Источники излучения в формном производстве

НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ
КАФЕДРА МЕДИАСИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ
ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

2012 г.

доц. Чеботарева И.Б.

Лекция № 2

ФОТОРЕГИСТРАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

характеристики и классификация источников света для фоторепродукционных процессов;
Тепловые источники

света;
Газоразрядные источники света;
Ксеноновые лампы;
Металлогалогенные лампы;
Люминесцентные лампы;
Ртутные лампы высокого давления;
Лазеры;
Принцип работы лазеров;
Основные свойства, параметры и характеристики лазеров;
Конструктивные особенности и основные виды лазеров.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

Литература:
1. Технологія формних процесів : Навчальний посібник / За заг. ред. проф. П. Л. Пашулі.– Львів : Афіша, 2002. – 176 с.
2. Основы светотехники : Учебник для вузов / А. Б. Шашлов, Р. М. Уварова, А. В. Чуркин : Моск. гос. ун-т печати. – М. : МГУП. 2002. – 280 с.
3. Полянский Н. Н., Карташева О. А., Надирова Е. Б. Технология формных процессов: Учебник / Н. Н. Полянский, О. А. Карташева, Е. Б. Надирова : Моск. гос. ун-т печати. – М. : МГУП. 2007. – 366 с.

преобразующее любой вид энергии в энергию электромагнитных излучений оптического диапазона

спектра.

В светотехнике за источник излучения принимают не только те тела, которые являются самосветящимися, но также и тела, отражающие или пропускающие свет.

Самосветящиеся тела – первичные источники,
источники отраженного или проходящего излучения – вторичные.

Источники света используются в фоторепродукционных процессах:

для освещения помещений,
при оценивании качества фотоформ (просмотровый стол),
для экспонирования фотоформ при их копировании,
при электронном растрировании,
в монтажном оборудовании,
устройствах для просмотра оригиналов и оттисков,
в сушильных устройствах печатных машин.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

сила света (достаточная для обеспечения на светочувствительном слое необходимого фотохимического

эффекта);
2) равномерность освещения оригинала;
3) отсутствие значительных колебаний освещенности во время экспонирования;
4) отсутствие чрезмерного тепловыделения для предотвращения перегрева технологического оборудования;
5) удобство и простота обслуживания;
6) экономичность в эксплуатации и др.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

потока – Ф, лм;
спектральный состав, то есть распределение светового

потока излучения в зависимости от длины волны – Ф(λ);
мощность электрического тока, которую потребляет источник света – Р, Вт;
цветовая температура излучения – T, °K;
отношение величины светового потока к мощности электрического тока, которую потребляет источник света или светоотдача – η, лм/Вт;
средняя продолжительность эксплуатации – t, ч.;
стабильность спектрального состава и светового потока излучения во время экспонирования и при продолжительном использовании источника;
размеры;
экономичность (цена, световая отдача, продолжительность работы);
эксплуатационные свойства (сложность осветительных устройств и схемы питания, время установления нормальных световых параметров, нагрев, влияние на экологию).

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

спектральному распределению потока излучения (световому потоку);
по размеру источников излучения;
по характеру

распределения силы излучения в пространстве (по форме фотометрического тела);
по времени действия излучения;
по цветовой температуре.

По принципу действия источника излучения делятся на :
тепловые (лампы накаливания),
газоразрядные,
смешанного излучения.

Отдельный класс составляют источники интенсивного параллельного когерентного излучения – лазеры.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

преобразование энергии электрического тока в световую, которое осуществляется путем накала

за счет разогрева до 2200-3000° К из-за большого сопротивления вольфрамовой спирали, помещенной в стеклянный баллон с откаченным воздухом или наполненным инертным газом.

Спектральная характеристика
излучения источников:
теплового (кривая 1)
ксенонового (кривая 2)



Недостатки: низкий КПД, больше тепловой энергии, чем световой

Одной из разновидностей усовершенствованных тепловых источников является йодкварцовые лампы.
Их действие основано на том, что при нагревании соединений йода, которые входят в состав металла нити накала, он испаряется и противодействует испарению и оседанию атомов вольфрама на поверхность стеклянного баллона, что увеличивает продолжительность работы и улучшает светотехнические характеристики ламп

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

на свечении ионизированного газа при прохождении электрического тока через него.

В стеклянной колбе, заполненной инертными газами или парами металлов происходит электрический разряд. В результате этого процесса атомы или молекулы газа возбуждаются электронным ударом и затем, испуская свет, переходят в исходное состояние.

Газоразрядные источники образуют линейчатый спектр.
Поток излучения источника cкладывается
из монохроматических потоков отдельных линий


ФΣ – общий поток излучения источника с линейчатым спектром;
– монохроматические потоки излучения отдельных линий.

Цвет излучения и характер спектра зависят от состава газа и условий разряда.
Газоразрядные лампы могут быть непрерывного или импульсного горения.
В газоразрядных лампах непрерывного горения обычно используют тлеющий и дуговой разряды
Наиболее распространены
ксеноновые, металогалогенные и люминесцентные лампы.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

газом ксеноном под давлением до 20 атм. (105-106 паскалей), в

котором и происходит газовый дуговой разряд, сопровождающийся очень интенсивным световым излучением, которое по своему составу близко к дневному.

Используются при экспонировании фотоматериала для цветоделения и аналоговой цветопробы.

Достоинства ксеноновых ламп:
высокая интенсивность,
постоянная цветовая температура,
достигают максимальной интенсивности излучения сразу
после включения.
Недостатки:
спектр излучения содержит ограниченное количество
УФ лучей;
при работе ламп выделяется большое количество тепла, что
требует принудительного искусственного охлаждения.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

дугового разряда в парах ртути высокого давления и галогенов (йодидов)

металлов (диспрозия, галлия, натрия, кобальта, никеля, железа, свинца и т.д.).

Используются в копировальных устройствах для экспонирования материалов, чувствительных к ультрафиолетовым лучам (формные пластины с копировальным слоем на основе диазосоединений или на основе фотополимеров, фотопленки, применяемые для работы в освещенном помещении, цветопробные материалы)

Достоинства металлогалогенных ламп:
большая мощность (от 500 до 8000 Вт),
сравнительно небольшие габариты,
прямолинейная форма.
Недостатки:
требуется много времени для выхода в рабочий режим,
после выключения невозможное быстрое повторное
включение.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

лампы с примесью галлия, имеющие максимумы
излучения с длиной волн

410 и 420 нм.
Они используются практически только для
копирования на офсетные пластины с
копировальным слоем на основе диазосоединений.

2) лампы с примесью железа. Они создают более
широкий спектр излучения в диапазоне от
350 до 450 нм. Такие лампы целесообразно
использовать для экспонирования формных
пластин со светочувствительным покрытием
на основе фотополимеров, пленок, пригодных
для работы при дневном свете, цветопробных
материалов

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

веществ излучать энергию, накопленную в пределах атома при переходе электронов

с более высоких энергетических уровней на более низкие.

Фотолюминесценция – это фотовозбуждение люминофора – вещества с дефектами кристаллической решетки. Оно способно излучать в видимой зоне спектра (светить) как в процессе возбуждения, так и после – фотонами поглощенного УФ-излучения оптической части спектра.

Люминесцентные лампы представляют собой стеклянную трубку с откачанным воздухом, внутри которой находятся небольшое количество ртути и малая доза инертного газа (аргона или криптона). Порошкообразные люминофоры наносят на внутреннюю поверхность трубки в виде тонкого равномерного слоя. Образующийся при включении электрический разряд в парах ртути дает линейчатый спектр, большая часть которого излучается в УФ-диапазоне. Это коротковолновое излучение ртути возбуждает видимое свечение люминесцентного покрытия внутри трубки.

Используются в контактно-копировальных станках,
устройствах для просмотра оригиналов и фотоформ,
в монтажных столах.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

в смеси люминесцентная лампа дает свечение разного цвета.
Выпускаются люминесцентные лампы,

излучающие белый или зеленый свет.












Спектр излучения белых Спектр излучения зеленых
люминесцентных ламп люминесцентных ламп
Достоинства:
выделяют малое количество тепла и потому не требуют охлаждения;
практически сразу после включения обеспечивают максимальное излучение (отсутствует период нагрева);
потребляют сравнительно мало электроэнергии.
более экономичны и дольше служат по сравнению с лампами накаливания.
Недостатки:
дают сравнительно много рассеянного излучения;
недостаточная мощность.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

инертным газом (аргоном) под низким давлением, а также небольшим количеством

ртути. После зажигания разряда в лампе ртуть начинает испаряться и давление в лампе повышается. Максимальная интенсивность излучения лампы достигается после полного испарения ртути.

Излучение ламп находится в коротковолновой УФ-области спектра
Применяются для сушки красок и лаков на оттисках в печатных машинах.


Недостаток:
для повторного включения
лампы её необходимо
сначала охладить до полной конденсации ртути



Спектр излучения ртутных ламп

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

когерентного электромагнитного (оптического) излучения, формируемого путем вынужденного (стимулированного) излучения микрочастиц

(атомов, молекул) вещества.
В лазере энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч.

При переходе атома на более высокий
энергетический уровень происходит
поглощение порции излучения -
кванта света, или фотона.
При переходе атома на более низкий
уровень происходит испускание фотона.

hν=Е2 – E1

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

света надо создать необычную ситуацию, когда число атомов или молекул

на более высоком уровне энергии больше, чем на нижнем, т.е. надо создать инверсную (обращенную) населенность энергетических уровней в веществе, следовательно привести атомную систему в возбужденное состояние.

Инверсия населенностей равнозначна энергетическому обогащению вещества, происходящему за счет подвода к нему энергии извне.

Методом получения инверсии, применяемым в лазерах, является накачка, заключающаяся в облучении активной среды лазера светом (оптическая накачка) или в возбуждении активной среды электрическим током (электрическая накачка).

Активная среда, в которой получают лазерный эффект, оказывает принципиальное влияние на параметры лазера и определяет его конструкцию.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

колебаний необходимо:
использование квантовой структуры (системы) с избирательным «заселением» (возбуждением) одного

или нескольких энергетических уровней, позволяющих обеспечить инверсию населенностей (избыточную концентрацию возбужденных микрочастиц);
создание путем внешней электрической или оптической накачки активной среды, обладающей избыточной концентрацией возбужденных микрочастиц и способной существенно усиливать электромагнитное (оптическое) излучение;
помещение активной среды в оптический резонатор, обеспечивающий эффективное возбуждение и систематическую генерацию лазерных колебаний путем многократного отражения оптического (лазерного) луча и, как следствие, положительной обратной связи, систематически подпитывающей (регенирующей) лазерные колебания.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

резонатор
(1 – полностью отражающее
зеркало
2 - частично пропускающее

выходное зеркало),
активная среда – 3,
устройство накачки - 4.


При подаче излучения определенной частоты устройством накачки 4 в активной среде 3 возникает избыток возбужденных атомов. Спонтанные фотоны, возникающие внутри активной среды, взаимодействуют с возбужденными атомами и в конечном счете инициируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которая и образует лазерный луч. За счет отражения от двух параллельных зеркал оптического резонатора увеличивается плотность вынужденного излучения и формируется его направление. Лазерный луч выходит в виде параллельного пучка света из резонатора через выходное зеркало 2, частично пропускающее световое излучение.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

направленность, малая расходимость лазерного излучения;
концентрация световой энергии в небольших объемах,

громадная плотность энергии, малая зона энергетического (теплового) воздействия;
большая дальность действия, высокая точность и разрешающая способность лазерного луча;
формирование кратковременных импульсов света, значительная мощность лазерного излучения;
монохроматичность, высокая стабильность частоты лазерных колебаний;
малая длина волны, высокая частота лазерных колебаний, большая пропускная способность каналов оптической (лазерной) связи;
широкий спектральный диапазон (от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области), обеспеченный промышленными (серийными) источниками лазерного излучения;
повышенная помехоустойчивость и помехозащищенность лазерной связи;
возможность пространственной модуляции лазерного излучения.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

свойства:
Монохроматичность. Монохроматическим можно считать излучение, ширина спектра которого близка к

нулю.
Когерентность - согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении.
Колебания называют когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени и при сложении колебаний определяет амплитуду суммарного колебания.
Направленность. Направленным является излучение, распространяющееся в пределах небольшого телесного угла.
Мерой параллельности излучения является расходимость лазерного пучка.
Интенсивность - применяется для оценки фотометрических величин, с помощью которых характеризуется излучение лазера: силы излучения, поток излучения, яркость потока. При больших значениях этих величин утверждается, что излучение является интенсивным.
Поляризованность. Поляризованным называют излучение, которое можно представить электрическим вектором, величина и направление которого в данной точке пространства закономерно меняются с течением времени.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

типы лазеров:

красные гелий-неоновые (He-Ne)
газовые лазеры (λ = 633

нм);
голубые аргон-ионные (Ar+)
газовые лазеры (λ = 488 нм);
красные маломощные
лазерные диоды (λ = 670-680 нм);
ультрафиолетовые аргон-ионные (Ar+)
газовые лазеры (λ = 350-364 нм);
инфракрасные мощные
газовые СО2­ лазеры (λ = 1060 нм);
инфракрасные мощные
лазерные диоды (IR) (λ = 830-870 нм);
инфракрасные мощные
твердотельные лазеры на иттрий-алюминиевом
гранате с неодимом (ND:YAG), (λ = 1064 нм);
зеленые твердотельные лазеры
на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом
утроенной частоты (FD:YAG) (λ = 532 нм);
ультрафиолетовые твердотельные лазеры
на иттрий­алюминиевом гранате с неодимом
удвоенной частотой (ND:YAG) (λ = 354 нм);
фиолетовые лазерные диоды (λ = 400-410 нм);
инфракрасные волоконные лазеры
с полупроводниковой накачкой (λ = 1112 нм).

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

Диапазоны мощностей и длины волн лазеров

активную среду электрического тока (тлеющий разряд).
Свободные электроны, возникающие в

процессе разряда, при столкновениях с микрочастицами (атомами, ионами, молекулами) газа, посредством электронного удара возбуждают их и переводят на более высокие уровни энергии. Если время жизни возбужденных микрочастиц на верхних энергетических уровнях относительно велико, то в газовой среде создается четко выраженная и устойчивая инверсия населенностей.
В газовых лазерах трубка с активным газом
помещается в оптический резонатор,
состоящий из двух параллельных зеркал, одно
из которых является полупрозрачным.
Оптическая волна, распространяясь через активный
газ, усиливается и создает лавину фотонов. Дойдя до
полупрозрачного зеркала, волна частично выходит за
пределы резонатора, создавая выходное лазерное
излучение. Другая часть оптической энергии
отражается от зеркала и порождает новую лавину
фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе
и направлению дальнейшего распространения

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

№ 2 Источники излучения в формном производстве

оптическая накачка.
Накачка производится через охлаждающую рабочее вещество - жидкость и

осуществляется с помощью излучения газоразрядных ламп, светодиодов, лазеров. Наиболее распространенная ламповая накачка

В конструкции твердотельного лазера
используются активный (лазерный)
стержень 1 и лампа накачки 2 одинаковой
(«карандашной») конструкции. Зеркала 3
и 4 оптического резонатора разделены
управляющим оптическим затвором 5.
Для эффективного применения энергии
оптической накачки стержень 1 и лампа 2
помещены в замкнутый рефлектор 6
эллиптической формы. При этом элементы
1 и 2 размещаются в фокусах эллиптического
сечения рефлектора, что позволяет
сконцентрировать энергию оптической
накачки в объеме активной среды.
Рефлектор 6 заполнен охлаждающей жидкостью,
которая периодически прокачивается через лазер.

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

создаются в основном на основе кристаллов иттрий-алюминиевого граната с добавкой

ионов неодима (Nd: YAG).
Вариант исполнения ND:YAG-лазера с ламповой накачкой





Вариант исполнения Nd:YAG-лазера с полупроводниковой накачкой

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

1 – заднее зеркало;
2 – лазерные диоды оптической накачки;
3 – кристалл Nd:YAG;
4 – корпус;
5 – заслонка;
6 – выходное зеркало,
7 – модулятор света;
8 – фокусирующая оптическая система

1 – заднее зеркало;
2 – лампа накачки;
3 – кристалл Nd:YAG;
4 – отражатель;
5 – заслонка;
6 – выходное зеркало;
7 – модулятор света;
8 – фокусирующая оптическая система

№ 2 Источники излучения в формном производстве

накачки, как у газовых или твердотельных лазеров. В качестве накачки

также используются лазерные диоды.
Излучение возникает в тонком волокне (диаметр 6­8 мкм), которое находится внутри кварцевого волокна диаметром 400­600 мкм. Излучение лазерных диодов накачки вводится в кварцевое волокно и распространяется вдоль всего составного волокна, имеющего в длину несколько десятков метров.
Оптическая система с волоконным лазером

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

1 – сердцевина, легированная иттербием, диаметр 6-8 мкм;
2 – кварцевое волокно, диаметр 400-600 мкм; 3 – полимерная оболочка;
4 – внешнее защитное покрытие;
5 – лазерные диоды оптической накачки;
6 – оптическая система накачки;
7 – волокно (до 40 м);
8 – коллиматор;
9 – модулятор света;
10 – фокусирующая оптическая система

№ 2 Источники излучения в формном производстве

средой является полупроводниковый кристалл. Наиболее распространенный способ накачки – пропускание

через кристалл тока.
Полупроводниковый инжекционный лазер представляет собой двухэлектродный прибор с p-n-переходом (поэтому часто используется термин «лазерный диод»), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход.
Конструкция полупроводникового лазера

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

№ 2 Источники излучения в формном производстве

фоторепродукционных процессов. Основные характеристики (технико-экономические, эксплуатационные)
Назначение и классификация источников

излучения для фоторепродукционных процессов.
Принцип действия тепловых источников излучения.
Газоразрядные источники излучения: классификация и принцип действия.
Принцип действия ксеноновых ламп, их достоинства и недостатки.
Принцип действия люминесцентных ламп, их достоинства и недостатки.
Понятие лазера, его использование.
Принцип работы лазерного источника.
Основные свойства, параметры и характеристики лазеров.
Газовые лазеры (назначение, принцип действия, достоинства, недостатки).
Твердотельные лазеры (назначение, принцип действия, достоинства, недостатки).
Полупроводниковые лазеры (назначение, принцип действия, достоинства, недостатки).

Лекция № 2 Источники излучения в формном производстве

в формном производстве