книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения

Тонкая пленка из сплава марганца с висмутом является магни­ тожестким материалом с большой константой анизотропии. Направ­ ление легкого намагничения обычно перпендикулярно плоскости пленки. Эти пленки обладают, кроме того, сильным магнитоопти­ ческим эффектом. Температура Кюри этого материала равна 360° С. Запись на пленке из сплава марганца с висмутом можно производить, повышая температуру в отдельных точках пленки выше температуры Кюри. После охлаждения материала направ­ ление намагниченности области, подвергшейся нагреванию, опре­ деляется направлением магнитного поля, действовавшего во время охлаждения. Если все вещество, окружающее нагретую точку, намагничено однородно в некотором направлении, то поток от этого окружающего вещества вызовет в точке противоположно направ­ ленную намагниченность. Внешнее поле, наложенное в течение времени охлаждения, можно использовать для того, чтобы скомпен­ сировать действие замыкающего потока и произвести перемагничивание материала в первоначальном направлении. Таким обра­ зом можно записать или стереть точку. Впервые возможность записи на сплаве марганец — висмут при переходе через точку Кюри была продемонстрирована с помощью таких тепловых источников, как паяльник и электронный луч. Использование в качестве источника энергии лазера имеет то преимущество, что позволяет производить запись и считывание одним и тем же источником.

Записанную информацию можно считывать, используя магни­ тооптический эффект Фарадея или магнитооптический эффект Керра. Эффект. Фарадея состоит в том, что плоскость поляризации плоско-поляризованного светового луча при прохояадении его через намагниченный материал поворачивается на величину, зависящую от толщины пленки и свойств материала. Направление вращения изменяется при изменении направления намагничен­ ности. Расположенный за пленкой анализатор ориентируют так, чтобы он не пропускал свет, прошедший через пленку в местах с первоначальным направлением намагниченности. Тогда свет, проходящий через малые области с обратным направлением намагниченности, будет иметь плоскость поляризации, поверну­ тую таким образом, что часть света пройдет через анализатор. Увеличение интенсивности света, прошедшего через данный участок, можно зарегистрировать с помощью подходящего прием­ ника. Аналогичным образом используют и эффект Керра, но не в проходящем, а в отраженном свете. Стирание можно выполнить, включая соответствующим образом ориентированное вспо­ могательное магнитное поле одновременно с лазерным импуль­ сом.

Этот эффект продемонстрирован на опыте, и были сконструиро­ ваны также экспериментальные устройства памяти на МпШ [67,

29*

в получении сведений об использовании лазерной электронной эмиссии в качестве практического источника частиц [79—82]. В одной из работ [79] была сделана попытка определить пара­ метры источника. В этой работе поверхности вольфрама, тантала и гексаборида лантана облучались светом рубинового и арго­ нового лазеров. С помощью рубинового лазера были получены импульсы тока до 100 мА. Однако эти импульсы неизменно сопро­ вождались разрушением поверхности. Невозможно было получить серию пмпульсов с контролируемым уровнем мощности, которые не вызывали бы повреждения поверхности. Наиболее подвержен­ ным разрушению материалом оказался гексаборид лантана. Полученные плотности электронного тока составляли около 104 А/см2, однако такие плотности можно было ползшить только при плавлении материала катода.

Для получения устойчивого импульсного периодического источника электронов использовался также ионный аргоновый лазер. Длительность импульса лазера составляла около 1 мкс при частоте повторения 10 кГц. Луч с пиковой мощностью 50 Вт фокусировался в пятно диаметром 15 мкм. В течение нескольких часов можно было получать импульсы тока величиной порядка 1 мА. При увеличении интенсивности лазерного излучения до зна­ чения, при котором начиналось плавление и вынос массы, импуль­ сы тока достигали величины порядка 100 мА, но их амплитуда уменьшалась со временем. Гексаборид лантана оказался менее подходящим материалом, че.м вольфрам и тантал.

Без заметного повреждения поверхности можно было получить стабильные периодические импульсы электронного тока с частотой 1 кГц и амплитудой 1 мА в случае вольфрама и 0,5 мА в случае тантала. В импульсном режиме, подходящем для импульсного электронного источника, могут работать и другие лазеры, напри­ мер лазер на пттрий-алюминиевом гранате, активированном неодимом.

При получении электронных импульсов в килоамперном диапа­ зоне лазеры обладают пренмлгществами по сравнению с искровым разрядом. Так, при облучении танталовых катодов получены импульсы тока величиной 500 А и длительностью 80 нс [80].

Было высказано предположение, что плазму, образованную под действием лазерного излучения, можно использовать для полз^- чения управляемых термоядерных реакций [82, 83] (см. гл. 4). Плазма, полученная с помощью лазеров, обладает большой плот­ ностью и высокой температурой. Для получения самоподдерживающейся термоядерной реакции необходимо, чтобы температура плазмы была выше 5>108 К, а плотность — более 1014 см-31).

х) При этой температуре должно быть пх > 1014. — Прим. рей.

в лазерной технике, в частности с получением мощных пикосе­ кундных импульсов. Для осуществления управляемой термоядер­ ной реакции необходим дальнейший прогресс в создании лазеров большой мощности.

Лазер может стать также средством получения малых коли­ честв плотной высокотемпературной плазмы для исследования плазменных процессов. Такую плазму можно было бы создавать без возмущения удерживающего магнитного поля. Работа в этом направлении должна дать много интересных результатов. Про­ цессы, происходящие в лазерной плазме, изучались многими исследователями. Большинство этих исследований в конечном счете было явно направлено на применение лазеров для целей управляемого термоядерного синтеза. В настоящее время лучшим применением лазеров остается получение плазмы с особыми свойствами, а именно высокотемпературной плазмы, с которой можно проводить специальные исследования [84]. Была описана возможность применения лазера как диагностического средства для исследования плазменных процессов [85].

В плазме, полученной с помощью лазера с модулированной добротностью, легко получить температуры порядка сотен электронвольт и давления порядка сотен кплобар. Эти температуры и давления лежат в интервале, представляющем интерес для тер­ моядерных исследований. Как мы отмечали в гл. 4, наблюдалась эмиссия нейтронов из такой плазмы. В качестве источника частиц для инжекции в термоядерные устройства представляет интерес лазерный пробой газов. Плазма в этом случае образуется в огра­ ниченном объеме, что открывает возможности для решения неко­ торых проблем, возникавших ранее при конструировании термо­ ядерных устройств х). Эти возможности нельзя полностью реали­ зовать без значительного увеличения мощности, получаемой от лазеров [86]. Достижения в создании сверхмощных лазеров, вероятно, привели бы к открытию новых направлений в исследо­ вании плотной высокотемпературной плазмы.

Другим применением лазера, связанным с эмиссией частиц, является инициирование высоковольтного искрового разряда [87—94]. Потенциальными преимуществами этого метода являются: возможность работы в области высоких напряжений (вплоть до мегавольт), сохранность запускающего механизма, поскольку он электрически не связан с вы соковольтны й! источником, устой­ чивость включения и возможность периодического зажигания с частотой до 50 импульсов в секунду. В одной из работ ([89]) для этой цели был использован рубиновый лазер с модулирован-

В Инжекция лазерной плазмы в стелларатор описана в работе [135].— Прим,

ред.

удалось получить скорости нанесения пленки до нескольких ангстрем в минуту.

Таким образом, напыление с помощью лазера в высоком вакууме оказывается перспективным для изготовления тонких пленок тугоплавких веществ, особенно в тех случаях, когда желательно минимальное загрязнение.

3. Имитация действия радиации

Нестационарные эффекты, вызванные проникающей радиацией в полупроводниках, можно надежно и с малыми затра­ тами имитировать с помощью лазеров [103]. При поглощении лазерного излучения в полупроводнике образуются такие же электронно-дырочные пары, как п под действием рентгеновского излучения ядерного взрыва. Длительность импульса лазера с модулированной добротностью также имеет нужный порядок величины. Экспериментальное исследование показало, что пере­ ходные токи в кремниевых транзисторах, вызванные лазерным импульсом, почти идентичны токам, возникающим под действием рентгеновского излучения от импульсного источника или под дей­ ствием электронов от линейного ускорителя [104]. Выделение энергии можно сделать однородным, а скорость ионизации — очень высокой. С помощью лазера на неодимовом стекле мощно­ стью 10 МВт можно имитировать действие на кремний излучения мощностью 1012 рад/с. Таким образом, с помощью лазеров легко исследовать надежность полупроводниковых устройств, находя­ щихся в определенных условиях радиоактивного облучения.

4. Выводы

Предлагалось множество других возможных примене­ ний лазеров; едва ли целесообразно подробно их описывать. Область применений лазеров очень широка. Она включает такие вопросы, как ускорение микрочастиц [105, 106], инициирование химических реакций [107—109], образование искровых люток для измерения скорости в высокотемпературных газах [110, 111], моделирование солнечного ветра [112] и фотохимические исследо­ вания [113, 114]. Перечень других применений лазерных эффектов лгожно было бы продолжать неограниченно. Действительно, единственное ограничение для применения лазеров обусловлено лишь пределалш человеческого воображения. Описанные здесь применения, можно надеяться, послужат стимулом для дальней­ ших исследований.

30-023

50.Fenner lV. C., Daly Ar. R., Rev. Sci. Instr., 37, 1068 (1966).

51.Vastola F. J., Pirone A . / . , Knox В. E., Ann. Conf. Mass Spectromet. Allied

Topics, 14th, Dallas (May 1966).

52.Knox В. E., Vastola F. J., Laser Focus, p. 15 (Jan. 1967).

53.Fenner N. C-, Daly N. R., Journ. Materials Sci., 3, 259 (1968).

54.Lincoln K. A., Ini. Journ. Mass Spectromet. Ion Phys., 2, 75 (1969).

55.Levine L. P-, Ready J. F., Bernal G. E., Journ. Appl. Phys., 38, 331

(1967) .

56.Lincoln K. A., Werner D., Ann. Coni. Mass Spectromet. Allied Topics,

15th, Denver (May 1967).

57.Knox В. E., Materials Res. Bull., 3, 329 (1968).

58.Knox В. E., Ban V. S., Materials Res. Bull., 3, 337 (1968).

59.Megrue G. II., Science, 157. 1555 (1967).

60. Sharkey A. G., Shultz J. L., Friedel R. A ., Nature, 202, 988 (1964). $ o

61.Joy W. A'., Ladner W. R-, Pritchard E., Nature, 217, 640 (1968).

62.Laser Focus, p. 12 (March, 1967).

63.Woywood D. J., Laser Focus, p. 28 (February, 1968).

64.Elion II. A ., «Laser Systems and Applications», pp. 166—168. Pergamoil

Press, Oxford, 1967.

65.Carlson C. O. el al., Science, 154, 1550 (1966).

66.Smith D. O., IEEE Trans. Magn., MAG-3, 433 (1967).

67. Chen D., Ready J. F., Bernal G. E., Journ. Appl. Phys., 39, 3916

(1968) .

68.Aagard R. L. et al., IEEE Trans. Magn., MAG-4, 412 (1968).

69.Hunt R. P., IEEE Trans. Magn. MAG-5, 700 (1969).

70.Kiss Z. Y., IEEE Journ. Quantum Electron., QE-5, 12 (1969).

71.Greiner J. II., Fan G. J., Appl. Phys. Lett., 9, 27 (1966).

72.Methfessel S., IEEE Trans. Magn., MAG-1, 144 (1965).

73.Мее C. D., Fan G. J., IEEE Trans. Magn., MAG-3, 72 (1967).

74.Chang J. T., Dillon J. F., Gianola U. F., Journ. Appl. Phys., 36, 1116

(1965) .

75.Goldberg N., IEEE Trans. Magn., MAG-3, 605 (1967).

76.Chen. F. S. et al., Proc. IEEE, 56, 782 (1968).

77.Requa S. C., Hanlet J. M. N., Space Aeronaut., p. S7 (August 1964).

78.Treves D., Hunt R. P., Dickey B., Journ. Appl. Phys., 40, 972 (1969).

81.Dalman G. С., Wen Т. S., Proc. IEEE, 52, 200 (1964).

82.Dawson J. М., Phys. Fluds, 7, 981 (1964).

83.Басов II. Г., Крохин О. II., ЖЭТФ, 46, 171 (1964).

84.Sucov Е. W ., et al., Phys. Fluids, 10, 2035 (1967).

30*