- •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
§2.8. Безопасность лазеров
Даже маломощные лазеры (с выходной мощностью несколько милливатт) могут быть опасны для зрения. Для видимых длин волн (400—700 нм), которые хорошо пропускаются и фокусируются хрусталиком, попадание лазерного луча в глаз, даже на несколько секунд, может привести к частичной (или полной) потере зрения. А лазеры большей мощности могут приводить даже к повреждению кожных покровов. Лазеры делятся на 4 класса безопасности, от 1 — практически безопасный, до 4, у которого даже рассеянный луч может стать причиной ожога глаза или кожи.
-
Класс 1. Лазеры и лазерные системы малой мощности, которые не могут излучать уровень мощности, превышающий максимально разрешённое облучение. Лазеры и лазерные системы Класса 1 не способны причинить повреждение человеческому глазу.
-
Класс 2. Маломощные лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы.
-
Класс 3a. Лазеры и лазерные системы, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении кратковременного периода. Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп).
-
Класс 3b. Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча.
-
Класс 4. Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами (<0,25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющие и горючие материалы.
§3. Источники излучения фемтосекундной и аттосекундной длительности §3.1. Предельно короткие импульсы света и сверхсильные поля
Генерация всё более коротких импульсов света, предельная концентрация световой энергии во времени, а также применение сверхкоротких лазерных импульсов для воздействия на вещество, исследование быстропротекающих процессов, в системах передачи информации – одно из магистральных направлений развития современной лазерной физики и техники.
Успехи в области квантовой электроники, нелинейной оптики и лазерной физики, достигнутые к концу ХХ века, позволили получить световые импульсы с характерной длительностью во времени порядка нескольких фемтосекунд (1 фс = 10-15 с). Были получены импульсы длительностью = 4.5 фс в видимом диапазоне (всего два периода световых колебаний) и = 40 фс в ИК диапазоне на длине волны CO2 лазера – 10 мкм (световой импульс в один период колебаний). Один период оптического колебания – это предельная длительность светового импульса и предельная “скорость” оптического отклика материальной среды.
Фемтосекундные лазерные импульсы впервые позволили наблюдать в реальном времени динамику быстропротекающих элементарных молекулярных процессов и получить мгновенные снимки молекул и групп атомов на различных стадиях химических реакций. Временное разрешение, обеспечиваемое фемтосекундными лазерными импульсами, оказывается достаточным для исследования любых, даже самых быстрых процессов молекулярной динамики. Разработка эффективных источников сверхкоротких световых импульсов связана с возможностями реализации предельных скоростей оптической обработки и передачи информации. В последние годы выполнены эксперименты, ярко их демонстрирующие: созданы оптические бистабильные устройства, переключаемые за времена 10—12 с, элементы волоконно-оптических линий связи, информация с которых переносится с помощью оптических солитонов с длительностью, достигающей 10—13 с.
С другой стороны, переход к фемтосекундным импульсам – это и очередной скачок по шкале интенсивности света. При длительности импульса и = 100 фс и сравнительно небольшой энергии W = 100 мДж соответствующая мощность Р = 1012 Вт. Если это излучение сфокусировать в пятно диаметром 100 мкм, то плотность мощности будет достигать значения ~ 1016 Вт/см2. таким образом, в сравнительно скромных по масштабам лазерных система удаётся перейти к уровням мощности, которые ещё совсем недавно удавалось получить только в огромных мультиджоулевых установках, предназначенных для управляемого термоядерного синтеза.
Однако, для изучения динамики электронной системы внутри атомов и увеличения скоростей оптической обработки и передачи информации, требуются импульсы с длительностью короче одной фемтосекунды - аттосекундные импульсы (1 ас = 10-18 с). Генерация таких импульсов стала возможной на основе нелинейно-оптических взаимодействий высокоинтенсивных сверхкоротких лазерных импульсов лишь в начале XXI века.