В целом, сегодня очень трудно найти область, где бы не применялись лазеры! Это универсальные инструменты, которые применяют для всего, начиная от медицины, строительства и детских игрушек и заканчивая передачей информации в космосе и сверхмощными лазерами, которые используются в лазерном термоядерном синтезе!
Как работают лазеры в принтерах и не только? Разбор
Казалось бы, как связаны кассовые аппараты, бесконечная офисная макулатура, наведение боевых ракет и, например, концерты электронной музыки? Эти области так далеко друг от друга, что кажется, что у них совсем нет ничего общего. Однако, это не совсем так. Во всех этих областях применяются лазеры!
Сканеры штрихкодов, лазерные принтеры, системы лазерного наведения и световые шоу на концертах! И это только малая часть того, где они нашли свое применение. Область их применения — огромная: от медицины и промышленности до детских игрушек и офисной техники!
Сегодня мы с вами посмотрим на то как работают лазеры, какая прекрасная физика за ними спрятана и как лазерные технологии стали незаменимыми в современном мире, а з аодно посмотрим каким образом лазерные принтеры способны печатать по 30-40 страниц в минуту и как квантовые эффекты помогают вам печатать документы!
История и принцип работы
Вообще, если говорить правильно, то лазер — это просто акроним, который плотно вошел в нашу жизнь. Если разбить, то получается Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation или если перевести, то получится «усиление света посредством вынужденного излучения”.
И началом истории создания лазеров можно считать 1916 год, когда Альберт Эйнштейн в своей теоретической работе предсказал возможность некоторых атомов проявлять этот эффект вынужденного излучения. Явление является физическим фундаментом, на основе которого работают все лазеры и оно прекрасно по своей сути.
Сейчас будет чуть-чуть теории, но мы все объясним.
Эйнштейн предсказал, что могут существовать такие квантовые системы, как атомы, молекулы и ядра, которые могут переходить в особое возбужденное состояние под воздействием фотона света! Они его как бы поглощают!
Дальше этот возбужденный атом может пойти двумя разными путями.
Первый, это когда атом возвращается в спокойное состояние самостоятельно спустя какое-то время. Время это, кстати, обычно очень короткое — всего несколько десятков наносекунд. И при этом переходе атом испускает фотон, с определенной длиной волны.
Но есть и второй путь, который как раз самый интересный — это когда в этот возбужденный атом прилетает еще один фотон. При этом он как бы выбивает второй фотон из возбужденного атома и дальше они летят уже парой.
И самое интересное, что это не просто какие-то два разных фотона. Они абсолютно одинаковые, у них совпадают абсолютно все параметры!
Новый, созданный фотон имеет ту же энергию, фазу, поляризацию, а также направление распространения, что и исходных фотон, который при этом не поглощается. Называется это явление когерентностью.
В итоге эти фотоны летят дальше уже парочкой, пока не встречают новый возбужденный атом и так далее. Случается что-то наподобие лавинного эффекта.
Когда летит куча фотонов, которые продолжают создавать все больше и больше себе подобных братьев-близнецов и все они летят в одном и том же направлении!
Такой эффект возбуждения могут проявлять совсем не все материалы, но, в целом, их довольно много — это могут быть как кристаллы с полупроводниками, так и жидкости и даже некоторые газы. Например, углекислый газ — отсюда и знаменитый углекислотный лазер!
И все эти материалы испускают фотоны с определенными параметрами — отсюда и такое большое разнообразие различных лазеров! Они могут отличаться по мощности, длине волны, то есть цвету, а так же быть постоянными или импульсными.
Но тут вы можете заметить, что фотоны получаются хоть и направленные, но все равно, изначально-то они могут лететь в любую сторону! Почему же тогда лазеры светят так сильно и луч почти не рассеивается, если изначально все светит во все стороны? Тут на помощь приходят зеркала.
Фактически нашу лавину из одинаковых фотонов заключают в бесконечный цикл отражений от одной стенки цилиндра, к другой. И работает это как усилитель излучения. Лавина фотонов летает от одного края цилиндра к другому генерируя все больше и больше таких же фотонов.
Провод коронатора – это вольфрамовая нить с углеродным, золотым или платиновым покрытием. Под действием высокого напряжения между проволокой и каркасом возникает разряд, светящаяся ионизированная область (корона), создается электрическое поле, которое передает статический заряд фотобарабану.
Что такое тонер-картридж?
Тонер-картридж – это составляющая часть лазерного принтера, содержащая цветной порошок (тонер) для создания текста или изображения на бумаге. Тонер-картриджи существуют в четырех цветах – голубой (cyan), пурпурный (magenta), желтый (yellow) и черный (black).
Тонер – это сухой углеродный порошок с пластиковыми частицами полимера, который получает электрический заряд и тепло, что позволяет ему прилипнуть к бумаге. Каждый цвет имеет свой отдельный картридж, и обычно его нужно менять каждую тысячу страниц, в зависимости от расхода чернил на страницу или «живучести» картриджа.
Тонеры бывают оригинальными (от ОПО– оригинального производителя оборудования, то есть от производителя принтера) и совместимыми. Совместимые картриджи являются выгодной альтернативой оригинальным при покупке нового картриджа для вашего принтера.
Все, что вам нужно знать о совместимых картриджах, вы найдете здесь.
Когда нужно менять тонер-картридж?
Ваш принтер сам даст вам знать, когда тонер будет заканчиваться и какой именно цвет вам нужно заменить. Однако вы также должны быть способны определить, заканчивается ли тонер, по качеству печати, так как текст/изображения могут стать блеклыми, с полосами или точками по всей поверхности листа.
Что такое драм-юнит?
Драм-юнит служит для переноса тонера и изображения/текста на бумагу. Он имеет несколько различных названий, так что вы можете знать его как фотобарабан, блок формирования изображения или фотокондуктор.
Как работает Драм-юнит?
Сначала драм-юнит получает положительный электрический заряд для переноса текста и тонера на страницу. Далее лазер воздействует на фотобарабан и оставляет отрицательный заряд в тех местах бумаги, где должны будут появиться текст/изображение. Когда тонер попадает в барабан, он притягивается к противоположно заряженным участкам, создавая образ текста и изображения.
После этого бумага проходит через принтер и получает сильный отрицательный заряд. Как только фотобарабан проходит по листу бумаги, тонер закрепляется на листе с помощью статического заряда.
Когда надо менять драм-юнит?
Так же как и тонер-картридж, у драм-юнита есть свой ресурс печати на страницу или так называемая «живучесть». Во время использования принтера лазер воздействует на барабан при каждой печати, что означает, что драм-юнит изнашивается и должен быть заменен через определенное количество печати.
Многие принтеры требуют отдельного барабана, но некоторые производители принтеров разрабатывают барабаны и тонер-картриджи, соединенные в одно целое (например, HP Q6000a toner cartridge). Таким образом, каждый раз, когда вы меняете тонер-картридж, вы меняете и фотобарабан.
У принтеров с отдельным драм-юнитом вы можете заметить признаки износа, что будет означать необходимость замены барабана. Вы начнете видеть точки и/или полосы на ваших распечатках, изображения станут светлее. У драм-юнита более длительный срок службы – до 100,000 страниц, по сравнению с тонер-картриджем, у которого всего 10,000 страниц.
Печать осуществляется по тому же принципу, что и черно-белая, но прежде принтер разбивает картинку, которую нужно получить, на монохромные изображения для каждого из цветов. В процессе работы цветные картриджи переносят на бумагу свои рисунки, а их наложение друг на друга дает итоговый результат. Существует две технологии цветной печати.
Экспонирование
Лазерный блок Samsung ML1430
Если какую-то часть фоточувствительного полупроводника, покрывающего OPC, осветить, он становится токопроводящим, а полученный от ролика заряд уйдет через металлическое основание барабана. Экспонированный участок становится незаряженным или слабо заряженным. Цель этого этапа – сформировать на фоточувствительной пленке невидимое изображение из точек без статического заряда.
Очень тонкий лазерный луч светит на вращающееся зеркало шестигранной (иногда четырехгранной) формы, отражаясь, попадает на распределяющую линзу, которая отправляет его в нужное место на поверхности фотобарабана. Система зеркал и линз перемещает луч вдоль OPC, формируя строку. Поскольку печать производится точками, лазер постоянно включается – выключается и снимает заряд тоже точечно. Как только строка закончена, фотобарабан поворачивается пошаговым двигателем и экспонирование продолжается.
Проявка
Еще один вал, имеющийся в картридже, магнитный (Magnetic Developer Roller), представляет собой металлическую трубку с магнитным сердечником внутри. Вал расположен так, что часть его поверхности находится практически в заправочном бункере с тонером и закрывает его словно крышка. Внутри отсека магнит притягивает порошок к поверхности Magnetic Roller, и, вращаясь, выносит тонер наружу.
Чтобы регулировать толщину слоя порошка, предотвратить его неравномерное распределение на поверхности ролика, используется дозирующее лезвие (Doctor Blade, Metering Blade). Металлический каркас доктора крепится жестко, оставляя между гибкой пластиной на краю дозирующего лезвия и валом определенного размера щель. Таким образом, пропускается лишь тонкий слой порошка, а все лишнее сбрасывается назад в отсек. Неправильно установленный Doctor Blade – широкая или неровная щель – может стать причиной излишнего просыпания тонера и появления черных полос на распечатанной странице.
Далее тонер попадает между магнитным валом и OPC, где на экспонированных участках он притягивается к поверхности барабана, а на заряженных отталкивается. Порошок, оставшийся на Mag Roller, двигается дальше, снова проходит через бункер, где к освободившимся от тонера участкам магнитного вала притягивается новая порция краски и цикл повторяется. А тонер, переместившийся на фотобарабан, делает изображение на нем видимым, и следует к бумажному носителю.
У принтеров с отдельным драм-юнитом вы можете заметить признаки износа, что будет означать необходимость замены барабана. Вы начнете видеть точки и/или полосы на ваших распечатках, изображения станут светлее. У драм-юнита более длительный срок службы – до 100,000 страниц, по сравнению с тонер-картриджем, у которого всего 10,000 страниц.
Что же внутри
Лазерный принтер состоит из платы, лазерной головки, печатного блока – в него встроена печка и электродвижок для вращения барабана, а также картриджа. Картридж лазерного принтера – съемная заменяемая деталь.
Плата – это мозг принтера. Через плату происходит передача команд от компьютера к принтеру, управление всеми элементами, которые находятся внутри принтера, в том числе направлением лазерного луча.
Печатный блок. Печатный блок имеет сложное строение. Он сочетается в себе механические элементы – шестеренки и рычажки, с помощью которых происходит взаимосвязанное движение барабана, валиков подачи бумаги, подачи тонера и вывода отпечатанного листа; термические – электронагревательная полоска (печка), за которую такой печатный аппарат иногда называют термопринтером.
Картридж. Это основной печатный элемент лазерного принтера. Устройство картриджа лазерного принтера включает в себя несколько взаимосвязанных компонентов.
Как устроен картридж
Картридж лазерного принтера состоит из барабана, резинового роллера, магнитного роллера, лезвия дозирования тонера и бокса, в который засыпается тонер. По бокам картриджа установлены шестерни, с помощью которых роллеры и барабан приводятся в движение. Магнитный роллер состоит из внешнего корпуса и магнитного сердечника. Магнит притягивает частички тонера, а лезвие выравнивает их по всей поверхности вала.
Интересный факт! Картридж – это чисто механический аппарат, который запускается приводом. На картридже установлен небольшой чип, но он нужен только для сбора информации компьютером о количестве напечатанных страниц за все время работы принтера. Чип можно убрать – картридж будет работать также как и прежде.
Почти все модели картриджей поддерживают возможность повторного заполнения тонером. Картридж – это заменяемый элемент принтера. Через некоторое время в негодность приходит фотобарабан и магнитный роллер. Это сопровождается ухудшением качества печати, появлением белых и черных полос.
