Физические основы работы лазерного принтера

некогерентном процессе световые волны излучаются независимо друг от друга,

энергия излучаемого пучка рассеивается по пространству и быстро убывает по

мере удаления от источника. При когерентном излучении волны испускаются не

хаотично и могут усиливать друг друга. Лучи лазерного пучка почти

параллельны между собой, поэтому он расходится незначительно даже на

больших расстояниях от излучателя. Так, лазерный пучок диаметром 30 см

направили на Луну, и он образовал на ее поверхности световое пятно

диаметром всего 3 км (до Луны около 386 000 км; на таком расстоянии свет от

обычного источника дал бы пятно диаметром 402 000 км). Вторая особенность

лазерного излучения – монохроматичность, т.е. одноцветность; это значит,

что от конкретного лазера исходят волны одной и той же длины. В свете почти

всех существующих источников обычно присутствуют все длины волн видимого

спектра и соответственно все цвета, поэтому такой свет нам кажется белым.

Лишь немногие традиционные источники (например, лампы низкого давления,

наполненные разреженными парами натрия) светят почти монохроматично, но их

излучение некогерентно и малоинтенсивно.

Чтобы создать лазер – источник когерентного света необходимо:

1) рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно

получить усиление света за счет вынужденных переходов.

2) рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые

осуществляют обратную связь.

3) усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных

атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового

значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного

зеркала.

Принцип действия. Свет – особая форма движущейся материи. Он соткан из

отдельных сгустков, именуемых квантами. Атомы любого вещества, излучая (или

поглощая) свет, испускают (или захватывают) только цельные кванты; в таких

процессах (если нет каких-то особых условий) атомы не взаимодействуют с

долями квантов. Длина волны (стало быть, цвет) излучения определяется

энергией его кванта. Атомы, одинаковые по своей природе, излучают или

поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Это наглядно проявляется в

свечении газоразрядных ламп с однородным наполнением (например, неоном),

которые используются в декоративной иллюминации и рекламе. Когда атом

излучает квант света, он расходует энергию; поглощая квант света, атом

приобретает дополнительную энергию. Поскольку энергия переносится к атому и

от него порционно, то и сам атом может пребывать лишь в одном из дискретных

энергетических состояний – либо в основном (с минимальной энергией), либо в

каком-то из возбужденных. Атом, находящийся в основном состоянии, при

поглощении кванта света переходит в возбужденное состояние; при излучении

кванта света все происходит наоборот. Чем больше квантов вблизи атомов, тем

больше и тех атомов, которые совершают подобные переходы – с повышением или

понижением энергии. (Свет своим присутствием вынуждает атомы участвовать в

энергетических переходах, поэтому такие процессы называют вынужденными –

вынужденное поглощение и вынужденное излучение.) При вынужденном поглощении

число квантов уменьшается и интенсивность света убывает, а энергия атомов

возрастает. Если некоторое множество атомов, попав в освещение, вынужденно

излучает суммарно больше, чем вынужденно поглощает, то возникает лазерный

эффект – усиление света вынужденным излучением (данного множества атомов).

Лазерная генерация может возникнуть только в том множестве микрочастиц, где

возбужденных атомов больше, чем невозбужденных. Следовательно, такое

множество надо заранее подготовить, т.е. предварительно накачать в него

дополнительную энергию, черпая ее от какого-либо внешнего источника; эта

операция так и называется – накачка. Типы лазеров различаются в основном по

видам 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. Рис. 3.6 и 3.7 поясняют действие

рубинового лазера. Посеребренные торцы цилиндрического стержня из

искусственного рубина служат зеркалами (рис. 3.6).

Рис. 3.6. РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР – усовершенствованная схема конструкции Т.Меймана

(1960). Основные его элементы – цилиндрический рубиновый стержень с

плоскими посеребренными торцами, кожух охлаждения (его не было в устройстве

Меймана) и газоразрядная лампа накачки. 1 – посеребренный торец стержня

(глухое зеркало); 2 – рубиновый стержень; 3 – охлаждающая жидкость; 4 –

газоразрядная лампа накачки; 5 – кожух (трубка) охлаждения; 6 – слабо

посеребренный торец стержня (полупрозрачное зеркало).

Одно из них покрыто менее плотным слоем серебра, поэтому оно

полупрозрачно и через него излучается лазерный свет. Рубин – кристалл,

состоящий из окиси алюминия с примесями окиси хрома. Атомы алюминия и

кислорода не играют определяющей роли в лазерной генерации; главные

энергетические переходы реализуются в хроме. При возбуждении атомы хрома

переходят из основного состояния на один из двух уровней возбуждения,

обозначенных F1 и F2 (рис. 3.7).

Рис. 3.7. ДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРА начинается с возбуждения атомов хрома и их

переходов на энергетические уровни F1 и F2. Затем каждый возбужденный атом

спонтанно (самопроизвольно, т.е. невынужденно) излучает квант (нелазерного

излучения) и, потеряв часть своей энергии, переходит на метастабильный

уровень E. Далее, под воздействием вынуждающего кванта с лазерной длиной

волны (такие кванты есть в излучении лампы накачки) атом излучает еще один

такой же квант, согласованный по фазе с вынуждающим, и переходит на свой

основной энергетический уровень.

Они довольно широки, и атомы хрома возбуждаются многими длинами волн света

накачки. Однако вследствие нестабильности они мгновенно покидают уровни F и

переходят на более низкий уровень E; при этих переходах излучения не

происходит, а высвобождаемая энергия передается кристаллической решетке

окиси алюминия, где и рассеивается в форме тепловых потерь. Однако с уровня

E атом хрома излучает вынужденно и переходит вследствие этого на основной

уровень. Кванты, эмиттированные атомами хрома, многократно отражаются между

посеребренными зеркалами рубинового стержня и по пути вынуждают многие

возбужденные атомы испускать такие же кванты; процесс нарастает

лавинообразно и заканчивается импульсом лазерного света. Полупрозрачное

зеркало должно хорошо отражать лазерное излучение, чтобы обеспечить

необходимую интенсивность его вынуждающей доли, но одновременно и побольше

пропускать его на выход; обычно его коэффициент отражения – ок. 80%. При

самопроизвольном излучении атом хрома пребывает на возбужденном уровне E не

более 10-7 с, а при вынужденном – в 10 тысяч раз дольше (10-3 с). Поэтому у

лазерного света достаточно времени, чтобы вызвать вынужденное излучение

огромного числа возбужденных атомов активной среды.

Лазерное излучение реализовано во многих активных средах – твердых телах,

жидкостях и газах

Типы лазеров:

. твердотельные лазеры с оптической накачкой;

. газовые лазеры;

. химические лазеры;

. полупроводниковые лазеры;

. лазеры на красителях.

В лазерном принтере используется полупроводниковый лазер.

Полупроводниковые лазеры. Если через полупроводниковую структуру типа

транзисторной пропускать электрический ток, то можно добиться лазерного

эффекта. Габариты и выходная мощность полупроводниковых лазеров малы, но их

КПД высок. Такие лазеры делают в основном на арсениде или алюмоарсениде

галлия; применяют их главным образом в системах связи.

Под воздействием света (в лазерных принтерах источником высокочастотного

когерентного излучения является лазер) освещенные участки слоя

полупроводника на фотобарабане уменьшают электропроводность и разность

потенциалов между внешней и внутренней поверхностями слоя также

уменьшается. На неосвещенных участках слоя уменьшение зарядов не

происходит. Известно, что количество стекающего заряда пропорционально

падающему свету. Таким образом, при экспонировании на слое полупроводника

образуется скрытое электростатическое изображение.

IV часть

Итоги

В настоящее время лазерные принтеры постепенно превращаются из дорогих

аппаратов, доступных только достаточно крупным и средним фирмам в аппараты

для высококачественной и высокоскоростной печати дома и в малом офисе.

Преимуществами цифровой печати являются:

1. Более высокое качество печати.

2. Низкий расход тонера.

3. Возможность использования цифрового аппарата в качестве копира и

принтера одновременно, в некоторых моделях можно также пользоваться им

как сканнером.

4. Более точная передача оттенков и полутонов.

Достоинства печати:

. высокая скорость печати (от 4 до 40 и выше страниц в минуту)

. скорость печати не зависит от разрешения

. высокое качество печати (400 dpi лазерного цветного принтера сравнима

с 1400 dpi струйного)

. низкая себестоимость копии (на втором месте после матричных принтеров)

. бесшумность

Недостатки:

. высокая цена аппарата

. высокое потребление электроэнергии

. очень высокая цена цветных аппаратов

Список литературы:

. «Лазерные принтеры. Взгляд на принтер изнутри. Технология лазерной

печати» О. Колесниченко, М. Шарыгин, И. Шишигин, «BHV – Санкт –

Петербург», Санкт – Петербург 1997 г.

. http://www.ixbt.com

. http://www.krugosvet.ru

. http://www.pctechguide.com/

. «Физика 10» Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, «Просвещение», Москва 1990

г.

. www.referat.ru

. http://microlux.bsolution.net/

Приложение № 1.

ТЕОРИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ [3] [5]

Действие электронных ламп основано на управлении током электронов, идущих

от нагреваемого электрода (катода) к собирающему электроду (аноду). Катод

нагревается отдельным нагревательным элементом. Для работы такого

устройства требуется значительное количество электроэнергии.

В полупроводниках не нужно подводить энергию к нагревателю, чтобы

получить свободные электроны, а собирающие электроды могут работать при

весьма низких напряжениях.

Сопротивление полупроводников можно контролируемо изменять. Это

осуществляется путем легирования полупроводника другими химическими

элементами. Более того, выбирая тот или иной материал для легирования,

можно задавать нужный вид носителей электрического заряда (положительные

или отрицательные). Поясним эту мысль.

Все химические элементы, встречающиеся в природе, можно расположить в

последовательный ряд по числу положительных зарядов, начиная с водорода,

имеющего один положительный заряд в ядре атома (заряд одного протона), и

кончая ураном с 92 протонами. Положительный заряд ядра компенсируется

оболочками окружающих его электронов. Электроны внутренних оболочек

довольно прочно связаны с ядром. Электроны же наружной оболочки связаны

слабее; в качестве валентных электронов они могут участвовать в химических

процессах, а в качестве электронов проводимости – переносить электрический

заряд (электрический ток в металлах есть поток электронов). В таких

металлах, как медь, электроны внешних оболочек практически свободны и под

влиянием очень слабого электрического поля способны переносить колоссальные

токи. Внешние электроны в диэлектриках связаны прочно, поэтому диэлектрики

практически не проводят электричества. Полупроводники – это промежуточный

случай. Согласно фундаментальному постулату физики, называемому уравнением

Больцмана, число N частиц с энергией дается формулой

[pic],

где A – константа, характеризующая материал, k – постоянная Больцмана

(8,6Ч10–5 эВ/К), а T – абсолютная температура в кельвинах (К).

Отсюда видно, что чем прочнее связь и ниже температура, тем меньше

освобождается электронов. Если в кремний, который четырехвалентен, ввести

фосфор, сурьму или мышьяк, каждый атом которых имеет, пять валентных

электронов, то один электрон легирующей примеси будет лишним. Этот

избыточный электрон связан слабо и легко может действовать как электрон

проводимости. Если же в кремний ввести бор, галлий или алюминий, каждый

атом которых имеет три валентных электрона, то для образования всех связей

будет недоставать одного электрона. В этом случае перенос тока определяется

электронными вакансиями, или «дырками». На самом деле электроны под

влиянием электрического поля перескакивают от одной вакантной связи к

другой, что можно рассматривать как перемещение дырок в противоположном

направлении. Электрический ток при этом направлен так же, как и в случае

электронов, но по величине он меньше (у электронных «дырок» противоположный

знак заряда и меньшая подвижность). В соответствии с законом np = N 2 можно

произвольно изменять число электронов n или дырок p в единице объема

полупроводника, задавая нужное число избыточных доноров или акцепторов

электронов. Полупроводники, в которых электронов больше, чем дырок,

называются полупроводниками n-типа, а полупроводники, в которых больше

дырок, – полупроводниками p-типа. Те носители, которых больше, называются

основными носителями, а которых меньше – неосновными. Граница, отделяющая в

кристалле область p-типа от области n-типа, называется p-n-переходом.

Типичный представитель полупроводников:

Рис. 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ОБОЛОЧКИ атома кремния, типичного полупроводникового

материала. В образовании химических связей и в процессе проводимости могут

участвовать только четыре электрона внешней оболочки (темные кружки),

называемые валентными электронами. Десять внутренних электронов (светлые

кружки) в таких процессах не принимают участия.

Рис. 2.

Полупроводник n - типа

Рис. 3.

Полупроводник р - типа

Полупроводники в основном используются не в чистом виде, а как система.

p-n-переход.

В соединенных вместе кусочках полупроводников n и p-типа ближайшие к

границе электроны будут переходить из n-области в p-область, а ближайшие

дырки – навстречу им, из p-области в n-область. Сам переход будет образован

из положительно заряженных доноров, потерявших свои электроны, на n-

стороне, и из отрицательно заряженных

Рис. 4. p-n-переход.

акцепторов, потерявших свои дырки, на p-стороне. При этом переход

уподобляется заряженному конденсатору, на обкладках которого есть некоторое

напряжение. Перетекание электронов и дырок через переход прекращается, как

только заряженные ионы создадут на нем напряжение, равное и противоположное

контактному потенциалу (напряжению), обусловленному различием знака

избыточного заряда в полупроводнике. Если на переход подать соответствующее

внешнее напряжение, то ионизуются (теряют свои электроны и дырки)

дополнительные доноры и акцепторы, причем в таком количестве, что переход

только-только поддерживает приложенное напряжение.

Ценность перехода в том, что он позволяет управлять потоком электронов

или дырок, т.е. током. Возьмем типичный случай, когда p-сторона сильно

легирована, а n-сторона легирована значительно слабее. Если на переход

подать такое напряжение, при котором p-сторона положительна, а n-сторона

отрицательна, то внешнее напряжение скомпенсирует внутреннее, т. е. понизит

внутренний барьер перехода и тем самым сделает возможным перетекание

больших количеств основных носителей (дырок) через барьер. Так, подавая

небольшое напряжение в «прямом» направлении, можно управлять большими

токами. Если изменить знак внешнего напряжения на обратный (так, чтобы p-

сторона была отрицательна, а n-сторона – положительна), то оно еще больше

повысит внутренний барьер и полностью перекроет поток основных носителей.

(Правда, небольшому количеству неосновных носителей будет легче перетекать

через барьер.) Если постепенно повышать «обратное» напряжение, то в конце

концов произойдет электрический пробой, и переход может оказаться

поврежденным из-за перегрева. Фактическое пробивное напряжение зависит от

вида и степени легирования слабо легированной стороны перехода. В

устройствах разной конструкции пробивное напряжение может изменяться от 1

до 15 000 В.

Таким образом, одиночный p-n-переход может служить выпрямителем,

пропускающим ток в одном направлении и не пропускающим в противоположном. В

прямом направлении возможны очень большие токи при напряжении менее 1 В; в

обратном же направлении при напряжениях ниже пробивного возможны лишь токи

порядка пикоампера (10–12А). Мощные выпрямители могут работать при токах

порядка 5000 А, тогда как в устройствах для управления сигнальными токами

токи обычно не превышают нескольких миллиампер.

Пример использования p-n-перехода – транзистор.

Рис. 5. ТРАНЗИСТОР С p-n-ПЕРЕХОДОМ типа npn. Показаны эмиттер, коллектор и

база. Толщина p-слоя си

льно увеличена. Транзисторы такого типа применяются в качестве усилителей.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ [3] [6]

Явление испускания электронов веществом под действием света. Было открыто

в 1887 Г.Герцем, обнаружившим, что искровой разряд в воздушном промежутке

легче возникает при наличии поблизости другого искрового разряда. Герц

экспериментально показал, что это связано с ультрафиолетовым излучением

второго разряда. В 1889 Дж.Томсон и Ф.Ленард установили, что при освещении

поверхности металла в откачанном сосуде она испускает электроны. Продолжая

эти исследования, Ленард продемонстрировал в 1902, что число электронов,

вылетающих в 1 с с поверхности металла, пропорционально интенсивности

света, тогда как их энергия зависит лишь от световой длины волны, т.е.

цвета. Оба эти факта противоречили выводам теории Максвелла о механизме

испускания и поглощения света. Согласно этой теории, интенсивность света

служит мерой его энергии и, конечно, должна влиять на энергию испускаемых

электронов В 1905 А.Эйнштейн, основываясь на более ранней работе М.Планка,

посвященной тепловому излучению, выдвинул гипотезу, согласно которой

поведение света в определенных отношениях сходно с поведением облака

частиц, энергия каждой из которых пропорциональна частоте света. Позднее

эти частицы были названы фотонами. Их энергия (квант энергии, согласно

Планку и Эйнштейну) дается формулой Е = hn, где h – универсальная

постоянная, впервые введенная Планком и названная его именем, а n – частота

света. Эта гипотеза хорошо объясняет результаты опытов Ленарда: если каждый

фотон в результате столкновения выбивает один электрон, то более

интенсивному свету данной частоты соответствует большее число фотонов и

такой свет будет выбивать больше электронов; однако энергия каждого их них

остается прежней.

Эйнштейн высказал предположение, что электроны, выходя с поверхности

металла, теряют определенную энергию W, называемую работой выхода. Кроме

того, большинство электронов передает часть своей энергии окружающим

электронам. Таким образом, максимальная энергия фотоэлектрона, выбиваемого

фотоном данной частоты, описывается выражением Емакс = hn – W, где W –

величина, зависящая от природы металла и состояния его поверхности. Этот

закон получил надежное экспериментальное подтверждение, особенно в опытах

Р.Милликена в 1916. За работы в области фотоэффекта Эйнштейну была

присуждена Нобелевская премия по физике за 1922.

При определенных условиях фотоэффект возможен в газах и атомных ядрах, из

которых фотоны с достаточно высокой энергией могут выбивать протоны и

рождать мезоны. Фотоэлектрические свойства поверхности металла широко

используются для управления электрическим током посредством светового

пучка, при воспроизведении звука со звуковой дорожки кинопленки, а также в

многочисленных приборах контроля, счета и сортировки. Фотоэлементы находят

применение также в светотехнике.

При облучении полупроводников светом в них можно возбудить проводимость.

Фототок с энергией h[pic] большей или равной ширине запрещенной зоны

[pic]Wo переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости.

Образующаяся при этом пара электрон-дырка является свободной и участвует в

создании проводимости. На рисунке показана схема образования фотоносителей

в собственном, донорном и акцепторном полупроводниках. Таким образом, если

h[pic]<[pic]Wo - для собственных полупроводников, h[pic]<[pic]Wп - для

примесных полупроводников, то появляются добавочные носители тока и

проводимость повышается. Эта добавочная проводимость называется

фотопроводимостью. Основная проводимость, обусловленная тепловым

возбуждением носителей тока называется темновой проводимостью. Из

приведенных формул можно определить минимальную частоту [pic]о или

максимальную длину волны [pic]о, при которой свет возбуждает

фотопроводимость

|[pic]о = c h / [pic]Wo и [pic]о = |[pic] |

|c h / [pic]Wп. | |

|[pic] |[pic] |

Операция проявления скрытого изображения состоит в том, что на

экспонированную поверхность осаждают мельчайшие частицы красителя, несущие

заряд, противоположный по знаку заряду изображения. Участки слоя,

подвергшиеся меньшему освещению, притягивают большее количество порошка.

Сильно засвеченные участки порошок не притягивают. При таком методе[4]

проявления получается позитивное изображение.

-----------------------

[1] Ксерографический процесс был изобретен американским инженером

Честером Карлсоном в 1938 г. В ноябре 1940 г. он получил патент на свое

изобретение. В 1947 г. американская компания "Халоид Компани" купила данное

изобретение для разработки первого копировального аппарата, который и был

произведен в 1950 г. В последствии эта компания несколько раз

преобразовывалась и в настоящее время мы знаем ее под названием Xerox.

[2] Коронирующий разряд - это газовый разряд, наблюдаемый в близи

заострённых участков проводника, несущего большой электрический заряд. При

такой большой напряжённости поля ионизация посредством электронного удара

происходит при атмосферном давлении.

[3] Лазер - слово «лазер» составлено из первых букв английских слов,

входящих в выражение «Light amplification by stimulated emission of

radiation», что в переводе означает «усиление света вынужденным

излучением». Первый лазер на кристалле рубина был создан американским

физиком Т. Мейманом в 1960 г.

[4] Метод - этот способ получения изображений был назван ксерографией, так

как “ксерокс” по-гречески означает “сухой”, т. е. сухое проявление.

Различные модификации этого метода широкого применяются в множительной

технике.

Страницы: 1, 2, 3