со значительной шириной спектра спонтанного излучения на рабочих рекомбинационных переходах.
Полупроводниковые лазеры наиболее эффективны в том случае, когда требования к когерентности и направленности не велики, однако необходимы малые габариты и высокий КПД.
Полупроводниковые лазеры превосходят лазеры всех остальных типов плотностью энергии излучения и величиной КПД. Важное качество полупроводниковых лазеров заключается в возможности перестройки частоты излучения и управления световым пучком.
Жидкостный лазер
Лазер, активным веществом которого является жидкость. Среди преимуществ жидкостных лазеров можно выделить возможность реализации циркуляции жидкости с целью её охлаждения. Это позволяет получить большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах.
В первых жидкостных лазерах использовались растворы редкоземельных хелатов. Они пока не нашли применения малого количества достижимой энергии и недостаточной химической стойкости хелатов. Жидкостные лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, обладают большими импульсными энергиями при значительной средней мощности. При этом жидкостные лазеры генерируют излучение с узким спектром частот.
Интересными особенностями обладают жидкостные лазеры, которые работают на растворах органических красителей. Широкие спектральные линии люминесценции органических красителей позволяют работать жидкостному лазеру с непрерывной перестройкой длин волн излучения в широком диапазоне. Путем замены красителей, есть возможность обеспечения перекрытия всего видимого и части инфракрасного участков спектра. В жидкостных лазерах на красителях в качестве источника накачки обычно используются твердотельные лазеры. Для некоторых красителей можно использовать накачку от специальных импульсных газосветных ламп, дающих более короткие интенсивные вспышки белого света, чем обычные импульсные лампы (менее 50 мксек ).
Твердотельные лазеры
Существует множество твердотельных лазеров, обладающих как импульсным, так и непрерывным излучением. Наиболее распространены среди импульсных твердотельных лазеров – лазер на рубине и неодимовом стекле. Неодимовый лазер работает на длине волны ℓ = 1,06 мкм. Изготовляют также сравнительно большие и достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром 4 - 5 см . Один такой стержень способен дать импульс генерации с энергией 1000 Дж за время ~ 10-3 сек .
Лазеры на рубине, наряду с лазерами на неодимовом стекле, являются наиболее мощными импульсными лазерами. Полная энергия импульса генерации достигает сотен Дж при длительности импульса 10-3 сек. Также возможно реализовать режим генерации импульсов с большой частотой повторения (до нескольких КГц).
Примером твердотельных лазеров непрерывного действия являются лазеры на флюорите кальция CaF2 с примесью диспрозия Dy и лазера на иттриево-алюминиевом гранате с примесями различных редкоземельных атомов. Большинство таких лазеров работает в области длин волн ℓ от 1 до 3 мкм . Типичное значение мощности генерации твердотельного лазера в непрерывном режиме ~ 1 Вт или долей Вт , для лазера на иттриево-алюминиевом гранате ~ десятков Вт. Если не создать специальных условий, то спектр генерации твердотельных лазеров сравнительно широк, так как обычно реализуется многомодовый режим генерации. Однако введением в оптический резонатор селектирующих элементов удаётся получать и одномодовую генерацию, что обычно связано со значительным уменьшением генерируемой мощности. Существуют определенные трудности в процессе выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов однородного и прозрачного стекла.
Слово "лазер" или «laser» является аббревиатурой от “light amplification by stimulated emission of radiation.” На русском: - «усиление света посредством вынужденного излучения», или оптический квантовый генератор. Первый лазер, в котором в качестве резонатора применили покрытый серебром рубиновый цилиндр, был разработан в 1960 году «Hughes Research Laboratories», Калифорния. .Сегодня лазеры используются для различных целей, начиная от измерения различных величин до чтения кодированных данных. Существует несколько способов сделать лазер, в зависимости от вашего бюджета и навыков.
Часть 1
Понимание того, как работает лазерДля работы лазера необходим источник энергии. Лазеры работают путем возбуждения электронов активной среды лазера внешним источником энергии и стимулирования их к излучению света определенной длины волны. Этот процесс был впервые предложен в 1917 году Альбертом Эйнштейном. Для того чтобы электроны (в атомах активной среды лазера) излучали свет, они должны сначала поглотить энергию перейдя на более высокую орбиту, а затем отдать эту энергию в виде частицы света при возвращении на исходную орбиту. Такой способ ввода энергии в активную среду лазера, называют "накачкой".”
Канальное прохождение энергии через активную (усиливающую) среду. Усиливающая среда или активная лазерная среда увеличивает силу света за счет индуцированного (вынужденного) излучения выделяемого электронами. Усиливающей средой может быть любая структура или вещество из перечисленных ниже:
Установка зеркал для удерживания света внутри лазера. Зеркала, или резонаторы, удерживают свет в пределах рабочей камеры лазера, пока не накопится желаемый уровень энергии для излучения через маленькое отверстие в одном из зеркал или через линзу.
Применение фокусирующей линзы для направления света через усиливающую среду. Наряду с зеркалами, линза помогает сконцентрировать и направить свет так, что бы усилительная среда получит как можно больше света.
Часть 2
Построение ЛазераПокупка. Можно купить в магазине электроники или купить через интернет "лазерный комплект", "лазерный набор", "лазерный модуль» или «лазерный диод". Лазерный комплект должен включать в себя следующее:
Сборка схемы драйвера. Многие лазерные наборы продаются с несобранным драйвером. Эти наборы включают в себя печатную плату и соответствующие детали, а вам предстоит спаять их, следуя прилагаемой схеме. Некоторые наборы могут иметь драйвер в собранном виде.
Подключите блок управления к лазерному диоду. Если у вас есть цифровой мультиметр, вы сможете включить его в цепь диода для контроля тока. Большинство лазерных диодов имеют ток находящийся в диапазоне от 30 до 250 миллиампер (мА). Диапазон тока от 100 до 150 мА даст достаточно мощный луч.
Подключите источник питания или аккумулятор к схеме драйвера. Лазерный диод должен ярко светиться.
Вращая линзу сфокусируйте лазерный луч. Направьте его на стену и фокусируйте, пока не появится хорошая, яркая точка.
Возьмите старый DVD или Blu-Ray пишущий плеер или привод. Выбирайте устройства со скоростью записи 16x или быстрее. Эти устройства имеют лазерные диоды с выходной мощностью 150мВт или больше.
Извлечение лазерного диода из привода. Переверните привод нижней частью вверх. Вы увидите винты, которые придется открутить, прежде чем вы сможете отделить механизм привода и вытянуть диод.
Приготовьте фокусирующую линзу. Вам придется пропустить луч от диода через фокусирующую линзу, чтобы использовать его в качестве лазера. Вы можете сделать это одним из двух способов:
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:
В настоящее время различают следующие виды лазерных устройств:
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.
Лазеры используют везде: от кабинета стоматолога до научно-фантастических фильмов. Но как они работают? Почему лазерные указки настолько отличаются от обычного фонарика? Почему из лазера можно создать сокрушительное оружие? И почему лазерные мечи еще не так опасны, как их стальные собратья? Поговорим о природе лазера и будем надеется, что после прочтения ты станешь .
Лазеры - это такого рода обыденность, которой до сих пор удивляешься. Их используют каждый день в стоматологии, тату-салонах, печати и при воспроизведении CD-проигрывателей (помнишь их?). Но они также всплывают , поражая нас видом лазерных мечей или лазерных бластеров. Мы постоянно ожидаем от них чего-то нового. Надеемся, что появится новый тип оружия и все будут такие: «пиу-пиу-пиу!». Но что мы действительно знаем о лазерах? Считается, что лазер - это такая форма света. Но ведь это не совсем так. Он обладает свойствами монохроматичности и когерентности, которые позволяют использовать технологию лазера в уникальнейших случаях. Обычные лампочки и фонарики заметно проигрывают лазерам на этом поле брани.
Строение атома
Чтобы понять, как работают лазеры, мы должны сначала взглянуть на атом. Всё, с чем ты взаимодействуешь: стул, на котором сидишь, воздух, которым дышишь, даже наши тела - всё состоит из маленьких частиц, называемых атомами. Если посмотреть на периодическую таблицу элементов, то мы увидим около ста различных видов атомов, которые существуют сегодня. Различные материалы состоят из разных комбинаций этих элементов.
Каждый атом содержит ядро (которое состоит из протонов и нейтронов) и набор электронов, которые постоянно находятся в движении по орбите ядра. Атомы имеют постоянную энергию, которая не нуждается в подзарядке со стороны. Электроны, которые находятся ближе к ядру, могут подвергнуться стимулированию, что приведет к «возбужденному» состоянию атома (звучит как эротика 70-х, ).
Благодаря квантовой механике мы знаем, что такой атом не может путешествовать в дискретные, четко определенные орбиты. Но если взять энергию в виде света или тепла, то он легко может трансформироваться в более высокое энергетическое состояние. Когда все эти перевозбужденные электроны решат отдохнуть, то они могут воссоединиться со своими соседями в нижних энергетических уровнях атома, чтобы выделить энергию в виде фотонов и лучей света. Разница между начальной и конечной орбитой электронов определяет высвобождающуюся энергию фотона, которая, в свою очередь, определит длину волны и цвет излучаемого света.
Что такое лазер и как он работает?
Если ты не сидел на последней парте на уроках физики, то должен помнить, что слово «лазер» является акронимом, который расшифровывается как: «усиление света посредством вынужденного излучения». Ключевое слово в этой расшифровке - «вынужденного». Это отличает лазеры от более простых форм света. Когда ты включаешь обычный фонарик, то свет проходил по случайным траекториям во всех направлениях, в результате чего он рассеивается и становится относительно слабым. А теперь возьмем лазер, свет которого «вынужденный» и «согласованный» - фотоны двигаются в унисон и в одном направлении. В итоге мы получаем более узкий, но более интенсивный луч света.
Но как заставить фотоны соблюдать такие строгие правила?
Давай вернемся к нашей картине атома. Когда электрон переходит из возбужденного энергетического состояния в состояние покоя, выпущенный фотон имеет определенное количество энергии. Энергия фотона равна разнице энергии основного и возбужденного состояния атома. Если недавно выпущенный фотон сталкивается с другим электроном, который находится в таком же возбужденном энергетическом состоянии, то он (электрон) приобретает свойство фотона - его энергию (цвет) и фазу (относительное положение).
Если у тебя есть достаточное количество электронов, которые находятся в возбужденном состоянии, то первый фотон может запустить цепную реакцию стимулированного излучения. Если фотонов будет больше, то электроны начнут двигаться обратно в свои привычные энергетические состояния, чем выпустят на свободу новые фотоны, которые, в свою очередь, стимулируют выбросить ещё больше фотонов. В итоге этот излучаемый свет будет иметь постоянную энергию и постоянную длину волны. Свет такой волны называется монохроматическим.
То есть цепная реакция фотонов - это и есть то, на чем работают лазеры. Причем накачка электронами происходит с помощью мощной вспышки света или электрического импульса. Как только первые фотоны выпускаются наружу, лазеры, благодаря двум зеркалам, отражают эти фотоны, что стимулирует движение света туда и обратно через рабочее тело. В общем, в лазере происходит настоящая оргия фотонов.
Лазерные опорные звезды
Целенаправленный характер лазеров делает их идеальными инструментами для резки, когда нужны точные, прямые линии. Это требование часто вступает в игру, когда речь идет о человеческом теле, будь то срез роговицы для улучшения зрения, удаление татуировки или корректировка сколотого зуба.
Однако самое крутое использование лазера мы наблюдаем в астрономии. Когда астрономы смотрят на далекий объект, например, на звезду через телескопы, то свет, который мы видим, искажается, проходя через неспокойную атмосферу Земли. Порой данные настолько трудно расшифровать, что невозможно определить является ли искажение свойством звезды или это просто эффект от просмотра через земную атмосферу.
Одним из способов обойти эту проблему является методика адаптивной оптики: астрономы наблюдают за объектом изучения, и в то же время отмечают очень яркий объект, как правило, ближайшую к нам звезду. Поскольку ученые уже знают, что можно ожидать от объекта сравнения, они смотрят на изображение, которое они на самом деле видят, исключая все атмосферные погрешности. Полученная атмосферная модель затем используется для адаптации оптики телескопа в режиме реального времени, чтобы компенсировать влияние атмосферы при наблюдении цели.
Но в этом методе есть большая проблема. Не всегда под рукой хороший и яркий объект сравнения. Когда на небе нет ничего подходящего, то астрономы создают свою собственную «звезду» с помощью лазерного луча, запущенного прямо в небо. То есть, сегодня ученые могут создать лазерную опорную звезду в любом месте, где это необходимо. Просто вообрази себе это - гораздо круче любого светового меча, разве нет?
По материалам доктора Сабрины Стирвольт
Страница 2 из 2
В статье рассматривается принцип действия и устройство современных лазерных принтеров . Она открывает серию статей , посвященных принципам и проблемам лазерной платы .
Изображение, получаемое с помощью современных лазерных принтеров (а также матричных и струйных), состоит из точек (dots). Чем меньше эти точки и чем чаще они расположены, тем выше качество изображения. Максимальное количество точек, которые принтер может раздельно напечатать на отрезке в 1 дюйм (25,4 мм), называется разрешением и характеризуется в точках на дюйм , при этом разрешение может быть 1200 dpi и более. Качество текста, напечатанного на лазерном принтере с разрешением 300 dpi, примерно соответствует типографскому. Однако если страница содержит рисунки, содержащие градации серого цвета, то для получения качественного гра-фического изображения потребуется разрешение не ниже 600 dpi. При разрешающей способности принтера 1200 dpi отпечаток получается почти фо-тографического качества. Если необходимо печатать большое количество документов (например, более 40 листов в день), лазерный принтер пред-ставляется единственным разумным выбором, поскольку для современных персональных лазерных принтеров стандартными параметрами являются разрешение 600 dpi и скорость печати 8...1 2 страниц в минуту.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРНОГО ПРИНТЕРА
Впервые лазерный принтер был представлен фирмой Hewlett Packard. В нем был использован электрографический принцип создания изображений - такой же, как в копировальных аппаратах. Различие состояло в способе экспонирования: в копировальных аппаратах оно происходит с помощью лампы, а в лазерных принтерах свет лампы заменил луч лазера.
Сердцем лазерного принтера является фотопроводящий цилиндр (Organic Photo Conductor), который часто называют печатающим фотобарабаном или просто барабаном. С его помощью производится перенос изображения на бумагу. Фотобарабан представляет собой металлический цилиндр, покрытый тонкой пленкой фоточувствительного полупроводника. Поверхность такого цилиндра можно снабдить положительным или отрицательным зарядом, который сохраняется до тех пор, пока барабан не освещен. Если какую-либо часть барабана экспонировать, покрытие приобретает проводимость, и заряд стекает с освещенного участка, образуя незаряженную зону. Это - ключевой момент в понимании принципа работы лазерного принтера.
Другой важнейшей частью принтера является лазер и оптико-механическая система зеркал и линз, перемещающая луч лазера по поверхности барабана. Малогабаритный лазер генерирует очень тонкий световой луч. Отражаясь от вращающихся зеркал (обычно четырехгранной или шестигранной формы), этот луч засвечивает поверхность фотобарабана, снимая ее заряд в точке экспонирования.
Для получения точечного изображения лазер включается и выключается при помощи управляющего микроконтроллера. Вращающееся зеркало разворачивает луч в виде строки скрытого изображения на поверхности фотобарабана.
После формирования строки специальный шаговый двигатель поворачивает барабан для формирования следующей. Это смещение соответствует раз-решающей способности принтера по вертикали и обычно составляет 1/300 или 1/600 дюйма. Процесс образования скрытого изображения на барабане напоминает формирование растра на экране телевизионного монитора.
Используются два основных способа предварительного (первичного) заряда поверхности фотоцилиндра:
Ø при помощи тонкой проволоки или сетки, называемой «коронирующим проводом». Высокое напряжение, подаваемое на провод, приводит к воз-никновению светящейся ионизированной области вокруг него, которая называется короной, и придает барабану необходимый статический заряд;
Ø при помощи предварительно заряженного резинового вала (PCR).
Итак, на барабане сформировано невидимое изображение в виде статически разряженных точек. Что же дальше?
УСТРОЙСТВО КАРТРИДЖА
Перед тем как рассказать о процессе передачи и закрепления изображения на бумаге, рассмотрим устройство картриджа для принтера Laser Jet 5L фирмы Hewlett Packard. В этом типичном картридже можно выделить два основных отделения: отделение для отработанного тонера и тонерный отсек.
Основные конструктивные элементы отделения для отработанного тонера:
1 - Фотобарабан (Organic Photo Conductor (OPC) Drum). Представляет собой алюминиевый цилиндр, покрытый органическим светочувствительным и фотопроводящим материалом (обычно оксидом цинка), который способен сохранять образ, наносимый лазерным лучом;
2 - Вал первичного заряда (Primary Charge Roller (PCR)). Обеспечивает равномерный отрицательный заряд барабана. Выполнен из токопроводящей ре-зиновой или поролоновой основы, нанесенной на металлический вал;
3 - « Вайпер » , ракель , чистящее лезвие (Wiper Blade, Cleaning Blade). Очищает барабан от остатков тонера, который не был перенесен на бумагу. Конструктивно выполнен в виде металлического каркаса (stamping) с полиуретановой пластиной (blade) на конце;
4 - Лезвие очистки (Recovery Blade ). Перекрывает область между барабаном и бункером для отработанного тонера. Recovery Blade пропускает тонер, оставшийся на барабане, внутрь бункера и не дает ему высыпаться в обратном направлении (из бункера на бумагу).
Основные конструктивные элементы тонерного отсека:
1 - Магнитный вал (Magnetic Developer Roller, Mag Roller, Developer Roller). Представляет собой металлическую трубку, внутри которой находится не-подвижный магнитный сердечник. К магнитному валу притягивается тонер, который перед подачей на барабан приобретает отрицательный заряд под дей-ствием постоянного или переменного напряжения;
2 - « Доктор » (Doctor Blade, Metering Blade). Обеспечивает равномерное распределение тонкого слоя тонера на магнитном вале. Конструктивно выполнен в виде металлического каркаса (stamping) с гибкой пластиной (blade) на конце;
3 - Уплотнительное лезвие магнитного вала (Mag Roller Sealing Blade ). Тонкая пластина, аналогичная по функциям Recovery Blade. Перекрывает область между магнитным валом и отсеком подачи тонера. Mag Roller Sealing Blade пропускает тонер, оставшийся на магнитном вале, внутрь отсека, предотвращая утечку тонера в обратном направлении;
4 - Бункер для тонера (Toner Reservoir ). Внутри него находится «рабочий» тонер, который будет перенесен на бумагу в процессе печати. Кроме того, в бункер встроен активатор тонера (Toner Agitator Bar) -проволочная рамка, предназначенная для перемешивания тонера;
5 - Пломба , чека (Seal ). В новом (или регенерированном) картридже тонерный бункер запечатан специальной пломбой, которая предотвращает просыпание тонера при транспортировке картриджа. Перед началом эксплуатации эта пломба удаляется.
ПРИНЦИП ЛАЗЕРНОЙ ПЕЧАТИ
На рисунке изображен картридж в разрезе. Когда включается принтер, все компоненты картриджа приходят в движение: происходит подготовка картриджа к печати. Этот процесс аналогичен процессу печати, но лазерный луч не включается. Затем движение компонентов картриджа останавливается - принтер переходит в состояние готовности к печати .
После отправки документа на печать, в картридже лазерного принтера происходят следующие процессы:
Зарядка барабана . Вал первичного заряда (PCR) равномерно передает на поверхность вращающегося барабана отрицательный заряд.
Экспонирование . Отрицательно заряженная поверхность барабана экспонируется лазерным лучом только в тех местах, на которые будет нанесен тонер. Под действием света фоточувствительная поверхность барабана частично теряет отрицательный заряд. Таким образом, лазер экспонирует на барабан скрытое изображение в виде точек с ослабленным отрицательным зарядом.
Нанесение тонера . На этом этапе скрытое изображение на барабане при помощи тонера превращается в видимое изображение, которое будет перенесено на бумагу. Тонер, находящийся около магнитного вала, притягивается к его поверхности под действием поля постоянного магнита, из которого изготовлена сердцевина вала. При вращении магнитного вала тонер проходит сквозь узкую щель, образованную «доктором» и валом. В результате он приобретает отрицательный заряд и прилипает к тем участкам барабана, которые были экспонированы. «Доктор» обеспечивает равномерность нанесения тонера на магнитный вал.
Перенос тонера на бумагу . Продолжая вращаться, барабан с проявленным изображением соприкасается с бумагой. С обратной стороны бумага прижимается к валу Transfer Roller, несущему положительный заряд. В результате отрицательно заряженные частицы тонера притягиваются к бумаге, на которой получается изображение, «насыпанное» тонером.
Закрепление изображения . Лист бумаги с незакрепленным изображением перемещается к механизму закрепления, представляющему собой два со-прикасающихся вала, между которыми протягивается бумага. Нижний вал (Lower Pressure Roller) прижимает ее к верхнему валу (Upper Fuser Roller). Верхний вал нагрет, и при соприкосновении с ним частицы тонера расплавляются и закрепляются на бумаге.
Очистка барабана . Некоторое количество тонера не переносится на бумагу и остается на барабане, поэтому его необходимо очистить. Эту функцию выполняет «вайпер». Весь тонер, оставшийся на барабане, счищается вайпером в бункер для отработанного тонера. При этом Recovery Blade закрывает область между барабаном и бункером, не позволяя тонеру просыпаться на бумагу.
«Стирание» изображения . На этом этапе с поверхности барабана «стирается» скрытое изображение, нанесенное лазерным лучом. При помощи вала первичного заряда поверхность фотобарабана равномерно «покрывается» отрицательным зарядом, который восстанавливается в тех местах, где он был частично снят под действием света.
