- •Раздел I
- •В.Г. Беспалов, в.Н. Крылов, в.Н. Михайлов основы оптоинформатики
- •Раздел I
- •Введение
- •Глава 1, глава 2 и Приложения написаны в.Г. Беспаловым, глава 3 написана в.Н. Крыловым и глава 4 написана в.Н. Михайловым.
- •§2. Предельные возможности элементной базы электронной компьютерной техники
- •§3. Оптические технологии в информатике
- •§4. Аналоговые оптические вычисления и процессоры
- •§5. Оптический процессор Enlight256
- •§6. Голографические методы обработки информации
- •§7. Цифровые оптические процессоры
- •Глава 2. Теория информации для оптических систем §1. Основы теории информации
- •§ 1.1. Количество информации в системе равновероятных событий. Подход Хартли.
- •§1.2. Количество информации в системе событий с различными вероятностями. Подход Шеннона
- •§1.3. Обобщенная схема информационной системы
- •§1.4. Основные характеристики информационной системы
- •§1.5. Дискретизация и теорема отчетов (Котельникова)
- •§1.6. Пропускная способность канала при наличии белого теплового шума
- •§1. 7. Избыточность информации
- •§2. Теория информации в оптике
- •§2.1. Число пространственных степеней свободы когерентных оптических сигналов
- •§2.2. Теоремы д. Габора
- •§2.3. Число степеней свободы частично когерентных оптических сигналов
- •§ 2.4. Информационная емкость голограмм
- •Глава 3. Источники излучения для оптоинформатики
- •§1. Физические основы работы лазеров
- •§1.1. Оптическое усиление
- •§1.2. Взаимодействие излучения с веществом.
- •1.2.1. Излучение абсолютно чёрного тела.
- •1.2.2. Статистика Больцмана
- •1.2.3. Коэффициенты Эйнштейна.
- •§1.3. Поглощение и усиление
- •1.3.1. Инверсная населённость.
- •§1.4. Принципы лазерной генерации
- •1.4.1. Методы создания инверсной населённости.
- •Трёхуровневая система.
- •Четырёхуровневая система.
- •Методы накачки активных лазерных веществ.
- •§1.5. Основные типы лазеров: классификация лазеров по агрегатному состоянию активного вещества
- •§1.6. Твердотельные лазеры
- •§1.5. Газовые лазеры
- •§1.5. Жидкостные лазеры
- •§2. Полупроводниковые лазеры §2.1. Физические основы работы полупроводникового лазера
- •§2.2. Полупроводники
- •§2.3. Прямозонные и непрямозонные полупроводники
- •§2.4. Полупроводниковые светодиоды
- •§2.5. Основные параметры полупроводниковых лазеров
- •§2.6. Полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур
- •§2.7. Квантоворазмерные структуры
- •§2.8. Безопасность лазеров
- •§3. Источники излучения фемтосекундной и аттосекундной длительности §3.1. Предельно короткие импульсы света и сверхсильные поля
- •3.2. Методы генерации сверхкоротких, в том числе фемтосекундных импульсов
- •3.2.1. Электрооптический затвор на основе эффекта Поккельса.
- •3.2.2. Работа лазера в режиме синхронизации мод.
- •§3.2. Генерация аттосекундных импульсов электромагнитного излучения
- •Глава 4. Локальная и распределенная запись информации §4.1. Локальная (побитовая) запись
- •§4.2. Голографическая (распределенная) запись
- •§4.3. Оптические дисковые системы записи и хранения информации
- •§4.4. Голографические системы записи информации
- •§4.5. Быстродействие оптических устройств записи и хранения информации
- •Список литературы
- •Приложения Параметры и свойства оптических материалов
- •Механизмы поглощения оптического излучения в полупроводниках
- •Эффект Франца-Келдыша (электроабсорбционный эффект) в полупроводниках
- •Квантово-размерный эффект Штарка
- •Кафедра фотоники и оптоинформатики
Глава 3. Источники излучения для оптоинформатики
Основными источниками излучения, применяемыми в оптоинформатике, являются лазеры. В этой главе мы рассмотрим физические основы работы лазеров, их типы и возможность использования для целей оптоинформатики.
Вторая половина прошлого века ознаменовалась интенсивным развитием оптических методов и средств получения передачи и хранения информации. Основным толчком к бурному росту интереса к этому направлению явилось создание в начале 1960 годов лазеров, генерирующих в видимом диапазоне спектра, появление которых привело фактически к революции в оптике и ее прикладных областях.
В разработку лазеров огромный вклад внесли российские ученые, среди них трое, А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и Ж.И. Алферов за это получили Нобелевскую премию. В 1958 г. А.М. Прохоровым и Р. Дике (США) была предложена идея использования открытого резонатора. Первый лазер в оптическом диапазоне спектра – рубиновый - был создан Т. Мейманом (США) в 1960 г., а через полгода А. Джаваном, В. Беннетом и Д. Эрриотом (США) был сконструирован первый газовый лазер. В 1962 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры, в которых был использован предложенный в 1961 г. Н. Г. Басовым метод образования инверсии населенностей инжекцией электронов и дырок через p-n-переход. В 70-х годах прошлого века Ж.И. Алферовым были разработаны полупроводниковые лазеры на гетероструктурах, нашедшие широкое применение в системах передачи и хранения информации.
§1. Физические основы работы лазеров
Слово “Лазер” является аббревиатурой слов английского выражения “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” – усиление света вынужденным излучением.
Для понимания работы лазера необходимо рассмотреть основные принципы взаимодействия излучения с веществом.
§1.1. Оптическое усиление
Системы атомов, ионов и молекул могут иметь только дискретные энергетические состояния. Переход с одного энергетического уровня на другой сопровождается излучением или поглощением фотона (Рис.1.1).
Рис. 1.1. Два энергетических уровня квантовой системы
Длина волны поглощённого или излученного кванта определяется соотношением Бора.
(1.1)
Где E2 E1 - два дискретных уровня энергии, 21 – частота и h = 6.6 ∙ 10-34 Дж∙с – постоянная Планка. Состояние, при котором квантовая система (атом, молекула, ион и др.) наиболее устойчива – когда её внутренняя энергия минимальна, т.е. когда нижние энергетические уровни более заселены, чем верхние. Переход квантовой системы в возбужденное состояние происходит при увеличении ее внутренней энергии, что эквивалентно переходу квантовой системы с основного уровня с минимальной энергией на один из возможных возбужденных уровней. Находящаяся в основном состоянии квантовая система может только поглощать излучение, переходя в возбужденное состояние. В лазерах это достигается использованием внешнего источника накачки, который переводит электроны с нижнего энергетического уровня на верхний. Этим достигается инверсия населённости. Электромагнитная волна на частоте 21, падающая на инвертированное лазерное вещество (лазерный активный элемент), будет усиливаться, потому что падающие фотоны переводят электроны с верхнего уровня на нижний с излучением дополнительных фотонов. В результате, энергия, взятая из лазерного вещества, добавляется к энергии падающей на него электромагнитной волны. Так создаётся стимулированное излучение.
Если всё это сказать коротко, то когда лазерное вещество возбуждается и количество атомов (или молекул) на верхнем энергетическом уровне больше, чем на нижнем, лазерное вещество становится способным усиливать падающее на него излучение, соответствующей частоты. Вот откуда и появилась аббревиатура “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” – усиление света вынужденным излучением.
Из квантовой механики, описывающей взаимодействие излучения с веществом, следует, что стимулированное излучение имеет абсолютно те же параметры, что и стимулирующее (падающее на вещество) излучение: направление, поляризацию, фазу и спектр. Этот факт и определяет экстремально высокую степень когерентности лазерного излучения. Основу теории процесса образования стимулированного излучения создали М. Планк (Рис.1.2) и А. Эйнштейн (Рис. 1.3).
Рис. 1.2. Макс Планк
Рис. 1.3. Альберт Эйнштейн
Рассматривая историю создания лазеров следует отметить большой вклад, который сделали следующие учёные:
-
1900 – М. Планк – M. Planck (квант, постоянная Планка). Свет испускается порциями энергии – квантами E = h
-
1916 – А. Эйнштейн – A. Einstein (вынужденное излучение). Кванты вынужденного излучения неотличимы от первичных: частота, фаза, поляризация, направленность.
-
1924 – Ш. Бозе – Bose, А. Эйнштейн (статистика фотонов)
-
1927 – П.А.М. Дирак – Dirac (квантовая теория)
-
1954 – Ч. Таунс-Townes, А. Шавлов –Schawlow (мазер-
-
Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
-
1954 – Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (мазер)
-
1960 – Т. Мейман –Maiman (рубиновый лазер), Е. Снитцел – Snitzel (Nd:glass лазер)
-
1961 – А. Джаван (He-Ne лазер)
-
1962 – Р. Холл –Hall (полупроводниковый GaAs лазер)
-
1968 – Ж.И. Алферов (гетероструктуры)
Советские учёные Н. Г. Басов и А. М. Прохоров совестно с американским учёным Ч. Таунсом за создание лазеров были награждены Нобелевской премией 1964 года. Фотографии этих учёных представлены на рисунке 1.4.
Рис. 1.4. Нобелевские лауреаты 1964 года