Магнитооптика

Для рассмотрения и описания электромагнитной волны необходимо пройти следующие этапы:

1. Уравнения Максвелла и материальные уравнения

2. Рассмотрение диэлектрика

3. Исключение переменных ,

– волновое уравнение

+ граничные условия

4. Разделение переменных

– уравнение колебаний

Любая электромагнитная волна описывается таким образом.

Человек способен видеть волны, длины которых находятся в диапазоне от 400 нм до 700 нм. Данный диапазон характерен тем, что в нем легко идентифицируются различные тела по спектру излучения испускания, поскольку частоты электронных переходов лежат в данном диапазоне. Именно в этом диапазоне и запускаются те устройства, которые используются далее в оптике. В частности, лазер.

В современных ЭВМ используются полупроводниковый лазер. Очень важным и полезным свойством лазера является возможность жесткой фокусировки. Сфокусироваться в точку тем не менее нельзя, так как существует явление дифракционной расходимости, и поэтому изображением точки будет пятно. Предельный размер пятна или фокусировки определяется фокусным расстоянием используемой линзы и угловой расходимостью пучка. Таким образом, степень расходимости зависит от длины волны излучения пучка. Диаметр получаемого пятна не может быть меньше длины волны излучения. Как меняется интенсивность пучка в зависимости от расстояния, то есть от координаты по оси? Энергия пучка должна быть ограничена. Например, Гауссовский пучок – это пучок, поле которого распределено по закону

.

Если вернуться к разговору о памяти, то размер фокусировки должен быть порядка размера домена. Конечно, говорить о подобной локализации в случае магнитной головки не приходится, поэтому выигрыш магнитооптических устройств велик. Для записи используется магнитная головка, поле которой не локализовано, и локализация бита происходит с помощью света (лазерного излучения). В магнитооптических устройствах при записи происходит нагревание участка поверхности, которая изготовлена из материала, являющегося плохим проводником тепла (как правило, пластик). Таким образом, запись происходит только на том участке, где произошло нагревание. При чтении после прохождения поляризованного излучения через намагниченный бит, меняется состояние поляризации. Дальнейшее развитие магнитооптических устройств возможно только в сторону уменьшения длины волны излучения. Но уменьшение может происходить только до некоторого предела, так как существует граница для длины волны, после которой излучение становится опасным для здоровья человека.

Помимо магнитных и магнитооптических способов хранения информации существует и чисто оптический способ. Оптическая память основана на принципе теплового действия. Любой диск организован следующим образом: это пластина, на которую наносится специальный слой (свой для каждого типа диска) и, наконец, защитный слой.

Оптическая запись возможна с помощью локального нагревания участка металлического слоя и прожигания в нем физической «дырки». Кроме того, используется и другой способ оптической памяти. Нагретый металл нагревал пластик (нижнюю часть защитного слоя), и в пластике происходило образование пузырьков. При попадании пучка на пузырек происходит его рассеяние. Запись может происходить и благодаря изменению фазового состояния (аморфное или поликристаллическое) вещества при нагревании. Поликристаллическое вещество имеет большой коэффициент отражения, а аморфный материал слабо отражает излучение.

Кроме перечисленных способов записи существовал и еще один, так называемый граммофонный принцип записи. Основу диска или пластинки составлял отштампованный слой, состоящий из впадин и выступов. На него наносился слой металла и затем защитный слой, который выравнивал поверхность диска.

Если испускаемый лазерный пучок сфокусировался на выступ, то он зеркально отразится от поверхности выступа. То же самое произойдет и в том случае, если пучок сфокусируется на поверхности впадины. Если же фокусировка происходит на переходе (на ступеньке), то часть отраженного пучка будет иметь одну фазу, а другая – другую. Благодаря интерференции эти частей отклик будет малым. Поэтому бит информации, соответствующий логической единице, кодируется впадиной или выступом, а ступенька кодирует логический нуль. (В реальных устройствах кодировка устроены несколько сложнее).

Рассмотрим устройства и принципы записи дисков (CD-Writer). Как уже говорилось, существует три принципа записи:

1. Выжигание металла

2. Нагрев металла до температуры кипения пластика с образованием пузырьков

3. Изменение фазового состояния вещества (быстрый и медленный нагревы)

По мере совершенствования технологии создания CD и приводов возникла потребность в увеличении емкости оптических носителей информации. Вскоре был предложен новый стандарт записи данных на DVD-диск (Digital Versatile Disk). Главными отличиями от прошлых стандартов стала цифровая запись и повышенная емкость. Кроме того, впервые диск стал двухслойным.

Сейчас существуют уже и восьмислойные DVD-диски. Рассмотрим принцип работы двухслойного диска. Когда лазерным лучом считывается информация, записанная на первом слое, расположенном дальше от края диска, луч беспрепятственно проходит через полупрозрачную пленку, образующую второй слой (и так как там он захватывает одновременно много логических нулей и единиц, из-за большого диаметра вдали от фокуса, то, в среднем это никак не влияет на считываемую информацию). Если же необходимо считать биты из второго слоя, то меняется фокусировка луча лазера. DVD-диски могут быть и двусторонними; существуют приводы с одной считывающей системой (в этом случае двусторонний диск приходится переворачивать вручную) и с двумя независимыми считывающими системами.

Трехмерная память

Применение оптики в устройствах хранения информации позволила отойти от «плоской» записи и уйти вглубь. Даже DVD-диск, имеющий по четыре слоя с каждой стороны, явный тому пример. Существуют физические явления – фотохромизм и фоторефракция, позволяющие еще жестче фокусировать лазерный пучок. Рассмотрим явление фотохромизм. При облучении квантом света молекулы, они поглощают свет. Далее молекулы должны «избавиться» от полученной энергии. Для этого существуют три возможности:

1. излучение кванта света обратно (переизлучение)

2. поглощение (переход во внутреннюю энергию, нагрев)

3. изменение структуры молекулы (переход в некоторое другое состояние)

При изменении структуры молекулы происходит изменение свойств, в частности коэффициента поглощения. Для перевода молекулы в исходное состояние необходимо снова сообщить молекуле энергию.

Явление фоторефракции заключается в изменении коэффициента преломления.

Основной характеристикой для данного типа памяти являются энергозатраты на запись терабита информации. Пока данная величина слишком велика для того, чтобы использовать трехмерную запись наравне с другими.

Лекция №11

Устройства вывода информации

Монитор

Работа компьютера самого по себе бессмысленна. Пользователь должен знать не только о том, что какая-то операция успешно завершилась, но и видеть результат завершения. Поэтому необходимость в устройствах вывода информации очевидна.

Человек способен воспринимать огромное количество информации, причем параллельно. Глаз человека представляет из себя классический оптический прибор. В его состав вход линза, которая адаптируется и строит изображение на сетчатке. Поверхность сетчатки покрыта чувствительными клетками , каждая из которых по нейронам передает сигнал в головной мозг, где полученная информация обрабатывается. Кроме того, существует несколько видов чувствительных клеток. Опыты ученого Вавилова показали, что человеческий глаз способен воспринимать отдельные фотоны света. Светочастота восприятия изображений составляет 25 кадров в секунду. Почти весь вывод информации ориентирован на зрение (оно обладает наибольшей восприимчивостью и «пропускной способностью»). Конечно, нельзя забывать и о других способах вывода.

В свете вышесказанного, основными устройствами вывода информации являются мониторы и принтеры. За время развития ЭВМ мониторы прошли путь от предельно простых до довольно нетривиальных устройств. Примером самого простого монитора (если даже его можно так назвать) может служить устройство, состоящее из рядов лампочек по десять в каждом ряду. Каждый ряд означал некоторый разряд числа, а лампочка в этом ряду – цифру в разряде. Такой «монитор» мог выдавать в качестве результата только число, зажигая необходимые лампочки. Следующим устройством стал декатрон. Принципиального отличия от предыдущего устройства он не имел, но его работа была основана на направленном переносе тлеющего заряда с одного электрода на другой под действием управляющих импульсов.

Прародителями современных мониторов стали алфавитно-цифровые мониторы, способные выдавать только символы. Эти устройства содержали около 20 строк и по 80 символов в каждой строке. По своей природе данные мониторы были текстовыми.

Далее речь пойдет о графических мониторах. Основная проблема в данных устройствах заключается в преобразовании информации из формы, удобной для обработки внутри ЭВМ, в форму, доступную для восприятия человеком. То есть некоторая последовательность перепадов напряжения должна преобразовываться в световую волну. Для этого необходимо понять, что из себя представляет бит информации и какова энергия, запасенная в ячейке памяти с эти битом. Для сохранения бита информации нужно определить некоторый минимум потенциальной энергии, необходимый для его сохранения в ячейке. Данный предел энергии определяется уровнем кинетической энергии, которая определятся скоростью движения электрона. Скорость, в свою очередь, зависит от температуры. То есть температура характеризует среднюю кинетическую энергию, где усреднение ведется по модулю скорости движения электрона:

, где

– постоянная Больцмана,

T – температура.

Это так называемая электронная яма:

Можно провести аналогию с физическими процессами (вода в яме):

Если электрон проходит ускоряющую разность потенциалов 1 В, то его энергия составляет 1 эВ. В дальнейшем мы будем пользоваться этой единицей измерения. Если длина волны кванта света составляет около 600 нм, то энергия

hn @ 2 эВ.

Величина в нормальных условиях составляет примерно 20 мэВ. Для выравнивания уровней энергии бита информации и кванта света необходим некоторый усилитель. Помимо него требуется наличие компонента для преобразования одного вида энергии в другой. Вещества, способные выделять энергию в виде кванта света, называются люминофорами.

Если электрон будет иметь энергию

,

то при его попадании на люминофор будет выдано порядка квантов света.

Проведение электронной эмиссии, то есть вырывание электронов с поверхности металла, возможно двумя способами. Во-первых, можно прикладывать к куску металла внешнее электрическое поле. Во-вторых, нагревание металла позволяет увеличить среднюю кинетическую энергию электронов в металле и, соответственно, увеличить число электронов, способных вырваться с поверхности металла.

В состав электронно-лучевой трубки обязательно должен входить катод, подключенный к источнику информации. Движением электронов, вышедших из нагретого металла, управляет электрод, препятствующий их «зависанию». Кроме того, движение электронов осуществляется в вакууме, иначе электроны сталкивались бы с молекулами воздуха и потребовалось бы огромное количество энергии для их ускорения. После прохода через направляющие электроды пучок электронов попадает на поверхность люминофора, вызывая его свечение. Основная проблема с такой системой состоит в том, что если мы хотим, чтобы все точки экрана имели одинаковый размер, поверхность экрана должна быть сферической, что, конечно же, неудобно при работе с большими экранами. Для корректировки, то есть приведения изображения в одну плоскость, используется линза.

Так же с помощью электронных элементов осуществляется ускорение и управление движением электронов:

Формирование изображения на экране происходит следующим образом: луч движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла до правого нижнего. Прописывается строка за строкой, между каждой парой строк луч совершает так называемый обратный ход от конца прописанной строки к новой. Существует так же способ формирования изображения с помощью чересстрочной развертки, то есть полный кадр получается за два прохода: сначала прописываются нечетные строки, а затем четные.

Принцип формирования изображения у цветного монитора такой же, как и у монохромного. Одним из важнейших свойств цветового зрения является трехкомпонентность цветового восприятия. Это означает, что все цвета могут быть получены путем сложения (смешения) трех световых потоков, например красного, зеленого и синего. Это свойство позволяет использовать в цветных мониторах метод аддитивного смешения цветов. Электронно-лучевая трубка цветного монитора насчитывает три электронных пушки и три люминофора, одна для каждой компоненты цвета, но содержит по-прежнему одну ускоряющую, отклоняющую и фокусирую системы. Чтобы каждая пушка «стреляла» только по своим пятнам люминофора, в каждом цветном кинескопе имеется специальная цветоделительная маска. Изображение пикселя на экране формируется из трёх компонет одним из нижеследующих образов:

В зависимости от конструкции цветоделительные маски делятся на теневые, улучшенные теневые, щелевые и маски с апертурной решеткой. Теневая маска представляет собой металлическую пластину из специального материала с системой отверстий, соответствующих точкам люминофора. Щелевая и апертурная решетки образованы системой щелей, выполняющих ту же функцию, что и отверстия в теневой маске.

Основными недостатками монитора с электронно-лучевой трубкой являются:

1. малое КПД его работы;
2. большой размер;
3. излучение, сопровождающее его работу, может отрицательно сказываться на здоровье человека;
4. высокие частоты работы, что следует из принципа сканирования.

Последний недостаток может быть устранен, если использовать не три, а гораздо большее число пушек, их должно насчитываться примерно столько же, сколько и цветовых триад. Конечно, такая организация монитора совершенно недопустима ввиду того, что такая система из огромного количества электронных пушек в несколько раз увеличивает вредное для человека излучение.

Тем не менее, технология с большим количеством электронных пушек существует и носит название FED (Field Emission Display)–технология. FED монитор насчитывает огромное количество электронных пушек – острых конусов с основанием в несколько нанометров. При малой разности потенциалов за счет заостренности конусов наводится сильное электрическое поле, способное вырывать электроны без какого-либо нагревания. Данное явление носит название автоэлектронной эмиссии.

В этом мониторе также присутствует маска, направляющая электроны в точки люминофора. По сравнению с ЭЛТ–мониторами интенсивность излучения падает за счет того, что не требуется ускоряющей электроны системы. Основная проблема FED мониторов заключается в их высокой стоимости, так как изготовление пластины с огромным количеством мелких конусов технически довольно сложно. Кроме того, стоимость такого монитора сильно растет с увеличением его размеров.

Несмотря на широкое распространение мониторов на основе электронно-лучевой трубки, постепенно начинает появляться и использоваться несколько альтернативных технологий производства мониторов. Одним из примеров может служить новая технология под названием E–Ink или электронная бумага, разработанная фирмой Xerox. Существуют определенный вид материалов – сегнетоэлектрики, характерные тем, что в определенном диапазоне температур они обладают самопроизвольной поляризацией, сильно зависящей от внешних воздействий электрического поля. Если молекулы вещества несимметричны, то при воздействии внешнего электрического поля они будут стараться развернуться, пытаясь скомпенсировать поля внутри себя. При прекращении действия поля молекула может остаться повернутой. Технология производства E–Ink состоит в следующем: с применением сегнетоэлектрического материала изготавливаются шарики диаметром примерно 10 мкм, одна полусфера которых окрашена в белый, а другая – в черный цвет. Далее этики шарики выкладываются на равную поверхность между двумя пленками, и промежутки между шариками заполняются вязкой жидкостью. Теперь под действием внешнего поля можно поворачивать эти шарики нужной стороной, белой или черной, и за счет вязкого трения они будут оставаться в нужном положении до следующего внешнего электрического воздействия. Основным преимуществом такой электронной бумаги является отсутствие энергозатрат на представление информации.

Описанная технология хотя и реально существует, но все еще является экзотичной на рынке мониторов. Основную конкуренцию ЭЛТ–мониторам здесь составляют плоскопанельные жидкокристаллические мониторы. В отличии от механизма электронно-лучевой трубки такие мониторы работают на просвет.

Экран ЖК–монитора представляет совокупность отдельных элементов – ЖК–ячеек, каждая из которых генерирует один пиксел изображения. Однако, в отличие от зерна люминофора ЭЛТ, эта ячейка сама не генерирует свет, а лишь управляет интенсивностью проходящего света, поэтому ЖК–мониторы всегда используют подсветку, в качестве которой чаще всего используются специальные электролюминесцентные лампы с холодным катодом. В ЖК–мониторах чаще всего используются ячейки с твистированной (закрученной на ) ориентацией молекул жидкокристаллического вещества. Такая ячейка называется твистированной нематической (Twisted Nematic). При прохождении света через эту ячейку плоскость его поляризации также поворачивается на . К слою жидкого кристалла с двух сторон примыкают подложки – поляризатор и анализатор, способные пропускать световую волну только с линейной поляризацией. Векторы поляризации подложек развернуты на относительно друг друга. Управление ЖК–ячейками происходит с помощью системы электродов. В первых ЖК–мониторах (TN, STN, DSTN) эта система представляла собой сетку из прозрачных электродов. ЖК–ячейка в такой системе называлась пассивной. На изменение ориентации молекул жидкокристаллического вещества требовалось до 500 мс, что не позволяло использовать такие мониторы для отображения динамических изображений.

Проблема низкого быстродействия ЖК–ячеек была частично решена путем использования так называемого двойного сканирования. Основная идея этого способа состоит в разбиении системы электродов на две (по четности и нечетности строки), каждая из которых содержала свои дешифраторы для адресации конкретного электрода. Но радикально повысить контрастность и быстродействие ЖК–мониторов позволила так называемая технология активных ЖК–ячеек. От пассивной ячейки активная отличалась тем, что в ее состав стал входить электронный ключ, выполненный на транзисторе. Поскольку электронные ключи выполнялись по тонкопленочной технологии, подобные ЖК–экраны получили название TFT–мониторов (Thin Film Transistor – тонкопленочный транзистор).

Если пиксел изображения образован единственной ЖК–ячейкой, изображение на экране будет монохромным. Для получения цветного изображения ЖК–ячейки объединяются в триады, каждая из которых снабжена светофильтром, пропускающим один из трех основных цветов.

В плазменных дисплеях (Plasma Display Panel, PDP) вместо жидкокристаллического вещества используется ионизированный газ. Его молекулы обладают способностью излучать свет в процессе рекомбинации, то есть восстановления электрической нейтральности. Для приведения молекул газа в ионизированное состояние, то есть в состояние плазмы (отсюда и название соответствующей технологии), используется высокое напряжение. Широкого распространения эти мониторы пока не получили из-за своей высокой стоимости.