Оптические запоминающие устройства
Особенности оптических ЗУ. Оптическими запоминающими устройствами (ЗУ), или оптическими накопителями, называются устройства, в которых запись данных на носитель и считывание с него осуществляются с помощью лазера, генерирующего монохроматические электромагнитные колебания оптического диапазона в виде узконаправленного пучка света. Название «лазер» является аббревиатурой LASER английского сочетания слов Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью индуцированного излучения.
Носителями данных ЗУ служат оптические компакт-диски (Compact Disks — CD), пришедшие на смену музыкальным компакт- дискам, которые были разработаны для хранения звуковой информации и использовались в высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре, обеспечивая 74 минуты звучания. Позднее музыкальные компакт-диски были модифицированы для записи/чтения цифровой информации. Название «компакт-диск» обусловлено тем, что диск при достаточно малых размерах способен хранить большой объем информации. Например, на компакт-диск диаметром 120 мм можно записать 640 Мбайт двоичной информации. Для хранения такого объема информации потребовалось бы 444 дискеты высокой плотности записи.
Оптическое ЗУ помимо компакт-диска содержит блок оптико-механического привода, выполняющий функции, подобные функциям дисковода в накопителях на гибких магнитных дисках. Дисководы для считывания цифровых данных отличаются от подобных дисководов для музыкальных компакт-дисков наличием электронной схемы, наделенной дополнительными функциями выявления и коррекции ошибок. Это связано с недопустимостью ошибок при считывании цифровой (в отличие от звуковой) информации.
Накопители на магнитных и оптических дисках имеют общие принципы построения и функционирования. Их основными узлами являются дисковый носитель информации (данных), головка для за- писи/считывания и блок электропривода для вращения носителя и позиционирования головки. С помощью головки осуществляется запись данных на дисковый носитель и считывание с него. Однако использование оптического способа записи/считывания придает ряд характерных особенностей рассматриваемым запоминающим устройствам. Эти особенности отражаются на конструкции, характеристиках и параметрах оптических ЗУ, определяющих их достоинства и недостатки. Прежде всего оптические ЗУ относятся к накопителям со съемным диском. Многодисковые накопители, подобные винчестерам, не выпускаются, что объясняется сравнительно сложной конструкцией оптико-механического блока привода.
Запоминающие устройства на компакт-дисках стали неотъемлемой частью всех современных компьютеров. Если первые модели оптических ЗУ создавались как самостоятельные внешние устройства, то сегодня все модели выполняются как внутренние компоненты системного блока компьютера.
Конструкция компакт-дисков. Компакт-диск представляет собой поликарбонатную пластину диаметром 120 мм и толщиной 1,2 мм. В центре диска расположено отверстие диаметром 15 мм для установки в дисковод. На диске размещена спиральная дорожка, которая начинается на внутренней и заканчивается на внешней части диска.
Вдоль дорожки нанесена информация в виде впадин (Pit) и площадок (Land). Для CD-ROM длина дорожки составляет 5772 м, ширина — 0,5 мкм, расстояние между витками — 1,6 мкм. Диск имеет многослойную структуру (рис. 12.1). Число слоев и сторон, используемых для записи/считывания, зависит от типа диска. Основными слоями цифрового оптического диска являются:
=> основа, в качестве которой обычно используется поликарбонат — синтетический полимер:
- • представляющий собой твердое бесцветное или желтое прозрачное вещество с температурой плавления от 150 до 270 °С;
- •устойчивый к действию воды, солей, минеральных и органических кислот и слабых растворов щелочей;
- • обладающий высокими физико-механическими характеристиками и электроизоляционными свойствами;
- •являющийся оптически прозрачным;
=> регистрирующий слой, предназначенный для фиксации данных при записи. Его материал зависит от типа компакт-диска;
=> отражающий (зеркальный) слой, выполненный из золотой или серебряной пленки либо из алюминия и его сплавов;
=> защитный слой из прозрачного лака.
Рис. 12.1. Физическая структура компакт-диска
Устройство и принцип работы накопителя. На рис. 12.2 приведена упрощенная структура накопителя на компакт-дисках. В его состав входят следующие основные компоненты:
=» полупроводниковый лазер, генерирующий световой поток с требуемыми длиной волны и интенсивностью для записи и считывания данных;
=> фотоприемник, предназначенный для преобразования светового потока в электрический сигнал, декодирования и передачи его в центральную часть компьютера;
=> подвижная каретка, перемещаемая с помощью серводвигателя к нужной дорожке на компакт-диске. Серводвигатель управляется командами, поступающими от встроенного процессора. На каретке установлены отражающее зеркало и фокусирующая линза’,
=> разделительная призма и фокусирующая линза, предназначенные для направления отраженного луча на фотоприемник в режиме считывания.
Рис. 12.2. Упрощенная структура накопителя на компакт-дисках
При записи данных лазерный луч повышенной интенсивности, достигая поверхности диска, оставляет на регистрирующем слое впадину. Если лазерный луч выключен, в регистрирующем слое формируется площадка.
При считывании на диск воздействуют лазерным лучом пониженной интенсивности. Используются два механизма считывания: => так как высота впадины составляет четверть длины волны светового потока, то отраженный от впадины световой поток проходит путь, на половину длины волны больший, чем поток, отраженный от площадки. Волны на границе впадины и площадки находятся в противофазе и, складываясь, гасят друг друга. Разность световых потоков фиксируется в фотоприемнике;
=> при использовании в качестве впадины выжженного красителя (CD-R) впадины не отражают свет, а площадки отражают.
Оптический принцип записи и считывания информации.
В лазерных дисководах СD-RОМ и DVD-ROM используется оптический принцип записи и считывания информации.
В процессе записи информации на лазерные диски для создания участков поверхности с различными коэффициентами отражения применяются различные технологии: от простой штамповки до изменения отражающей способности участков поверхности диска с помощью мощного лазера. Информация на лазерном диске записывается на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью.
При соблюдении правил хранения (в футлярах в вертикальном положении) и эксплуатации (без нанесения царапин и загрязнений) оптические носители могут сохранять информацию в течение десятков лет.
В процессе считывания информации с лазерных дисков луч лазера, установленного в дисководе, падает на поверхность вращающегося диска и отражается. Так как поверхность лазерного диска имеет участки с различными коэффициентами отражения, то отраженный луч также меняет свою интенсивность (логические 0 или 1). Затем отраженные световые импульсы преобразуются с помощью фотоэлементов в электрические импульсы и по магистрали передаются в оперативную память.
Лазерные дисководы и диски.
Лазерные дисководы (СD-RОМ и DVD-ROM — рис. 1.7) используют оптический принцип чтения информации.
На лазерных СD-RОМ (СD — Compaсt Disk, компакт-диск) и DVD-RОМ (DVD — Digital Video Disk, цифровой видеодиск) дисках хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна, что отражено во второй части их названий: RОМ (Read Оп1у Меmогу — только чтение). Производятся такие диски путем штамповки и имеют серебристый цвет.
Информационная емкость СВ-КОМ диска может достигать 650 Мбайт, а скорость считывания информации в СD-RОМ-накопителе зависит от скорости вращения диска. Первые СD-RОМ-накопители были односкоростными и обеспечивали скорость считывания информации 150 Кбайт/с. В настоящее время широкое распространение получили 52-скоростные СD-RОМ-накопители, которые обеспечивают в 52 раза большую скорость считывания информации (до 7,8 Мбайт/с).
DVD-диски имеют гораздо большую информационную емкость (до 17 Гбайт) по сравнению СD-дисками. Во-первых, используются лазеры с меньшей длиной волны, что позволяет размещать оптические дорожки более плотно. Во-вторых, информация на DVD-дисках может быть записана на двух сторонах, причем в два слоя на одной стороне.
Первое поколение DVD-RОМ-накопителей обеспечивало скорость считывания информации примерно 1,3 Мбайт/с. В настоящее время 16-скоростные DVD-RОМ-дисководы достигают скорости считывания до 21 Мбайт/с.
Существуют СD-R и DVD-R-диски (R — recordable, записываемый), которые имеют золотистый цвет. Информация на такие диски может быть записана, но только один раз. На дисках СD-RW и DVD-RW (RW — ReWritable, перезаписываемый), которые имеют «платиновый» оттенок, информация может быть записана многократно.
Для записи и перезаписи на диски используются специальные СD-RW и DVD-RW-дисководы, которые обладают достаточно мощным лазером, позволяющим менять отражающую способность участков поверхности в процессе записи диска. Такие дисководы позволяют записывать и считывать информацию с дисков с различной скоростью. Например, маркировка CD-RW-дисковода «40х12х48» означает, что запись СD-R-дисков производится на 40-кратной скорости, запись СD-RW-дисков — на 12-кратной, а чтение — на 48-кратной скорости.
Flash-память.
Flash-память — это энергонезависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах. Карты flash-памяти (рис. 1.8) не имеют в своем составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах (портативных компьютерах, цифровых камерах и др.).
Flash-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный плоский корпус. Для считывания или записи информации карта памяти вставляется в специальные накопители, встроенные в мобильные устройства ил подключаемые к компьютеру через USB-порт. Информационная емкость карт памяти может достигать 512 Мбайт.
К недостаткам flash-памяти следует отнести то, что не существует единого стандарта и различные производители изготавливают несовместимые друг с другом по размерам электрическим параметрам карты памяти.
Учебно-методический комплекс
Мой учебно-методический комплекс состоит из:
б). Пояснительной записки, которую я сделал в программе Microsoft Word
в). Презентации сделанная мной в программе Power Point, в которой представлена информация о компьютерной памяти
г). Исследования. Я сделал это в программе Microsoft Excel.
д). Тест (сделанный в программе Visual Basic), в котором содержатся важные вопросы по теме «Компьютерная память»
Web страница
Работая над главной страницей своего Web сайта, я использовал программу Блокнот из стандартного набора операционной системы Microsoft Windows. На основе HTML кода с помощью этого текстового редактора я сделал домашнюю страницу.
Web страница «Школьные новости» разработана в текстовом редакторе Microsoft Word. Я делал так: в меню Файл выбрал пункт «Сохранить как Web страницу». Далее создал таблицу, состоящую из одной строки и нескольких столбцов. В нее вставил два анимационных рисунка и название самой страницы . Затем с помощью панелиWeb компонентов сделал бегущую строку «Новости МОУСОШ №7 г. Новочеркасска».
Проделав всё это добавил таблицу , вставил в нее три ссылки : « Главная страница »,
« Школьные новости » , « Моя работа » . В этом мне помогло меню Вставка – Гиперссылка
Пояснительная записка
Пояснительную записку я выполнил в программе Microsoft Word. Текст реферата я вводил с помощью клавиатуры.
Пояснительная записка содержит текст по теме «Компьютерная память».
Пояснительная записка состоит из почти двух десятков страниц текста по теме «Компьютерная память» и из шести страниц практической работы.
Текст в программе Microsoft Word набран шрифтом «Arial», размером 14. Выравнивание текста выбрано «По ширине».
В конце реферата мной сделан вывод, который был основыван на тексте реферата.
Презентация
Презентация на тему «Компьютерная память» была сделана в
программе Microsoft Power Point. Презентация включает в
При создании слайда я выбирал автомакет слайда, и
затем в полях для размещения текста я вводил текст с
Пользуясь командой: Формат – Шрифт я выбирал цвет,
шрифт и размер текста. Настройка анимации делается следующим образом: выделив нужный слайд, задаются команды: Показ слайдов – Смена слайдов.
Исследования
Исследования по теме «Компьютерная память» я выполнил в программе Microsoft Excel. Для этого, в таблице Excel я отобразил табличку:
ёмкость | Год |
20Гбайт | 1988 |
60Гбайт | 1992 |
120Гбайт и более | 1996 |
Выделив столбцы я вызвал с панели инструментов «Мастер диаграмм».
Далее указал значения по оси ОX и оси ОY. После выведения диаграммы на лист, нажимая правую клавишу мыши по области диаграммы и выбирая команду «Формат области построения», можно задать тип, цвет линий и т.д.
Тест
Тест я выполнил в приложении программы Visual Basic. В нее входит несколько форм, вопросы, в каждом из которых три ответа. Только один ответ верный. После окончания теста выводится статистика.
На форме я сделал две кнопки: «Начать тестирование» и «Выход», несколько меток и используя графические возможности Visual Basic сделал таблицу результатов тестирования.
Нажимая кнопку «Начать тест» открывается другая форма, содержащая первый вопрос. На ней имеется одна метка, показывающая вопрос, зависимые переключатели и одна кнопка «Далее». Надо ответить на вопрос, последовательно перейти к следующим вопросам, содержащимся на отдельных формах.
На последней форме находится кнопка «Результат». По нажатии ее появляется статистика, включающая в себя номера вопросов, правильные и выбранные ответы, количество правильных ответов.
Продемонстрировав свою работу , я сумел познакомить Вас с основными частями курсовой работы по теме «Компьютерная память» за курс материала, пройденного за 10-11 классы.
Литература
Www . rambler . ru
2) Информатика и информационные технологии
/ Н. Угринович / Бином 2003г Москва
ОПТИЧЕСКАЯ (ЛАЗЕРНАЯ) И МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ
Во второй половине XX столетия появились новейшие технологии записи и считывания информации, в которых важнейшую роль играет лазер — квантовый генератор когерентных электромагнитных волн. Он был создан советскими физиками А. М. Прохоровым и Н. Г. Басовым, а также американцем Ч. Таунсом. (Название «лазер» представляет собой аббревиатуру от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает «усиление света в результате вынужденного излучения»). Одним из таких способов документирования является запись информации, осуществляемая в цифровом формате на оптический (лазерный) диск. Происходит это следующим образом (на примере фиксации аудиоинформации). Записанный с микрофона звуковой аналоговый сигнал, представляющий собой электрическое напряжение, с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с очень высокой частотой измеряется и преобразуется в цифровой код. В результате вместо непрерывного аналогового сигнала образуется последовательность двоичных чисел, которые затем одно за другим записываются с помощью лазерного луча на оптический диск. При этом лазерный луч, сфокусированный на поверхности материального носителя в пятно диаметром менее 1 мкм, выжигает в рабочем слое диска впадины (питы) площадью 1—3 мкм 2 .
В качестве источника света используется лазер, представляющий собой миниатюрный арсенид-галлиевый диод, расположенный в головке оптической системы. Длина волны излучаемого света 0,78 мкм, мощность — несколько мВт. Оптическая система превращает излучение лазера в пучок и фокусирует его с помощью катушки на дорожке компакт-диска. Эта же оптическая система воспринимает отраженный от поверхности диска свет и направляет его на фотоприемник, который может состоять из нескольких светочувствительных диодов.
Считывание информации осуществляется также с помощью оптической головки — своеобразного лазерного «звукоснимателя». Эта головка представляет собой полупроводниковый лазер, оптическую систему и фотоприемник. Лазерный луч, попав на выступ, отражается на детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод, где световые импульсы преобразуются в электрические. Если луч попадает в ямку (впадину), он рассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до диода. При этом яркое излучение преобразуется в нули, а слабое — в единицы. Таким образом, впадины (питы) воспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность — как логические единицы. Затем посредством цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) импульсы преобразуются в аналоговые сигналы — электрическое напряжение. Эти сигналы усиливаются и с помощью громкоговорителя превращаются в звук.
Запись на оптическом диске обладает целым рядом преимуществ. Во-первых, использование цифрового формата позволило существенно увеличить плотность записи по сравнению с аналоговой и на несколько порядков превзойти предел, обеспечиваемый магнитным способом. По сравнению же с обычной грампластинкой плотность записи на компакт-диске больше в 100 раз.
Во-вторых, в отличие от механической звукозаписи и большинства электромагнитных способов документирования, лазерный способ является бесконтактным (объектив отстоит от носителя на расстоянии до 1 мм), что практически исключает возможность механического повреждения диска, обеспечивая гораздо более высокую долговечность и надежность хранения информации.
В-третьих, цифровая запись позволяет преодолевать помехи, присущие механической и аналоговой магнитной записи, обеспечивая тем самым гораздо более высокое качество звучания оптических дисков. Кроме того, цифровую запись можно подвергать компьютерной обработке, что дает возможность, в частности, восстанавливать первоначальное звучание старых монофонических записей, освобождать их от шумов и искажений и даже преобразовывать в стереофонические 1 .
Высокая надежность записи на лазерные диски обеспечивается, кроме всего прочего, еще и применением двухуровневого помехоустойчивого кодирования, которое позволяет в случае некачественной записи скорректировать допущенные незначительные ошибки в последующем, при воспроизведении информации.
Существует также технология записи информации, основанная на изменении фазы поверхности носителя. В процессе записи происходит изменение фазового состояния вещества рабочего слоя путем его нагревания лазером высокой мощности. В результате материал подсвеченного участка переводится из аморфного в кристаллическое состояние. Такие накопители информации получили название PCR — Phase Change Rewritable. Считывание производится лучом лазера малой мощности. Отражение лазерного луча от участков с аморфной и кристаллической поверхностью происходит под разными углами, что и позволяет отличать участки с 0 от участков с 1. Такая технология дает возможность осуществлять многократную перезапись информации.
Магнитооптический способ документирования представляет собой объединение двух технологий — магнитной и лазерной. С помощью лазерного луча производится локальный нагрев магнитного рабочего слоя материального носителя (диска) до
1 Левин В. И. Указ. соч. С. 100—102.
температуры выше так называемой точки Кюри (порядка 145—300 градусов С). Такая температура позволяет изменять ориентацию намагниченности, после чего с помощью магнита осуществляется запись информации. Считывание производится при обычной температуре. При считывании лазерный луч по-разному отражается от намагниченных и не намагниченных участков, различая таким образом значения записанных данных — 0 и 1, что воспринимается считывающей головкой.
Огромным преимуществом магнитооптического метода записи по сравнению с электромагнитным является независимость от внешних магнитных полей при нормальных температурах, поскольку перемагничивание возможно только при достаточно высокой температуре. Кроме того, процесс перезаписи информации на магнитооптическом диске может быть повторен до 1 млн раз.
Вместе с тем у стандартной магнитооптической технологии имеются и недостатки. К их числу относится, прежде всего, медленная скорость перезаписи — из-за цикла стирания старых данных перед записью новых. Обычно магнитооптические диски требуют процесса с тремя подходами — сначала стирания информации, затем записи новой информации и ее проверки. Кроме того, существует природный барьер в увеличении плотности магнитной записи, которая зависит от размера доменов, т. е. частиц, из которых состоят все ферромагнетики и в каждом из которых магнитное поле одинаково направлено. Барьер проявляется при плотности записи 20 Гбайт на квадратный дюйм. Правда, к настоящему времени разработана технология, позволяющая отчасти преодолеть этот барьер и достигнуть плотности магнитооптической записи свыше 40 Гбайт на квадратный дюйм.
Лазер. Устройство, принцип работы, свойства, применение лазера
Лазер (от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) – устройство, использующее явление вынужденного излучения для получения волны света.
С момента своего изобретения лазер нашел множество применений в промышленности, медицине, а также в повседневной жизни. Устройства для чтения дисков CD, DVD и Blu-ray основаны на том, что лазер направляет свой луч на поверхность диска. Этот луч после отражения от поверхности диска меняет свои свойства и, попав на детектор, позволяет считать информацию, записанную на диске.
Во многих исследованиях – и областях применения – физики хотели бы иметь такие волны, как схематически показано на рис. 1:
- со строго гармонической (синусоидальной) зависимостью от времени, а также от положения на линии, соответствующей направлению движения волны;
- с волновыми поверхностями, которые были бы плоскостями, перпендикулярными направлению движения волн;
- с образованием “параллельного луча”, который не расходится в стороны.
Строгое соблюдение этих условий просто невозможно. Тем не менее, свет, производимый лазерами, относительно близок к ним.
Рис. 1. Схематическое изображение идеальной волны
Простое объяснение принципа работы лазера
Лазерное излучение – это когерентное, сильно пучковое электромагнитное излучение с высокой интенсивностью и очень узкой полосой частот. Перемещаясь вдоль электромагнитного спектра, лазерное излучение простирается от дальнего инфракрасного до видимого и рентгеновского спектра.
Слово “лазер” относится как к устройству, так и к физическому эффекту. Лазер – это аббревиатура, которая расшифровывается как “Усиление света посредством вынужденного излучения”.
Для получения света такого качества лазеру необходимо как минимум три компонента.
Во-первых, вам нужна лазерная среда, которая в значительной степени определяет свойства лазера. Путем оптических переходов возбужденных атомов или молекул в энергетически предпочтительные состояния вы генерируете фотоны в этой среде. Существуют различные типы лазерных сред, такие как газы, кристаллы или диоды.
Далее необходим механизм накачки лазера (источник энергии), с помощью которого можно снабжать среду энергией, необходимой для возбуждения переходов. Это может быть, например, лампа-вспышка или электрический разряд в газах.
Наконец, вам нужен оптический резонатор. Это более или менее сложная система зеркал и других оптических элементов. С помощью резонатора вы обеспечиваете обратную связь и, таким образом, вынужденное излучение.
В зависимости от выбора этих отдельных компонентов существуют различные типы лазеров, которые отличаются по достижимой мощности и частотным характеристикам.
Объяснение принципа работы рубинового лазера.
Рубиновый лазер в предельном упрощении показан на рисунке 2.
Рис. 2. Упрощенная схема рубинового лазера
Его основная часть – рубиновый стержень, обычно несколько миллиметров в диаметре и несколько сантиметров в длину. Его концы очень тщательно отполированы и покрыты слоем серебра. Слева – зеркало, которое полностью отражает свет, справа – зеркало, которое отражает большую часть света, но пропускает немного света. Стержень освещается сильным ультрафиолетовым светом.
Предположим, что в рубиновом стержне случайно появилась волна определенной длины, и бегущая горизонтально вправо. По мере продвижения через среду её амплитуда будет увеличиваться. Волна будет отражаться поочередно от правого зеркала и от левого зеркала. В результате возникнет волна, похожая на стоячую волну, заполняющая весь объем стержня. Часть этой волны выйдет через правое зеркало наружу – это и будет интересующее нас лазерное излучение. Должен действовать закон сохранения энергии – энергия этой волны происходит из энергии ультрафиолетового излучения, освещающего рубиновый стержень.
Устройство лазера
Три компонента – рабочее тело (рабочая среда), механизм накачки и оптический резонатор – являются общими для каждого лазера. Они определяют тип лазера и то, чего вы можете достичь с его помощью. Далее мы расскажем обо всех трех компонентах более подробно.
Рис. 2. Устройство лазера: оптический резонатор с рабочей средой и ходом лучей
Рабочее тело (рабочая среда)
Вы генерируете фотоны в рабочей среде лазера. Это излучение происходит через оптические переходы в возбужденных атомах или молекулах. В результате этих переходов частицы переходят в энергетически более благоприятные состояния. Важнейшим условием лазерной среды является возможность создания эффекта инверсии электронных населённостей.
Для этого он должен иметь как минимум три энергетических уровня. Энергетические уровни – это собственные значения энергии квантово-механических систем. Атом или молекула может находиться только на одном из этих уровней. Самый низкий уровень – это основное состояние, а все остальные – возбужденные состояния.
Инверсия электронных населённостей означает, что верхнее состояние оптического перехода с большей вероятностью будет занято, чем нижнее. Такие среды могут быть газообразными, жидкими или твердыми.
Механизм накачки
Оптическая накачка – это процесс, с помощью которого вы добавляете энергию в среду. Это делается путем возбуждения рабочей среды с помощью внешнего источника энергии, например, других лазеров или лампы-вспышки. Таким образом, достигается инверсия электронных населённостей без того, чтобы процесс накачки конкурировал с вынужденным излучением. Поэтому, накачивается другой квантово-механический переход, нежели тот, который в конечном итоге используется для излучения фотонов.
Оптический резонатор
С помощью оптического резонатора вы определяете скорость излучения и свойства фотонов. С помощью отражения вы позволяете отдельным фотонам пройти через среду несколько раз. Это индуцирует дальнейшее излучение в нужном направлении и позволяет усилить свет.
Для этого фотоны должны распространяться перпендикулярно отражающей среде. Фотоны, испускаемые таким образом, имеют те же квантовые числа, что и запущенные фотоны. Любые спонтанные выбросы, которые могут произойти, сами по себе не генерируют никаких дальнейших фотонов, так как очень маловероятно, что они будут излучаться перпендикулярно отражающей среде.
Благодаря такому выбору достигается очень узкое направление лазерного луча.
Функции лазера
Вы возбуждаете атомы или молекулы лазерной среды до более высоких уровней энергии. Таким образом, вы создаете лазерный луч. Эти уровни энергии имеют максимально возможное среднее время распада. Таким образом, вы сохраняете вероятность спонтанной эмиссии как можно более низкой, и энергия процесса накачки сохраняется дольше. Непрерывная откачка создает желаемую инверсию электронных населённостей. Это означает, что больше частиц находится в одном из своих возбужденных состояний, чем в основном состоянии.
Теперь для того, чтобы возбужденный атом вернулся из своего возбужденного состояния в основное, необходимо лишь стимулировать его фотоном. При этом он испускает фотон в том же направлении и с той же энергией, что и исходный фотон. В данном случае равная энергия означает, что новый фотон имеет ту же частоту и длину волны, что и исходный фотон. Фазовое положение обоих фотонов также одинаково.
Как описано ранее, фотоны отражаются в резонаторе и проходят через среду несколько раз. Этот процесс приводит к цепной реакции, в ходе которой производится все больше и больше фотонов, которые, в свою очередь, производят все больше и больше фотонов и так далее…
Одна сторона резонатора частично проницаема, что позволяет лазерному лучу отклоняться. В результате отражающее свойство резонатора сохраняется, и происходит дальнейшее излучение.
Спонтанное излучение
Спонтанное излучение – это квантово-механическое явление. Это происходит, когда атомы или молекулы испускают фотоны при переходе с более высоких энергетических уровней на более низкие. Предсказать этот тип излучения невозможно. Это процесс распада, возникновение которого можно оценить с определенной вероятностью.
Итак, спонтанное излучение – это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное.
Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.
Математически это можно выразить следующим образом:
Формула гласит, что число N спонтанных выбросов или возбужденных частиц на объем V и время t пропорционально плотности числа частиц n в возбужденном состоянии.
Вынужденное излучение
Работа лазера основана на вынужденном излучении. Здесь излучение фотона не происходит спонтанно.
Напомним, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией он излучает квант энергии (фотон). Такое излучение может быть самопроизвольным . При этом атомы излучают фотоны разной частоты, что определяется переходами на разные энергетические уровни.
Можно сделать так, что атом, находящийся в возбуждённом состоянии, будет излучать энергию под воздействием внешних факторов, например под действием падающего на него света. Такое излучение называют вынужденным (индуцированным).
Предположим, что атом может перейти из состояния с энергией 2 в состояние с энергией 1 и испустить при этом фотон
с энергией hv = E2 – E1. Если он взаимодействует с фотоном такой же частоты, то вероятность вынужденного излучения достаточно велика и в итоге получаются два фотона одинаковой частоты. Таким образом, излучаемая световая волна не отличается от
той, которая падает на атом. Она имеет такую же частоту и фазу.[2]
Для создания вынужденного излучения необходимо увеличить число атомов, имеющих высокий энергетический уровень. Осуществить это можно, используя вещества, атомы которых могут находиться в возбуждённом состоянии достаточно долго, не излучая самопроизвольно.
Продольные моды
В зависимости от конструкции резонатора, в нем может образовываться различное количество стоячих волн определенной длины. Таким образом, определенные длины волн и их кратные значения могут быть особенно усилены таким резонатором. Такие различные формы колебаний называются модами. Имея число продольных мод, вы знаете, сколько волн может колебаться в резонаторе. Колебания вдоль направления распространения излучения называются продольными. Это пики и долины интенсивности с интервалом в половину длины волны.
В лазерах различают одномодовые лазеры, которые колеблются почти на одной частоте, и многомодовые лазеры.
Поперечные моды
Поперечная мода относится к распределению фазы волны перпендикулярно направлению распространения. Следовательно, режим, который не перпендикулярен зеркалам резонатора, приводит к сдвигу частоты лазера. Причиной этого является увеличение длины резонатора, что теперь приводит к образованию стоячих волн с узлами в профиле лазера.
Если вы используете цилиндрический резонатор, ваш луч в идеале имеет гауссову форму. При использовании мод, не перпендикулярных зеркалам резонатора, вместо них формируются профили с радиальной и угловой зависимостью. Они изменяют длину резонатора, поскольку длина пути между зеркалами изменяется. Это может исказить спектры продольных мод, поскольку различные поперечные моды накладываются друг на друга.
Свойства лазера
Невозможно сделать общее заявление о свойствах лазера. На самом деле они определяются различными аспектами. В первую очередь, резонатор лазера определяет его качества. В этом контексте также неверно, что лазеры всегда представляют собой узконаправленные пучки с малой шириной частоты.
Однако верно то, что лазеры могут быть использованы для превосходного манипулирования светом, а их свойства позволяют очень плотно связывать лучи. Это позволяет достичь очень высокой плотности мощности.
Наиболее важными свойствами лазеров являются когерентность, поляризация и частота или длина волны.
В отличие от других источников света, свет лазера состоит не только из одной длины волны. Волны также почти фазово синхронны друг с другом. Отсюда происходит термин “длина когерентности”. Этот термин дает представление о расстоянии, на котором волны лазера находятся в фазе.
Поляризация поперечной волны описывает направление ее колебаний. В лазерах все волны имеют одинаковую поляризацию. В основном это линейная поляризация, но в зависимости от области применения устанавливаются и другие поляризации. Различные поляризации достигаются с помощью оптических компонентов в резонаторе или на пути луча.
Длина волны лазера определяется рабочей средой. В зависимости от энергетических переходов среда может быть возбуждена для генерации на различных длинах волн или только в очень узкой полосе пропускания.
Опасности, связанные с лазером
В зависимости от мощности лазеры вызывают повреждение биологических тканей.
Мощность в милливаттах уже повреждает глаз. Линза фокусирует параллельный лазерный луч на сетчатке глаза. Это вызывает повреждение сетчатки глаза, что приводит к частичной слепоте.
Более высокие уровни мощности приводят к повреждению кожи, напоминающему солнечный ожог, что также может вызвать рак кожи. Это повреждение может доходить до серьезных ожогов.
Особое внимание следует обратить на рассеянный свет. Лазерное излучение, уже отраженное от стены или другой поверхности, приводит к соответствующему повреждению. Поэтому при работе с лазерами необходимо всегда учитывать меры предосторожности.
Применение лазера
Развитие лазера значительно изменило наш мир. Он проникает во все сферы нашей жизни.
В повседневной жизни лазеры можно встретить в лазерных принтерах и в каждом оптическом приводе – от CD до проигрывателей дисков Blue-Ray. Но вы наверняка знаете и лазерную указку, в названии которой есть слово “лазер”. Лазеры также используются каждый раз, когда вы делаете покупки на кассе для идентификации штрих-кодов на товарах. Конечно, существует множество других применений в повседневной жизни.
Но лазеры также постоянно используются для сбора данных, в промышленности, медицине, науке и военном деле.
Использование лазеров совершило революцию в электронных средствах связи. Оказалось, что лазер можно использовать как мощный генератор высокочастотных волн, в том числе с частотой, равной частоте видимого света. И эта частота может использоваться в качестве несущей частоты при передаче радио- или телевизионных сигналов. Информационная ёмкость такого способа передачи информации многократно превосходит все предыдущие: так, расчёты показывают, что в одном лазерном луче может уместиться до 80 миллионов телевизионных каналов или до 50 миллиардов одновременных телефонных разговоров!
[4]
С помощью лазеров удалось создать трёхмерные изображения, которые называются голографическими. Рассматривая голограмму под разными углами, вы можете видеть изображённый на ней предмет с разных сторон: например, на голограмме можно «заглядывать за предметы, расположенные на переднем плане.
Как видите, лазеры – это не просто устройства из научной фантастики. Лазеры являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.