Принцип работы лазеров

Лазеры являются самыми мощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*103 Вт/см2, причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал l=10-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Если задача заключается в преодолении порога в 1017 Вт/см2, то прибегают к различным методам повышения мощности.

Для повышения мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.

                    1.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР

В 60-х годах, было установлено, что полупроводники — превосходный материал для лазеров.

Если соединить вместе две пластины из полупроводников разных типов, то посередине образуется переходная зона. Атомы вещества, находящиеся в ней, способны возбуждаться при прохождении электрического тока поперек зоны и генерировать свет. Зеркалами, необходимыми для получения лазерного излучения, могут служить полированные и посеребренные грани самого кристалла полупроводника.

          Среди этих лазеров лучшим считается лазер на основе арсенида галлия-соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его инфракрасное излучение имеет мощность до десяти ватт. Если этот лазер охладить до температуры жидкого азота (—200°), мощность его излучения можно увеличить в десять раз. Это значит, что при площади излучающего слоя в 1 см2 мощность излучения достигла бы миллиона ватт. Но полупроводник с переходным слоем такого размера изготовить пока невозможно по техническим причинам.

Можно возбуждать атомы полупроводника пучком электронов (как в твердотельных лазерах — лампой-вспышкой). Электроны проникают глубоко внутрь вещества, возбуждая большее количество атомов; ширина излучающей зоны оказывается в сотни раз шире, чем при возбуждении электрическим током. Поэтому мощность излучения таких лазеров с электронной накачкой достигает уже двух киловатт.

Малые размеры полупроводниковых лазеров делают их очень удобными для применения там, где нужен миниатюрный источник света большой мощности.

                          1.3 ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР

В твердых веществах можно создать большую концентрацию излучающих атомов и, значит, получить большую энергию с одного кубического сантиметра стержня. Но их трудно делать, они дороги и к тому же могут лопаться из-за перегрева во время работы.

Газы очень однородны оптически, рассеяние света в них мало, поэтому размер газового лазера может быть весьма внушительным: длина 10 метров при диаметре 10—20 сантиметров для него не предел. Но такое увеличение размера никого не радует. Это вынужденная мера, необходимая для того, чтобы компенсировать ничтожное количество активных атомов газа, находящегося в трубке лазера под давлением в сотые доли атмосферы. Прокачка газа несколько спасает дело, позволяя уменьшить размер излучателя.

Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых и газообразных лазерных материалов: плотность их всего в два-три раза ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Поэтому количество их атомов в единице объема примерно одинаково. Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать ее большие объемы. К тому же жидкость тоже можно прокачивать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.

                    1.4 ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР И ДРУГИЕ

Поиск новых лазеров, новых путей повышения мощности лазерного излучения, ведется в разных направлениях. В их числе, например, квантовый генератор с химической накачкой, первый вариант которого был создан в Институте химической физики АН СССР в лаборатории члена-корреспондента Академии наук В. Л. Тальрозе. В таком лазере в процессе реакции соединения фтора F с водородом Н2 или дейтерием D2 образовавшиеся молекулы HF или DF переходят на высокий энергетический уровень. Спускаясь с этого уровня, они и создают лазерное излучение — молекулы HF на волне 2700 нм, молекулы DF — на волне 3600 нм. В лазерах этого типа достигаются мощности до 10 кВт.

В одном из сравнительно мощных импульсно-периодических газовых лазеров в качестве рабочего вещества используются пары меди при температуре 1500°С или в более простом варианте пары солей меди при температуре 400°С. Накачка осуществляется энергией электронов, движущихся в газовом разряде. Лазерное излучение происходит при переходе атомов меди из возбужденного состояния в одно из двух метастабильных состояний, и при этом возможно излучение на двух длинах волн 510,6 нм и 578,2 нм, соответствующих двум оттенкам зеленого цвета. В резонаторе, который представляет собой интенсивно прокачиваемую трубу диаметром 5 см и длиной 1 м, достигнута мощность в импульсе 40 кВт при продолжительности импульсов 15—20 не, частоте следования 10—100 кГц, средней мощности в несколько десятков ватт и кпд более 1%- Ведется работа по повышению средней мощности «медного» лазера до 1 кВт.

Особый класс образуют мощные лазеры на красителях, главное достоинство которых — возможность плавного изменения частоты. Используемые в них жидкие среды имеют «размытые» энергетические уровни и допускают генерацию на многих частотах. Выбор одной из них может производиться изменением параметров резонатора, например, поворотом призмы внутри него. Если для накачки использовать мощные источники излучения, в частности, импульсные лазеры и осуществить интенсивную циркуляцию жидкого красителя, то становится реальным создание лазеров с перестраиваемой частотой со средней мощностью порядка 100 Вт и частотой повторения импульсов 10—50 кГц.

Когда речь заходит о перспективах, чаще других называют йодный лазер, в резонаторе которого соединение иода, фтора и углерода CF3J или более сложные молекулы под действием ультрафиолетовой накачки диссоциируют, разваливаются на части. Отделившиеся атомы иода оказываются в возбужденном состоянии и в дальнейшем дают инфракрасное лазерное излучение с длиной волны 1315 нм. Часто называют и лазеры на так называемых эксимерных молекулах, которые вообще могут находиться только в возбужденном состоянии. В процессе накачки затрачивается энергия на то, чтобы объединить разрозненные атомы в молекулу, и при этом она сразу оказывается возбужденной, готовой к излучению. И, отдав свой квант излучения, сделав вклад в формирование лазерного луча, эксимерная молекула просто распадается, атомы ее почти мгновенно разлетаются. Первый эксимерный лазер был создан еще десять лет назад в лаборатории академика Н. Г. Басова, ультрафиолетовое лазерное излучение на волне 176 нм здесь получили при возбуждении жидкого ксенона Хе2 мощным пучком электронов. Лет через пять в нескольких американских лабораториях получили лазерное излучение на других эксимерных молекулах, главным образом соединениях инертных газов с галоидами, например, XeF, XeCl, XeBr, KrF и других. Эксимерные лазеры работают как в видимом, так и в ультрафиолетовом диапазоне, причем они допускают некоторое изменение частоты. Созданы лазеры, имеющие кпд 10% и энергию 200 Дж в импульсе.

2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО  ЛУЧА В HD-DVD и Blu-ray дисках

Структурно новые HD-DVD очень похожи на имеющиеся DVD. Оба вида состоят из двух поликарбонатных дисков толщиной 0,6 мм, соединенных с тонким слоем, на котором собственно и записываются данные, в середине; в общей сложности толщина диска составляет 1,2 мм. Оба вида диска имеют 12 см в диаметре. Данные закодированы в углублениях, которые идут от центра дисков к краям.

Рисунок 1.Двухслойный HD DVD-диск Toshiba 30 Гб.

С HD-DVD считывают информацию с помощью голубовато-фиолетового лазера с длиной волны 405 нм (у красного лазера, который используют для обычных DVD, длина волны 650 нм). Более короткая длина волны лазера для чтения с HD-DVD дает возможность использовать меньшие углубления на поверхности диска, и более узкий шаг дорожек (расстояние между рядами данных). Эти факторы вместе с продвинутыми системами сжатия данных позволяют хранить на HD-DVD большее количество информации, чем на имеющихся DVD.

Рисунок 2.Сравнение HD DVD и обыкновенного DVD.

 
Диск HD-DVD, например, имеет память на 15 Гбайт информации с одной записывающей стороной, двухсторонний диск может сохранить до 30 Гбайт. Для сравнения, односторонний видео-диск DVD имеет память только 4,7 Гбайт, двухсторонний – 8,5 Гбайт. Это означает, что на HD-DVD можно записать до 8 часов видеоинформации высокого разрешения, для сравнения - возможность обычных DVD – максимум 2,6 часов записи высокого разрешения.

Переход от формования стандартных DVD к новым дискам HD-DVD требует самых незначительных изменений оборудования, главным образом, из-за допусков технологии изготовления новых дисков. Эти изменения можно осуществить за 5 минут согласно некоторым индустриальным расчетам.

HD-DVD был представлен электронными  гигантами Toshiba, NEC и Sanyo, а также был поддержан Microsoft, Hewlett-Packard и Intel. К сторонникам этой технологии в развлекательной индустрии относятся Paramount Pictures, Universal Studios и Warner Brothers. Компания Toshiba недавно сообщила, что разрабатываются двухсторонние HD-DVD с объемом памяти до 45 Гб.

Формат HD привлекает тех покупателей, которым требуется повышенный уровень детализации и качества фильмов, игр и других цифровых мультимедийных материалов. Увеличенное число строк развертки, повышенное разрешение видеоматериалов и превосходное качество звука – те качества, которыми материалы с высокой четкостью отличаются от материалов в стандартном формате. Вот некоторые из отличительных характеристик 
материалов в стандарте HD:

• По сравнению с 525 строками развертки в изображении
• со стандартным разрешением, кадр изображения
• с высокой четкостью содержит от 720 до 1 080 строк развертки
• Поддержка усовершенствованных видеоформатов,
• в том числе MPEG-2 SD/HD, H.264, VC-1.
• Поддержка форматов, обеспечивающих высокое качество звучания, в том числе PCM (Pulse Code
• Modulation, импульсно-кодовая модуляция),
• Dolby TrueHD (MLP), Dolby Digital +, DTS HD.

В результате просмотр материалов в формате HD производит захватывающее впечатление. Изображение кажется выходящим за пределы экрана и выглядит на удивление живым. До недавних пор фильмы и другие материалы в формате HD не были доступны покупателям. Причина этого проста: для хранения изображений с повышенной детализацией требуется объем, превышающий возможности обычного DVD-диска. Формат HD DVD принадлежит к числу стандартов DVD нового поколения; этот вид носителей предназначен для увеличения.

Как и технология HD-DVD, формат Blu-ray использует 405 нм лазерный луч для чтения и записи информации на диск. Как в случае с HD-DVD, использование голубо-фиолетового лазера позволяет дискам Blue-ray хранить существенно больше информации, чем стандартные DVD. Но конструкция дисков Blu-ray отличается от конструкции DVD.

В диске Blu-ray слой, записывающий информацию, находится сверху поликарбонатного основания толщиной 1,1 мм. То, что пласт с информацией находится близко к верхней части диска, уменьшает преломление лазерного луча, которое происходит, когда луч проходит через слой полимерного материала. Это также позволяет углублениям, используемым для хранения информации, находиться ближе друг к другу, чем в формате HD-DVD, в результате чего диск получается с еще большим объемом памяти. Однако чувствительный пласт хранения информации требует хорошей защиты. Обычно для защиты наносится прозрачное пленочное покрытие толщиной 0,1 мм из поликарбоната, обладающего свойством очень низкого двойного лучепреломления (свойство легкого искажения), сверху наносится твердое покрытие.

Рисунок 3.Диск Вlu-ray имеет слой с информацией близко расположенный к поверхности, что требует защитный слой, в то время как, стандартный DVD имеет пласт в центре диска.

 
Диск Blu-ray, который обычно имеет диаметр 12 см, может сохранять информацию объемом до 25 Гбайт на одностороннем диске с одним слоем информации, и до 50 Гбайт на двухстороннем диске. Дополнительная стадия производства – нанесение защитного слоя на диски Blu-ray, которая не нужна при производстве дисков HD-DVD, возмещается несколько белее высокой вместимостью памяти дисков Blu-ray. Производители дисков Blu-ray должны инвестировать средства в новое оборудование. Однако каждый диск Blu-ray можно производить путем одиночного литья под давлением (вместо 2 необходимых для изготовления HD-DVD), что частично покрывает дополнительные расходы на процесс нанесения специального покрытия.

Формат диска Blu-ray поддерживается многими компаниями производящими бытовую электронику и компьютерную технику. К сторонникам дисков Blu-ray относятся Sony, Panasonic, Phillips, Sharp, TDK и Thomson, также Apple, Dell и Hitachi. В январе 2006 ведущие киностудии объявили, что они в этом году будут использовать диски формата Blu-ray. К этим компаниям относились Disney, Fox, Paramount, Warner, Sony, MGM и Lions Gate.