Lasery w nowoczesnej poligrafiiczęœć III

6 gru 2016 14:42

Z poprzednich częœci dowiedzieliœmy się, jakie właœciwoœci ma œwiatło laserowe oraz gdzie poligrafia wykorzystuje lasery. Poznaliœmy również podstawy emisji promieniowania laserowego. Wiemy też, że najczęœciej w interesujšcych nas zastosowaniach poligraficznych stosuje się lasery, których oœrodkiem aktywnym jest ciało stałe, gaz lub półprzewodnik. Oczywiste, że sš także zastosowania lub próby zastosowań innych oœrodków aktywnych. Nie będziemy jednak tego obecnie omawiać, chyba, że takie byłoby życzenie Czytelników. Teraz skupimy się na powyższych trzech typach laserów. Laser na ciele stałym wykorzystuje wiele typów oœrodków aktywnych. Pierwszym takim materiałem był kryształ rubinu utworzony przez domieszkowanie korundu (Al2O3) jonami chromu Cr3+. Laser emituje œwiatło czerwone 694 nm i nosi nazwę lasera rubinowego. Schematyczny układ poziomów energetycznych lasera rubinowego przedstawia rys. 1; jest on analogiczny do poziomów innych laserów na ciele stałym. Od czasu zbudowania lasera rubinowego powstało wiele ciałostałowych oœrodków aktywnych. Sš to głównie kryształy i szkła domieszkowane jonami ziem rzadkich oraz jonami metali przejœciowych. W dzisiejszych laserach na ciele stałym układami pompujšcymi sš najczęœciej optyczne lampy błyskowe lub lasery półprzewodnikowe. Do najpotężniejszych (pod względem uzyskiwanych parametrów) przedstawicieli tego typu laserów należš YAG, tzw. granat glinowo-itrowy (Y3Al5O12), domieszkowany jonami neodymu Nd3+ oraz szkło domieszkowane takimi samymi jonami neodymu. W układzie Nd: YAG może zachodzić cišgłe generowanie œwiatła o mocy rzędu kilkuset watów (W). Układ Nd:szkło stanowi przykład lasera o pracy impulsowej, mogšcego wygenerować impuls o ogromnej energii, rzędu kilkudziesięciu kilodżuli (KJ). Obydwa układy emitujš œwiatło w bliskiej podczerwieni 1,06 ľm. Znajdujš zastosowanie w urzšdzeniach wykorzystujšcych moc termicznš do lokalnego ogrzewania lub odparowania materiału. Innym przedstawicielem jest laser tytanowy zawierajšcy szafir (odmiana korundu) domieszkowany jonami tytanu. Istotnš cechš tego lasera jest możliwoœć płynnego przestrajania długoœci generowanej fali w zakresie 700-950 nm. Laser ten może znaleŸć zastosowanie w systemach CtP z zobrazowaniem termicznym. Osobnš grupę stanowiš lasery fluorkowe na bazie kryształów (szkieł) fluorkowych domieszkowanych jonami ziem rzadkich, np. prazeodymem Pr3+. Cechš istotnš tych laserów jest możliwoœć pompowania np. w zakresie podczerwieni i uzyskiwanie œwiatła w zupełnie innym zakresie, np. niebieskim. Ostatnim wynalazkiem sš lasery falowodowe (włóknowe i planarne), które sš pompowane laserami półprzewodnikowymi. Ze względu na wyjštkowo ciekawe właœciwoœci tych laserów (włóknowe przystajš do transmisji œwiatłowodowej, a planarne mogš modulować amplitudowo lub fazowo wišzkę) trwajš prace nad wdrożeniem ich do telekomunikacji. Lasery gazowe, ze względu na naturę oœrodka aktywnego, majš jednš najistotniejszš cechę: mogš generować w zasadzie dowolne długoœci fal, od dalekiej podczerwieni do nadfioletu. Układy pompujšce stosowane w laserach gazowych mogš być trzech rodzajów: elektryczne, chemiczne i optyczne. Bez względu na sposób wzbudzania stanów, wœród laserów gazowych wyróżniamy: atomowe, jonowe i molekularne. Lasery gazowe atomowe majš swojego głównego przedstawiciela w laserze helowo-neonowym (He:Ne). Akcja laserowa wzbudzana jest wyładowaniem jarzeniowym. Materiałem czynnym sš atomy neonu, zaœ hel pełni funkcję pomocniczš, dopompowujšc atomy Ne. Uproszczony układ poziomów energetycznych lasera He:Ne pokazano na rys. 2. Jest on analogiczny dla poziomów pozostałych atomowych laserów gazowych. Laser He:Ne może emitować na kilku długoœciach fal (7 widzialnych), ale najczęœciej wykorzystuje się falę pomarańczowš 633 nm. Poligraficzne wykorzystanie laserów He:Ne znajdziemy w dawniej produkowanych naœwietlarkach filmów. Inne konstrukcje laserów gazowych atomowych wykorzystujš jako oœrodki czynne rozrzedzone mieszaniny pozostałych gazów szlachetnych, tzn. argonu, ksenonu, kryptonu. Moce tych laserów nie sš wielkie, od kilku do kilkudziesięciu miliwatów (mW), ale za to lasery generujš œwiatło o wyjštkowo dużym stopniu spójnoœci czasowej i przestrzennej. Lasery gazowe jonowe charakteryzuje oœrodek aktywny w postaci zjonizowanego gazu. Najczęstszymi oœrodkami czynnymi tych laserów sš gazy szlachetne, gdzie wzbudzanie zachodzi za pomocš wyładowań elektrycznych. Wzbudzenie jest dwustopniowe: najpierw wskutek zderzeń atomów z elektronami zachodzi jonizacja gazu, a następnie jony wskutek ponownych zderzeń z elektronami wzbudzane sš do górnego poziomu laserowego. Zatem w układzie rezonatora istnieje wzbudzona plazma. Przedstawicielem jest laser argonowy Ar. Uproszczony układ poziomów energetycznych lasera argonowego pokazano na rys. 3 i jest on zbliżony do poziomów innych laserów gazowych jonowych. Akcja laserowa uzyskiwana jest na wielu liniach (10). Najważniejsze w zastosowaniach sš linie zielono-niebieska 515 nm, niebieska 488 nm oraz ultrafioletowa 364 nm. Analogiczne konstrukcje laserów jonowych wykorzystujš także ksenon w roli oœrodka aktywnego. Do laserów jonowych zalicza się również lasery na parach metali. Przykładowym jest laser helowo-kadmowy (He:Cd). Œwiatło lasera może mieć dwie długoœci: fioletowš 441 nm i nadfioletowš 325 nm. Obydwie długoœci znajdujš zastosowanie w poligrafii. Uzyskiwane moce laserów z parami metali dochodzš do 100 mW przy pracy cišgłej. Lasery gazowe molekularne zawierajš oœrodek aktywny utworzony z gazów molekularnych, tzn. występujšcych w molekułach. Lasery molekularne dostarczajš większych mocy œwiatła aniżeli inne lasery gazowe. Koronnym przedstawicielem tej grupy laserów gazowych jest układ CO2:N2:He, z dwutlenkiem węgla jako oœrodkiem czynnym, przy pomocniczej roli azotu i helu. Działanie lasera opiera się na wykorzystaniu przejœć pomiędzy poziomami energetycznymi dla czšsteczki (w tym przypadku CO2), a nie między poziomami atomu lub jonu, jak to ma miejsce w poprzednio omówionych laserach gazowych (Ne, Ar czy innych gazów atomowych). Uproszczony układ poziomów laserowych i funkcjonowanie lasera z CO2 przedstawiono na rys. 4. cdn.