Лазерные технологии

      Рассмотрим  некоторые уникальные свойства лазерного  излучения.

      При спонтанном излучении атом излучает спектральную линию 
конечной ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью интенсивность 
излучения этой лавины будет возрастать   прежде всего   в центре 
спектральной линии данного атомного перехода, и в результате этого 
процесса ширина спектральной линии первоначального   спонтанного 
излучения будет уменьшаться. На практике в специальных условиях 
удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного 
излучения в 1*10000000-1*100000000 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в природе.

      Кроме сужения линии излучения в   лазере удается получить 
расходимость луча менее 0,00001 радиана, т. е. на уровне угловых секунд.

      Известно, что направленный узкий луч света  можно получить в 
принципе от любого источника, поставив на пути светового потока ряд 
экранов с маленькими отверстиями, расположенными на одной прямой. 
Представим себе, что мы взяли нагретое черное тело и с помощью диафрагм получили луч света, из которого посредством призмы   или  другого спектрального   прибора   выделили луч   с   шириной     спектра, 
соответствующей ширине спектра лазерного излучения. Зная мощность 
лазерного излучения, ширину его спектра и угловую расходимость луча, 
можно  с    помощью  формулы    Планка  вычислить температуру 
воображаемого черного   тела, использованного в качестве источника 
светового луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет приведет нас к фантастической цифре: температура черного тела должна быть порядка десятков миллионов градусов! Удивительное свойство лазерного луча – его высокая эффективная температура (даже при относительно малой средней мощности лазерного излучения или малой энергии лазерного импульса) открывает перед исследователями большие возможности,  абсолютно неосуществимые без использования лазера.

      Лазеры    различаются:    способом  создания    в  среде инверсной 
населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка, 
возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей 
средой (газы,  жидкости, стекла,   кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный). 
Эти различия определяются      многообразием    требований    к 
характеристикам лазера в связи  с его  практическими применениями. 
Существуют непрерывно накачиваемые лазеры (энергия возбуждения 
поступает в активный элемент лазера непрерывно), излучение которых имеет вид   либо   непрерывного   светового   потока,   либо   регулярной 
последовательности световых импульсов. Частота следования лазерных 
импульсов может быть очень высокой - до 107 импульсов в секунду. Лазеры с импульсной накачкой (энергия возбуждения поступает в активный элемент отдельными   импульсами)  могут  излучать  "гигантские   импульсы" (длительность импульса 10-8с, интенсивность импульса в максимуме до 106 кет), а также сверхкороткие световые импульсы (длительность импульса 10- 12 с, интенсивность в максимуме до 109 кет). В качестве активных элементов 
лазеров применяются различные кристаллы, стёкла, полупроводниковые

      материалы, жидкости, а также газовые среды. Для возбуждения газовые 
активных сред используется электрический разряд в газе. 
Укажем основные типы лазеров:

      а) твёрдотельные (на рубине, на гранатах или стёклах, активированных 
неодимом);

      б) газоразрядные (на смеси гелия и  неона, на ионизированном аргане, на 
углекислом газе);

      в) жидкостные (на растворах органических красителей);

      г) полупроводниковые (на чистых полупроводниках, на контактирующих 
друг с другом примесных полупроводниках разного типа);

      д) химические (на газовых смесях, в  которых происходят химические 
реакции с выделением энергии);

      е) газодинамические (на реактивной струе  газа).

      2. Газовые лазеры

      Газовые лазеры представляют собой, пожалуй, наиболее широко 
используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам также, по-видимому, посвящена большая часть выполненных исследований. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому  требованию, предъявляемому  к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов. В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той  простой причине,  что плотность  атомов в  них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового   лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, и в ряде случаев был достигнут определенный успех, однако он всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких признаков уменьшения популярности.

      Особенности газовых лазеров большей часто  обусловлены тем, 
что   они,   как   правило,  являются   источниками атомных    или 
молекулярных  спектров.   Поэтому длины волн  переходов   точно 
известны они определяются атомной структурой и обычно не зависят 
от условий окружающей среды. Стабильность длины волны генерации 
при  определенных усилиях может быть значительно улучшена по 
сравнению со стабильностью спонтанного   излучения. В настоящее 
время имеются лазеры с монохроматичностью, лучшей, чем в любом 
другом приборе. При соответствующем выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, от ультрафиолетовой (~2000 А) до далекой инфракрасной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область. Нет также оснований сомневаться, что в будущем удастся создать лазеры для вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды   с низким   коэффициентом   преломления,   что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры мод резонатора и дает уверенность в  том, что  свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя к. п. д. превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако 
благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для 
большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов.    Что касается большой мощности в непрерывном режиме (в противоположность импульсной мощности), то природа газовых лазеров позволяет им в этом отношении превзойти все другие типы лазеров.

      3.Полупроводниковые  лазеры

      Основным  примером работы полупроводниковых  лазеров является 
магнитно-оптический накопитель (МО). Принципы работы МО накопителя состоит в том, что МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического принципа хранения информации. Записывание информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только лазера.

      В процессе записи на МО диск лазерный   луч нагревает 
определенные точки на диски, и под воздействием температуры 
сопротивляемость изменению полярности, для нагретой точки, резко падает, что позволяет магнитному полю изменить полярность   точки. После окончания нагрева сопротивляемость снова увеличивается нополярность нагретой точки остается в соответствии с магнитным полем примененным к ней в момент нагрева. В имеющихся на сегодняшний день МО накопителях для записи информации применяются два цикла, цикл стирания и цикл записи. В процессе стирания магнитное поле имеет одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. Лазерный луч нагревает 
последовательно весь стираемый участок и таким образом записывает 
на диск последовательность нулей. В цикле записи полярность магнитного поля меняется на противоположную, что соответствует двоичной единице. В этом цикле лазерный луч включается только на тех участках, которые должны содержать двоичные единицы, и оставляя участки с двоичными нулями без изменений.

      В процессе чтения с МО диска используется эффект Керра, 
заключающийся в изменении плоскости поляризации   отраженного 
лазерного луча, в  зависимости  от  направления  магнитного  поля отражающего элемента. Отражающим элементом в данном   случае 
является намагниченная при записи  точка  на  поверхности  диска, 
соответствующая одному биту хранимой информации. При считывании 
используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к 
нагреву считываемого участка, таким образом, при считывании хранимая 
информация не разрушается.

      Такой способ в отличии от обычного применяемого в оптических 
дисках не деформирует поверхность диска и позволяет повторную запись без дополнительного оборудования. Этот способ также имеет преимущество перед традиционной магнитной записью в плане надежности. Так как перемагничеваниие участков диска возможно только под действием высокой  температуры,  то  вероятность случайного перемагничевания очень низкая, в отличии от традиционной магнитной записи, к потери которой могут привести случайные магнитные поля.

      Область применения МО дисков определяется   его 
высокими характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО 
диск необходим для задач, требующих большого дискового объема, это 
такие задачи,  как САПР, обработка изображений звука. Однако 
небольшая скорость доступа к данным, не дает возможности применять 
МО диски для задач с  критичной  реактивностью  систем. Поэтому 
применение МО дисков в таких задачах сводится к хранению на них 
временной или резервной информации. Для МО дисков очень выгодным 
использованием является резервное копирование жестких дисков или баз 
данных. В отличии от традиционно применяемых для этих целей стримеров, при хранение резервной  информации  на МО дисках, существенно увеличивается скорость восстановления   данных после   сбоя.   Это объясняется тем, что   МО   диски   являются устройствами   с 
произвольным   доступом,   что   позволяет восстанавливать только те 
данные в которых обнаружился сбой. Кроме этого при таком способе 
восстановления нет необходимости полностью останавливать систему до 
полного восстановления данных. Эти достоинства в сочетании с высокой 
надежностью  хранения информации делают применение МО дисков при 
резервном копировании выгодным, хотя и более дорогим по сравнению со стримерами.

      Применение  МО дисков, также целесообразно при  работе с 
приватной информацией больших объемов. Легкая сменяемость дисков 
позволяет использовать их только во время работы, не заботясь об охране компьютера в нерабочее время, данные могут хранится в отдельном, охраняемом месте. Это же свойство делает МО диски незаменимыми в ситуации когда необходимо перевозить большие объемы с места на место, например с работы домой и обратно.

      Основные  перспективы развития МО дисков связаны  прежде всего с увеличением скорости записи данных. Медленная скорость определяется в первую очередь двухпроходным  алгоритмом записи. В этом алгоритме  нули и единицы пишутся за разные проходы, из-за того, что магнитное  поле, задающие направление поляризации  конкретных точек на диске, не может  изменять свое направление достаточно быстро.

      Наиболее  реальная альтернатива двухпроходной  записи - это 
технология, основанная на изменение фазового состояния. Такая система 
уже реализована некоторыми фирмами производителями. Существуют 
еще несколько разработок в этом направлении, связанные с полимерными красителями и модуляциями магнитного поля и мощности излучения лазера.

      Технология  основанная на изменении   фазового   состояния, 
основана на способности вещества переходить   из   кристаллического 
состояния в аморфное. Достаточно  осветить  некоторую  точку  на 
поверхности диска лучом лазера определенной мощности, как вещество 
в этой точке перейдет в аморфное состояние. При этом изменяется 
отражающая способность диска в этой точке. Запись информации  происходит значительно быстрее, но при этом процессе деформируется 
поверхность диска, что ограничивает число циклов перезаписи.

      Технология  основанная на   полимерных   красителях,   также 
допускает повторную запись. При этой технологии поверхность диска 
покрывается   двумя   слоями   полимеров,   каждый   из   которых 
чувствителен к свету определенной частоты. Для записи используется 
частота, игнорируемая верхним слоем, но вызывающая реакцию в нижнем. В точке падения луча нижний слой разбухает и образует выпуклость, влияющую на отражающие свойства поверхности диска. Для стирания используется другая частота, на которую реагирует только верхний слой полимера, при реакции выпуклость сглаживается. Этот метод как и предыдущий имеет ограниченное число циклов записи, так как при записи происходит деформация поверхности.

      В настоящие время уже разрабатывается  технология позволяющая 
менять полярность магнитного поля на противоположную всего за несколько наносекунд.  Это  позволит изменять магнитное   поле 
синхронно с поступлением данных на запись. Существует   также 
технология   построенная   на   модуляции излучения лазера. В этой 
технологии дисковод работает в трех режимах - режим чтения с низкой 
интенсивностью, режим записи со средней интенсивностью и режим записи с высокой интенсивностью. Модуляция интенсивности лазерного луча требует более сложной структуры  диска, и  дополнения   механизма дисковода инициализирующим магнитом, установленным перед магнитом смещения и имеющим противоположную полярность. В самом простом случае диск имеет  два  рабочих  слоя  -  инициализирующий  и записывающий. Инициализирующий слой сделан из такого материала, что инициализирующий магнит может изменять его полярность без дополнительного   воздействия   лазера. В  процессе записи инициализирующий слой записывается нулями, а при воздействии лазерного   луча   средней   интенсивности   записывающий слой намагничивается инициализирующим, при воздействии луча высокой интенсивности, записывающий слой намагничивается в соответствии  с полярностью магнита смещения. Таким образом запись данных может происходить за один проход, при переключении мощности лазера.