Оптическая запись информации. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Оптическая запись информации - процессы записи информации, переносимой оптич. излучением, а также область науки, изучающая эти процессы. О, з. и. осуществляют на т. и. оптич. носителях информации - физ. телах, используемых для сохранения в них или на их поверхности оптич. информации. О. з. н. основана на светоиндуциров. процессах в регистрирующей среде, к-рые приводят к изменению состояния или формы носителя. О. з. и. может включать в себя также дополнит. обработку носителя, напр. проявление, закрепление, изменение размеров и т. д.
Для О. з. и. можно использовать изменение любого физ--хим. свойства регистрирующей среды (электронного состояния, атомной структуры, намагниченности и т. д.). Однако в осн. используют изменение двух параметров: комплексного показателя преломления

и оптич. длины пути l - l_Гп (l_Г - геом. путь, п - показатель преломления среды,

- характеризует поглощение). Изменение величины

под действием оптич. излучения даёт соответственно амплитудную, фазовую и рельефно-фазовую запись. Существует неск. классов регистрирующих сред: галогенидосеребряные, фотохромные (см. Фотохромные материалы ),электрооптические, магнитооптические и разл. полупроводники - аморфные, органпч., молекулярные. В галогенидосеребряных средах можно получить амплитудную

или фазовую

запись. В аморфных полупроводниках фотофиз. реакции приводят к амплитудной записи. В органич. полупроводниках в эл--фотогр. процессе записи реализуется амплитудная, а в фототермопластическом - рельефно-фазовая записи (см. Фазовая рельефография). В магнитооптических средах, меняющих намагниченность под действием света, О. з. и. и её воспроизведение происходят с использованием эффекта Фарадея.
Параметры оптической регистрации. Важнейшими параметрами оптич. регистрирующей среды являются: уд. энергия W (табл.), характеризующая уд. светочувствительность S среды (W = 1/S)и равная величине входного сигнала, при к-рой достигается заданное отношение сигнал/шум в выходном сигнале (обычно W измеряется в Дж/см²); разрешающая способность R (в мм^-1) или плотность записи (бит/см², бит/см³); энергия, необходимая для записи одного бита информации, характеризующая информац. светочувствительность S_инф (обычно измеряется в Дж/бит); обратимость записи, характеризуемая числом циклов перезаписи, возможность записи в реальном времени. Уд. и информац. светочувствительности среды связаны соотношением S^-1_инф ⁼ kS х R², где k - коэф., зависящий от способа измерения R. Светочувствительность сред изменяется в пределах 11 порядков, соответственно, W от 1 до 10^-11Дж/см². Энергия записи одного бита информации изменяется от 10^-9 Дж/бит (типичная величина для прямой записи) до 10-¹⁶ Дж/бит (для наиб. чувствительных галогенидосеребряных сред) и до 5 х 10^-15 Дж /бит (для наиб. чувствительных несеребряных сред), т. е. она значительно меньше, чем для электронных вычислит. систем (10^-12 - 10^-13 Дж/бит). Ряд сред разл. классов позволяет выполнять обратимую оптпч. запись. К таким средам относятся халькогенпдпые типа ТеО_х, окислы ванадия VO_х (число циклов перезаписи не менее 10⁶), гетероструктурные фототермопластич. среды (число циклов перезаписи не менее 10³).

Светоиндуцнрованные процессы в разл. веществах сводятся к трём типам реакций: фотоперспос носителей заряда (без изменения структуры вещества); светоиндуцир. фазовые переходы (фотоструктурные изменения вещества); селективное электрои-фононное преобразование центров (процессы выжигания провалов в бесфононных линиях).
Фотопереносом электронов обусловлено большинство фотохромных реакций в ионных кристаллах и органич. соединениях, а также процессы фоторефракции в эл--оптич. кристаллах. В халькогенидных стеклообразных полупроводниках фотоперенос заряда является определяющим при интенсивности света < 100 Вт/см², а при больших интенсивностях процессы носят фототермнч. характер. Светоиндуцированные фазовые переходы в большинстве случаев фототермические, поглощённая световая энергия вызывает нагрев вещества. Фототермич. запись наиб. детально изучена в аморфных халькогенидных полупроводниках (теллур, бинарные соединения типа АsхS₁₀₀__хТеО_x.). В них индуцированные светом реакции фазовых переходов "аморфное состояние - кристаллич. состояние" по светочувствительности не уступают реакциям фотопереноса (см. табл.). Селективное электрон-фононное преобразование центров в твёрдых телах путём лазерного выжигания спектральных провалов на бесфононных линиях реализуется на молекулярных центрах в ионных кристаллах, органич. твёрдых телах и др. Спектры поглощения и люминесценции молекулярных центров в твёрдых телах и замороженных растворах состоят из характерных бесфононных линий (чисто электронные переходы) с широкими фононными крыльями. Если интенсивность бесфопонпых линий существенно превышает интенсивность фононных крыльев, то с помощью лазера можно сделать спектральный провал - "выжечь" узкую бесфононную линию в пределах всего спектра неоднородного уширения. Лазерное возбуждение переводит центр в метастабильное или ионизов. состояние. Меняя частоту лазера, можно выжигать ~10⁶ бесфононных линий в пределах полосы фононных крыльев. Этим способом удаётся существенно превысить дифракц. предел оптич. записи на двумерных средах (10⁸ бит/см²), доведя его до 10¹¹ бит/см².

Параметры регистрирующих сред для оптической записи

Регистрирующие среды	W, Дж/с.м²	S, ед. ГОСТ	R, мм^-1	S _инф, Дж/бит
Галогенидосеребрянпые: Polaroid Type 410	10^-11	10⁴	10	10^-15
Royal X - Pan Kodak	(1 - 5) х 10^-10	10³	60	10^-15-2 х 10^-18
Kodak 649F	3 х 10^-5	0,01	5 х 1 0³	10^-14
Фотохромные: ионные кристаллы стёкла	10^-2 - 5	-	-	10^-8-2 х 10^-10
Электрооптич. кристаллы: кристаллы LiNbO₃	5 х 10^-5		4 х 1 0³	3 х 10^-14
Керамика	0,1 - 0, 6	-
Аморфные полупроводники	10^-2 - 10^-4		3 х 1 0^-3	10^-9
Магнитооптические	10^-2	-		10^-9
Органич. полупроводники: фототермопластнки	5 х 10^-6	0,1	2 х 10³	5 х 10^-14
Реоксан	10^-2	-
Фотохромные	1	-	_	10^-8
Молекулярные	10^-2	-	-	10^-9
Оптические бистабиль-ные VO_X	10^-5		2 х 10³	3 х 10^-14
Гетеростру ктурные: CdSc-термопластнк	10^-7	10²	500	5 х 10^-15

Для светоиндуциров. процессов, согласно закону Эйнштейна, один поглощённый квант света вызывает один элементарный акт в веществе. Для количеств. характеристики действия света вводят понятие квантового выхода, определяемого как отношение ср. количества элементарных актов светоиндуциров. процессов или реакций N_a, возникших под действием N поглощённых квантов света, к числу этих квантов:

= N_a/N. В прямых светоиндуцнров. реакциях без дополнит. усиления эффекта, вызванного светом, квантовый выход не может превышать единицу. Он может быть больше единицы (до десятков), если вызванная светом реакция связана с распадом высокоэнергетич. электронного состояния на неск. низкоэнергетич. состояний или с размножением электронных возбуждений в сильном электрич. поле. Такими процессами являются, напр., фотонное умножение в полупроводниках и распад высокоэнергетич. электронных состояний в щёлочно-галоидных кристаллах, галогенидосеребряных средах, аморфных и органич. полупроводниках. Величина

и уровень усиления первичной записи определяют предельную светочувствительность сред.
Основные типы носителей оптической информации. Существуют три способа оптич. записи: аналоговый, побитовый, голографический, к-рые используются со всеми типами оптич. носителей информации. Первые исследования по О. з. и. были выполнены Гольдбергом (Goldberg) в 1926 на фотоэмульсиях в виде микрофотографий. Была достигнута предельная плотность записи информации для двумерной записи 10⁸ бит/см². Микрофотографии (микрофиши) обладают высокой разрешающей способностью, и информация на них может храниться десятилетиями. Однако этот способ не получил широкого распространения для обработки информации ввиду трудностей выборки микрофотогр. информации. Разработки регистрирующих сред для прямой О. з. и. в реальном времени завершились появлением в 1982 оптич. дисков памяти (см. Памяти устройства), к-рые используются на мировом рынке в видеопроигрывателях и видеоустройствах. Высокое качество звуко- и видеовоспроизведения обеспечило их широкое распространение. В оптич. дисках памяти применяется оптпч. побитовая запись в тонких металлич. и полупроводниковых плёнках. Сравнительно простая технология, низкая стоимость носителей и процессов записи (запись одного бита информации в ~10³ раз дешевле, чем магнитная на дисках и лентах), а также надёжность в эксплуатации явились решающими факторами их широкого практич. применения. Они обладают высокой разрешающей способностью (плотность записи 10⁸ бит/см²) и высокой светочувствительностью (10^-9 Дж/бит), позволяющей осуществлять запись с маломощными (5 - 10 мВт) полупроводниковыми лазерами.
Пространственно-временные модуляторы света обладают высокой светочувствительностью, с ними возможны быстрые запись и стирание, высокая цикличность, они используются для ввода оптич. некогерентных изображений в информац--вычислит. системы, в оптич. спецпроцессорах для обнаружения, опознавания образов и слежения, для анализа и преобразования изображений.
О голографич. записи информации см. в ст. Голограмма, Голографическое распознавание образов, Голография.

Литература по оптической записи информации

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.