166315 (740206), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Получение рентгеновских лазерных лучей

В 2009-м году в Национальной Лаборатории им. Лоуренса Ливенмора (США) были завершены работы по созданию самого крупного лазера в мире лазерного комплекса имитации ядерных испытаний (National Ignition Facility, NIF). Эта установка способна сфокусировать 192 сверхмощных отдельных лазерных пучка, диаметром около 40 см каждый, в точку миниатюрной водородной капсулы (0.5 мм в диаметре), находящейся в центре 10-метровой мишени. NIF может передавать громадное количество энергии (мощность лазера составляет ~5х10¹⁴ Вт) с исключительной точностью в течение миллиардных долей секунды (~20 нс). Энергии импульса достаточно для начала термоядерной реакции дейтерия-трития (при этом вещество находится в плазменном состоянии с температурой порядка 10⁸-10⁹ К). С помощью NIF предполагается получить ранее недоступные данные о поведении материалов при температурах и давлении, сопоставимых с температурами и давлениями в центре звёзд; кроме того, эта установка позволит проводить фундаментальные исследования в области термоядерного синтеза в лабораторных условиях.

Лазерная установка NIF стала первым термоядерным лазером в мире, преодолевшем барьер в 1 МДж, послав 1,1 млн. Дж энергии УФ-диапазона в центр мишени, что превысило предыдущий “энергетический рекорд” более чем в 25 раз.

На создание NIF ушло 12 лет при финансовых затратах в 3,5 млрд. долл. США.

Американскими учеными был создан новый тип нанокристаллов, которые могут быть использованы как материалы для лазеров.

Полупроводниковые нанокристаллы характеризуются отличными светоизлучающими свойствами, однако достижение критических условий для генерации излучения достаточно сложно. Обычно нанокристаллы должны иметь, по крайней мере, два экситона (две электрон-дырочные пары), за счёт которых осуществляется светоизлучение в полупроводниках. Но из-за того, что нанокристаллы имеют небольшие размеры, экситоны аннигилируют друг с другом до того, как происходит светоизлучение.

Виктор Климов с коллегами из Los Alamos National Laboratory получили нанокристаллы, состоящие из ядра из сульфида кадмия и оболочки из селенида цинка. В таких нанокристаллах электроны и дырки физически изолированы друг от друга. В подобных нанокристаллах для оптического излучения требуется только один экситон. Это открывает возможность для практического использования их в получении лазеров.

Оптические носители информации

Информация хранится на компакт-диске в виде последовательности участков (т.н. питов, или pits) с переменной пропускаемостью либо отражаемостью света. Отражение интерпретируется как единица, отсутствие отражения — как ноль. Рабочая длина волны лазера — 780 нм. Цепочка питов расположена по спирали в направлении от центра. Интервал между витками — 1,6 мкм, ширина пита — 0,5 мкм, глубина — 0,125 мкм (глубина пита составляет 1/4 длины волны луча лазера в поликарбонате, что является обязательным условием правильного рассеивания света при попадании в пит; подробное описание приведено ниже), минимальная длина — 0,83 мкм. Номинальная (1x) скорость передачи данных — 150 Кб/сек (176400 байт/сек аудио или "сырых" данных, 4,3 Мбит/сек "физических" данных). Принципиальное отличие оптических и магнитных дисков просматривается уже в скорости вращения самого диска: магнитные носители вращаются с постоянной угловой скоростью, а компакт-диск - переменной — тем самым обеспечивается постоянная линейная скорость для условных точек, находящихся на различном удалении от центра. Таким образом, чтение внутренних сторон осуществляется с увеличенным, а наружных — с уменьшенным числом оборотов.

Оптические диски можно также разделить на группы по количеству возможных на них записей: CD-ROM (read only memory) — незаписываемые в домашних условиях диски, CD-R (recordable) — однократно записываемые диски и CD-RW (rewritable) — многократно перезаписываемые диски. Диски CD-ROM производятся на заводах с использованием специальных прессов. CD-ROM-диск имеет трехслойную структуру. В середине находится отражающий металлический слой (из алюминия, иногда золота — для длительного хранения информации), в котором сделаны сферические углубления — питы; с двух сторон этот слой покрыт поликарбонатом. Чтение происходит следующим образом: при попадании луча лазера на ровную поверхность отражающего слоя он (луч), отражаясь, попадает на светочувствительную область привода. Вследствие фотоэффекта появляется электрический импульс, интерпретируемый как "единица". Если же луч лазера попадает в пит, то он отражается в ином направлении и, как следствие, не попадает на специальную светочувствительную область; отсутствие импульса воспринимается как "ноль".

В принципе, CD-R-диски мало чем отличаются от CD-ROM-дисков. В конструкцию внесено лишь одно изменение, позволившее записывать информацию на такие диски в домашних условиях. Отражающий металлический слой не имеет пиитов, он абсолютно ровный, однако между ним и поликарбонатом добавлен еще один слой —регистрирующий. Этот слой представляет собой особое вещество, способное изменять свою светопропускающую способность. Обычно используются цианин и фталоцианин. В процессе записи лазер, проходя над определенными зонами, своим лучом нагревает их. Участки регистрирующего слоя при нагревании становятся мутными. При чтении информации эти участки выполняют роль питов, поскольку не отражают луч лазера целиком, а рассеивают его. Если же в данном месте регистрирующий слой прозрачен, луч проходит через него и, отражаясь от металлического слоя, попадает на светочувствительную область. Восстановить прозрачность участков регистрирующего слоя невозможно, благодаря чему информация защищена от перезаписи; тем не менее, данные могут быть потеряны при воздействии на диск ярких солнечных лучей или высокой температуры (в этом случае прозрачные участки станут непрозрачными).

Регистрирующий слой CD-RW-диска представляет собой более сложное по составу и дорогостоящее вещество, нежели у CD-R. Фазовые состояния этого вещества легко регулируются при помощи температурного воздействия; оно проявляет т.н. аморфные свойства. При нагревании такое вещество не переходит сразу в жидкое состояние, а становится вязким и мутным — аморфным. Принцип записи на CD-RW-дисках состоит в следующем: проходя над определенной областью диска, мощный луч лазера нагревает регистрирующий слой до высокой температуры и отключается. Участок изначально кристаллического слоя после сильного нагревания становится аморфным, а резкое остывание (после отключения лазера) фиксирует это состояние. Процесс чтения полностью аналогичен процессу чтения CD-R-диска. При перезаписи вещество переходит из аморфного состояния в кристаллическое после небольшого нагрева; этот процесс идет и при нормальных условиях (медленно), а потому информация, хранящаяся на CD-RW-диске, будет безвозвратно утеряна в течение нескольких лет. Ещё одной особенностью CD-RW-дисков является частичное отражение света регистрирующем слоем (даже в аморфном состоянии); вследствие этого разделение на импульс ("единица") и отсутствие импульса ("ноль") не представляется возможным. Для CD-RW-дисков необходимо разделение по принципу слабый импульс ("ноль") и стандартный импульс, полное отражение луча ("единица"). Именно поэтому большинство музыкальных устройств не работают с CD-RW-дисками.

Отличие DVD-дисков от рассмотренных выше заключается в том, что их запись (чтение) осуществляется лазерным лучом со значительно более короткой длиной волны. Это позволило значительно уменьшить размеры пиитов, и, соответственно, повысить их плотность на диске, что и является причиной гораздо большей ёмкости DVD.

Синтезы фотохимии

Фотохимические реакции позволяют осуществлять промышленный синтез веществ, которые сложно или просто невозможно получить с помощью обычных "тепловых" химических реакций. Использование света в тонком химическом синтезе совсем немного удорожает производство, при этом не существует никаких особых ограничений на применение фотохимических процессов. Среди продуктов тонкого органического синтеза: витамин D3 (добавляемый в пищу животным), простагландины (гормоны, применяющиеся в химиотерапии), оксиды розового масла (используемые в парфюмерии). Крупнотоннажное химическое производство предъявляет повышенные требования к эффективности фотохимических процессов, поскольку энергетические расходы здесь могут составлять значительную часть его полной стоимости. По-видимому, наиболее эффективными являются при этом цепные фотохимические реакции. Фотохимическая технология применяется в крупнотоннажном производстве g-гексахлорциклогексана (гаммексана, или линдана, ценного инсектицида), алкансульфонатов (поверхностно-активных добавок и эмульгаторов), капролактама (одного из предшественников найлона).

Новые направления в фотохимии. Лазерная нанотехнология

Позиционирование атомов фокусированным лазерным лучом

Все компьютерные микропроцессоры изготавливаются на кремниевой подложке методом фотолитографии (см. выше, фоторезисты). Увеличивая частоту колебаний световой волны (переходя от зеленого света к синему, а потом и к ультрафиолетовому), можно уменьшить ширину линии рисунка, т. е. и размеры интегральной схемы в целом.

На сегодняшний день, однако, возможности этой технологии исчерпаны: следующие за ультрафиолетовыми рентгеновские лучи трудно сфокусировать, и потому рентгеновская литография используется крайне редко. Один из вариантов решения проблемы - использование самого света в качестве шаблона. Дж. Дж. Макклеланд со своими коллегами из Национального института стандартов и технологии (США) применил этот метод, чтобы изготовить решетку из хромированных точек на маленькой кремниевой пластине. Размер точки - всего 80 нм - значительно меньше разрешающей способности, обеспечиваемой ультрафиолетовыми лучами. С дальнейшим развитием этой технологии станет возможным размещение 2 млрд интегральных схем на площади в 1 см² всего за несколько минут.

В основе данной технологии лежит использование в качестве линзы лазерного луча. Плотный узкий пучок атомов хрома, получаемый при нагревании навески хрома в СВЧ-печи, пропускают сквозь пучок лазерного излучения, частота которого близка к частоте собственных колебаний атомов хрома. В результате атомы теряют энергию, т. е. охлаждаются. Непосредственно перед кремниевой подложкой эти атомы попадают в еще один лазерный пучок - примерно той же частоты, что и первый. Будучи отраженным от зеркала, этот пучок образует стоячую волну, т. е. волну, пучности и узлы которой фиксированы в пространстве.

Натолкнувшись на такую стоячую волну, атомы хрома вынуждены двигаться либо вверх, к гребню волны, либо вниз, к узлу между гребнями. Таким образом, волна играет роль линзы, отклоняя проходящие сквозь нее атомы от прямой траектории на половину длины волны и выстраивая их в аккуратные линии на поверхности кремниевой пластины. Если пластину осветить двумя взаимноперпендикулярными лазерными пучками, как это сделал Макклеланд, линии превратятся в правильную совокупность точек - решетку. Следующий этап - сканирование лазером поверхности для создания произвольного рисунка интегральных наносхем.

Внедрение данной технологии в промышленность связано, однако, с рядом нерешённых проблем:

• не все атомы фокусируются;

• вероятно, будет невозможно стравливать материал, не разрушая рисунка соединений.

Тем не менее, возможность создания схем с шириной линии рисунка в 10 раз меньшей, чем сегодняшние, позволяет считать данную технологию весьма перспективной.

Лазерная чистка нанотрубок

Углеродные нанотрубки (УНТ) вследствие своего необычного кристаллического строения обладают уникальными электрическими и механическими свойствами. В частности, благодаря ним УНТ имеют огромное количество применений. Свойства УНТ, не очищенных от загрязнений, появляющихся в процессе синтеза, в значительной степени теряются. Поэтому постоянно растет потребность в химически чистых недефектных нанотрубках, однако очистить УНТ от слоя аморфного углерода, покрывающего всю их поверхность, оказывается крайне сложно и дорого. Возможное решение этой проблемы нашли ученые из Политехнического Института Вирджинии (Virginia Polytechnic Institute): они обнаружили, что луч лазера определенной частоты эффективно и быстро удаляет аморфный углерод, не повреждая при этом сами нанотрубки.

Открытие было сделано случайно: исследователи использовали лазер для калибровки чувствительности покрытых углеродными нанотрубками детекторов, не подозревая о его способности чистить нанотрубки. Оказалось, что ультрафиолетовый свет длиной волны 248 нм от эксимерного лазера заставляет слой аморфного углерода отслаиваться от стенок нанотрубки, не нанося при этом никакого ущерба самой УНТ. Это означает, что выход продукта, то есть очищенных УНТ, будет гораздо выше, чем в химических методах очистки. Кроме того, весь процесс занимает менее трех минут, в сравнении с несколькими часами и даже днями в других методах.

Природа этого феномена ещё не ясна. Есть предположение, что отделение углеродного слоя связано π-плазмонным резонансом, вызванным фотонами с длиной волны 248 нм. Другая гипотеза объясняет это явление окислением углерода озоном, формирующимся под действием излучения эксимерного лазера. Для прояснения механизма планируется провести ряд дополнительных экспериментов, в том числе в бескислородной среде.

Лазерная нанохирургия

Одной из перспектив применения нанотехнологий является нанохирургия – операции над отдельными клетками. Создание подобной технологии произведёт настоящую революцию в медицине, однако разработанные к настоящему моменту методики микроинъекций в отдельные клетки либо недостаточно эффективны, либо не обеспечивают дальнейшую жизнеспособность инъецированной клетки. Пробиться сквозь защитный слой живой клетки млекопитающего, не умертвив ее при этом, оказалось невероятно сложно.

Характеристики

Список файлов реферата