Текст книги "Посвящение в радиоэлектронику"

Автор книги: Владимир Поляков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 22 (всего у книги 26 страниц)

Революция без бумаги

Слова, стоящие в заголовке раздела, сказал в 1978 году А. Е. Коукелл, директор Института научной информации в г. Филадельфия (США). Что же за революцию он имел в виду? Вполне мирную революцию в области информационных систем. Традиционно в них используется бумага как основной носитель информации. Но времена меняются, и при современном развитии электроники можно говорить уже и о чисто электронных информационных системах. Что это такое? Человеку, а теперь уже и создаваемым им техническим устройствам, например роботизированным комплексам, для ориентации в среде необходима информация. Причем точность принятых решений зависит в первую очередь от полноты и необходимой информации и скорости ее получения. Пока водитель автомобиля имеет полную информацию об обстановке на дороге, авария маловероятна. Опасность его подстерегает, если он чего-то не заметил, т. е. не получил необходимой информации.

Говорят, что сейчас любая техническая новинка разрабатывается в различных местах не менее четырех-пяти раз. Где-то не знают, что нужная разработка уже сделана, и делают все еще раз. Это называется «изобрести деревянный велосипед», и легко представить, в какую копеечку такое изобретение обходится народному хозяйству. А происходит все из-за недостатка информации или недостаточно быстрого обмена ею. В нашей лаборатории сидит человек и листает пухлые тома справочников, разыскивая данные нужного ему транзистора. Знакомая картина? А не лучше ли было получить данные о любом электронном компоненте на экране дисплея?

Название новой фундаментальной науки информатики появлялось, по крайней мере, дважды. Сначала им обозначили научную дисциплину, связанную с научно-технической информацией, а через нее – с системами накопления и поиска информации в виде печатных источников и документов. Затем термином «информатика» обозначили науку об ЭВМ и их применении. Теперь под информатикой понимают науку, изучающую общие процессы передачи и обработки информации. Технической основой информатики являются современная вычислительная техника и процессы обработки информации с помощью ЭВМ. Информатика сейчас проникает и в чисто описательные науки, такие как биология, медицина, социология. Сейчас ее ведущая роль в народном хозяйстве уже ни у кого не вызывает сомнения. Свойства научно-технического прогресса таковы, что объем научной информации в мире удваивается каждые пять лет.

Только вдумайтесь в эту цифру – удваивается! Мы, как слепые котята, барахтаемся в огромном океане информации. Здесь, как нигде более, нужна помощь технических средств. Никому ведь не приходит в голову переплывать океаны на утлой весельной лодке. Правда, иногда мелькают в печати сообщения о смельчаках, переплывших океан на чем-то очень примитивном, вспомните Алена Бомбара. А в океане информации мы все уподобляемся им, пользуясь примитивными средствами – тетрадкой и авторучкой. И тратим месяцы на переход, тогда как люди летают через океан на самолетах!

Следует ожидать, что электронные системы информации будут внедряться в первую очередь на промышленных объектах, НИИ, крупных библиотеках и других хранилищах информации. Но то, что нас окружает в быту: книги, речь, рисунки – тоже источники информации, ибо все они так или иначе воспринимаются нами. Со временем информационный терминал будет на каждом рабочем месте и в каждой квартире. Такое универсальное информационно-связное оборудование можно было бы сделать уже сейчас, но пока это и сложно, и дорого.

Уже сейчас за рубежом ряд издательств научной литературы испытывает трудности. Число индивидуальных подписчиков на журналы резко сокращается с ростом цен, а библиотекам урезается бюджет из-за уменьшения числа читателей. Эффективность использования периодических научно-технических изданий постоянно уменьшается, поскольку журналов – масса и специалисту просмотреть все публикации по его профилю просто некогда. Объем научно-технической информации в мире возрастает за год на 7 млрд. страниц. Только в США в 1975 году было опубликовало 327000 статей в 4175 научных и технических журналах, а во всем мире число статей перевалило за миллион. В то же время за 15 лет, предшествовавших 1975 году, цены на журналы в среднем возросли в четыре раза.

Повышение цен на печатные издания отчасти объясняется тем, что в издательской деятельности все шире используется сложное электронное оборудование. Текст рукописей обрабатывается на ЭВМ и в окончательной форме записывается на перфоленту, гибкий диск или магнитную ленту. А с них, о пять-таки с помощью сложного оборудования, осуществляется печать на бумагу.

Электронная система подготовки журнальных статей в наиболее совершенной форме включает автора, рецензента, редактора, имеющих свои терминалы и объединенных сетью передачи данных с ЭВМ. Осталось только подключить к сети еще и читателя, чтобы создать полностью «электронный журнал». Отредактированные и готовые «к печати» (без бумаги) статьи будут храниться в памяти ЭВМ, и любой читатель сможет «вызвать» на экран своего дисплея нужную ему статью.

Примерно то же самое можно сделать в больших библиотеках и информационных центрах. Уже сейчас часть информации хранится не на бумаге, а в виде микрофильмов и микрофишей плоских пленок, напоминающих слайды. Читатель, придя в зал, не листает книгу, а смотрит на экран фильмопроектора. Но выдаются микрофильмы пока еще вручную. Представим себя в полностью «электронной библиотеке». Например, вы желаете узнать, что изобрели в тех или иных странах в области автоматических выключателей приемников при передаче неинтересных программ. Пусть вам, так же как и мне, неизвестно, есть ли такие выключатели вообще и к какому классу изобретений они относятся. Усевшись за пульт дисплея, вы вызываете на экран каталоги и выбираете нужный класс, подкласс и группу. Скорее всего это сделает за вас ЭВМ, если сумеете (проблема общения с ЭВМ!) объяснить ей, что вы хотите. Просматривая патенты, за несколько минут вы получите полное представление об успехах в этой области, а на нужные патенты, опять же нажатием кнопки, закажете копии. Сейчас вы должны были бы просмотреть не один справочник и каталог, а потом долго рыться на стеллажах с описаниями изобретений. Если к этому добавить, что, имея терминал, подключенный к сети передачи данных, всю описанную «электронную работу» вы могли бы сделать не выходя из дома, станут ясны преимущества электронных систем информации.

«Электронная почта» и «пакетная» связь

Все началось, по-видимому, с биржевого телеграфа, изобретенного Эдисоном. Чрезвычайно занятым погоней за прибылями дельцам было весьма желательно знать текущий курс акций не выходя из собственной конторы. Сведения с биржи передавались по телеграфу и печатались терминалом (употребим современное название), установленным в конторе, на бумажной лейте. Сейчас передача кредита между различными банками осуществляется с использованием сети связи. Эта частная сеть объединяет банки США, Канады и Европы. Разумеется, и все финансовые расчеты внутри банков ведутся с помощью ЭВМ. За рубежом неоднократно высказывалось мнение, что в будущем общество будет обходиться без наличных денег, так как их заменят магнитные карты, уже сейчас широко используемые для оплаты товаров, купленных в магазинах. На карте цифровым кодом записан номер вклада покупателя в банке, и с помощью сети связи в считанные секунды можно получить сведения о кредитоспособности покупателя.

Кроме финансовой требуется передавать массу другой цифровой информации отчеты предприятий, планы их деятельности, статистические данные и т. п. Казалось бы, можно просто позвонить по телефону, чтобы сообщить эти сведения. Но телефон оказался в этом случае не самым оптимальным устройством. По данным США, на 100 деловых телефонных вызовов приходится только 13 разговоров (абонент вышел, на совещании, в командировке или занят более важным делом). Телефон отвлекает людей от их насущных занятий и совсем не годится, когда текстовой и цифровой информации надо передавать много. Появился телекс, а затем телетекс системы передачи буквенно-цифровой информации, построенные по абонентскому принципу так же, как и телефон. Для передачи графической информации служат системы, использующие факсимильный (как в фототелеграфе) принцип передачи («Телефакс», «Датафакс»).

Оконечные устройства сетей передачи данных называют терминалами. Число устанавливаемых на предприятиях и в организациях терминалов ежегодно удваивалось в течение 60-х годов. В 70-х и 80-х годах рост числа терминалов несколько замедлился, и связано это не с уменьшением объема передаваемой информации, а с ее предварительной обработкой с помощью мини-ЭВМ, установленных у абонентов.

Поздравить приятеля с днем рождения можно, послав ему телеграмму или позвонив по телефону. В первом случае это займет некоторое время, а во втором вы просто можете не застать приятеля дома. Если же и у вас, и у него установлены терминалы, входящие в сеть передачи данных, вам остается только набрать текст и «отослать» его в наиболее подходящее время.

Одна из форм «электронной почты» начала действовать в Великобритании. Пользователи системы «Видеотекс» могут обмениваться текстовыми сообщениями с помощью собственных терминалов. Эта же система позволяет пользователю вызвать на экран обычного бытового телевизора архивную информацию, хранящуюся в памяти ЭВМ. Набрав телефонный номер, пользователь обращается к ЭВМ и далее нажатием кнопок дает команду на передачу страниц. Команды передаются по обычной телефонной линии со скоростью 75 бит/с, а передача страниц ведется от ЭВМ к пользователю со скоростью 1200 бит/с. Количество хранящихся в памяти страниц может составлять несколько миллионов. Исходная информация поступает в память ЭВМ от множества различных организаций. Предварительный отбор информации пользователем ведется из десяти более емких информационных единиц путем простого нажатия кнопок. Таким образом, после шести отборов можно вызвать одну страницу из миллиона возможных. Можно получить и графическую информацию, причем многие изображения и символы уже будут записаны в ПЗУ терминала у пользователя. Они вызываются на экран принимаемыми данными.

В США «электронная почта» работает на базе сети ARPANET. Пока стоимость пересылки «электронных писем» высока и составляет около 50 центов. Возможно, поэтому, а скорее, в силу привычки большинство людей пользуются услугами обычной почты. Но деловой мир уже предпочитает, где это только возможно, пользоваться электроникой.

Сети передачи данных сначала действовали на базе имеющихся широко разветвленных телефонных сетей. Но по мере увеличения объема пересылаемой информации пропускная способность телефонной сети оказывается недостаточной. В густонаселенных районах стали использовать сети кабельного телевидения. Что это такое?

Обычное телевидение, только сигналы передаются не через эфир, а по кабельной сети. Хотя устройство сети обходится дорого, это лучше, чем лес телевизионных антенн на крышах домов в больших городах.

Собственно, в каждом подъезде наших домов есть сеть кабельного телевидения в миниатюре. Она начинается у коллективной антенны и кончается разветвлением на самом нижнем этаже. Но если все пользователи соединены кабельной сетью, то по ней можно передавать и сообщения, причем в обоих направлениях, используя частотные каналы, не занятые телевидением. Все чаще строятся и специальные цифровые сети для обмена информацией между ЭВМ.

Для сетей связи необязателен кабель. Можно использовать и волноводы, и радиорелейные линии, работающие на СВЧ. и спутниковые каналы. В таблице приведены сравнительные характеристики различных каналов. Первым стоит обычная двухпроводная телефонная линия, имеющая наименьшую пропускную способность. А в последней строке приведены совсем уж фантастические данные для волоконной оптической линии, рассказ о которой еще впереди.

Но как же сообщения, переданные в сеть связи, находят нужный терминал? Ведь терминалов подключено к сети тысячи, а то и больше? А как находит телефонный звонок нужного абонента? Мы набираем номер! А как находит письмо адресата? На конверте написан адрес! А как находит сигнал считывания в ЭВМ нужную ячейку памяти? В нем содержится код ячейки. Все точно так же происходит и в сети связи. Каждый «пакет» информации снабжается «адресом» цифровым кодом, расположенным перед посылкой. На входном порте каждого терминала установлен дешифратор, «читающий» все адреса циркулирующих в сети сигналов: «Это не мне, это не мне, стоп! Мой код!». Тут же включается регистр памяти, который и считывает передаваемое сообщение. А на все остальные «пакеты» терминал просто не реагирует. Если учесть, что скорость передачи сигналов в сети огромна, то оказывается, что для передачи «электронного письма» от момента его «написания» до прочтения корреспондентом требуется не более нескольких минут. И при всем при том корреспондент может находиться как в соседней квартире, так и на другом конце земного шара! Вот какие чудеса открывает перед нами вычислительная техника! Однако возникает вопрос: как-то мы будем жить в будущем «электронном мире» без бумаги, без почты и без денег? Интересно и жутковато, но не будем заранее пугаться. Все это наступит не так уж скоро и не сразу, так что постепенно привыкнем. Человек ведь ко всему привыкает.

Разговор с ЭВМ

Роботы, говорящие «механическим» голосом, уже прочно вошли в книги и появились на киноэкране. Заставить ЭВМ говорить сравнительно несложно. Словарный запас она запомнит, и он наверняка будет больше, чем у людоедки Эллочки из известного романа И. Ильфа и Е. Петрова. Звукогенератор тоже можно сделать, и он будет управляться цифровым сигналом с выхода ЭВМ. Голос получится очень ровный, лишенный всякой эмоциональной окраски. Научить машину эмоциям – задача очень сложная, если не сказать невозможная. А вот научить разговаривать ее не «механическим», а вполне человеческим голосом можно.

Микроэлектронный синтезатор речи, «говорящая» СБИС, устроен следующим образом. Часть кристалла отведена под ПЗУ, в которое раз и навсегда занесена информация, полученная преобразованием в цифровой код аналоговых сигналов, соответствующих словам и отдельным фразам, произнесенным диктором перед микрофоном. Эта информация и образует словарный запас синтезатора. При работе ЭВМ наступает момент, когда надо произнести фразу, т. е. выдать результат в «речевом» виде. На кристалле синтезатора расположены дешифратор и счетчик адресов. Они получают команду от ЭВМ, и содержимое соответствующих ячеек памяти поступает на цифро-аналоговый преобразователь, выполненный на том же кристалле. Цифровой код превращается в аналоговый звуковой сигнал и звучит в громкоговорителе.

В зависимости от назначения синтезатора в ПЗУ запоминается либо набор числительных (например, в БИС для часов с устным объявлением времени или при необходимости вывода только цифровой информации), либо набор фонем. Фонема – это элементарный звук речи, соответствующий слогу или одному звуку. В этом случае синтезатором речи управляет специальный микропроцессор, «собирающий» из отдельных фонем слова и фразы. Такие системы уже сегодня используют для вывода данных на терминалах. Словарь и язык, на котором «разговаривает» кристалл, можно изменить, применив ПЗУ с другим набором слов и фонем.

Значительно более сложная задача – заставить машину «понимать» слова, произносимые оператором. Но и здесь достигнуты определенные успехи. Наиболее простой путь состоит в следующем. На этапе «обучения» оператор произносит ряд слов и фраз, которые преобразуются в последовательный двоичный код и запоминаются в ЗУ. Им в соответствие ставятся определенные команды или данные, которые также запоминаются. При работе речевого терминала любая фраза, произнесенная оператором, также превращается в двоичный код и сравнивается с содержимым памяти. Если обнаруживается совпадение, терминал выдаст команду, соответствующую произнесенной фразе.

Таким образом, машина «учится» почти безошибочно работать со «своим» оператором, голос которого она уже «знает» и хранит в памяти. Трудности начинаются, когда одна и та же команда произносится различными людьми, разными голосами и в различном темпе. В этом случае распознавание возможно, но лишь на общих признаках, присущих данной фразе. Здесь мы вплотную соприкасаемся с целой проблемой распознаванием образов. Образ может быть звуковым, видимым (оптическим), электронным и т. д. В любом случае образ можно закодировать путем развертки или иным способом и предложить машине для распознавания в виде двоичного кода. Выделение общих признаков из множества предложенных образов или сигналов осуществляется путем фильтрации. Последняя выполняется во временной, частотной или пространственной области.

Говорящая ЭВМ.

До последнего десятилетия в радиотехнике использовался преимущественно один вид фильтрации – частотная с помощью аналоговых фильтров. Такой фильтр пропускает одни частоты спектра сигнала и задерживает другие. Оказывается, то же самое может сделать и ЭВМ, превратив предварительно сигнал в поток цифровых данных. В этом случае фильтрация представляет собой обработку сигнала по заданной программе. Характеристики цифрового фильтра легко изменять, изменяя программу. Возможности цифровой фильтрации оказались огромными. Один случай – распознавание слов и фраз – мы уже упомянули. Но точно так же можно распознавать изображения, скажем сравнивать изображение на фотокарточке с оригиналом, изображение местности с картой. Смазанный и нечеткий снимок можно превратить в четкий, а зашумленную фонограмму избавить от шумов. Таким способом были восстановлены, например, многие старинные граммофонные записи. В последнем случае используют адаптивные фильтры, параметры которых изменяются в соответствии с сигналом.

Перечень областей применения цифровой обработки сигналов компьютерами можно продолжать до бесконечности, но мне кажется, что читатель несколько утомлен перечислением открывающихся перспектив, и поэтому на некоторое время попрощаемся с ЭВМ, сказав ей через речевой терминал: «До свидания!», и перейдем к другой теме. Машина же, проанализировав ситуацию, ответит что-нибудь, что в переводе на человеческий язык прозвучит как: «Куда вы от меня денетесь? Ведь в любой области науки и техники вам теперь без меня не обойтись». И нам волей-неволей придется с этим согласиться.

11. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

В этой главе вас ожидает рассказ о видимых и невидимых лучах, о светящихся кристаллах, о красном луче, позволяющем разговаривать тысяче человек, и о тоненькой ниточке, по которой все сказки «Тысячи и одной ночи» можно передать за несколько минут, о том, как составляют карты и следят за спутниками, а также о многих-многих других возможностях, открываемых нам этой молодой и удивительной техникой – оптоэлектроникой.

Что это такое?

Оптоэлектроника – это сплав, синтез оптики и электроники. Она занимается вопросами совместного использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации.

Давно прошло время, когда единственными источниками света были Солнце, Луна, звезды и костры, а единственным имеющимся в нашем распоряжении приемником света – собственные глаза. Естественные источники излучают некогерентный свет – электромагнитные волны с различными частотами, хаотически изменяющимися фазами и всевозможной поляризацией. Такой же свет дают и различные электрические светильники: лампа накаливания, газосветная трубка, вольтова дуга. Некогерентный свет не удастся сфокусировать в достаточно узкий и тонкий пучок – луч хотя бы потому, что источник имеет конечные размеры, причем далеко не малые по сравнению с длиной волны.

Но как же так, спросит читатель, раньше мы говорили, что чем больше размеры излучателя электромагнитных воли антенны, тем уже его диаграмма направленности. Это верно, но при условии, что волны, излучаемые разными участками источника, когерентны, т. е. имеют одинаковую частоту и постоянный сдвиг фаз. Тогда излучение отдельных участков источника складывается в главном направлении, формируя узкий луч. Некогерентные источники не обладают таким свойством, и сложения волн не происходит. Разумеется, удается в определенной мере сфокусировать лучи и некогерентных источников. Примером тому служит обыкновенный прожектор. Но расходимость его луча остается значительной, и высокой концентрации энергии в луче не получается.

Эпоха когерентной оптики наступила с изобретением оптического квантового генератора – лазера. Он открыл невиданные прежде возможности и в оптоэлектронике. Приведу лишь некоторые примеры. С помощью лазерного локатора (лидара) расстояние до Луны можно определить с точностью до нескольких сантиметров. Мощные лазеры способны «прожигать» толстые стальные листы. В современной геодезии многие работы (нивелирование, определение координат опорных пунктов) производятся с помощью лазерных оптоэлектронных приборов. Оптические устройства голографической памяти способны хранить на пластинке (микрофише) размером не более обычного кадра на кинопленке несколько мегабайт цифровой информации.

Видимый участок электромагнитного спектра.

Оптоэлектронные приборы могут работать в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Освоенной областью считается диапазон длин волн излучения от 0,2 до 50 мкм. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот – электрических в оптические. Оптоэлектроника изучает также процессы распространения излучения в различных средах и взаимодействие излучения с веществом. Оптоэлектроника примыкает к ряду дисциплин, превратившихся уже в целые научные направления. Сюда относятся квантовая электроника, полупроводниковая электроника, физика твердого тела, голография, нелинейная оптика и многие другие. Большинство оптоэлектронных приборов содержит в своем составе генераторы и приемники излучения. К их описанию мы и перейдем.

Лазеры

Теоретические основы оптического квантового генератора разработали советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, а также независимо от них американцы А. Шавлов и У. Таунс. За свои открытия они были удостоены Нобелевской премии. Первый работающий лазер на рубине продемонстрировал Т. Меймен (США) в 1960 году.

В лазере излучают атомы вещества – рабочего тела лазера. Рабочее тело может быть и твердым, и жидким (очень редко), и газообразным. Чтобы атомы излучали, их надо прежде всего возбудить, т. е. сообщить им энергию. В твердотельных лазерах для этого служит оптический генератор накачки – импульсная лампа – вспышка большой мощности. Ее трубка расположена рядом с рабочим телом кристаллом рубина или неодимового стекла. Твердотельные лазеры, как правило, импульсные, так как при той мощности оптического излучения, которую они генерируют (мегаватты и даже гигаватты), ни одна конструкция не выдержала бы работы более нескольких микросекунд.

Лазер на твердом теле (А, В-зеркала).

В газовых лазерах плотность атомов мала, и они могут работать в непрерывном режиме при небольших мощностях излучения: около нескольких милливатт (лазер на смеси гелия и неона, Не-Ne-лазер) или десятков ватт (инфракрасный лазер на углекислом газе СО₂). Газ этих лазеров заключен в разрядную трубку, и возбуждение атомов (накачка) осуществляется электрическим током. Но возбудить атомы рабочего вещества мало, надо заставить их излучать синхронно, всем вместе одну и ту же волну с одной и той же поляризацией и фазой. Различают спонтанное (случайное, самопроизвольное) и вынужденное излучения. Вот последнее-то и используют в лазерах. Рабочее вещество подбирают такое, чтобы у его атомов был метастабильный (почти стабильный) энергетический уровень. Атомы, возбужденные накачкой до энергии метастабильного уровня или до еще большей энергии, остаются на этом уровне некоторое время. Если в этот момент мимо возбужденного атома промчится квант света с частотой, соответствующей энергии перехода с метастабильного на более низкий уровень, то атом совершит этот переход и излучит еще один, точно такой же квант. Это и будет индуцированное, или вынужденное, излучение. Если энергию атома на метастабильном уровне обозначить E₂, а энергию на более низком уровне E₁, то условие излучения, установленное еще Нильсом Бором, можно записать так:

hv = E₂ – E₁

где h – постоянная Планка; v – частота излучения. Величина hv является энергией кванта.

Чтобы создать все условия для интенсивного индуцированного излучения, надо значительно увеличить число квантов, распространяющихся в рабочем теле лазера. Эту задачу выполняет оптический резонатор – два зеркала, установленные строго параллельно друг другу. Вы можете сделать простой опыт с двумя маленькими зеркалами. Расположите зеркала «навстречу» друг другу и посмотрите поверх одного на другое. Вы увидите отражение одного зеркала в другом, а в том – первого, и т. д. Получится туннель из ряда зеркал, уходящий очень далеко, в туманную бесконечность. Поскольку качество бытовых зеркал невысокое, вам удастся увидеть всего семь десять отражений. Качество зеркал в лазерах гораздо выше и свет переотражается десятки и сотни раз. Расстояние между зеркалами подбирается с точностью до малых долей микрометра таким образом, чтобы на длине оптического резонатора уложилось целое число полуволн лазерного излучения. В этом случае поля переотраженных волн складываются, результирующая напряженность поля возрастает в сотни раз, что как раз и нужно для индуцированного излучения атомов рабочею тела. Одно из зеркал делается полупрозрачным, пропускающим несколько процентов падающей на него оптической энергии. Оно и служит выходным окном лазера.

Газовые Не-Ne-лазеры получили самое широкое распространение. На рисунке показано устройство промышленно выпускаемого лазера. В отдельном корпусе расположен высоковольтный выпрямитель, подключаемый к сети переменного тока и создающий на разрядной трубке лазера напряжение 1…1,5 кВ при токе 15…25 мА. В цилиндрическом корпусе помещена разрядная трубка с двумя зеркалами, размещенными у ее торцов. Торцы разрядной трубки закрыты окошками из оптического стекла. Они наклонены к оси трубки под углом Брюстера φ_Б. Этот угол зависит от показателя преломления стекла n: tg φ_Б = n. Он обладает интересным свойством: свет, многократно проходя сквозь стеклянную пластинку, наклоненную под углом Брюстера, становится линейно поляризованным. Вот и вся конструкция.

Газовый лазер:

_{1 – разрядная трубка; 2 – зеркала; 3 – высоковольтный источник питания}

Луч лазера очень тонок и очень слабо расходится в пространстве. На расстоянии в один километр световое пятно, создаваемое лазером на экране, может иметь диаметр не более метра. В то же время лазерное излучение монохроматично, т. е. содержит только одну частоту или одну длину волны. Свет Не-Nе-лазера красный, а его длина волны составляет 0,63 мкм. Излучение ИК лазеров вообще не видно, но если лазер работает в дальней инфракрасной области (ИК) спектра, как, например, лазер на углекислом газе СО₂, излучающий на длине волны 10,6 мкм, то его излучение чувствуется как тепло. Из твердотельных лазеров в оптоэлектронике наибольшее применение получил лазер на кристалле алюмоиттриевого граната (Y₃Al₅O₁₂), в кристаллической решетке которого часть атомов иттрия замещена ионами неодима (Nd). Основу лазера составляет кристалл с зеркально отполированными торцами. Кристалл освещается ксеноновой лампой-вспышкой. Лазер может работать и в непрерывном режиме. К достоинствам его относятся прочность и надежность конструкции и более высокий КПД но сравнению с газовыми лазерами. Длина волны излучения лежит в ближней ИК области спектра и составляет 1,06 мкм. Но лазер может излучать и вторую гармонику основной частоты, попадающую в середину видимой части спектра. Длина волны в этом случае составляет 0,53 мкм.

Неправда ли, описанные «большие» лазеры, хотя и очень отдаленно, напоминают радиолампы: высокие напряжения, стеклянные баллоны и т. д. Но радиотехника почти везде (кроме мощных радиопередатчиков) стремится отказаться от радиоламп и перейти к полупроводникам. Не произошло ли что-нибудь подобное и в лазерной технике? Да, произошло! Был сконструирован полупроводниковый лазер. О нем я расскажу, но сначала несколько слов о хорошо известных вам устройствах, которые называются светоизлучающими диодами.

Светоизлучающие диоды

Свечение диодов в точке контакта при определенном токе через диод заметил еще в 20-х годах талантливый сотрудник Центральной радиолаборатории О. В. Лосев. Но технология изготовления практически пригодных светодиодов была разработана лишь в наши дни. Почему полупроводниковый p-n переход может светиться? Этот вопрос вызывает еще один, более общий: как вообще излучается свет? Излучают, как мы знаем, атомы, причем для этого их надо перевести в возбужденное состояние, соответствующее высоким энергетическим уровням. Если атомы возбуждать нагревом, то соответствующее излучение называется тепловым. Оно некогерентно. Даже нагретый гвоздь излучает в ИК области спектра. Нагревая гвоздь сильнее, мы видим, как он становится темно-красным, затем желто-соломенным. А нагретый до значительно большей температуры металл в доменной печи сияет белым или даже бело-голубым светом. Итак, с повышением температуры максимум теплового излучения смещается в сторону коротковолновой части спектра. Энергия теплового движения атомов и молекул пропорциональна температуре, и описанное явление как нельзя лучше согласуется с квантовой теорией, ведь энергия кванта обратно пропорциональна длине волны. Итак, чем больше температура, тем больше энергия квантов и тем короче длина волны излучения. Но тепловое излучение не имеет никакого отношения к светодиодам и полупроводниковым лазерам.

Есть еще один вид излучения – люминесценция. Его мощность превышает, и часто очень намного, интенсивность теплового излучения при данной температуре. Люминесценцию называют «холодным светом». Чтобы возникла люминесценция, необходимо внешнее воздействие нетеплового характера. Хорошо знакомый нам экран электронно-лучевой трубки светится под ударами электронов. В полупроводниковых светодиодах используется электролюминесценция возбуждение атомов проходящим через диод электрическим током.

Возбужденные атомы полупроводника оказываются на метастабильном энергетическом уровне. Возвращаясь в основное состояние, они и излучают квант света. Если возвращение атомов в равновесное состояние происходит самопроизвольно, вне связи с внешними воздействиями, то излучение оказывается некогерентным. Так излучают обычные светодиоды, используемые как индикаторы в электронной аппаратуре. Выпускаются и семисегментные цифровые индикаторы на основе светодиодов. Они применяются в некоторых калькуляторах и часах.