Применение фотохимических процессов.
Фотография и получение фотоизображений. Фотография - это способ получения видимого изображения объектов с помощью света. Техника получения фотоизображений широко применяется
при ксерокопировании, изготовлении печатных плат, интегральных схем и коммутаторов на печатных схемах, а также различных деталей, например, сеток электробритв и затворов фото- и кинокамер. Во многих случаях при этом используются фоторезисты (органические материалы, чувствительные к оптическому излучению видимой и ультрафиолетовой области. Наиболее широко используются в микроэлектронике при создании искусственных спутников, запоминающих устройств и др. по методу планарной технологии для формирования заданного рельефного рисунка на поверхности полупроводника или диэлектрической основы перед ее легированием.) - материалы, свойства которых изменяются под действием света. Так, на свету может меняться растворимость материала, нанесенного на поверхность, где хотят получить изображение. В качестве светочувствительного вещества в фотографии обычно применяют галогениды серебра, равномерно распределенные в виде микрокристаллов (зерен) в водном растворе защитного коллоида (обычно желатины), нанесенного на подложку. При небольших экспозициях формируется скрытое изображение, которое «проявляется» в присутствии восстановителя. При этом атомы серебра, по-видимому, катализируют процесс восстановления, Для увеличения чувствительности фотоэмульсий в широком диапазоне - от УФ- и коротковолновой области видимого спектра до его красной границы -применяют красители. Их сенсибилизирующий эффект определяется переносом полученной энергии на галогениды серебра. В больших количествах красители используются в цветной фотографии; здесь они непосредственно участвуют в формировании изображения.
Фотополимеризация. С помощью фотохимических процессов можно инициировать термическую полимеризацию. Наиболее важные практические применения этого метода связаны с получением In situ тонких полимерных пленок. Процессы фотоотверждения применяют для получения изображений на различных поверхностях, для быстрого контролируемого отверждения пломбировочных материалов. Фотохимические превращения используются также для поперечного сшивания полимерных цепей; такие сшитые полимеры обычно не растворяются ни в каких растворителях. Фотохимические методы применяют для увеличения долговечности полимеров. Многие органические полимеры разлагаются под действием видимого и УФ-света, особенно в присутствии кислорода, и чтобы замедлить этот процесс, в них вводят фотостабилизаторы. В некоторых случаях (например, при производстве пластиковой посуды), напротив, применяют светочувствительные полимеры, чтобы вышедшие из употребления изделия легче разлагались на свету.
Ксерокопирование: Ксерография - электрофотография на фотопроводящем слое диэлектрика или высокоомного полупроводника, способ копирования различных документов. Такой фотографический процесс широко применяется в учрежденческих копировальных аппаратах - ксероксах. На поверхность полупроводника с высоким сопротивлением, обладающего свойством фотопроводимости, т.е. приобретающего электропроводность при освещении, равномерно наносится электростатический заряд. Затем на заряженную поверхность проецируется изображение копируемого документа. С освещенных участков поверхности заряд стекает, а оставшийся заряд образует скрытое электрическое изображение документа. Оно проявляется путем нанесения на поверхность пластины заряженного порошка пластмассы.
В одном варианте ксерографии в качестве фотопроводящего материала используется селен, которым покрывают барабан или пластину. После проявления изображения поверх селенового покрытия накладывают лист обычной бумаги и электризуют его. Заряженная бумага притягивает порошок, налипший на селен. Полученное изображение закрепляют на бумаге, расплавляя порошок путем нагревания. В другом варианте ксерографии используется бумага с фотопроводящим покрытием, например из оксида цинка. Изображение формируется непосредственно на такой бумаге и закрепляется, так что этап переноса изображения отсутствует. Первое ксерографическое изображение получил Ч.Карлсон в 1938. Процесс далее разрабатывался Институтом им. Бателла, американской некоммерческой научно-исследовательской организацией. В 1947 коммерческие права на изобретение Карлсона приобрела компания «Халоид», выпускавшая фотобумагу. Она и ввела термин «ксерография», образовав его от греческих слов ксеро (сухой) и графео (пишу). Вскоре компания получила название «Халоид ксерокс», а затем - просто «Ксерокс».
Первый автоматический ксерографический копировальный аппарат офисного назначения был выпущен в 1960. Спектр новых ксерографических аппаратов простирается от высокоскоростных копировальных автоматов и печатных множительных машин до устройств электросвязи, которые способны передавать изображения и их ксерографические репродукции на тысячи километров по телефонным сетям, коаксиальному кабелю. Офисные копировальные устройства (копиры) призваны ответить на возросшие требования к дублированию документов, которым уже не удовлетворяют бумажная копирка и специальные множительные аппараты, созданные еще в конце 19 столетия. Значение офисных копиров не исчерпывается простым удобством: поскольку изготовление копий становится легким и быстрым, демократизируется доступ к информации. Один тип копира основан на процессе, получившем название «ксерография» (что можно перевести как «сухое письмо»). Ксерографический копир использует поверхность со свойством фотопроводимости (барабан или ленту), которой придается положительный электрический заряд. На эту поверхность экспонируется изображение копируемого документа, что вызывает стекание заряда с областей, соответствующих светлым местам изображения. При нанесении на поверхность заряженного порошка (тонера) последний прилипает к ее заряженным зонам, создавая позитивное изображение оригинала. Затем на поверхность накладывается лист бумаги, к которому подводится положительный заряд, и отрицательно заряженное изображение из порошка, находящееся на этой поверхности, электростатически притягивается к наложенному листу; наконец, тонер закрепляется на бумаге путем нагревания под давлением. Характеристики копиров, такие, как подача бумаги, сортировка, управление контрастностью, уменьшением и увеличением, скрепление копий скобами и другие, непрерывно улучшаются. Цифровые и цветные копиры превращаются в многофункциональные электронные системы, соединяющие в себе копирование, печать и факсимильную связь.
Лазеры. Лазер (оптический квантовый генератор) - устройство, генерирующее когерентные и монохроматические электромагнитные волны видимого диапазона за счет вынужденного испускания или рассеяния света атомами (ионами, молекулами) активной среды.
Слово «лазер» - аббревиатура слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» - усиление света вынужденным излучением. Рассмотрим эти понятия подробнее и радиорелейные свойства лазерного излучения. В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств.
1. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени.
Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд.
Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера,
получая в точке фокуса огромную плотность энергии.
2. Лазерное излучение большой мощности имеет огромную температуру.
Связь между энергией равновесного излучения Е данной частоты n и его температурой Т задает закон излучения Планка. Зависимость между этими величинами имеет вид семейства кривых в координатах частота (по абсциссе) - энергия (по ординате). Каждая кривая дает распределение энергии в спектре излучения при определенной температуре.
Лазерное излучение неравновесно, но, тем не менее, подставив в формулу Планка значения его энергии Е в единице объема и частоты n (или отложив их значения на графике), мы получим температуру излучения. Поскольку лазерное излучение практически монохроматично, а плотность энергии (ее количество в единице объема) может быть чрезвычайно велика, температура излучения способна достигать огромной величины. Так, например, импульсный лазер мощностью порядка петаватта (1015 Вт) имеет температуру излучения около 100 миллионов градусов.
Применение лазеров: Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.
1. Технологические лазеры. Мощные лазеры непрерывного действия применяются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые иными методами соединить нельзя (например, металл с керамикой). Высокая монохроматичность излучения позволяет сфокусирован луч в точку диаметром порядка микрона (за счет отсутствия дисперсии, и применять его для изготовления микросхем (так называемый метод лазерного скрайбирования - снятия тонкого слоя). Для обработки деталей в вакууме или в атмосфере инертного газа лазерный луч можно
вводить в технологическую камеру через прозрачное окно.
Идеально прямой лазерный луч служит удобной «линейкой». В геодезии и строительстве импульсные лазеры применяют для измерения расстояний на местности, рассчитывая их по времени движения светового импульса между двумя точками. Точные измерения в промышленности производят при помощи интерференции лазерных лучей, отраженных от концевых поверхностей изделия.
2. Лазерная связь. Появление лазеров произвело переворот в технике связи и записи информации. Существует простая закономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше его пропускная способность. Именно поэтому радиосвязь, вначале освоившая диапазон длинных волн, постепенно переходила на все более короткие длины волн. Но свет - такая же электромагнитная волна, как и радиоволны, только в десятки тысяч раз короче, поэтому по лазерному лучу можно передать в десятки тысяч раз больше информации, чем по высокочастотному радиоканалу. Лазерная связь осуществляется по оптическому волокну - тонким стеклянным нитям, свет в которых за счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерь на многие сотни километров. Лазерным лучом записывают и воспроизводят изображение (в том числе движущееся) и звук на компакт-дисках.
3. Лазеры в медицине. Лазерная техника широко применяется и в хирургии, и в терапии. Лазерным лучом, введенным через глазной зрачок, «приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна. Хирургические операции, производимые «лазерным скальпелем» меньше травмируют живые ткани. А лазерное излучение малой мощности ускоряет заживление ран и оказывает воздействие, аналогичное иглоукалыванию, практикуемому восточной медициной (лазерная акупунктура).
4. Лазеры в научных исследованиях. Чрезвычайно высокая температура излучения и высокая плотность его энергии дает возможность исследовать вещество в экстремальном состоянии, существующем только в недрах горячих звезд. Делаются попытки осуществить термоядерную реакцию, сжимая ампулу со смесью дейтерия с тритием системой лазерных лучей (т.н. инерционный термоядерный синтез). В генной инженерии и нанотехнологии (технологии, имеющей дело с объектами с характерными размерами 10-9 м) лазерными лучами разрезают, передвигают и соединяют фрагменты генов, биологических молекул и детали размером порядка миллионной доли миллиметра (10-9 м). Лазерные локаторы (лидары) применяются для исследования атмосферы.
5. Военные лазеры. Военное применение лазеров включает как их использование для обнаружения целей и связи, так и применение в качестве оружия. Лучами мощных химических и эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования планируется разрушать или выводить из строя боевые спутники и самолеты противника. Созданы образцы лазерных пистолетов для вооружения экипажей орбитальных станций военного назначения.
Можно без преувеличения сказать, что лазеры, появившиеся в середине XX века, сыграли такую же роль в жизни человечества, как электричество и радио полу столетием раньше.