МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНОЛОГИИ

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 16Следующая ⇒

Общие сведения. Характерная особенность современного естество- знания — рождение новых, быстро развивающихся наук на базе фунда- ментальных знаний. К одной из них относится сформировавшаяся в не- драх физики микроэлектроника, перерастающая в последнее время в на- ноэлектронику. У микроэлектроники и наноэлектроники один общий ко- рень — электроника. В современном представлении электроника — наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о ме- тодах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газораз- рядных, полупроводниковых), используемых для передачи, обработки и хранения информации. Возникла она в начале XX в. На ее основе были созданы электровакуумные приборы, в том числе и электронные лампы (диод, триод и т.д.). В 50-х годов XX в. родилась твердотельная электро- ника, прежде всего полупроводниковая, а в следующем десятилетии ро- дилась микроэлектроника — наиболее перспективное направление элек- троники, связанное с созданием приборов и устройств в миниатюрном исполнении с использованием групповой (интегральной) технологии.

Основу элементной базы микроэлектроники составляют интеграль- ные схемы, выполняющие заданные функции блоков и узлов электрон- ной аппаратуры, в которых объединено большое число миниатюрных связанных между собой элементов. По мере развития микроэлектроники уменьшаются размеры содержащихся в интегральной схеме элементов, повышается степень интеграции. В последнее время разрабатываются интегральные схемы, размеры элементов которых определяются нано- метрами (10-9 м), т.е. зарождается наноэлектроника.

Разнообразные микроэлеюронные приборы и устройства находят

широкое применение во многих технических средствах. Достижения в микроэлектронике способствовали созданию космических кораблей и управляемых ядерных реакторов. Современная аудио- и видеоаппаратура

с достаточно высоким качеством звучания и изображения — это тоже продукция микроэлектроники. На промышленной микроэлектронике ба- зируется автоматизированное производство изделий, узлов, механизмов

и машин. Элементная база многочисленных и разнообразных ЭВМ, включающих и персональные компьютеры, также основана на микро- электронике.

Едва ли можно встретить такого человека, который не был бы прямо или косвенно связан с микроэлектронной аппаратурой, прежде всего как пользователь. Вполне очевидно, что от степени внедрения микроэлек- тронных средств зависит не только качество производимой продукции, но и темпы развития той или иной промышленной отрасли и государства

в целом.

Развитие твердотельной электроники. История развития твердо- тельной электроники начиналась с возникших и долгое время необъясни- мых физических загадок, так называемых «плохих» проводников. Еще в XIX в. выдающийся физик М. Фарадей столкнулся с первой загадкой — с повышением температуры электропроводность исследуемого образца возрастала по экспоненциальному закону, что противоречило известному

к тому времени представлению: электрическое сопротивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры. Спустя не- которое время французский физик А.С. Беккерель обнаружил, что при ос- вещении «плохого» проводника светом возникает электродвижущая сила — фотоЭДС. Так появилась вторая загадка. В 1906 г. немецкий фи- зик К.Ф. Браун (1850—1918) сделал важное открытие: переменный ток, пропущенный через контакт свинца и пирита, не подчиняется закону Ома; более того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного напряжения. Это была третья физическая загадка.

В дальнейшем к плохим проводникам были отнесены сульфиды и ок- сиды металлов, кремний, оксид меди и т.п. — вещества, получившие название полупроводников. Выпрямление электрического тока с помо- щью полупроводников и их фотопроводимость нашли практическое при- менение: были созданы соответственно твердотельный выпрямитель электрического тока и фотоэлемент. В 1879 г. американский физик Э. Холл (1855—1938) обнаружил новое явление — возникновение элек- трического поля в тонкой пластине золота с током, помещенной в магнит- ное поле, — названное эффектом Холла. Такой эффект наблюдается и в полупроводниках. Предполагалось, что направление электрического поля определяют электроны и какие-то неизвестные положительно заря-

женные частицы. Эффект Холла — четвертая загадка «плохих» про-

водников.

Известная к тому времени теория электромагнитного поля Максвелла не смогла объяснить ни одну из четырех загадок. Пока физики искали от- гадки, полупроводники находили применение. Так, контакты из полупро- водниковых материалов и металла использовались в первых приемниках радиоволн. Кристаллические полупроводниковые детекторы позволяли выпрямлять радиочастотные сигналы, но усиливать их не удавалось.

Изучая свойства кристаллического детектора, наш соотечественник, выдающийся радиоинженер О.В Лосев (1903—1942) обнаружил на вольтамперной характеристике кристалла участок с отрицательным диф- ференциальным сопротивлением, на основе чего он создал в 1922 г. гене- рирующий детектор. Это был первый детектор, способный генерировать

и усиливать электромагнитные колебания. В нем использовалась кон- тактная пара металлическое острие — полупроводник (кристалл цинки- та). Однако хотя открытие О.В. Лосева и вызвало большой интерес, оно не нашло промышленного внедрения, так как 30—40-е годы XX в. были порой расцвета электровакуумных ламп, нашедших широкое применение

в различных устройствах радиосвязи. Ненадежные в то время полупро- водниковые приборы не могли конкурировать с ними.

Тем не менее исследование свойств полупроводников продолжалось. Предпринимались поиски природных и синтезированных полупроводни- ков. Исследования существенно активизировались после создания зонной теории полупроводников, в соответствии с которой в твердом теле энер- гетическое состояние электронов характеризуется зонами. В верхней зоне находятся свободные заряды, она названа зоной проводимости. Нижняя зона, в которой заряды связаны, получила название валентной зоны. Между ними расположена запрещенная зона. Если ее ширина вели- ка, то в твердом теле электропроводность отсутствует и оно относится к диэлектрикам. Если же она невелика, то электроны могут возбуждаться различными способами и переходить из валентной зоны в более высоко- энергетическую. Например, при нагревании твердого тела происходит тепловое возбуждение электронов, повышается их энергия и они перехо- дят в зону проводимости; при этом повышается электропроводность твердого тела, а значит, уменьшается его сопротивление. С ростом темпе- ратуры число возбужденных электронов увеличивается, и как следствие, сопротивление полупроводника падает. Возможен и другой механизм возбуждения электронов и перевод их из валентной зоны в зону проводи- мости, при котором они становятся свободными под действием света. Та- ким образом, зонная теория объяснила две первые загадки: почему сопро- тивление полупроводников падает при нагревании и при освещении.

Из анализа электропроводимости полупроводников следовало, что на

освободившихся от электронов местах в процессе их перехода в зону про- водимости образуются вакансии или дырки, эквивалентные носителям положительного заряда, обладающим подвижностью, эффективной мас- сой и способностью давать вклад в электрический ток с направлением, противоположным току электронов. Выяснилось, что существуют полу- проводники с электронным типом проводимости (п-тип), для которых эффект Холла отрицателен, и полупроводники с положительным эффек- том Холла, имеющие дырочный тип проводимости (р-тип). Первые на- званы донорными, вторые — акцепторными.

В конце 30-х годов XX в. трое ученых-физиков — А. Давыдов (СССР), Н. Мотт (Англия) и В. Шоттки (Германия) — независимо друг от друга предложили теорию контактных явлений, согласно которой в полу- проводниках на границе дырочного и электронного типов полупроводни- ков возникает эффективный электронно-дырочный барьер, препятствую- щий свободному передвижению электронов и дырок. Через такую грани- цу ток проходит только в одном направлении, а ее электрическое сопро- тивление зависит от величины и направления приложенного напряжения. Если электрическое поле приложено в прямом направлении, высота барь- ера уменьшается, и наоборот; при этом неосновные носители тока (дырки

в электронном полупроводнике и электроны в дырочном) играют опреде- ляющую роль.

В результате многочисленных экспериментов удалось изготовить об- разец, включающий границу перехода между двумя типами проводимо- сти. Так впервые был создан p-n-переход, ставший важнейшим элемен- том современной полупроводниковой электроники, и к сороковым годам удалось разгадать все четыре загадки «плохих» проводников.

Первым твердотельным прибором, для усиления электрического тока,

способным работать в устройствах вместо незаменимой в те времена лам- пы, стал точечный транзистор, в котором два точечных контакта распо- ложены в непосредственной близости друг от друга на верхней поверхно- сти небольшой пластинки кремния n-типа. В конце 1947 г. был испытан первый транзистор. Он позволял усиливать сигнал вплоть до верхней гра- ницы звуковых частот более чем в сто раз. В 1956 г. за разработку транзи- сторов американские физики Д. Бардин (1908—1991), У. Браттейн (1902—1987) и У. Шокли (1910—1989) получили Нобелевскую премию.

Истоки современной микроэлектронной технологии. Совершен- ствование различных полупроводниковых приборов способствовало раз- витию микроэлектронных технологий, позволивших создать не только превосходные по качеству и надежности транзисторы, но и интегральные схемы, а затем большие и сверхбольшие интегральные схемы, на базе ко-

торых производится разнообразная электронная техника, включая совре- менную аудио- и видеоаппаратуру, быстродействующие ЭВМ и т.п.

Первое промышленное производство полупроводниковых приборов освоено в середине 50-х годов XX в. после разработки технологии зон- ной очистки для равномерного распределения примесей в кристаллах. В

1955 г. созданы транзисторы со сплавными и p-n-переходами, а затем —

дрейфовые и сплавные с диффузией.

Самая первая модификация транзистора — биполярный транзи- стор — имел форму цилиндра с тремя выводами соответственно от эмит- тера (т.е. части транзистора, из которой поступает ток), коллектора (пунк- та назначения электронов) и от регулирующей части — базы. Будучи своеобразной «заслонкой», база либо способствовала, либо препятство-

вала потоку электронов.

В 1957 г. американский инженер Г. Кремер изобрел и запатентовал ге- тероструктурный транзистор, состоящий из нескольких слоев полупро- водникового материала — соединения галлия с различными присадками. Такой транзистор отличался от биполярного гораздо более высоким бы- стродействием. Позднее тот же автор предложил идею гетероструктурно- го лазера. Одновременно и независимо от Г. Кремера эту же идею запа- тентовали российские ученые Ж. Алферов и Р. Казаринов из Физико-тех- нического института им. А.Ф. Иоффе. В 1970 г. в этом же институте был создан гетероструктурный лазер, способный (в отличие от его аналогов)

непрерывно работать при комнатной температуре.

В 1958 г. американский инженер Д. Килби предложил конструкцию микросхемы, в которой весь набор электронных элементов в виде слоев различных материалов располагался на одной пластине из германия. Эта конструкция оказалась основополагающей для изготовления интеграль- ных схем с многослойной структурой, включающей множество транзи- сторов и других элементов, которые компонуются на одной пластине с применением тонкопленочной групповой технологии, заключающейся в последовательном формировании элементов. Интегральные схемы со- ставляют техническую базу информационных технологий. За их разра- ботку группа ученых — Ж.И. Алферов, Г. Кремер и Д. Килби — удостое- на Нобелевской премии по физике 2000 г.

По мере освоения тонкопленочной технологии осаждались тонкие пленки не только полупроводниковых, но и других материалов: диэлек- триков, магнетиков и т.д. Особенно широко развернулась тонкопленоч- ная индустрия тонких ферромагнитных пленок, позволившая создать многие высокочувствительные преобразователи и приборы. В нашей стране напыление тонких магнитных пленок и их экспериментальное ис- следование впервые производились в начале 60-х годов XX в. на физиче- ском факультете МГУ им. М.В. Ломоносова в лаборатории известного

магнитолога Р.В. Телеснина (1905—1985). Эти первые работы послужи-

ли активным началом для многих перспективных направлений исследо- вания физических свойств тонкопленочных ферромагнитных материа- лов.

При создании современной электронной аппаратуры различного на- значения — от аудио- и видеоаппаратуры до сложнейших компьютер- ных, космических и других систем возникают непростые задачи измере- ний и контроля. Для решения таких задач на основании предложенных российскими учеными С.Х. Карпенковым и Н.И. Яковлевым магниторе- зистивных методов измерений созданы принципиально новые высоко- чувствительные преобразователи и приборы, позволяющие измерять магнитные параметры образцов толщиной до 0, 01 мкм и массой менее

0, 01 мг, контролировать биотоки в живых тканях и регистрировать сверх- большие токи — до 300 000 А. За эту работу С.Х. Карпенков и Н.И. Яков- лев удостоены Государственной премии Российской Федерации 1998 г. в области науки и техники. Дальнейшая модернизация различных микро- электронных средств связана с освоением и внедрением нанотехнологий.

Развити е нанотехнологий. В результате совершенствования тонко- пленочной технологии в течение последних десятилетий удавалось раз- мещать все большее число элементов на меньшей площади кристал- ла-подложки интегральной схемы, т.е. удавалось постоянно повышать степень интеграции. Еще в 1960 г., вскоре после изобретения микросхе- мы, американский инженер Гордон Мур предсказал темп роста числа компонентов интегральной схемы, сформулировав закономерность: чис- ло элементов интегральной схемы будет удваиваться каждые 1, 5 года. Специалисты часто называют эту закономерность законом Мура. В течение последних сорока лет прогнозы Мура оправдывались. Например, в 1970 г. число компонентов в микросхеме модуля памяти составляло 103, в

2000 г. — 109. Действительно, темпы роста степени интеграции впечатляют.

Известны три пути повышения степени интеграции. Первый из них связан с уменьшением топологического размера и соответственно повы- шением плотности упаковки элементов на кристалле. Совершенствова- ние технологических процессов, особенно литографии, а также процессов травления позволяло ежегодно уменьшать размер элемента примерно на

11 %. В настоящее время достигнут топологический размер 0, 3—0, 5 мкм, а

в ряде экспериментальных работ используется топографический рисунок

с еще меньшими размерами элементов. Дальнейшее уменьшение тополо- гических размеров требует разработки новых технологических приемов. Увеличение площади кристалла — второй путь повышения степени ин- теграции. Однако получение бездефектных кристаллов больших разме- ров — весьма сложная технологическая задача: наличие дефектов резко

снижает процент выхода годных и увеличивает стоимость интегральной

схемы. Третий путь заключается в оптимизации компоновки элементов.

Тенденция к усложнению интегральных схем — от больших (БИС) в

70-х годах до ультрабольших (УБИС) в 90-х годах XX в. и гигантских (ГИС) после 2000 г. — выражается прежде всего в увеличении числа транзисторов на кристалле.

При разработке транзисторов открывались новые направления в по- лупроводниковой электронике. Одно из них связано с разработкой поле- вого транзистора, выполняющего функцию резистора, управляемого на- пряжением. Типичный полевой транзистор имеет структуру ме- талл—окисел—полупроводник и носит название МОП-транзистор. Предполагается, что модифицированная технология МОП-транзистор- ных схем будет применяться для создания гигантских интегральных схем.

Переход к сравнительно малым размерам элементов требует принци- пиально нового подхода. С уменьшением размеров элементов приходит- ся отказаться от традиционных технологических операций. Так как длина волны света препятствует миниатюризации, фотолитография заменяется электронной, ионной и рентгеновской литографией. На смену диффузи- онных процессов приходят ионная и электронно-стимулированная им- плантация. Термическое испарение и отжиг материала вытесняются ион- но-лучевой, ионно-плазменной, электронно-лучевой обработкой. Появи- лась возможность локального воздействия на поверхность полупровод- никового кристалла.

Технологический процесс создания современного нанотранзистора весьма сложен: он начинается с операции осаждения тонкопленочных слоев кремния на изоляторе (КНИ), кремния и двуокиси кремния (рис.

8.1, а) и заканчивается формированием многослойной структуры (рис.

8.1, е).

Цр недавнего времени технология основывалась на удалении лишне- го материала из заготовки, подобно тому как скульптор удаляет куски мрамора, создавая задуманный образ. На смену ей постепенно приходит молекулярно-инженерная технология, позволяющая создавать электрон- ные схемы из отдельных атомов по аналогии с тем, как дом складывают из кирпичиков. Уже сейчас такая технология применяется в производстве приборов на молекулярных пленках, в молекулярно-лучевой эпитаксии, ионно-зондовой, электронно-стимулированной управляемой импланта- ции и т.п. Использование лучевых методов (электронно-лучевого, ион- но-лучевого, рентгеновского) позволяет получать элементы с размерами до 10—25 нм. Переход в нанометровый диапазон требует решения фун- даментальных вопросов, связанных с новыми физическими принципами работы приборов и ограничениями, свойственными планарным процес-

сам. В результате взаимодействия ускоренных пучков ионов с веществом

можно направленно изменять их физико-химические свойства, что позво- ляет получать тонкопленочные элементы с заданными локальными ха- рактеристиками. Сфокусированные ионные потоки — это уникальный инструмент для прецизионной обработки различных материалов.

В настоящее время в качестве основного материала полупроводнико- вых приборов используется кремний. С развитием нанотехнологии будут применяться и другие материалы: арсенид галлия, фосфид индия, кад- мий-ртуть-теллур и т.п. Изменится и архитектура полупроводниковых приборов. Все процессы, определяющие работу интегральной схемы, происходят в основном в тонкой приповерхностной области толщиной до одного атомного слоя, образующего одномерную архитектуру. Мини- мальными частицами, способными управлять электроном, являются ато- мы. Уже предложены элементы памяти на отдельных атомах, на которых можно создать суперкомпьютер площадью 200 мкм2, содержащий 10 ло- гических элементов, 109элементов памяти, и способный работать на час- тоте 1012 Гц.

8.5. ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Особенности лазерного излучения и разновидности лазеров. Ла- зер — это слово появилось сравнительно недавно. Вначале оно было из- вестно только узкому кругу специалистов-физиков. Популярность его постепенно росла. А в последнее время очень многие не просто слышали

о лазере, но и знают о его больших реализованных и потенциальных воз- можностях. В то же время чаще всего у неспециалистов лазер вряд ли вы- зывает положительные эмоции. Лазер? Ничего интересного: трубка в корпусе, иногда даже непривлекательном, из которой выходит тоненький луч — зеленый, синий, чаще красный. Есть ли о чем здесь говорить? Ока- зывается, есть. И специалистам, и всем, кто далек от понимания физиче- ских явлений, связанных с лазером. Для специалистов, в первую очередь физиков, лазер дал жизнь весьма перспективному научному направле- нию — нелинейной оптике, охватывающей исследования распростране- ния мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Лазеры породили новые технологии с уни- кальными возможностями. Для многих лазер — источник необыкновен- ного света, который может вылечить надвигающуюся слепоту и на лету поразить движущуюся цель, мгновенно просверлить отверстие в самой твердой детали, сделанной, например, из алмаза, и т. д.

В чем же необыкновенные свойства лазерного излучения, лазерного луча? Во-первых, лазерный луч распространяется, почти не расширяясь. Напомним: для того чтобы луч прожектора не расходился, используют большое вогнутое зеркало и систему линз, собирающие свет от источника

в пучок. Это помогает, но мало: уже на расстоянии около километра от прожектора луч становится раза в два шире. Лазеру же собирающие зер- кала и линзы чаще всего не нужны. Он и без них сам по себе излучает поч- ти параллельный пучок света. Слово «почти» означает, что пучок лазер-

ного света не совсем параллельный: существует угол расхождения, но он

сравнительно мал — около 10-5 рад, и тем не менее на больших расстоя- ниях он ощутим: на Луне такой пучок, направленный с Земли, дает пятно диаметром примерно 3 км.

Во-вторых, свет лазера обладает исключительной монохроматично- стью, т. е. он имеет только одну длину волны, один цвет. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Преломляясь

в призме, луч белого света превращается в яркую радугу-спектр, а одно- цветный, монохроматичный свет проходит через нее не разлагаясь. Линза тоже преломляет лучи, собирая их в фокусе. Но белый свет она фокусиру- ет в радужное пятнышко, а лазерный луч — в крошечную точку, диаметр которой может составлять сотые и даже тысячные доли миллиметра. Бла- годаря такому свойству лазерного луча стала возможной оптическая за- пись информации с высокой плотностью — крохотные оптические диски вмещают громадное количество информации — сотни мегабайт.

В-третьих, лазер — самый мощный источник света. В узком интервале спектра кратковременно (КГ-11с) достигается мощность излучения

1012—1013 Вт с одного квадратного сантиметра, в то время как мощность излучения Солнца с той же площади равна только 7 • 103Вт, причем сум- марно по всему спектру.

Названные удивительные свойства лазерного излучения придали све- ту новое лицо. Еще на заре развития лазерной техники французский фи- зик Луи де Бройль сказал: «Лазеру уготовано большое будущее. Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер — это целая техническая эпоха».

В 1960 г. Т. Мейманом (США) был создан первый лазер — рубино- вый, работающий в импульсном режиме. В нем не вся энергия света лам- пы накачки преобразуется в лазерную вспышку. Большая ее часть уходит на бесполезный и даже просто вредный нагрев стержня и зеркального ко- жуха. Мощные импульсные лазеры охлаждают потоком воздуха, воды, а иногда и жидким азотом. Частота генерации импульсных лазеров может достигать более 10 млн. вспышек в секунду. Излучение таких лазеров воспринимается как непрерывное. Вспышка импульсного лазера имеет огромную мощность — тысячи ватт. Излучение, сфокусированное в кро- шечное пятно, можно применять для многих целей, о некоторых из них рассказано ниже. Но все-таки это короткий световой импульс. Конечно, им можно пробить отверстие, сварить две металлические проволоки и сделать много других полезных дел. Но для многих задач гораздо удобнее было бы иметь непрерывное лазерное излучение, скажем, для сварки или резки. Существует и такое излучение, его обеспечивают газовые лазеры. Газовый лазер был создан почти одновременно с рубиновым, в том же

23 - 3290 353

1960 г. Он работал на смеси гелия и неона. Современные газовые лазеры

работают на многих газах и парах. Все они дают непрерывное излучение

в очень широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетового до инфра- красного света.

Но на этих достижениях ученые не остановились. Был создан газоди- намический лазер, похожий на реактивный двигатель. В его камере сгора- ния сжигается угарный газ (окись углерода) с добавкой топлива (кероси- на, бензина, спирта). Получившаяся при этом смесь газов состоит из угле- кислого газа, азота и паров воды. Проносясь между зеркалами, молеку- лы газа излучают энергию в виде световых квантов, рождая лазерный луч мощностью 150—200 кВт. И это мощность не отдельной вспышки, а постоянного, устойчивого луча, сияющего, пока у лазера не кончится горючее.

Не только газовые, но полупроводниковые лазеры дают непрерывное излучение. Полупроводниковый лазер создал в 1962 г. американский уче- ный Р. Холл. На нем основана оптическая запись, о которой знают многие пользователи персональных компьютеров, державшие в руках лазерный диск, привлекательный не только своим внешним видом, но и своей ин- формационной емкостью: на диске диаметром 12 см можно записать сот- ни тысяч страниц текста.

Среди полупроводниковых лазеров лучшим по праву считается лазер на основе арсенида галлия — соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его излучение не отличается большой мощностью. В настоя- щее время ведутся работы по созданию полупроводникового лазера, спо- собного генерировать непрерывное излучение большой мощности.

Лазеры могут функционировать как на твердых телах, так и на газах.

А можно ли построить лазер на жидкости? Оказалось, можно. Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых, и газообразных материалов: плотность их всего в несколько раз ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая одно- родность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать большие ее объемы. К тому же жидкость можно прокачи- вать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую темпера- туру и высокую активность ее атомов.

Наиболее широкое распространение получили лазеры на красителях. Называются они так потому, что их рабочей жидкостью являются раство- ры анилиновых красителей в воде, спирте, кислоте и других растворите- лях. Жидкостные лазеры могут излучать импульсы света различной дли- ны волны (от ультрафиолетового до инфракрасного света) и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт в зависимости от вида красите- ля. Разрабатываются химические лазеры, в которых атомы переходят в

возбужденное состояние при действии энергии накачки химических ре-

акций. Большое внимание уделяется разработке мощных химических ла- зеров, преобразующих энергию химической реакции в когерентное излу- чение, и атомному лазеру, излучающему не свет, а пучок атомов.

Волоконно-оптическая связь. На пути использования лазерного луча встали трудности: как передать его? Возникла интересная идея: а если луч пустить по гибкой трубке с зеркальными стенками? Ее можно изогнуть как угодно, а луч света будет отражаться от стенок и идти впе- ред. Его можно пустить и по сплошному стеклянному стержню — тол- щиной в несколько тысячных миллиметра стеклянному волокну. Стек- лянные волокна можно собирать в жгуты разной толщины, как медные проволоки в кабеле. Тонкие стеклянные нити довольно гибки: волокон- ный световод можно изгибать, завязывать узлом и вообще обращаться с ним, как с обычным электрическим проводом.

В настоящее время успешно развивается волоконная оптика — раз- дел оптики, изучающий процессы прохождения света и изображения по световодам и волноводам оптического диапазона. Передавать по ним можно не только отдельные лучи, но и целые картины. Гибкие волокон- ные световоды позволяют тщательно осматривать внутренние детали ма- шин и механизмов, не разбирая их. По одному и тому же световоду мож- но направить излучение второго лазера (с другой длиной волны), третье- го, четвертого. Каждый из них может нести свой сигнал. По одному во- локну, по стеклянной нити чуть толще волоса можно одновременно передавать 32 000 телефонных разговоров или 60 цветных телевизион- ных программ! Сейчас уже созданы световоды, способные работать в тех же условиях, что и обычные провода. Они выдерживают большие колеба- ния температуры, обледенение, порывы ветра. Их можно прокладывать в земле и натягивать на столбах. Огромная пропускная способность свето- водов позволяет создать сеть кабельного телевидения, работающего без помех и искажений.

И вот что интересно: природа умудрилась создать даже такое слож- ное устройство, как волоконный световод, да еще настроенный на опре- деленную длину волны. Хозяин этого устройства — белый медведь. Аме- риканским ученым удалось установить, что каждая шерстинка его шкуры работает как оптическое волокно. Солнечный свет нагревает шерсть, а те- пловые лучи идут по шерстинкам к коже, согревая зверя.

Волоконно-оптические кабели настолько удачно сочетаются с лазер- ным лучом, что их сразу же решили приспособить к передаче мощных пучков света, вроде тех, что используются в промышленности. Это было нелегко, но в конце концов был создан световод, по которому можно «пе- рекачивать» энергию от мощного импульсного или непрерывного лазера.

23* 355

Развити е лазерны х технологий. Лазерные технологии по многооб-

разию применений едва ли уступают охватившей в той или иной степени все основные сферы человеческой деятельности микроэлектронной тех- нологии. Уникальная способность лазеров концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в спектральном интервале может быть использована двояко: во-первых, при нерезонансном взаимодейст- вии мощных световых потоков с веществом в непрерывном и импульс- ном режимах, а во-вторых, при селективном воздействии на атомы, ионы

и молекулы, вызывающем процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимической реакции. В этой связи возникли весьма перспективные быстро развивающиеся многоликие лазерные технологии, такие, как ла- зерная обработка материалов, лазерный термоядерный синтез, лазерная химия, лазерное воздействие на живую ткань, лазерная спектроскопия, лазерная связь и многие другие. Лазерный луч режет, сваривает, закали- вает, сверлит, проверяет качество обработки деталей и производит мно- жество других не менее важных операций. Обо всем этом рассказать не- возможно, но кое о чем попытаемся.

Газовый лазер мощностью до 5 кВт, дающий инфракрасный луч, по- зволяет сваривать отдельные детали толщиной до 2 см. Шов при этом по- лучается раза в четыре тоньше, чем при обычной электросварке, а элек- троэнергии тратится в три раза меньше! Лазер позволяет легко автомати- зировать сварку, сваривать металлы, которые обычным способом соеди- нить нельзя. Лучом лазера можно резать листовую сталь толщиной до 40 мм. Причем не просто резать, но и вырезать из стального листа детали самой причудливой формы. Для этого лазер делается подвижным. Его движени- ем управляет ЭВМ. При этом экономится до 15% материала.

Лазерный луч может не только разрушать, но и упрочнять детали, за- каливая их с поверхности. Стальная деталь при этом одевается закален- ной «скорлупой», твердой и устойчивой к трению, хотя и довольно хруп- кой. Если такой будет вся деталь, то от удара она может расколоться, как стеклянная. Но в том-то и дело, что ее сердцевина остается упругой и вяз- кой: лазерная вспышка не успевает ее прогреть. Деталь, обработанная ла- зером, устойчива и к ударам, и к трению, как знаменитый булат — гор- дость русских оружейников.

Лазер помогает сажать самолеты. Идеально прямые, яркие лучи раз- ноцветных лазеров образуют в воздушном пространстве аэродрома раз- метку, по которой самолет может точно выйти на посадку. Но лазер спо- собен не только облегчать жизнь здоровых людей, он может и лечить больных. Лазер — хирург и терапевт. Хирурги давно мечтали об инстру- менте, которым можно делать бескровные разрезы. Хорошо бы также, чтобы он был «понежнее». Ведь сегодня хирурги делают операции на сет- чатке глаза и вторгаются в святая святых организма — человеческий

мозг. Орудовать там скальпелем — все равно что чинить часы топором.

Современная техника предложила инструмент, сочетающий в себе очень многое, что необходимо хирургу, — световой луч.

Что может быть нежнее прикосновения луча света? Лазерным лучом можно сделать разрез шириной в тысячную долю миллиметра. В зависи- мости от энергии, которую он несет, и времени воздействия он может «за- варить» кровеносный сосуд (медики говорят «коагулировать» его) или, наоборот, пробить в нем отверстие. Даже цвет луча оказался важен в хи- рургии. Кровь красная потому, что пропускает красные лучи, поглощая лучи всех других цветов. Поэтому рубиновый или гелий-неоновый лазер для «заваривания» сосудов не годится. А если использовать зеленый или синий лучи света, которые хорошо поглощаются кровью, можно добить- ся мгновенного образования сгустка крови, закупоривающего перерезан- ный сосуд. Такой свет дает аргоновый лазер. Бывают случаи, когда нужно разрушить поврежденную ткань, не затрагивая близлежащих сосудов. Тогда применяют гелий-неоновый или криптоновый лазер; луч красного цвета пройдет сквозь кровеносные сосуды, «не заметив их», не принося им вреда, прямо в нужное место с поврежденной тканью.

Особенно удобен оказался лазер в офтальмологии — области меди- цины, ведающей зрением. Лазерный луч можно ввести в глаз прямо через зрачок. С его помощью можно отрезать ненужный сосуд, заварить тот, который протекает, и ликвидировать кровоизлияния. Сегодня после мно- голетней практики лечения с помощью лазерного луча можно твердо ска- зать, что лазерная хирургия глаза — на правильном пути.

Неописуемой красоты картины, нарисованные лазерными лучами, широко используются для оформления эстрадных концертов и театраль- ных постановок. По-видимому, в ближайшем будущем специалист по ла- зерной оптике станет в театре столь же привычной фигурой, как гример или декоратор.

Голография и распознавание образов. Однажды в музей небольшо-

го города привезли коллекцию старинных драгоценностей. В витринах, освещенных яркими лампами, стояли маленькие застекленные шкатулки,

а в них драгоценными камнями и эмалями сверкали старинные ордена и броши, тускло отсвечивали золотые кольца и браслеты работы древних мастеров, золотые самородки причудливой формы. Маленькая комната скромного провинциального музея превратилась в сказочную пещеру, за- валенную несметными сокровищами. Выставка была подготовлена Ал- мазным фондом. Посетители рассматривали драгоценности, восхища- лись мастерством ювелиров, дивились величине камней и их игре. Но вот настал вечер, посетители разошлись, и музей закрылся. Тогда заволнова- лись сотрудники, дежурившие в зале: рабочий день закончился, почему же никто не приходит убирать драгоценности в сейф?! Стоимость не под-

дается оценке, а на окнах нет даже решеток, мало ли что! И тут в зал во-

⇐ Предыдущая 5 6 7 8 91011 12 13 14 Следующая ⇒