Отзыв о сайте

Лазерная революция

Научный мир празднует 50-летний юбилей лазера гораздо масштабнее, чем спортивная общественность — окончание очередных Олимпийских игр...

Научный мир празднует 50-летний юбилей лазера гораздо масштабнее, чем спортивная общественность — окончание очередных Олимпийских игр. Для ученых важны все открытия, но лазер занимает особое положение. Ведь именно он является центральным и универсальным инструментом для реализации самых невероятных задач во многих областях науки и техники, в том числе компьютерной и бытовой.

Лазерные указки,оптические приводы, мыши и принтеры настолько вошли в наш обиход, что ими пользуется чуть ли не каждый. А всего полвека назад пучок лазерного излучения был вершиной достижений научной мысли, к которой стремились годами, если не десятилетиями.

Атомное предисловие

ЛазерLASER — это аббревиатура, составленная из словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света при помощи вынужденного излучения). В основе работы лазера лежит явление, теоретически предсказанное Альбертом Эйнштейном еще в 1917 году, — это вынужденное излучение атомами фотонов. Дело в том, что существуют так называемые возбужденные состояния атома, когда электроны занимают орбиты с большими энергиями при существовании «свободных мест» на низших уровнях. Возбужденные атомы способны переходить в обычное состояние, излучая фотон при появлении поблизости другого фотона, энергия которого равна энергии возбуждения (разности энергий уровня, где электрон находится в возбужденном состоянии, и уровня, где ему следовало бы находиться при отсутствии возбуждения). При этом новый фотон по параметрам будет идентичен тому, что вызвал излучение.

Основной рабочий элемент лазера — это оптический усилитель, состоящий из некоторого количества возбужденных атомов, способных увеличить уже существующий поток фотонов своим вынужденным излучением. Это вещество носит название рабочей среды с инверсией населенности. Безусловно, в веществе возможно и поглощение фотонов, однако усиление будет более интенсивным благодаря тому, что фотон в данной среде, «выбивая» один за другим свои «клоны», может вызвать лавинообразный процесс (рост количества частиц за счет вынужденного излучения будет превышать естественную «убыль» фотонов).
Лишь к 1950 году стало понятно, что инверсию населенности в веществе можно создавать искусственно. Этот факт был изложен в научной работе, удостоившейся Нобелевской премии по физике в 1966 году и ставшей первым шагом к созданию лазера. Второй потребовал изобретения способа создания положительной обратной связи (достижения резонанса для многократного усиления оптического сигнала). Полностью рабочий оптический квантовый генератор (то есть лазер) был продемонстрирован в 1960 году. С этого момента можно начать отсчет истории новых технологий, в основе которых лежит данное изобретение.

Лазеры в компьютерной технике

Главное отличие лазера от привычной лампы накаливания — это строгая когерентность (идентичность) всех излучаемых фотонов. Именно эта особенность широко используется в научном мире. Бытовые же применения менее требовательны — здесь лазер нужен лишь как источник мощного пучка света достаточно узкой спектральной полосы.

Лазерная печать

Лазерный принтерПервой практической областью компьютерной индустрии, где был задействован лазер, стала черно-белая печать. Уже в 1971 году, спустя всего 11 лет после представления первого рубинового лазера, компания Xerox продемонстрировала свой прообраз лазерного принтера. Стоит отметить, что еще до момента появления новой технологии печати фирма получала приличные доходы от продажи копировального оборудования. Это позволило ей финансировать околонаучные исследования, что является большой редкостью среди производителей техники широкого применения. Можно только поражаться, как быстро лазер прошел путь от научной разработки до серийной модели. Правда, вопрос о том, кто первым вышел на коммерческий рынок лазерной печати, до сих пор вызывает споры. С одной стороны, в 1977 году компания Xerox предложила Xerox 9700 Electronic Printing System, с другой — в 1976-м IBM выпустила свою модель IBM 3800.

Но для пользователей эти тонкости не так важны — так или иначе, первые принтеры имели примитивную конструкцию и занимали очень много места. Зато надежности им было не занимать: некоторые созданные тогда приборы прекрасно работают до сих пор. Так, в 1981 году Xerox начала продажи первого персонального устройства печати, использующего лазер. Правда, персональным назвать с натяжкой: его цена составляла около $17 000, и приобрести его могла позволить себе даже не каждая крупная компания. Сегодня существуют как минимум пять крупных производителей лазерных принтеров, скорость и качество печати которых в разы превосходит первые образцы того времени, а стоимость начинается от $100 (3000 руб.).

Лазерные устройства чтения 

Оптический приводСледующим классом персональной техники, использующей лазер, стали приводы для чтения оптических дисков. Первый такой носитель был своего рода перфокартой в микромасштабе. Технология заключалась в том, что на зеркальную поверхность диска, выполненную из поликарбоната, промышленным способом наносили микроскопические штрихи, которые считывались на пользовательском устройстве при помощи отраженного луча лазера. При этом данный метод изначально разрабатывался не для компьютера, а для распространения качественной музыки и кино. Прототипы этого принципа записи информации были продемонстрированы в 1960-х годах, а оптический диск (laserdisk) первого коммерческого формата поступил в продажу уже в 1972 году. Диаметр его составлял 30 см, а качество записанных фильмов находилось на более высоком уровне, чем в профессиональном формате Betacam (и, разумеется, много выше VHS и даже более позднего Video CD). Самое интересное, что данный носитель не являлся цифровым — это была запись аналогового (композитного) сигнала. 

Затем в 1979 году Philips и Sony продемонстрировали более привычные 12-сантиметровые компакт-диски — Audio CD. Эти носители были уже цифровыми и предназначались для записи звука с частотой дискретизации 44,1 кГц. Позже компакт-диски стали применять для хранения и переноса любой другой информации в двоичном формате и, таким образом, перешагнули из музыкальной индустрии в компьютерную.

Лазерная цифровая запись 

Диски формата CD-RW на первый взгляд кажутся аналогичными обычным CD-носителям, однако в действительности используют другой принцип записи, при котором вместо углублений, рассеивающих излучение считывающего лазера, на поверхности формируются области с большим поглощением света. На диски для однократной записи наносится единожды разрушаемый слой, а при многоразовой используются более дорогие вещества, позволяющие совершать обратимые преобразования. Поэтому перезаписываемый CD заведомо дороже однократно записываемого компакт-диска.

Традиционно CD относят к оптическим носителям первого поколения, a DVD и аналогичные технологии принадлежат уже ко второму. Сегодня активно развивается третье поколение, в котором войну форматов выиграл стандарт Blu-ray. Общая тенденция заключается в сокращении длины волны лазера, ведь с этим показателем напрямую связана максимально возможная плотность записи (а значит, и максимальный объем данных, который может поместиться на диске того же размера). Если приводы CD и DVD работают благодаря достаточно дешевым, но длинноволновым лазерам красного
диапазона, то Blu-ray функционирует за счет лазерного излучения из синей области спектра (отсюда и название, дословно переводящееся как «синий луч»).

Голография — вершина лазерных технологий 

Голубой лазер записывает информацию на микроголографический дискКаким бы привлекательным ни был новый стандарт дисков для «голубого лазера», уже существуют планы по его замене. Очередной вершиной возможностей лазерных технологий должен стать оптический носитель нового типа, позволяющий еще больше уплотнить данные благодаря применению технологии голографии с использованием сразу двух лазеров с волнами разной длины для считывания информации. Рабочее название технологии — голографический многоцелевой диск. Координацией разработок в этом направлении занимается Holography System Development Forum. 

Вездеходная мышь

Еще одно бытовое лазерное устройство — компьютерная мышь. Сменившие механический шарик оптические технологии избавили пользователя от проблем чистки роликов и сделали перемещение курсора более точным и удобным. Очень быстро большинство выпускаемых компьютерных мышей стали оснащаться лазерами. При этом рядовой пользователь часто не замечает разницы между оптической и лазерной моделями манипуляторов, ошибочно полагая, что это одно и то же. В действительности это не так: большинство распространенных на сегодняшний день мышей не используют лазер, а для подсветки датчика перемещений применяется обычный светодиод. Поэтому не стоит верить слухам о том, что, посмотрев на излучатель на нижней поверхности устройства, можно испортить себе зрение. Главное преимущество собственно лазерной мыши — ее способность работать на зеркальной и стеклянной поверхностях, недоступная обычному оптическому устройству.

Почему лазерные указки в основном красные?

Лазерная указкаПри производстве так называемых лазерных указок применяется самый обычный лазерный диод, излучающий видимый красный свет. Цвет лазера зависит от вещества, использующегося в качестве рабочей среды. На сегодняшний день миниатюрных и вместе с тем дешевых лазеров видимого диапазона других цветов пока не появилось. Зеленый, синий и желтый цвета получаются методом сложных преобразований излучения невидимого диапазона (частота излучения из инфракрасной области уменьшается при помощи фильтра из определенного «накачиваемого» извне вещества, а потом удваивается, попадая в видимый диапазон). Очевидно, что такие схемы более громоздки и дороги по сравнению с традиционными красными указками.

Помимо красного существует еще и фиолетовый вариант «бытового» лазера (который стал дешевым только с распространением Blu-ray-техники). Лазерный диод такого цвета излучает свет на границе видимого диапазона (частично — в ультрафиолетовой области), поэтому на первый взгляд луч и создаваемое им пятно света кажутся достаточно тусклыми. Однако ультрафиолетовое излучение вызывает флуоресценцию некоторых материалов, которая и проявляет всю мощь лазера, делая его пятно неожиданно ярким. Кстати, невидимость не означает безвредность для глаз. Стоит помнить, что даже самая простая красная лазерная указка из-за энергии излучения, приходящейся на единицу площади, может быть опасна для зрения.

Обсуждение