Использование лазеров в информационных технологиях (стр. 2 из 4)

- 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.

Развитие в этой области в последние годы происходило интенсивно и привело к тому, что в настоящее время уже существует большое число линий с лазером в качестве источника света. Оптические системы передачи информации работают с несущими частотами 10¹³ - 10¹⁵ Гц, соответствующими длинам волн l=33¸0,33 мкм. Применяемая длина волны из этого диапазона для передачи информации зависит от:

- постановки задачи по передаче информации (требуемая полоса частот модуляции, расстояние, передающая среда);

- источники света, имеющегося в распоряжении (в основном полупроводниковые инжекционные лазеры и светодиоды, в отдельных случаях миниатюрные твердотельные лазеры, СО₂ лазеры);

- модуляционной способности;

- системы передачи (через вакуум, воздух, специальные газы, стекловолокно);

- возможности демодуляции.

Принципиально система для оптической передачи информации состоит из шести компонентов (рис. 7).

Рис. 7. Схема системы для оптической передачи информации:

1 - источник света; 2 - модулятор света; 3 - линия передач; 4 - фотоприемник; 5 - сигнал.

При использовании полупроводниковых лазеров в качестве источников света внешний модулятор может быть исключен (напосредственная модуляция лазера с помощью возбуждающего тока в этом случае имеет преимущество).

Задача оптической передачи информации является передача излучения от передатчика к приемнику, и тем самым решающее значение приобретает среда распространения сигнала. Свойства среды в основном определяют конструкцию и размеры всей системы передачи, включая выбор источника света и приемника.

Передающие среды

Следует различать передачу информации в следующих средах: земной атмосфере, линзовых световодах, оптических волноводах.

Передача информации в земной атмосфере. Из-за геометрических потерь, обусловленных расходимостью излучения, при оптической передаче сигнала в вакууме принимаемая мощность на расстоянии R на длине волны l равна:

где P_Sи P_E - излучаемая и принимаемая мощность; А_Sи А_Е - апертуры передающей и приемной систем.

Соответствующие потери называются потерями свободного пространства. К этим потерям следует добавить потери при распространении излучения через атмосферу за счет поглощения, рассеяния, рефракции.

При распространении светового пучка в передающей среде происходит уменьшение интенсивности I₀светового пучка. На расстоянии R имеем

,

где d - коэффициент затухания:

d = d₁ + d₂ + d₃.

d₁ характеризует молекулярное поглощение, в оптической спектральной области в основном определяется парами воды, диоксидом углерода и озоном (рис. 8)

Рис. 8. Молекулярное поглощение в оптической области спектра.

d₂ характеризует потери, обусловленные рассеянием на молекулах, частицах дыма и пыли, испарениях, тумане, дожде и снеге.

d₃ обуславливает сильно флуктуирующие во времени потери при передаче сигнала, что может привести к ограниченному во времени срыву передачи. Соответствующие потери можно уменьшить путем определенного выбора оптической системы, в частности с помощью расширения светового пучка.

Для определения суммарных потерь на затухание для выбранной линии передач необходимы обширные измерения в течение больших промежутков времени при самых разнообразных атмосферных условиях при использовании источников света различных длин волн (рис. 9)

Рис. 9. Частота занижения затухания света для определенного измеряемого участка (2,5 км) в атмосфере.

Оптическая передача информации в земной атмосфере рассматривается только для относительно коротких расстояний, при этом должны допускаться определенные кратковременные сбои при передаче информации: надежность линии передачи не более 99%.

Линзовые световоды. Возможность исключения мешающего влияния атмосферы на распространение лазерного пучка состоит в том, чтобы провести свет в определенной атмосфере (газ с малым поглощением) внутри трубы, при этом необходимы линзовые и зеркальные системы для подфокусировки и отклонения излучения.

В качестве линз применяются стеклянные или даже газовые линзы.

Преимущество: малые потери на поглощение и рассеяние.

Недостаток: необходима весьма точная юстировка многих оптических элементов, что трудно достигнуть при колебаниях температуры и вибрациях для больших промежутков времени; кроме того, прокладка линзовых световодов с большими длинами требует больших затрат.

Оптические волноводы. Оптический волновод - это стекловолокно, состоящее из сердцевины и оболочки, причем сердцевина имеет более высокий показатель преломления (n_K) по сравнению с показателем преломления оболочки (n_M). Вследствие полного внутреннего отражения свет распространяется в пределах сердцевины волокна, при этом необходимо использовать стекла с малым затуханием и дисперсией.