レーザープリンターはどのように動作するのでしょうか? ダミーのための物理学: レーザー操作の基礎

最新のプリンターは、その動作技術に基づいて主にレーザーとインクジェットに分類されます。さらに、進歩のおかげで、後者は専門分野を維持したまま、「家庭用事務機器」市場から徐々に離れつつあります。オフィス、家庭、さらには一部の印刷センターでも、レーザープリンターが最もよく使われています。

家庭用におけるインクジェットプリンタとレーザープリンタの主な違いは、主に後者の効率の高さです。インクの消費量はほとんど最小限で、インク濃度がかなり高い場合は 1 つのカートリッジで数千枚の印刷に十分です。さらに、レーザープリンタは非常に高速に動作するため、特別なメンテナンスは必要ありません。

一般に信じられていることに反して、レーザープリンタは文字を紙に「焼き付け」ません。画像の適用には特殊なトナーが使用されます。紙のシートにこだわり、記号や絵を残すのは彼です。ちなみに、この技術の特徴により、モノクロ（白黒）とは異なり、カラーレーザープリンターはほとんど存在しません。

レーザープリンターの主な機能コンポーネント

レーザープリンタの設計には、特定のモデル、メーカー、機能に関係なく、いくつかの主要な機能ユニットが含まれています。

ドラム。クーロンの法則に従って静電引力と反発力によってトナーが塗布されるのはこの上です。
スキージ。新しいトナーを適用する前に、ドラムに残っているトナーをクリーニングするように設計されています。
戴冠者この装置はドラムを静電気的に帯電させるように設計されています。
レーザーとミラーシステム。コヒーレント電磁放射の発生源であるため、ドラムを点状に放電します。
磁気シャフト。トナーはドラム上に固定され、その後ドラムの表面に転写されます。
ストーブ。紙に残ったトナーを焼き付ける仕組みになっています。したがって、レーザープリンターから排出されるシートはかなり高温になります。
制御モデル（コントローラー）- このすべての機器を制御するマイクロプロセッサシステム。

カラーレーザープリンターもモノクロレーザープリンターも、これらの機能ユニットに基づいています。システムと機能が変わるだけです。たとえば、カラーレーザープリンタには、基本色 (赤、黄、青、黒) ごとに 4 つのドラムと、対応するトナーによって形成された画像を紙に転写するように設計されたいわゆる転写リボンがあります。

レーザープリンターの動作原理

レーザープリンタの動作原理を簡単に説明しますと、非常に簡単です。完全なものはモデルごとに異なりますが、どの場合にもいくつかの基本的な要素が存在します。

ドラムは清掃中です。スキージブレードは、前回の印刷サイクルでは使用されずに付着したトナーを表面から除去します。
コロナ装置はドラムの表面を帯電させます。プラスイオンが現れるか、マイナス電子の数が増加します。これはクーロン力を発生させるためのものです。
レーザーは回転ミラーによって制御され、ドラムの表面を部分的に放電します。トナー自体はマイナスまたはプラスに帯電しています。したがって、ドラム領域の帯電領域からは反発され、放電領域に引き寄せられます。繰り返しますが、これはクーロン力の作用によるものです。
トナー粉は磁気ローラーの表面からドラムに転写されます。
ドラムに付着したトナーはドラム表面から用紙に転写されます。
紙は「オーブン」に送られます。オーブンは、ほとんどの場合、ハロゲンランプの形の発熱体と加圧ローラーで構成されています。トナーは高温の影響とバネに取り付けられたシャフトからの圧力により溶融して定着します。

ただし、カラーレーザープリンタに 4 つの独立したドラムと同数の磁気ローラーがある場合、トナーは紙自体に直接塗布されるのではなく、転写ベルトに塗布されます。最初に 4 つの色合いすべてが適用されます。次に、転写テープを紙の上に巻き付けると、最終的にマルチカラーの画像がシート上に印刷されます。次に、トナーは焼かれて硬化されます。

レーザープリンタとインクジェットプリンタの非技術的な基本的な違い

最近ではインクジェットプリンターよりもレーザープリンターの方が人気が高まっています。技術的な違いを抽象化すると、 これらには次のような利点があります。

効率。レーザープリンタカートリッジは、数千枚の高印刷用紙を処理できます。
給油の可能性。レーザープリンタカートリッジは、機能に影響を与えることなく、必要に応じてトナーを補充できます。この操作は自分で行うこともできますが、着色顔料はマイナスまたはプラスに帯電しており、クーロン力の影響で皮膚、衣服、その他の表面にすぐに付着してしまうため、注意が必要です。ほとんどの場合、インクジェットプリンタカートリッジはシールの違反につながるため、詰め替えることはできません。このタイプの機器の一部のモデルでは連続インクシステムを使用できますが、これは不正な改造とみなされ、保証契約が無効になります。
高速。ほとんどのレーザープリンタモデルは、1 分あたり最大 10 ページのテキストを印刷できます。一部はさらに高速です。
毎週印刷する必要はありません。レーザープリンターで使用されるトナーは、乾燥したり凝集したりしません。したがって、ヘッドの目詰まりを防ぐために定期的に「印刷を実行」する必要はありません。実はレーザープリンターにはヘッドがありません。
プリントの耐久性。このようなオフィス機器を使用して得られた紙上の画像やテキストは、高い空気湿度の影響下でも時間が経っても色褪せたり消えたりすることがありません。
高い画像解像度。カラーレーザープリンタは、最大 9600 X 1200 dpi の印刷解像度を提供します。

ただし、インクジェットプリンタと比較すると、次のような欠点もあります。

高いコスト。平均して、「工場から」供給される、つまり不完全なカートリッジを備えたレーザープリンタは、同様のインクジェットプリンタよりも数倍高価です。モノクロの場合、価格は2〜3倍、カラーの場合は10倍以上になります。
カートリッジとトナーのコストが高い。レーザープリンターの消耗品はインクジェットプリンターの2〜3倍の価格がかかります。ただし、使用制限も 2 ～ 3 倍高いことを考慮する価値があります。
嵩高さ。通常、レーザープリンタはインクジェットプリンタよりも数倍大きくなります。これも設計の複雑さによるものです。そのため、別途設置スペースが必要となります。
作業前のウォームアップの必要性と、長時間の印刷後の過熱の危険性があります。「ストーブ」の設計には、温度が臨界レベルに達しないようにする特別な熱電素子が含まれているという事実にもかかわらず、場合によっては故障したり、不適切に動作したりする可能性があります。この後、デバイスが過熱し、システムの問題が発生する危険があります。
環境性が低い。このような装置は動作中に、有害な化合物や粉塵を放出し、さらに赤外線や紫外線を空気中に放出します。
高いリソース集約度。レーザープリンターは電流を必要とする要素が存在するため、より多くの電力を消費します。さらに、ピーク電力が非常に高くなる可能性があるため、そのようなオフィス機器は家庭用またはオフィス用の UPS では動作しません。
フルカラー画像を安定して再現できない電磁場の制御不能な作用によるものです。

このように、レーザープリンタにはインクジェットプリンタと比較して長所と短所の両方があります。ただし、使用例によっては、類似のものよりもはるかに最適または有用であることが判明します。

レーザーは 20 世紀で最も印象的で有用な発明の 1 つであり、人類に膨大な数の新たな活動領域をもたらしました。

まず、レーザーとは何かを理解しましょう。

レーザービームは、コヒーレントで、単色で、偏光され、狭く指向された光束です。人間の言葉で言えば、これは次のことを意味します。

コヒーレント - つまり、すべての発生源からの放射線の周波数が同期しているものです (そして、光は原子から放出される電磁波であり、独自の周波数を持っていることを理解する必要があります)。
モノクロとは、狭い範囲の波長に集中していることを意味します。
偏光 - 電磁場の振動の方向ベクトルを持ちます (この振動自体は光波です)。

一言で言えば、これは同期光源からだけでなく、非常に狭い範囲と指向性で放射される光のビームです。一種の極度に集中した光束。

レーザー装置。

レーザーという非常に物理的な概念は、その作成方法を知らなければほとんど役に立ちません。このデバイスの基礎となるのは、電気、化学、熱、またはその他のエネルギーを使用してレーザービームを生成する光量子発生器です。そして彼は、強制放射線、または彼らが言うように、誘導放射線によってそれを生成します。つまり、光子（光の粒子）が落ちた原子がそれを吸収せず、最初の光子の正確なコピーである別の光子を放出するときです。（筋の通った）。したがって、光は増幅される。

レーザーは通常、次の 3 つの部分で構成されます。

エネルギー源またはポンプ機構。
作動流体;
ミラーシステムまたは光共振器。

これらの各部分の役割は次のとおりです。

エネルギー源、名前から明らかなように、デバイスの動作に必要なエネルギーを供給します。レーザーは、作動流体として正確に何が使用されるかに応じて、さまざまな種類のエネルギーを使用します。このような初期エネルギーは、とりわけ、別の光源、放電、化学反応などになる可能性があります。ここで、光はエネルギーの伝達であり、光子は粒子、つまり光の量子であるだけでなく、エネルギーの粒子でもあることに言及する必要があります。

作動流体– これはレーザーの最も重要なコンポーネントです。それはまさに、コヒーレントな光子を放出する原子が存在する物体です。コヒーレント光子の放出プロセスが発生するために、作動体はエネルギーポンピングを受けます。これにより、大まかに言えば、作動体を構成する原子のほとんどが励起エネルギー状態に移行します。共通点。この状態では、光子が原子を通過すると、そのエネルギーが原子のこれら 2 つの状態の差に対応して、逆基底非励起状態への遷移が起こります。したがって、励起された原子は、基底状態に遷移すると、その正確なコピーを「それを通過する」光子に追加します。

出力や射程など、レーザーの最も重要な特性をすべて決定するのは作動流体です。作動流体の選択は、このレーザーから得たいものによって決まる考慮事項に基づいて行われます。

それに応じて、ここには多くのオプションがあります。あらゆる状態の凝集 (気体、固体、液体、さらにはプラズマ)、あらゆる種類の材料、半導体も使用されます (たとえば、CD ドライブ)。

光共振器- これは作動流体の周囲に配置された通常のミラーシステムです。作動流体は全方向に光を放射するため、それを 1 つの細いビームに集める必要があります。光共振器はこの目的に役立ちます。

レーザーは、特定の場合にこの技術を適用する方法を理解するための十分な工学的思考がある限り、どこでも使用されます。医療、産業、日常生活、軍事、さらには情報伝達の分野でも、それらは場所を持っています。

レーザープリンターインクジェットプリンターよりも高画質を実現します。レーザープリンターを開発している最も有名な企業は、Hewlett-Packard と Lexmark です。

レーザープリンタの動作原理は、1939 年に C.F. カールソンによって発明され、複写機にも実装されている乾式静電画像転写方法に基づいています。レーザープリンターの機能図を図に示します。 5.6. 主なデザイン要素は、 回転ドラム、画像を紙に転写するための中間媒体として機能します。

米。 5.6.レーザープリンターの機能図

ドラム光伝導性半導体の薄膜でコーティングされた円筒です。典型的には、酸化亜鉛またはセレンがそのような半導体として使用される。静電荷はドラムの表面全体に均一に分散されます。これは、コロナワイヤーまたはコロトロンと呼ばれる細いワイヤーまたはメッシュによって提供されます。このワイヤーに高電圧が印加されると、その周囲にコロナと呼ばれる輝くイオン化領域が現れます。

レーザ、マイクロコントローラーによって制御され、回転ミラーから反射される細い光ビームを生成します。画像は、テレビのキネスコープと同じ方法で、つまりラインとフレームに沿ってビームを移動させることによってスキャンされます。回転ミラーの助けを借りて、ビームはシリンダーに沿ってスライドし、その明るさが突然変化します：完全な明るい状態から完全な暗闇まで、シリンダーは同じ突然の方法で（点ごとに）充電されます。この光線がドラムに届いてドラムを変える電荷連絡先で。帯電領域のサイズは、レーザービームの焦点によって異なります。ビームはレンズを使用して集束されます。画像内に明確なエッジやコーナーが存在することは、焦点が適切に調整されていることの兆候です。一部のタイプのプリンタでは、帯電プロセス中にドラム表面の電位が 900 V から 200 V に低下します。そのため、画像の隠されたコピーが、中間媒体であるドラム上に静電レリーフの形で現れます。

次の段階では写植ドラムに塗布されます。 トナー- 最も小さな粒子であるペイント。静電荷の影響により、粒子はドラムの表面の露出点に容易に引き寄せられ、染料レリーフの形で画像を形成します。

紙ローラーシステムを使用して給紙トレイから引き出され、ドラムに移動されます。ドラムの直前で、コロトーンが紙に静電気を与えます。次に、紙はドラムと接触し、その帯電のおかげで、ドラムに以前に塗布されていたトナー粒子を引き付けます。

トナーを定着させるために、紙は約 180 ℃の温度で 2 つのローラーの間を通過します。印刷プロセスが完了すると、ドラムは完全に排出され、付着している余分な粒子が除去されて、新しい印刷プロセスが実行されます。レーザープリンターは ページごとにつまり、印刷用にページ全体を形成します。

レーザープリンタの動作プロセスは、コンピュータからコマンドを受け取った瞬間から印刷シートの出力まで、いくつかの相互接続された段階に分割でき、その間に中央プロセッサなどのプリンタの機能コンポーネントが関与します。スキャンプロセッサ。ミラーモーター制御基板。ビーム輝度増幅器。温度制御ユニット。シート送り制御ユニット。給紙制御ボード。インターフェースボード。パワーユニット。コントロールパネルのボタンと表示ボード。追加の RAM 拡張カード。基本的に、レーザープリンタはコンピュータのように機能します。同じ中央処理装置が主要な相互接続と制御機能を収容します。データとフォントが配置される RAM、プリンターと他のデバイスとの通信を行うインターフェースボードとコントロールパネルボード、情報を紙に出力する印刷ユニット。

今日は、について話したいと思います レーザープリンターの装置と動作原理。この装置は誰もがよく知っていますが、その動作原理と誤動作の理由について知っている人はほとんどいません。この記事では、「レーザープリンター」の動作原理を明確に説明し、その後の記事ではレーザープリンターの誤動作、その発生理由、およびそれらの解決方法について説明します。

レーザープリンター装置

最新のレーザープリンタの動作は光電に基づいています。原理ゼログラフィー。この方法に基づいて、すべてのレーザープリンタは構造的に 3 つの主要部品 (アセンブリ) で構成されています。

- レーザー衛生ユニット。

- 画像転送ユニット。

- 画像定着ユニット。

画像転写ユニットとは、通常、レーザープリンターカートリッジと電荷転写ローラー（移行ローラー) プリンター自体にあります。レーザーカートリッジの構造については後で詳しく説明しますが、この記事では動作原理のみを考慮します。また、一部のプリンターではレーザースキャンの代わりに（主にOK）І» ) LEDスキャンを使用します。機能を実行しますeただし、LED はレーザーの役割だけを果たします。

たとえば、次のように考えてみましょう レーザープリンター HP LaserJet 1200 (図 1)。このモデルは非常に成功しており、長い耐用年数、利便性、信頼性が証明されています。

私たちは何らかの素材 (主に紙) に印刷しますが、給紙ユニットはそれをプリンターの「口」に送る役割を果たします。原則として、構造が異なる2つのタイプに分類されます。 下トレイ送り機構、トレイ 1 と呼ばれます、そして 上から見た送り機構(バイパス) - トレイ 2。構成の設計上の違いにもかかわらず、次の特徴があります (図 3 を参照)。

- 用紙ピックアップローラー- 用紙をプリンターに引き込むために必要です。

- ブレーキパッドとセパレーターブロック紙を1枚だけ分離して取り出す必要があります。

画像形成に直接関与 プリンターカートリッジ(図4)および レーザースキャニングユニット.

レーザープリンタカートリッジは、次の 3 つの主要な要素で構成されます (図 4 を参照)。

フォトシリンダー、

プリチャージシャフト、

磁気シャフト。

フォトシリンダー

フォトシリンダー(ORS- オーガニック光導電性ドラム)、または 感光体は、感光性材料の薄い層でコーティングされたアルミニウムシャフトで、さらに保護層で覆われています。以前は、フォトシリンダーはセレンをベースに作られていたため、フォトシリンダーとも呼ばれていました。 セレンシャフト、現在は感光性有機化合物から作られていますが、古い名前がまだ広く使用されています。

主な物件 フォトシリンダー– 光の影響で導電率が変化します。それはどういう意味ですか？フォトシリンダーに電荷が与えられると、かなり長い間帯電したままになりますが、その表面が照射されると、照射された場所ではフォトコーティングの導電率が急激に増加し（抵抗が減少し）、電荷が減少します。フォトシリンダーの表面から導電性の内層を通って「流れ」、この場所に中性に帯電した領域が現れます。

米。 2 カバーを取り外した HP 1200 レーザープリンタ。

数字は次のことを示します。 1 - カートリッジ。 2 - 画像転送ユニット。 3 - 画像定着ユニット (ストーブ)。

米。 3 給紙ユニットトレイ 2 、後ろから見た図 s.

1 - 紙ピックアップローラー; 2 - セパレーター付きブレーキプラットフォーム (青いストライプ) (写真では見えません)。 3 - 電荷転写ローラー (移行ローラー)、送信紙には静電気が帯電しています。

米。 4 分解された状態のレーザープリンタカートリッジ。

1- フォトシリンダー; 2- プレチャージシャフト; 3- 磁気シャフト。

画像オーバーレイ処理。

プリチャージシャフトを使用したフォトシリンダ（PCR) は初期電荷 (正または負) を受け取ります。課金額自体はプリンターの印刷設定によって決まります。フォトシリンダーが帯電した後、レーザービームが回転するフォトシリンダーの表面を通過し、フォトシリンダーの照射領域が中性に帯電します。これらのニュートラル領域は、目的の画像に対応します。

レーザースキャニングユニットは次のもので構成されます。

集光レンズ付き半導体レーザー、
- モーター上の回転ミラー、
- 成形レンズのグループ、
- 鏡。

米。 5 カバーを取り外したレーザースキャンユニット。

1,2 - 集光レンズ付き半導体レーザー; 3- 回転ミラー; 4- 成形レンズ群; 5- 鏡。

ドラムが直接接触する 磁気シャフトメートル（磁気ローラー）、トナーをカートリッジホッパーからフォトシリンダーに供給します。

磁気シャフトは導電性コーティングが施された中空円筒で、その内部に永久磁石ロッドが挿入されています。ホッパー内のホッパー内のトナーは、コアの磁界と追加的に供給される電荷の影響を受けて磁気シャフトに引き付けられます。その値はプリンターの印刷設定によっても決まります。これにより、今後の印刷の密度が決まります。トナーは初期電荷を持っているため、静電気の影響で磁気シャフトからフォトシリンダーの表面にレーザーによって形成された画像に転写されます。トナーはフォトシリンダーの中性領域に引き付けられ、均等な領域からはじかれます。有料のもの。これが私たちに必要なイメージです。

ここで、イメージを作成する 2 つの主なメカニズムに注目してください。ほとんどのプリンタ (HP、キヤノン, ゼロックス) 正電荷を帯びたトナーが使用され、フォトシリンダーの中性表面にのみ残ります。つまり、レーザーは画像が存在すべき領域のみを照射します。この場合、フォトシリンダーはマイナスに帯電します。 2 番目のメカニズム (プリンターで使用される)エプソン, 京セラ, 兄弟) は、マイナスに帯電したチューナーを使用し、フォトシリンダーのトナーがあってはいけない領域をレーザーで放電します。フォトシリンダーは最初に正の電荷を受け取り、負に帯電したトナーがフォトシリンダーの正に帯電した領域に引き付けられます。したがって、最初のケースでは細部のより精細なレンダリングが得られ、2 番目のケースではより高密度で均一な充填が得られます。これらの機能を理解すると、問題 (テキストの印刷またはスケッチの印刷) を解決するためのプリンターをより正確に選択できます。

フォトシリンダーに接触する前に、紙は電荷転写ローラー (移行ローラー）。この静電荷により、接触中にトナーがフォトシリンダーから紙に転写されます。この直後、静電気中和器が用紙からこの電荷を除去し、フォトシリンダーへの用紙の吸着がなくなります。

トナー

ここで、トナーについて少し説明する必要があります。 トナー磁性材料の層でコーティングされたポリマーボールからなる細かく分散された粉末です。カラーチューナーには染料も含まれています。各社のプリンター、複合機、コピー機の機種には、分散性、磁性などの異なるオリジナルトナーが使用されています。n背骨と身体的特性。したがって、いかなる状況でも、カートリッジにランダムなトナーを詰め替えてはなりません。詰め替えると、プリンタや複合機がすぐに壊れてしまう可能性があります (経験的にテスト済み)。

紙をレーザースキャンユニットに通した後、プリンターから紙を取り外すと、既に形成された画像が表示されますが、触れると簡単に破壊されてしまいます。

画像定着ユニットまたは「ストーブ」

画像の耐久性を維持するには、次のことが必要です。修理. 画像をフリーズするこれは、トナーに含まれる特定の融点を持つ添加剤の助けを借りて発生します。レーザープリンターの 3 番目の主要な要素は、画像の定着を担当します (図 6) - 画像定着ユニットまたは「ストーブ」。物理的な観点から見ると、定着は溶融したトナーを紙の構造に押し込み、固化させることで行われるため、画像の耐久性が高まり、外部の影響に対する優れた耐性が得られます。

米。 6 画像定着ユニットまたはストーブ。上は組み立てた状態、下は紙分離帯を取り外した状態です。

1 - サーマルフィルム; 2 - 圧力シャフト。 3 - 用紙セパレーターバー。

米。 7 発熱体と感熱フィルム。

構造的には、「ストーブ」は 2 つのシャフトで構成されます。上部のシャフトの内部には発熱体があり、下部のシャフトは溶けたトナーを紙に押し込むために必要です。問題の HP 1200 プリンタの「ストーブ」は次のもので構成されています。 サーマルフィルム（図7） - 特別な柔軟で耐熱性のある素材で、その中には発熱体と、サポートスプリングによって紙を押す下部圧力ローラーがあります。感熱フィルムの温度を監視します 温度センサー(サーミスタ)。感熱フィルムと加圧ローラーの間を通過する紙は、感熱フィルムとの接触点で約 200℃ まで加熱されます。˚ 。この温度でトナーは溶け、液体の形で紙のテクスチャーに押し込まれます。紙が感熱フィルムにくっつくのを防ぐために、オーブンの出口には紙セパレーターが設置されています。

これが私たちが実際に調べたものです - 「プリンターはどうやって動くの？」。この知識は、将来、故障の原因を突き止め、それらを取り除くのに役立ちます。ただし、修理できるかどうかわからない場合は、決して自分でプリンターにアクセスしないでください。状況がさらに悪化するだけです。新しいプリンターを購入するとはるかに費用がかかるため、お金を節約するのではなく、この問題を専門家に委託することをお勧めします。

レーザーは、原子や分子の刺激 (または誘導) 放射線に基づいて、可視、赤外線、紫外線の範囲の電磁波の発生源です。「レーザー」という言葉は、「誘導放出による光の増幅」を意味する英語の「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」の頭文字（略語）で構成されています。「光量子発生器」(OQG) という用語も文献で使用されています。

レーザーの動作原理は 3 つの基本的な考え方に基づいています。最初のアイデアは、 強制（誘導）放出原子系による光。 2 番目のアイデアは、使用することです 逆分布をもつ熱力学的非平衡媒体光の吸収ではなく増幅が可能なレベルです。 3 番目のアイデアは、次のように使用することです。 正のフィードバック増幅システムをコヒーレント放射線発生器に変換します。

外部の影響を受けず、励起状態にある放射媒体の自由原子を考えてみましょう。その後、エネルギー E 2 の励起状態からエネルギー E 1 の基底 (非励起) 状態に自発的に (自発的に) 遷移することができます。この場合、光の量子が放出されます - エネルギー E photon = の光子ん= E 2 – E 1、ここで n- 放出される放射線の周波数。自然放出プロセスの統計的でランダムな性質により、従来の光源の個々の原子から放出される電磁波は互いに一致せず、位相、伝播方向、偏光が異なります。これは、従来の光源の自然放出がインコヒーレントであることを意味します。

誘導（誘導）放出– これは電磁波の放射であり、媒体の原子が外部放射 (光子) の影響下で励起状態から基底状態に移動する場合に発生します。光子と励起原子とのこのような相互作用は、光子のエネルギーがんは、励起状態と基底状態の原子のエネルギー準位の差に等しい: E photon = ん= E 2 – E 1 (図 1)、ここで n- 外部放射線の周波数。この場合、光子と原子の相互作用の後、2 つの光子が原子から伝播します。 説得力のあるそして 強制されたすなわち、光の増加が観察される。結果として生じる誘導放射線は、このプロセスを刺激するものと同じ周波数と位相を持ち、同じ方向に伝播します。つまり、誘導放射線は強制放射線とコヒーレントです。

光子と物質の相互作用中に、誘導放出とともに光子の吸収プロセスが発生し、物質の原子が基底状態から励起状態に移行します。通常の状態では、物質内には励起原子よりも非励起原子の方がはるかに多く存在するため、光子が物質と相互作用する場合、吸収プロセスが優先され、光の増幅は起こりません。誘導放出のプロセスが吸収よりも優先されるためには、エネルギー準位全体にわたって照射された物質の原子の分布を変更する必要があります。光の増幅は、励起状態に対応する上部のエネルギー準位における物質の原子の濃度が下部のエネルギー準位よりも高い場合に発生します。エネルギー準位にわたる媒体の原子のこの分布は、と呼ばれます。 逆人口。この状態は、熱力学的に非平衡媒体の場合にのみ可能です。

逆分布の準位を持ち、光が吸収されるのではなく増幅される媒体は、活性媒体と呼ばれます。使用される活性媒体の種類に基づいて、レーザーは気体 (ヘリウムネオン、アルゴンなど)、液体、固体 (ルビー、ガラス、サファイア)、および半導体 (半導体接合を使用するもの) に分類されます。活性物質）。

活性媒体を作成する方法はレーザーポンピングと呼ばれます。レーザーのポンピングには、光ポンピング (強力なフラッシュランプの光による固体レーザーの作動媒体の照射)、電子衝撃励起 (ガス放電レーザーの場合)、化学ポンピングなど、さまざまな方法があります。

正のフィードバックを実装するには、生成された放射線の一部が活性媒体内に留まり、より多くの励起原子が強制放出される必要があります。このようなプロセスを作成するには、アクティブなメディアを次の場所に置きます。 光共振器。光共振器は 2 つのミラーからなるシステムであり、その間に活性媒体が配置されています。ミラーには、平面、凸面、または凹面があります。それらの最も重要な特性は、高い反射率値です。反射が強く、光の吸収がほとんどない誘電体多層膜を施したミラーを使用しています。光共振器のミラーからの活性媒体中を伝播する光波の多重反射により、光波の多重増幅が保証され、その結果、高い放射パワーが達成される。

スペクトルの可視領域で連続モードで動作するヘリウムネオンガスレーザーのデバイスと動作原理を考えてみましょう。レーザーの主な要素は、ヘリウムとネオンの混合ガスで満たされた放電管です。ヘリウム分圧 1 mm Hg。アート、ネオン - 0.1 mm Hg。美術。ネオン原子は活性媒体（作用）の原子であり、ヘリウム原子は補助的であり、ネオン原子の逆集団を作成するために必要です。

図では、図 2 は、ネオン原子とヘリウム原子のエネルギー準位を示しています。管内での放電中、ヘリウム原子は励起されて次の状態になります。 2 。最初の興奮レベル 2 ヘリウムはエネルギー準位と一致する 3 ネオン原子。したがって、ヘリウム原子はネオン原子と衝突すると、そのエネルギーをネオン原子に伝達し、励起状態に遷移します。 3 。したがって、反転したレベルの集団を持つネオン原子からなる活性媒体がチューブ内に作成されます。

個々のネオン原子のエネルギー準位からの自発的（自発的）遷移 3 レベルごと 2 フォトンを出現させます。これらの光子と励起されたネオン原子とのさらなる相互作用により、後者の誘導コヒーレント放射が発生し、エネルギーを伴う光子の束が管内に増加します。ん.

放射パワーを高めるために、ヘリウムとネオンの混合物で満たされた管 1 が、ミラー 5 と 6 によって形成される光共振器内に配置されます (図 3 を参照)。ミラーからの反射により、光子の流れが管の軸に沿って通過し、誘導放射線の過程に含まれるネオン原子の数が増加し、生成された放射線の強度が雪崩のように増加します。

共振器ミラーからの各反射中の光波のエネルギー損失が、活性媒体を通って管に沿って通過する際の誘導放射の結果として生じるエネルギー利得よりも小さい場合、レーザーは発振モードで動作します。したがって、共振器ミラーの品質は非常に重要です。共振器はフラットで構成されています。 5 そして凹面 6 多層誘電体コーティングを施したミラー（図3）。これらのミラーの反射率は 98 ～ 99% と非常に高くなります。一方のミラーの光透過率は約0.1%、もう一方のミラーは約0.2%です。ミラー共振器を使用すると、強力で細い光ビームを得ることができます。

エネルギーレベル 2 そして 3 ネオン原子は複雑な構造をしているため、レーザーは赤外線および可視範囲で最大 30 の異なる波長を放射できます。共振器ミラーは、干渉により 1 つの波長に必要な反射係数を作り出すために多層で作られています。したがって、レーザーは厳密に定義された波長を放射します。

ガス放電管１（図３）は、管軸に対してブリュースター角で取り付けられた平行平面ガラス板４によって端部が閉じられている。プレートをこの位置に配置すると、偏光したネオン放射が反射損失なくプレートを通過することが保証され、レーザー放射の平坦な偏光が得られます。管内に放電を起こすために、陽極 2 と陰極 3 の 2 つの電極が管内に導入されます。管内を電流が流れることにより、He-Ne 環境では逆分布の準位が生成されます。

レーザー光源には、他の光源と比較して多くの重要な利点があります。

1. レーザーは、非常に小さな発散角 (約 10 -5 rad) の光線を生成できます。地球から放射されたこのようなビームは、月上に直径 3 km のスポットを生成します。

2. レーザー光は非常にコヒーレントで単色です。

3. レーザーは最も強力な光源です。スペクトルの狭い範囲では、短時間（約 10 ～ 13 秒間）、ある種のレーザーは 10 17 W/cm 2 の放射パワーを達成しますが、太陽の放射パワーは 10 17 W/cm 2 です。スペクトル全体にわたって合計すると、わずか 7 × 10 3 W/cm 2 です。狭い間隔Ｄ１＝１０－６ｃｍ（レーザースペクトル線幅）では、太陽はわずか０．２Ｗ／ｃｍ２を占めるに過ぎない。レーザーから放射される電磁波の電界強度は、原子内の電界強度を超えます。

シール