Использование лазеров в информационных технологиях

Введение

Наряду с научными и техническими применениями лазеры используются в информационных технологиях для решения специальных задач, причем эти применения широко распространены или находятся в стадии исследований. Наиболее распространенными примерами таких применений являются оптическая цифровая память, оптическая передача информации, лазерные печатающие устройства, кроме того они применяются в вычислительной технике в качестве различных устройств.

Лазеры в выЧислительной технике

Принципиально достигнутые малые времена переключения делают возможным применение лазеров и комбинаций с лазерами, включая интеграцию в микроэлектронных переключательных схемах ( оптоэлектроника ):

-     в качестве логических элементов (да-нет, или);

-     для ввода и считывания из запоминающих устройств в вычислительных машинах.

В этих целях рассматриваются исключительно инжекционные лазеры.

Преимущества таких элементов: малые времена переключения и считывания, очень маленькие размеры элементов, интеграция оптических и электрических систем.

Достижимыми оказываются времена переключения примерно 10-10 с (соответственно этому быстрые времена вычисления); емкости запоминающего устройства 107 бит/см2, и скорости считывания 109 бит/с.

Лазерный принтер

Для печати в вычислительной технике и в других случаях часто применяется лазерное излучение. Преимущество их  в более высокой скорости печати по сравнению с обычными способами печатания.

Принцип действия их такой: поступающий от считываемого оригинала свет преобразуется в ФЭУ в электрические сигналы, которые соответствующим образом обрабатываются в электронном устройстве вместе с управляющими сигналами (для определения высоты шрифта, состава краски и т.д.) и служат для модуляции лазерного излучения. С помощью записывающей головки экспонируется расположенная на валике пленка. При этом лазерное излучение разделяется на ряд равных по интенсивности частичных лучей (шесть или больше), которые посредством модуляции при данных условиях подключаются или отключаются.

Применяемые лазеры: ионный аргоновый лазер (мощность не более 10 мВт), инжекционный лазер.

ОптиЧескаЯ цифроваЯ памЯть

Для становящейся все более тесной связи между обработкой данных, текста и изображения необходимо применять новые методы записи информации, к которым предъявляются следующие требования:

-     более высокая емкость запоминающего устройства;

-     более высокая эффективность хранения архивных материалов,

-     лучшее соотношение между ценой и производительностью.

   Это может быть достигнуто с помощью записи и считывания цифровой информации.

Принцип действия. Информация (речь, музыка, изображения, данные), содержащиеся в виде электрических сигналов, преобразуется в цифровые величины и выражается тем самым в виде последовательности импульсов, которая записывается в различной форме (в виде углублений или отверстий различной длины и расстояний между ними или магнитным способом) на диске запоминающего устройства.

При считывании считывающий свет, отраженный (рассеянный в обратном направлении) от этих углублений (отверстий), модулируется и с помощью фотоприемника преобразуется в соответствующий электрический сигнал.

Лазерно-оптическое считывание информации. С помощью этого способа в приборе, аналогичном проигрывателю, воспроизводится неконтактным способом записанная на диске информация (диаметр дисков до 30 см), причем применяются лазерные диски только для считывания, например видеодиски, компакт-диски.

Принцип действия. Кодирование информации происходит путем создания информационных микроуглублений, имеющих различную длину и различные расстояния между ними. Информация на диске сохраняется, таким образом, в цифровой форме, записанной по спирали, которая состоит из информационных ямок (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение микроуглублений на лазерном диске; ширина углублений 0,4 мкм, расстояние между дорожками 1,6 мкм.

Лазерный видеодиск характеризуется следующими параметрами:

-     расстояние между двумя профилирующими дорожками 1,6 мкм;

-     ширина углубления 0,4 мкм;

-     максимальная длина углубления 3,3 мкм;

-     минимальная длина углубления 0,9 мкм;

-     максимальное расстояние между углублениями 3,3 мкм;

-     минимальное расстояние между углублениями 0,9 мкм.

Рис. 2. Сечение видеодиска и грампластинки с лазерной записью:

1 - фокальное пятно (Æ » 1 мкм); 2 - структура микроуглублений; 3 - зеркальное покрытие; 4 - царапина; 5 - частица пыли; 6 - прозрачный защитный слой; 7 - луч от лазера

При изготовлении видеодисков нанесенный прежде на подложку из стекла фотолак экспонируется с помощью специальной оптической системы излучением коротковолнового лазера (криптоновый лазер, l=0,35 мкм). После этого следует многоступенчатый процесс проявления, в результате которого образуется образцовый диск, который используется затем для изготовления других дисков путем оттиска. На полученные после отделения от образцового диска оттиски наносится зеркальное покрытие и слой лака, так что полученные при записи микроуглубления не могут быть закрыты частицами пыли. Пыль и царапины на защитном слое не мешают, поскольку они находятся вне плоскости фокусировки считывающей оптики (рис.2 ).

При считывании микроскопических маленьких структур используются эффекты дифракции и интерференции света. Оптическая считывающая система для видеодисков состоит из:

-     He-Ne-лазера (мощность мВт), который излучает линейно поляризованный свет;

-     делителя пучка, который разделяет свет на три пучка с соотношениями интенсивностей 1:3:1 (дифракционная решетка. Работающая на просвет с минус первым, нулевым и плюс первым порядками дифракции);

-     призмы Волластона (оптическая длина пути зависит от направления поляризации);

-     пластинки l/4;

-     считывающего объектива, перемещаемого по принципу катушки с подвижным сердечником в направлении оптической оси (ограниченный дифракцией микрообъектив очень малой массы);

-     системы фотоприемников (квадратных приемников), а также цилиндрической линзы.

Рассеянный в обратном направлении от диска свет лазерного пучка отображается на квадратном приемнике, лучи, использованные для слежения за дорожкой, попадают на приемники (рис. 3)

Таким образом, становится возможным формирование управляющих сигналов для корректной фокусировки считывающих лучей на информационной дорожке и обеспечение слежения за дорожкой.

Рис. 3. Оптическая схема считывающей головки для считывания информации, записанной на видеодиске:

1 - He-Ne-лазер; 2 - решетка; 3 - согласующая оптика; 4 - призма Волластона; 5 - пластинка l/4; 6 - считывающий объектив; 7 - видеодиск; 8 - цилиндрическая линза; 9 - плоскость приемника.

Оптическая считывающая головка для цифрового лазерного проигрывателя. Обратно рассеянный от лазерной пластинки свет попадает на фотодиоды F1-F4 . Возникающие при этом фототоки комбинируются друг с другом таким образом, что становится возможным получение как управляющих сигналов для радиальной коррекции, так и управляющего сигнала для установки на резкость считывающей оптики (рис. 4).

Радиальный управляющий сигнал формируется комбинацией токов фотодиодов (F1+F2) - (F3+F4). Если считывающий объектив сфокусирован на информационную плоскость диска, то после призм 4 появляются два резких изображения между фотодиодами F1, F2, а также F3, F4. Если фокальная плоскость считывающего объектива находится за или перед информационной плоскостью, то изображения становятся нерезкими и движутся друг к другу или друг от друга. Тогда с помощью комбинации токов фотодиодов (F1+F2) - (F3+F4) может быть получен управляющий сигнал для установки на резкость считывающей головки.

Однократная запись информации. Этот принцип позволяет осуществить однократную запись и многократные считывания информации. Для этого на нижней стороне очень плоской стеклянной пластины наносится слой теллура. Две круглые стеклянные пластины юстируются относительно друг друга таким образом, что слои теллура защищены снаружи стеклянными пластинами.

На слоях теллура, находящихся на внутренних сторонах пластин, записывается информация. Пластины снабжены спиральной дорожкой (спиральной канавкой глубиной примерно l/4), которая служит для юстировки считывающего или записывающего луча. При записи одного бита информации в слое теллура импульсно повышается мощность полупроводникового лазера за время 50 нс до 12 мВт, при этом в слое возникает отверстие диаметром примерно 1 мкм. Запись и считывание осуществляются с помощью одинакового устройства, причем при считывании мощность полупроводникового лазера уменьшается до 1 мВт (рис. 5).

С помощью таких методов записи и считывания достигаются емкости запоминающего устройства (диаметр диска 30 см) 1010 бит информации (передняя и задняя сторона); свободно выбираемые времена доступа составляют 150 мс.

Рис. 4. Схема оптической считывающей головки для лазерных пластинок:

1 - считывающее пятно; 2 - считывающий объектив; 3 - оптическая система для преобразования излучаемого полупроводниковым лазером волнового поля в плоское волновое поле; 4 - призма; 5 - полупрозрачное зеркало; 6 - полупроводниковый лазер; F1 - F4 - фотоприемники.

Применяемые лазеры:

-     He-Ne-лазер;

-     полупроводниковый лазер (все более часто).

Области применения:

запоминающее устройство для хранения банка данных с  частым доступом;

-     запоминающее устройство для хранения архивных данных с отсроченным доступом;

-     внешнее дополнительное запоминающее устройство со свободно выбираемой адресацией в ЭВМ;

-     видеодиски для обучения;

-     видеодиски для библиотек и архивов;

-     запоминающие диски для управления и канцелярского дела;

-     аудиодиски с высококачественным воспроизведением звука.

Оптическая цифровая запись информации в магнитных слоях. В качестве носителя информации используется тонкий магнитооптический слой (преимущество: повторная запись данных).

Рис. 5. Схема записывающей и считывающей головки для однократной записи:

- лазерный диск; 2 - считывающий объектив; 3 - пластинка l/4; 4 - зависящий от поляризации делитель пучка; 5 - цилиндрическая линза; 6 - полупроводниковый лазер; 7 - оптическая система; 8 - приемник для радиального контроля дорожки; 9 - призма Френеля; 10 - приемник для получения сигнала и контроля положения фокального пятна.

Принцип действия. Запись информации происходит благодаря тому, что маленькие области магнитного слоя нагреваются с помощью сфокусированного лазерного луча, причем одновременно накладывается магнитное поле, напряженность которого меньше, чем коэрцитивная сила. В нагретых таким образом при наложенном магнитном поле областях исчезает намагниченность (запись точки Кюри). Считывание осуществляется таким же лазером при уменьшенной мощности, причем плоскость поляризации отраженного от диска света в зависимости от направления намагничивания маленьких областей поворачивается на величину 0,5 - 8 град (в зависимости от магнитооптического слоя) (магнитооптический эффект Керра).

Оптическое устройство записывающей и считывающей головки аналогично системам, используемым в описанных выше устройствах считывания и записи информации.

Дополнительно следует обратить внимание на рис. 6.

Свет, отраженный от маленьких перемагниченных областей, является эллиптически поляризованным и с помощью соответствующей фазовой пластинки преобразуется в линейно поляризованный. Линейно поляризованный свет разделяется на две составляющие, которые могут регистрироваться отдельно. Оба принятых сигнала подаются на дифференциальный усилитель и усиливаются. Усиленный сигнал прямо пропорционален поляризационному эффекту Керра.

Рис. 6. Схема получения сигнала с помощью поляризационного эффекта Керра:

1 - магнитный диск; 2 - отраженный свет; 3 - микрообъектив; 4 - фазовая пластинка; 5 - делитель пучка; 6 - приемник Nr2; 7 - приемник Nr1; 8 - дифференциальный усилитель.

Магнитооптическая запись позволяет в настоящее время иметь:

-     емкость памяти запоминающего устройства 105 бит/см2;

-     число циклов (запись, считывание, стирание) 106;

-     свободно выбираемые времена доступа 150 мс;

-     применение в качестве оперативной памяти в ЭВМ.

Оптический цифровой метод записи требует максимальной оптической и механической точности, а также:

-     предельно малого ограниченного дифракцией считывающего объектива;

-     считывающего объектива (микрообъектива) очень малой массы (0,6 г и меньше)

-     радиальных отклонений считывающего объектива с точностью ± 1 мкм;

-     ширины распределения интенсивности считывающего пятна по половине интенсивности примерно 1 мкм.

Цифровое оптическое запоминающее устройство позволяет производить неразрушающее считывание накопленной информации.

ОптиЧескаЯ передаЧа информации

Применение света для передачи сообщения известно давно. Прежде всего в первой половине этого столетия были успешно применены инфракрасные устройства для передачи информации в специальных системах, однако вследствие некогерентности излучения и тем самым сильно ограниченной дальности действия (недостаточная направленность светового пучка) и модуляционной способности подобные системы передачи не получили широкого распространения. Лишь с разработкой лазера в распоряжении специалистов оказался источник света с отличными когерентными свойствами (большая длина когерентности), излучение которого при большой частоте n (не более 1015 Гц) и тем самым большой возможной полосе модуляции и малой ширине линии подходит для оптической передачи информации.

1	2	3