История лазера. Научное издание
Шрифт:
Р’ РјРёСЂРµ имеется СЂСЏРґ РґСЂСѓРіРёС… волоконно-оптических линий. Для примера, оптическая подводная линия между Англией Рё Японией покрывает 27 300 РєРј РІ Атлантическом океане, Средиземном РјРѕСЂРµ, Красном РјРѕСЂРµ, РРЅРґРёР№СЃРєРѕРј океане, РІ РўРёС…РѕРј океане, Рё имеет 120 000 промежуточных усилителей РЅР° пару волокон. Для сравнения, первый трансатлантический телефонный кабель 1956 Рі. использовал 36 преобразователей, Р° первый оптический кабель, проложенный через Атлантический океан, использовал 80 000.
Сегодня, после 30 лет исследований, оптические волокна достигли своих физических пределов. Кварцевые волокна могут пропускать инфракрасные импульсы на длине волны 1,5 мкм с минимальными потерями 5% на километр. Нельзя уменьшить эти потери из-за физических законов распространения света (законы Максвелла) и фундаментальной природы стекла.
Однако имеется РѕРґРЅРѕ достижение, которое может радикально улучшить ситуацию. Рто возможность непосредственно усиливать оптические сигналы РІ волокне, С‚.Рµ. без необходимости сперва извлекать РёС… РёР· волокон. Путем добавления РІ материал волокна примесей подходящих элементов, например СЌСЂР±РёСЏ, Рё возбуждения РёС… СЃ помощью подходящего света накачки, пропускаемого через само волокно, можно получить инверсную населенность между РґРІСѓРјСЏ СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё СЌСЂР±РёСЏ СЃ переходом, который точно соответствует 1,5 РјРєРј. Р’ результате можно получить усиление импульса света РЅР° этой длине волны РїСЂРё его распространении через волокно. РљСѓСЃРѕРє такого активного волокна помещается между РґРІСѓРјСЏ концами волокон, через которые распространяется сигнал. РЎ помощью оптического ответвителя РІ этот РєСѓСЃРѕРє направляется Рё излучение накачки. РќР° выходе остаток излучения накачки выходит наружу, Р° усиленный сигнал продолжает распространение РІ волокне. РЎ помощью такого РїРѕРґС…РѕРґР° можно исключить промежуточные электронные усилители. Р’ старых системах электронных усилителей свет выходил РёР· волокна, регистрировался фотоэлектрическим приемником, сигнал усиливался Рё преобразовывался РІ свет, который продолжал распространяться РІ следующей секции волокна.
Компакт-диски
РћРґРЅРёРј РёР· самых популярных применений лазеров является РёС… использование РІ системах записи Рё воспроизведения компакт-РґРёСЃРєРѕРІ (CD), которые ныне полностью заменили старомодные виниловые РґРёСЃРєРё. Технология оптических РґРёСЃРєРѕРІ берет СЃРІРѕРµ начало РІ исследовательских лабораториях фирмы Филипс (Нидерланды) РІ 1969 Рі. Параллельно исследования РІ этой области проводились фирмой РЎРѕРЅРё (РЇРїРѕРЅРёСЏ). После соглашения РѕР±Рµ эти фирмы стали сотрудничать, Рё РІ 1982 Рі. компакт-РґРёСЃРєРё вышли РЅР° рынок. Р’ этой системе звуковая информация сначала записывается Рё преобразуется РІ серию импульсов, которые представляют первоначальный сигнал (С‚.Рµ. сигнал оцифровывается). Затем эти импульсы переносятся РЅР° поверхность стеклянного РґРёСЃРєР° СЃ помощью сложной техники, использующей лазер, испускающий ультрафиолет. Ртот лазер записывает последовательность импульсов РІ РІРёРґРµ отверстий РЅР° поверхности РґРёСЃРєР°. Каждое отверстие имеет микроскопические размеры СЃ шириной около тысячной миллиметра (0,5 РјРєРј) Рё глубиной 1000 Рђ. Таким образом, можно зарегистрировать большой объем информации РЅР° очень малой площади РґРёСЃРєР°. Рту предварительную запись используют для изготовления матрицы, СЃ помощью которой изготавливаются пластиковые РєРѕРїРёРё для продажи. Для считывания записанной информации РґРёСЃРє вращается, Рё считывание получается СЃ использованием света GaAlAs-РґРёРѕРґРѕРІ, работающих РЅР° длине волны 780 РЅРј. Свет РґРёРѕРґР° направляется РЅР° РґРёСЃРє Рё отражается той частью поверхности, РіРґРµ нет отверстий, Р° сами отверстия РЅРµ отражают свет. Отраженный свет регистрируется подходящим приемником. Сигналы декодируются электроникой СЃ преобразованием РІ Р·РІСѓРє (СЂРёСЃ. 64). Р’ настоящее время получают лучшие результаты СЃ диодами, работающими РІ СЃРёРЅРµ-зеленой области спектра. Уменьшение длины волны позволяет уменьшить размеры отверстий Рё тем самым записать большую информацию РЅР° той же площади РґРёСЃРєР°.
Рис. 64. Схема системы считывания с оптического диска. Свет, излучаемый лазерным диодом, формируется в пучок, который направляется на диск с записанной информацией. Та же оптическая система собирает отраженный свет и посылает его на приемник
Разумеется, реальная система значительно сложнее, чем описано. Рспользуются весьма искусные оптические системы, которые обеспечивают, что лазерный свет всегда нужным образом фокусируется РЅР° РґРёСЃРє (положение фокуса изменяется РЅРµ более 0,5 РјРєРј), Р° РґРёСЃРє вращается СЃ постоянной скоростью. РќР° РґРёСЃРєРµ также закодированы сигналы номеров содержания РґРёСЃРєР°, продолжительность выбранного трека Рё всей записи. Рти сигналы служат для выбора желаемого РєСѓСЃРєР° информации РЅР° РґРёСЃРєРµ без необходимости прослушивать РІСЃСЋ запись. Принципиальным преимуществом является то, что РґРёСЃРє записывается Рё считывается световым пучком, без какого-либо механического контакта. Поэтому исключаются РІСЃРµ царапины Рё повреждения, характерные для старых пластинок. Более того, можно записывать информацию СЃ избытком, поэтому малые царапины Рё следы РѕС‚ пальцев часто РЅРµ сказываются РЅР° работе. Разумеется, если РіСЂСЏР·СЊ Рё пыль накапливается РЅР° РґРёСЃРєРµ, РѕРЅ может выйти РёР· строя.
Оптические диски позволяют вообще сохранять огромное количество данных. Наиболее важным применением оптических дисков является т.н. CD-ROM (компакт-диск только для считывания памяти), которые обычны в компьютерах.
Медицинские применения
Применение в медицине одно из интереснейших использований лазеров. Лазеры начинают широко использоваться в биологических исследованиях и в медицинской практике. Большинство применений основано на стандартном коммерчески доступном оборудовании.
РћРґРЅРёРј РёР· первых применений лазеров стала офтальмология. Фотокоагуляция СЃ потерей зрения, которая может произойти РїСЂРё наблюдении затмения, известна СЃ античных времен. Платон предостерегал людей РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ смотреть РїСЂСЏРјРѕ РЅР° затмение, так как это могло привести Рє ослеплению. Рто было забыто людьми, наблюдающими взрыв первой атомной Р±РѕРјР±С‹, некоторых РёР· которых были ослеплены вспышкой. Р’ 1950-С… РіРі., РґРѕ появления лазера, коагуляторы сетчатки глаза использовали свет РѕС‚ ксеноновых дуговых ламп. Действие этого света РЅР° сетчатку было таким же, как Рё действие солнечного света. РћРґРЅРёРј РёР· первых применений было восстановление отслоенной сетчатки. Врачи использовали ксеноновую лампу для выжигания, которое позволяло возвратить РЅР° место отслоенную сетчатку глаза. Естественным было использование лазера для улучшения этой процедуры, Рё это оказалось успешным!
Фотокоагуляция заключается РІ следующем. Лазерный свет превращается РІ тепло СЃ возрастанием температуры приблизительно РґРѕ 65. Рто повышение температуры РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє денатурации белка СЃ образованием коагулянта. Таким же СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј можно также устранить ненормальные кровеносные СЃРѕСЃСѓРґС‹, кисты, опухоли Рё РґСЂСѓРіРёРµ ненормальности РІ глазу. Рто может также обеспечить слипание отслоенной ретины Рё сосудистой оболочки.
Главной причиной потери зрения людей в возрасте от 20 до 64 лет является болезнь сосудов, в частности диабетная ретинопатия. Причиной потери зрения также является дегенерация роговицы, которая получается или при снижении эффективности сосудистой оболочки, или при чрезмерном увеличении кровеносных сосудов в центре ретины. Во многих случаях коагуляция этих сосудов может стабилизировать эти проблемы.
РћРґРЅРёРј РёР· пионеров РІ области лазерной офтальмологии был американец Френсис Рсперанс (Francis L'Esperance Jr.), который работал РІ Рнституте глаза (РќСЊСЋ-Йорк, РЎРЁРђ). После экспериментов СЃ рубиновым лазером РѕРЅ решил, что лазер, генерирующий СЃРёРЅРµ-зеленое излучение, значительно лучше. Поскольку РІСЃРєРѕСЂРµ после СЂСѓР±РёРЅРѕРІРѕРіРѕ лазера появился аргоновый лазер, работающий как раз РЅР° этих длинах волн, то РѕРЅ решил приобрести его. РћРЅ узнал, что Компания Raytheon изготовила такой лазер СЃ выходной мощностью 10 Р’С‚ для американского правительства, который предполагалось использовать для военных целей. Рто было РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ чудовище длиной более 3,5 Рј! После изготовления этого лазера РѕРЅ стал РЅРµ нужен правительству Рё Рсперанс получил его. Лазер был застрахован, Рё его должны были доставить РІ лабораторию РЅР° девятом этаже. Лазер был слишком велик Рё РЅРµ помещался РІ лифте. Поэтому был нанят лучший такелажник РќСЊСЋ-Йорка, который РЅРµ СЂРѕРЅСЏР» ничего РІ своей жизни. Лазер поднимался РёР· РѕРєРЅР°. Большая толпа собралась наблюдать подъем. Лазер подняли почти РґРѕ пятого этажа, РЅРѕ затем трах, трах, что-то оборвалось, Рё весь ящик СЂСѓС…РЅСѓР» РЅР° землю. Люди были испуганы. Можно было подумать, что кто-РЅРёР±СѓРґСЊ РёР· семьи Рсперанс умер: люди плакали Рё выражали СЃРІРѕРµ сочувствие.