10. ЛАЗЕРНАЯ ЗАПИСЬ ИНФОРМАЦИИ
В последнее время очень остро стояли вопросы совершенствования в области создания компактных быстродействующих систем постоянной памяти, звуко- и видеозаписи с переходом на цифровое кодирование и на бесконтактные процессы запись-воспроизведение, и, наконец, в области передачи изображения на расстояния. Есть конечно и другие не столь известные направления. Качественный скачок был сделан при переходе на оптические лазерные системы записи, возможности которых достаточно велики и разнообразны. Они могут быть применены для цифровой, растровой, а также аналоговой записи изображений и текстов.
10.1 ЦИФРОВАЯ ДИСКОВАЯ ЗАПИСЬ ИНФОРМАЦИИ
К настоящему времени разработано много оптических дисковых систем записи информации, которые в основном аналогичны, но отличаются средой для записи, применяемым лазером и оптикой. Упрощенная схема такой установки представлена на рис.10.1.
Рис.10.1. Схема установки цифровой записи информации:
1 - лазер; 2 - оптическая система; 3 - диск-оригинал; 4. электропривод
вращения диска; 5 - модулятор; 6 - электропривод поперечного сме-
щения объектива; 7 - электродинамический двигатель; 8 - емкостной
датчик ошибок фокусировки; 9 - система стабилизации частоты вра-
щения двигателя 4
Световой пучок лазера 1 оптической системой 2 фокусируется на поверхность вращающегося диска-оригинала 3. Диск диаметром 100 - 300 мм в зависимости от длительности записи изготавливается из оптического стекла толщиной 0,6-1,0 мм, на поверхность которого наносится тонкопленочное металлическое покрытие толщиной 5-50 нм. Он приводится во вращение стабилизированным электроприводом 4 с постоянной угловой или линейной скоростью в пределах 200-800 об/мин. Модулятор 5 предназначен для внесения в световой пучок информации путем изменения интенсивности пучка в соответствии с подаваемым на его вход цифровым потоком. Формируемые оптической системой и модулятором световые импульсы от лазера образуют в пленке отверстия-питы. В процессе записи объектив смещается к центру диска приводом 6, в результате чего на диске образуется спиральная дорожка из питов. Оптимальный шаг дорожки при звукозаписи 1,5-2 мкм при погрешности 0,05-0,1 мкм, поперечный размер питов 0,4-0,6 мкм.
При видеозаписи и при записи информации на дискеты требования к плотности записи еще более жесткие. Понятно, что такую плотность невозможно обеспечить без применения лазеров. Перемещение линзы осуществляется электродинамическим двигателем 7, обычно используемого в громкоговорителях для возбуждения колебаний диффузора.
Преимуществом цифровой лазерной записи на металлических пленках является возможность контроля ее качества одновременно с записью. Для этого в систему записи через тот же объектив, но под небольшим углом, посылается считывающий лазерный пучок меньшей мощности. Отраженный от дорожки луч используется для оперативного отслеживания качества записи.
10.1.1. СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ЗАПИСЫВАЮЩЕГО
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Мощность излучения записывающего лазера должна быть достаточной, чтобы локально изменить оптические свойства металлического покрытия диска. В последнее время на смену газовым лазерам пришли полупроводниковые диодные лазеры, что позволило создать компактные системы с меньшими размерами и меньшей стоимостью по сравнению с системами на газовых лазерах. Очень важно, что выходная мощность полупроводниковых лазеров легко модулируется входным сигналом, что позволило упростить схему записи, ранее разработанную для газовых лазеров.
Типовая оптическая схема записывающей системы характеризуется тем, что на входе лазера установлен модулятор 5 (см.рис.10.1), управляемый входным сигналом. Оптическая система включает в себя коллимирующее устройство, представляющее собой телескопический расширитель излучения (см.рис.4.2), а для осуществления одновременного с записью контрольного считывания в оптическую систему включается поляризационный делитель, который свет, отраженный от дорожки и поляризационно смещенный, отделяет от основного и направляет на фотодетектор (фотоэлектрический преобразователь).
Требованиям постоянной записи наиболее всего удовлетворяют тонкие пленки сублимирующихся или легко плавящихся или испаряющихся материалов. Простейшим типом такой среды являются тонкие пленки, осажденные в вакууме. Тонкие пленки удовлетворяют многим требованиям по минимизации устройств памяти. Тем не менее необходимость минимизации размеров записанного бита информации предъявляет дополнительные жесткие требования как к фокусирующей оптике, к лазерному излучению, так и к тонкопленочным материалам записывающей среды. Материал должен иметь малую тепло- и температуропроводность, низкую температуру фазового перехода, используемого для записи, в результате которого изменяются оптические свойства бита информации, причем это изменение должно быть достаточным, чтобы обеспечить высокое отношение сигнал-шум при считывании информации.
Кроме того, материал наряду с такими свойствами, как высокая разрежающая способность (не менее 1000 линий/мм при размере бита 1 мкм), стойкость к окружающей среде должен, обладать высокой чувствительностью, поскольку мощности существующих лазеров, пригодных для использования в системах записи информации, составляет несколько милливатт. Отсюда появляются требования к уменьшению пороговой плотности лазерного излучения Iо для записи.
10.1.3. СПОСОБЫ ЗАПИСИ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА
Основной процесс записи на тонкопленочных материалах осуществляется их локальным нагреванием лазерным лучом с последующим разрушением и удалением области нагрева. Механизм записи представляет собой плавление со скатыванием жидкой фазы (см.стр.67). Энергетичес-
кие пороги этого механизма можно определить из выражений (7.2-7.3). Так, для полупрозрачных пленок (имеющих коэффициенты поглощения А1 и пропускания D1 ) и непрозрачных подложек пороговая плотность лазерного излучения при tи < 100 нс равна
I = (r×сv×Тп + Lg) h / [(A1 + D1) t и]. (10.1)
Из (10.1) видно, что наименьшими значениями Iо будут обладать пленки малой толщины с малыми значениями Тп и Lп и низкой теплоемкостью сv , но сильным поглощением на длине волны падающего излучения.
Дальнейшего уменьшения порога записи добиваются уменьшением коэффициента отражения лазерного луча за счет применения антиотражающих многослойных тонкопленочных структур, которые создаются следующим образом. На подложку наносится слой хорошо отражающего материала (чаще всего Al), затем прозрачный слой диэлектрика и полупрозрачная пленка поглощающего металла, играющего роль cреды для записи. Такая структура позволяет иметь большую энергетическую добавку за счет отражения от пленки Al в процессе локального разрушения (записи) и повысить контраст при считывании от записанных битов информации по сравнению с матрицей.
В последнее время ведутся успешные разработки материалов, изменяющих свои оптические свойства за счет локального вздутия поглощающей пленки, которое происходит из-за давления паров промежуточного диэлектрического слоя. В случае когда температура разложения или испарения диэлектрика меньше Тп поглощающей пленки, можно понизить критический порог записи почти на порядок. Оптический контраст в этом случае будет следствием разных отражающих способностей записанной (вздутой) и не записанной области.
10.2. АНАЛОГОВАЯ ЗАПИСЬ ИНФОРМАЦИИ
В ряде случаев оказывается важным сохранить оригинальный вид информации (в виде рисунков, текстов и т.д.). Большинство систем для такой записи построено по принципу фотокопира, схематично изображенного на рис.10.2. Оригинал со штриховым (текст) или полутоновым (рисунок) изображением на прозрачной основе 2 вращается на одном валу с формной пластиной клише 5. В качестве формного материала используется гладкая алюминиевая фольга или алюминиевая тонкая пленка с нанесенным на ее поверхность лаковым слоем и полимерным анти-
адгезионным пленочным покрытием. Считывающая головка 4, состоящая из
источника света 1, линзы и фотоприемника 3
при перемещении вдоль оси
цилиндра последовательно преобразует яркостную картину оригинала в
электрический сигнал, пропорциональный
яркости изображения в данной
его точке.
Рис. 10.2. Структурная схема установки для аналоговой записи информации, работающая по принципу фотокопира:
1 - источник света; 2 - основа; 3 - фотоприемник; 4 - считывающая головка; 5 - клише
Усиленный электрический сигнал управляет электрооптическим затвором лазера (чаще всего это СО2-лазер). Модулированное излучение лазера в соответствии с изображением оставляет след на формной пластине в виде непрерывной канавки или точек-лунок, размер которых определяется количеством прошедшего света. Такой лазерный гравировальный автомат обеспечивает скорость записи до 300 об/мин, при минимальном размере штриха 0,1 мм. Качество полученных рисунков сравнимо с черно-белой фотографией. Дальнейшее развитие способов аналоговой записи, по-видимому, повлекут за собой коренное изменение в системах памяти.
10.3. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Основы голографии были заложены английским физиком Габором в 1948 г., однако только появление лазера, являющегося источником когерентного излучения большой яркости, позволило к 1965-66 гг. завершить создание теоретических и экспериментальных основ голографии. Большая роль в этом принадлежит советскому физику Ю.Денисюку. Диапазон голографических применений весьма обширен и его полное рассмотрение выходит за рамки данного учебного пособия.
Остановимся на использовании голографии как способа записи целых, объемных изображений для систем памяти. В переводе с греческого
"голография" означает полная запись, то есть записанное изображение дает иллюзию всего изображения в целом и даже в объемном виде.
Принцип записи заключается в том, что пучок лазерного света разделяется на два луча - предметный и опорный. Опорный луч сразу направляется на фотопластину, а предметный - на записываемое изображение или предмет. Отразившись от поверхности, предметный луч тоже падает на пластину и там смешивается с опорным. Причем предметный луч, отражаясь от разных частей предмета, будет иметь составляющие с разными фазами. Чем больше расстояние между точками поверхности , тем больше разность фаз (рис.10.3).
Рис.10.3. Принцип построения объемного и цветного голографическоо изображения: 1 - опорный луч; 2 - предметный луч; 3 - зеркало; 4 - фотопластина; 5 - предмет
И если теперь осветить проявленную фотопластину (голограмму) лазером, то мы получим объемное изображение записываемого предмета. Интересно, что голографический способ обладает многими необычными свойствами: на голограмму можно записать множество изображений, используя лазеры с разной длиной волны излучения; любая частица голограммы хранит память обо всем изображении в целом; используя для записи одновременно три лазера, генерирующие красный, синий и зеленый цвета, можно получить цветное изображение записываемого предмета (см, рис.10.3). (Белый свет можно разложить в семицветную радугу, но достаточно трех цветов, чтобы получить всю радугу цветов, в том числе и белый свет.) На голограмму можно записать изображение таким образом, что предмет можно осматривать со всех сторон. Далее, если для получения голограммы использовать параллельный пучок, а для восстановления - расходящийся, то полученное изображение будет увеличенным, и тем сильнее, чем больше расходится луч воспроизводящего изображение лазе-
ра.
Увеличение изображения также можно получить, восстанавливая изображение лазером с длиной волны большей величины. Последнее свойство даст большие возможности, если будет создан надежный лазер рентгеновского диапазона, излучение которого обладает большой проникающей силой. Тогда при большом соотношении длин волн видимого и рентгеновского диапазонов (порядка 5000), а значит при большом увеличении можно получать, записывать и хранить информацию практически из любых областей науки и техники.
В литературе уже много сообщений о создании зеркал, отражающих рентгеновские лучи (см. например, стр.81-83 данного пособия). Известен также способ возбуждения активного вещества. Будущий генератор когерентного излучения в рентгеновском диапазоне даже уже имеет название - разер. Так что дело за немногим - создать его.
Очень часто получают голограммы с плоских предметов - букв, рисунков, фотографий с целью автоматического распознавания образов. Распознать нужный образ среди других - сравнить всех их с эталоном - зачастую является непосильной задачей. Однако она легко решается при использовании голографической записи информации. Для индентификации достаточно иметь голограмму всех исследуемых объектов и голограмму эталона. Причем проверяемые объекты могут быть представлены в виде рисунков, изображений с экранов телевизора, микроскопа.
С помощью голографии можно контролировать
производство изделий любой сложности,
например интегральных схем. В настоящее время созданы тысячи
голографических устройств, автоматически проверяющих готовые изделия
и выявляющих бракованные по отличию их от эталонных. Такой
способ распознавания образов называется оптической фильтрацией,
где в качестве фильтра используется голограмма качественно выполненного
изделия или даже его чертежа.
В последнем случае голограмма называется
синтетической.
Голографические
методы позволяют обнаружить и
измерить ничтожно малые деформации и вибрации предметов, недоступных
для изучения в обычных
условиях, например раскаленные газы в реактивных турбинах, в мало доступных
местах, объекты, двигающиеся с
большой скоростью. На принципах
голографии, а именно способности фиксировать сверхмалые
колебания, построен лазерный микрофон. Так как принципы голографии применимы к
любым волнам, в том числе и звуковым,
то использование голографии на
этих волнах открывает
большие возможности для обследования объектов, прозрачных только для звуковых или ультразвуковых волн
(в геодезии, металлургии и др.). Эта область голографии называется
акустоголографией.
Совсем недавно
появились голограммы, для
восстановления которых не нужен лазер. Их объемное изображение можно
рассматривать в белом свете. Записываются они обычным образом - лазером, но
сама голография располагается поперек
фотопластины. Лучи белого света,
отражаясь в светочувствительном слое от элементов записанной в нем голограммы,
находящихся на разной
глубине слоя, взаимодействуют,
давая объемное изображение.
Такую голограмму с цветным изображением, иллюстрацией можно вклеивать в книгу. На такую голограмму можно нанести несколько сот изображений с большой эффективностью использования объема слоя. Подсчитано, что в 1 см3 такой записи можно поместить библиотеку, состоящую из миллиона томов по 200 страниц в каждом. Таковы возможности лазерной голографии.
10.4. МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ
В современных ЭВМ
широкое применение находят магнитные носители для записи, хранения, обработки и
считывания информации, которые представляют собой магнитные частицы
окислов Fe или Cr в связующей среде. Такие среды имеют много
недостатков, обусловленных дискретностью магнитных носителей, но которые во многом устраняются при
переходе к непрерывным (пленочным)
средам. В тонкопленочных носителях
(ТПН) можно реализовать биты меньших размеров и тем самым большую плотность N. Как правило, в
ТПН из-за большой анизотропии
формы магнитный момент (ММ) лежит в плоскости образца. При такой
конфигурации расположения ММ возникают ограничения на минимальный размер
записанных битов.
Однако положение изменится, если создать в ТМН перпендикулярную анизотропию. В этом случае вектор ММ будет расположен по нормали к плоскости пленки, что будет способствовать стабилизации инвертированных (перемагниченных) участков (битов) даже очень малых размеров за счет полей рассеяния. Теоретически достижимая плотность записи информации N > 1010 бит/см2 , практическая же реализация столь высокой плотности будет лимитироваться устройствами записи и считывания информации.
При современном состоянии техники самый минимальный размер
бита можно получить лишь при фокусировании лазерного излучения, которое тем не менее из-за дифракционного предела не может быть меньше 1 мкм. Тогда реальная плотность записи информации будет составлять N ~ 108 бит/см2 .
Направление создания устройств памяти, включающих в себя лазерный термомагнитный принцип записи информации и магнитооптическое считывание также при помощи полупроводниковых миниатюрных лазеров, получило название "магнитооптическая память".
10.4.1. ТЕРМОМАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ ИНФОРМАЦИИ
Запись информации на ТМН термомагнитным способом заключается в изменении направления магнитного момента (ММ) локальных участков (битов) в результате одновременного воздействия магнитного поля и лазерного нагрева этих участков. Выбранная величина магнитного поля не достаточна, чтобы перемагнитить основную матрицу, но достаточна, чтобы перебросить ММ в противоположное направление в участках, подверженных локальному лазерному нагреву. Как правило, температура нагрева соответствует температуре Кюри Тс данного магнитного материала пленки. Существуют магнитные материалы, в которых при нагреве сильно уменьшается их коэрцитивная сила Нс. Это явление также используется в технике термомагитной записи информации, но более эффективно при аналоговой записи.
Для получения эффекта повышения энергетической чувствительности при записи маломощными полупроводниковыми лазерами магнитные материалы должны иметь низкие значения Тс, малый коэффициент теплопроводности c для уменьшения бокового теплоотвода, высоким коэффициентом поглощения на данной длине излучения a. Если для простоты предположить малый отвод тепла в подложку, а время выравнивания температуры по толщине намного меньше, чем в плоскости, то выражение для интенсивности излучения, необходимого для локального нагрева, достаточного для записи выглядит так:
Iо = (4p2×h×c×DT) / s2. (10.1)
Здесь s2 - площадь бита. При этом считается, что нагрев происходит за время, меньше времени релаксации температуры в плоскости:
t = (s2×cn×r) / 4p2×c . (10.2)
Используя выражения (10.1) и (10.2) и выбрав все теплофизические параметры примерно соответствующие металлическим магнитным пленкам Tb-Fe при длительности импульса лазера tи = 5×10-9 с, величина Iо
составляет 5×105 Вт/см2. В действительности же из-за стока тепла в сторону подложки реальная величина Iо примерно на 30% больше.
10.4.2. МАГНИТООПТИЧЕСКОЕ СЧИТЫВАНИЕ
В магнитооптической памяти для считывания используются магнитооптические эффекты (эффекты Кера в отраженном свете и Фарадея в проходящем), которые имеют разные знаки в основной матрице и в перемагниченных участках (битах информации). Интенсивность считывающего света должна быть достаточно мала по сравнению с Iо, чтобы не разрушить информацию. В процессе считывания поляризованный свет проходит через локальный участок пленки, через анализатор и регистрируется в виде сигнала, в зависимости от направления ММ, имеющего тот или иной знак.
Полезный сигнал получается как разность интенсивностей пучков, прошедших через противоположно намагниченные участки, и зависит от магнитооптической добротности материала (удвоенная величина магнитооптического эффекта, поделенная на коэффициент поглощения) и от толщины пленки.
10.4.3. ТРЕБОВАНИЯ К СРЕДАМ ДЛЯ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ
ПАМЯТИ
Энергетическая чувствительность магнитного материала определяется коэффициентом поглощения, температурой Кюри и толщиной пленки. Кроме того, желательно, чтобы весь излучаемый лазером свет поглощался носителем. Так как запись информации идет термомагнитным способом, то при использовании полупроводниковых лазеров магнитооптический материал должен иметь температуру Кюри не больше 200 оС.
Плотность записанной информации должна быть достаточно высокой в материалах с ММ, расположенным нормально к плоскости пленки.
Эффективность считывания записанной информации напрямую зависит от магнитооптической добротности магнитооптической среды, которая должна иметь высокие значения на длинах волн, где работают современные лазеры, используемые при считывании.
Отношение сигнал - шум. Одним из источников шума в пленочных средах является рассеяние света на межкристаллитных границах. Эти шумы практически отсутствуют при использовании аморфных материалов с прямоугольной петлей гистерезиса.
Большой динамический диапазон по энергии записи. Применительно к записи в точке Кюри это означает, что Тразр /Тс << 1, где Тразр - лазерный нагрев до температуры, приводящей к необратимым разрушениям.
10.4.4. ЗАПИСЬ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Зарубежными исследователями было показано, что пленки сплавов РЗМ-ПМ являются перспективным материалом для магнитооптической памяти. В Институте физики СО РАН проводились работы по изучению возможности их практического использования. Были подтверждены результаты работы зарубежных авторов и, более того, показана возможность термомагнитной записи тональных изображений (аналоговая запись информации).
Для исследования были созданы специальные лазерные установки, позволяющие проводить запись как в последовательном, так и в режиме параллельного формирования блоков информации на больших площадях. В эксперименте использовались газовые лазеры ЛГИ-21 (lи = 0,37 мкм) и ЛГ-52-3 (lи = 0,63 мкм), излучение последнего модулировали с помощью электрооптического модулятора в полосе частот до 100 кГц. Скорость движения носителя составляла величину до 2 м/с, ширина дорожек от 3 до 10 мкм. Считывание производили с помощью тех же лазеров с уменьшенной примерно в 3 раза интенсивностью излучения.
Проведенные измерения показали возможность эффективной записи информации с энергетической чувствительностью 10-2 Дж/см2 и отношением сигнал - шум > 30 Дб.