книги / Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность

кающие химические реакции. Как электронный микроскоп в пространственном диапазоне, лазер обеспечивает во временном диапазоне возможность изучения элементарных структур. Спомощью лазеров создаются так называемые «микроскопы времени», эффективность которых почти на 12 порядков превосходит традиционные «лупы времени» (устройства растяжения сигнала во времени), широко применяемые в кино- и телевизионной технике. Время пробега коротких импульсов находит свое применение в геодезии дляточного иудобного определения расстояний.

Лазерные лучи распространяются с отличной фокусировкой и очень хорошей прямолинейностью, поэтому могут служить в качестве направленных лучей при строительстве дорог, каналов, туннелей, зданий, а также для точной центровки при сборке механизмов, установке оборудования.

Применение лазеров в медицине

Лазеры успешно используются в медицине – как в диагностике, так и для терапевтических целей.

Тепловое действие лазерного излучения на живую ткань сводится к повышению ее температуры. При температуре примерно 60 ° С происходит свертывание белка, при 100 ° С из ткани испаряется вода, а при дальнейшем повышении температуры ткань обугливается. Эти этапы воздействия на биологический материал используются в хирургии. Обладая высокой точностью, лазерная хирургия дает преимущество бесконтактного асептического вмешательства и возможность – в случае сильно кровоточащих тканей – почти бескровного разрезания благодаря закупорке сосудов на основе коагуляции.

Наряду с тепловым воздействием лазерного излучения на ткани существуют (с учетом длительности облучения и спектральной плотности мощности) и другие механизмы, широко применяемые в медицине. Например, для фотоабляции (отслойки ткани) требуются короткие импульсы высокой мощности. Эффект наступает, когда глубина проникновения луча в ткань

261

находится в пределах микрометров, а длительность импульсов столь коротка, что никакой значимой теплопроводности в этот момент не отмечается. В результате пораженная ткань отслаивается под действием коротких импульсов без термического повреждения окружающей здоровой ткани. Фотоабляция широко применяется в фоторефрактивной хирургии роговицы глаза. С помощью лазера на эксимере удается путем соответствующего съема так изменить кривизну роговицы, что пациент сможет обходиться без очков. При дальнейшем повышении мощности и укорочении длительности импульсов в ткани происходит оптическая перфорация. Вофтальмологиитакой эффект применяют для разрушения мутной пленки вторичной катаракты. С помощью лазерного луча хирург проникает во внутриглазную область через хрусталик глаза, не повреждая его, и производит необходимую операцию. Восстановление сетчатки глаза с помощью этой техники стало обычным делом и применяется во многих клиниках.

На рис. 10.21 показано удаление отложений в кровеносных сосудах, так называемое обызвествление артерий (ангиопластика). При этом лазерный луч с помощью катетера и стекловолокна вводится в артерию и производит съем отложений.

Рис. 10.21. Удаление отложений в артериях с помощью лазерного луча

262

Дальнейший прогресс применения лазеров в медицине связывают с развитием полупроводниковых технологий, снижающих себестоимость лазерной техники.

Термоядерная реакция с применением лазеров

С 50-х годов в лабораториях разных стран предпринимаются попытки использовать управляемые процессы ядерного синтеза на Земле в целях получения энергии. Чтобы начать процессы синтеза, необходимо в достаточной степени нагреть газообразный водород, который переходит в плазменное состояние. Для этого требуются температуры в сотни миллионов градусов Кельвина на период всего нескольких секунд. Ядра атомов водорода должны обладать достаточно мощной энергией, чтобы произошло их слияние. При столь высоких температурах требуется специальное оборудование, чтобы удержать плазму: в проводимых до сих пор экспериментах для этой цели использовались магнитные поля, в которых устойчивого удержания плазмы осуществить не удалось.

Альтернативный путь к решению этой проблемы связан сприменением лазера. Основная идея при этом заключается втом, чтобы из изотопов водорода, дейтерия и трития изготовить маленький твердый шарик и нагреть его путем кратковременного облучения светом лазера. Энергия лазера должна быть достаточно большой, чтобы достичь требуемых температур ядерного синтеза. При этом используется короткий импульс возбуждения, исключающий разброс плазмы при начавшейся ядерной реакции. Таким образом, плазма при таком процессе удерживается не под действием внешнего поля, а в результате своей собственной инерционности. Прежде чем частицы плазмы разлетятся во все стороны, уже должны произойти ядерные реакции. Это так называемое инерциальное удержание плазмы требует наличия экстремальных лазеров. Здесь нужна энергия лазерного излучения выше 106 Дж, причем такая энергия должна за сверхкороткое время, около 10–9 с, войти вводороднуюмишеньс диаметром неболее1 мм.

263

Схема новой лазерной установки для термоядерных экспериментов показана на рис. 10.22, данные лазера представлены в табл. 10.1. Этот лазер размещен в многоэтажном здании длиной 200 м. Там же находятся 192 цепи лазерных систем, включенных параллельно и приводимых в действие единственным лазерным генератором, обеспечивающим синхронизацию разных лазерных усилителей.

Рис. 10.22. Конструкция лазера для получения ядерного синтеза в лаборатории Lawrence-Livermore, США, выходная энергия 1,8 МДж. Эта лазерная система содержит в общей сложности 192 параллельных усилительных цепи

Таблица 1 0 . 1 Рабочие характеристики лазера для термоядерного синтеза

264

При успешном проведении экспериментов разработчики планируют к 2030 году запуск первой опытной электростанции на термоядерном синтезе.

Лазерные принтеры

Параллельно с успехами в электронной обработке информации в последние десятилетия достигнут значительный прогресс в технике вывода ее на печать. Классические печатающие машинки с литерными рычагами уступили место матричным, термографическим, струйным и электрофотографическим печатающим устройствам. Эти устройства первоначально печатали буквы последовательно друг за другом, затем построчно и, наконец, постранично, что позволило резко ускорить процесс печати и повысить его качество.

Среди постранично печатающих устройств огромную роль играет электрофотографическая система, которую не совсем правильно называют лазерным принтером. Дело в том, что наряду с лазерами в качестве источников света здесь используются еще светоизлучающие диоды и галогенные лампы, управляемые жидкокристаллической шиной.

Функция лазерного принтера наглядно представлена на рис. 20.23. Печать осуществляется путем передачи оттиска на обладающий фотопроводимостью барабан, сохраняющий в темноте отрицательные электрические заряды на своей поверхности. При вводе света поверхностный заряд исчезает. Собственно процесс печати осуществляется в несколько этапов.

На первом этапе отрицательные заряды из электрического разряда попадают на поверхность барабана (рис. 10.23, а).

Затем барабан в результате засветки лазерным лучом или экспонирования посредством другого источника света разряжается с образованием скрытого, невидимого изображения подлежащей выводу на печать страницы (рис. 10.23, б). Для этого лазерный луч перемещается параллельно оси барабана.

265

Для лазерного принтера требуется электронное управление, обеспечивающее в растровой сетке разрешение для запечатываемой страницы на уровне 300 dpi (точек на дюйм). Таким образом, одна сторона изображения будет представлена в 8 миллионах точек. В полиграфической промышленности при фотографическом изготовлении печатных матриц достигается разрешение выше

1200 dpi.

Скорость лазерного принтера определяется, прежде всего, предварительной электронной обработкой. Само печатающее устройство действует чрезвычайно быстро. Индивидуальные или офисные принтеры могут работать со скоростью 10–20 страниц в минуту, а в полиграфической промышленности минутная скорость печати достигает 200 страниц. Лазерные принтеры позволяют также изготавливать цветные копии, для чего последовательно друг за другом включаются сразу три барабана с порошком красного, зеленого и синего цветов.

Немногочисленные примеры показывают, что лазеры успешно используются в разных сферах – научной, технической, медицинской. Эта область современной фотоники успешно развивается. В перспективе можно ожидать более широкого и разнообразного применения лазерных устройств.

Полупроводниковые лазеры, как и светоизлучающие диоды (СИД), представляют собой оптоэлектронные приборы, в которых осуществляется преобразование электрической энергии в оптическую (световую). В основе этого процесса лежит излучение света, обусловленное электронным переходом из зоны проводимости полупроводника в валентную зону. Для возбуждения электронов в зону проводимости, или, как говорят, для накачки, используется инжекция носителей. С этой целью обычно формируют р–n -переход, для чего в n-область вводят больше донорной примеси, а в р-область больше акцепторной. С помощью инжекции обеспечивается создание неравновесных носителей заряда, что обеспечивает генерацию оптического излучения в р–n -пере- ходе полупроводника. Получение оптической энергии на выходе

267

оптоэлектронных устройств оказывается очень простым: для этого достаточно подать напряжение на вход прибора и обеспечить протекание по нему тока. Путем изменения тока инжекции можно менять оптическую энергию на выходе прибора, т.е. простыми средствами осуществлять оптическую модуляцию. Этот способ называется прямой (непосредственной) модуляцией. Простота осуществления оптической модуляции является одной из причин использования полупроводниковых лазеров и СИД в системах оптической связи.

Типичные примеры зависимости между током и мощностью оптического излучения на выходе оптоэлектронного прибора приведены на рис. 10.24. Как видно из рис. 10.24, а, полупроводниковый лазер является «пороговым прибором»: если увеличивать ток инжекции, то при превышении некоторого порогового значения Iп возникает резко линейное увеличение оптического выхода лазера. В окрестности порогового значения тока наблюдается качественное изменение процесса: медленный рост вынужденного излучения переходит в режим генерации излучения. При I < Iп излучение лазера подобно свету обычной электрической лампы и представляет собой сумму случайных световых потоков или некогерентный свет. СИД конструируют

Рис. 10.24. Зависимость мощности оптического излучения L навыходе полупроводникового лазера(а) иСИД (б) оттока

268

таким образом, чтобы в них не возникал режим генерации. Поэтому в них, как показано на рис. 10.24, б, по мере увеличения тока инжекции происходит монотонное нарастание оптического выхода. При этом насыщение оптического выхода СИД связано с выделением тепла, т.е. по мере увеличения концентрации носителейв области светового излучения падаетсветоотдача диода.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите основные обязательные элементы любого

лазера.

2.Какие энергетические переходы происходят при спонтанном, вынужденном излучении и поглощении в атоме.

3.При каких условиях происходит амплитудное и фазовое самовозбуждения лазера?

4.Как создается инверсия населенностей в трех- и четырехуровневом лазере?

5.Чем обусловлены основные свойства лазерных пучков: монохроматичность, когерентность, направленность, яркость, возможностьгенерации сверхкоротких импульсов света.

6.Классификация лазеров по физическому состоянию активной среды и по длине волны генерируемого излучения.

7.Особенности работы и сфера применения лазеров на углекислом газе.

8.Каковы особенности работы полупроводниковых лазеров на квантовых структурах?

9.Приведите примеры практического использования лазеров при обработке материалов.

10.Каков принцип работы лазерного принтера?

11.В чем состоит отличие полупроводниковых приборов – лазеров и СИД, использующих р–n -переход для получения оптического излучения?

269

11.ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА

11.1.Общие сведения

Первые волоконные световоды (ВС) или оптические волокна (ОВ) состояли из однородного по составу оптически прозрачного цилиндрического стержня (сердцевины), окруженного оптически прозрачным материалом (оболочкой). В простейшем варианте ОВ представляет собой

которые могут распространяться по ОВ при заданной длине волны света λ. Выбирая 2а и ∆n = n1 – n2 достаточно малыми, можно добиться, чтобы ОВ работал в одномодовом режиме. Одномодовые ОВ, в которых 2а < 10 мкм, а ∆n составляет несколько десятых долей процента, применяются в межконтинентальных линиях связи и других магистральных линиях, где требуется чрезвычайно высокое качество передаваемой информации. С увеличением диаметра сердцевины до десятков и сотен мкм, а ∆n до 1–2 % ОВ работает в многомодовом режиме. Из-за потерь, связанных с межмодовым взаимодействием, многомодовые волокна применяются в основном для передачи мощности или для связи, но на короткие расстояния. Одно- и многомодо-

270