Микро- и наноэлектронная технологии

Общие сведения. Характерная особенность современного естествознания — рождение новых, быстро развивающихся наук на базе фундаментальных знаний. К одной из них относится сформировавшаяся в недрах физики микроэлектроника, перерастающая в последнее время в наноэлектронику. У микроэлектроники и наноэлектроники один общий корень — электроника. В современном представлении электроника — наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, 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 электроника, прежде всего полупроводниковая, а в следующем десятилетии родилась микроэлектроника — наиболее перспективное направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в миниатюрном исполнении с использованием групповой (интегральной) технологии.

Основу элементной базы микроэлектроники составляют интегральные схемы, выполняющие заданные функции блоков и узлов электронной 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 нанометрами (10^-9 м), т.е. зарождается наноэлектроника. 344

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 базируется автоматизированное производство изделий, узлов, механизмов и машин. Элементная база многочисленных и разнообразных ЭВМ, включающих и персональные компьютеры, также основана на микроэлектронике.

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 микроэлектронных 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 твердотельной электроники начиналась с возникших и долгое время необъяснимых 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 некоторое время французский физик А.С. Беккерель обнаружил, что при освещении «плохого» проводника светом возникает электродвижущая сила — фотоЭДС. Так появилась вторая загадка. В 1906 г. немецкий физик 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 оксиды металлов, кремний, оксид меди и т.п. — вещества, получившие название полупроводников. Выпрямление электрического тока с помощью полупроводников и их фотопроводимость нашли практическое применение: были созданы соответственно твердотельный выпрямитель электрического тока и фотоэлемент. В 1879 г. американский физик Э. Холл (1855—1938) обнаружил новое явление — возникновение электрического поля в тонкой пластине золота с током, помещенной в магнитное 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» проводников.

Известная к тому времени теория электромагнитного поля Максвелла не смогла объяснить ни одну из четырех загадок. Пока физики искали отгадки, полупроводники находили применение. Так, контакты из полупроводниковых 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 дифференциальным сопротивлением, на основе чего он создал в 1922 г. генерирующий детектор. Это был первый детектор, способный генерировать и усиливать электромагнитные колебания. В нем использовалась контактная пара металлическое острие — полупроводник (кристалл цинкита). 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 полупроводниковые приборы не могли конкурировать с ними.

Тем не менее исследование свойств полупроводников продолжалось. Предпринимались поиски природных и синтезированных полупроводников. Исследования существенно активизировались после создания зонной теории полупроводников, в соответствии с которой в твердом теле энергетическое 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 велика, 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 высокоэнергетическую. Например, при нагревании твердого тела происходит тепловое возбуждение электронов, повышается их энергия и они переходят в зону проводимости; при этом повышается электропроводность твердого тела, а значит, уменьшается его сопротивление. С ростом температуры число возбужденных электронов увеличивается, и как следствие, сопротивление полупроводника падает. Возможен и другой механизм возбуждения электронов и перевод их из валентной зоны в зону проводимости, при котором они становятся свободными под действием света. Таким образом, зонная теория объяснила две первые загадки: почему сопротивление полупроводников падает при нагревании и при освещении. 346

Из анализа электропроводимости полупроводников следовало, что на освободившихся от электронов местах в процессе их перехода в зону проводимости образуются вакансии или дырки, эквивалентные носителям положительного заряда, обладающим подвижностью, эффективной массой и способностью давать вклад в электрический ток с направлением, противоположным току электронов. Выяснилось, что существуют полупроводники с электронным типом проводимости (п-тип), для которых эффект Холла отрицателен, и полупроводники с положительным эффектом Холла, имеющие дырочный тип проводимости (р-тип). Первые названы 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 полупроводниках на границе дырочного и электронного типов полупроводников возникает эффективный электронно-дырочный барьер, препятствующий свободному передвижению электронов и дырок. Через такую границу ток проходит только в одном направлении, а ее электрическое сопротивление зависит от величины и направления приложенного напряжения. Если электрическое поле приложено в прямом направлении, высота барьера уменьшается, и наоборот; при этом неосновные носители тока (дырки в электронном полупроводнике и электроны в дырочном) играют определяющую роль.

В результате многочисленных экспериментов удалось изготовить образец, включающий границу перехода между двумя типами проводимости. Так впервые был создан p-n -переход, ставший важнейшим элементом 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 лампы, стал точечный транзистор, в котором два точечных контакта расположены в непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности небольшой пластинки кремния n -типа. В конце 1947 г. был испытан первый транзистор. Он позволял усиливать сигнал вплоть до верхней границы звуковых частот более чем в сто раз. В 1956 г. за разработку транзисторов американские физики Д. Бардин (1908—1991), У. Браттейн (1902—1987) и У. Шокли (1910—1989) получили Нобелевскую премию.

Истоки современной микроэлектронной технологии. Совершенствование различных полупроводниковых приборов способствовало развитию 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 современную аудио- и видеоаппаратуру, быстродействующие ЭВМ и т.п.

Первое промышленное производство полупроводниковых приборов освоено в середине 50-х годов XX в. после разработки технологии зонной 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 транзистор — имел форму цилиндра с тремя выводами соответственно от эмиттера (т.е. части транзистора, из которой поступает ток), коллектора (пункта назначения электронов) и от регулирующей части — базы. Будучи своеобразной «заслонкой», база либо способствовала, либо препятствовала потоку электронов.

В 1957 г. американский инженер Г. Кремер изобрел и запатентовал ге-тероструктурный транзистор, состоящий из нескольких слоев полупроводникового материала — соединения галлия с различными присадками. Такой транзистор отличался от биполярного гораздо более высоким быстродействием. Позднее тот же автор предложил идею гетероструктурно-го лазера. Одновременно и независимо от Г. Кремера эту же идею запатентовали российские ученые Ж. Алферов и Р. Казаринов из Физико-технического 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 интегральных схем с многослойной структурой, включающей множество транзисторов и других элементов, которые компонуются на одной пластине с применением тонкопленочной групповой технологии, заключающейся в последовательном формировании элементов. Интегральные схемы составляют техническую базу информационных технологий. За их разработку группа ученых — Ж.И. Алферов, Г. Кремер и Д. Килби — удостоена Нобелевской премии по физике 2000 г.

По мере освоения тонкопленочной технологии осаждались тонкие пленки не только полупроводниковых, но и других материалов: диэлектриков, магнетиков и т.д. Особенно широко развернулась тонкопленочная индустрия тонких ферромагнитных пленок, позволившая создать многие высокочувствительные преобразователи и приборы. В нашей стране напыление тонких магнитных пленок и их экспериментальное исследование впервые производились в начале 60-х годов XX в. на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова в лаборатории известного 348

магнитолога Р.В. Телеснина (1905—1985). Эти первые работы послужили активным началом для многих перспективных направлений исследования физических свойств тонкопленочных ферромагнитных материалов.

При создании современной электронной аппаратуры различного назначения — от аудио- и видеоаппаратуры до сложнейших компьютерных, космических и других систем возникают непростые задачи измерений 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 высокочувствительные 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 сверхбольшие токи — до 300 000 А. За эту работу С.Х. Карпенков и Н.И. Яковлев удостоены Государственной премии Российской Федерации 1998 г. в области науки и техники. Дальнейшая модернизация различных микроэлектронных средств связана с освоением и внедрением нанотехнологий.

Развитие нанотехнологий. В результате совершенствования тонкопленочной технологии в течение последних десятилетий удавалось размещать все большее число элементов на меньшей площади кристалла-подложки интегральной схемы, т.е. удавалось постоянно повышать степень интеграции. Еще в 1960 г., вскоре после изобретения микросхемы, американский инженер Гордон Мур предсказал темп роста числа компонентов интегральной схемы, сформулировав закономерность: число 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 повышением плотности упаковки элементов на кристалле. Совершенствование 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 топологических размеров требует разработки новых технологических приемов. Увеличение площади кристалла — второй путь повышения степени интеграции. Однако получение бездефектных кристаллов больших размеров — 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 полупроводниковой электронике. Одно из них связано с разработкой полевого транзистора, выполняющего функцию резистора, управляемого напряжением. Типичный полевой транзистор имеет структуру металл—окисел—полупроводник и носит название МОП-транзистор. Предполагается, что модифицированная технология МОП-транзисторных схем будет применяться для создания гигантских интегральных схем.

Переход к сравнительно малым размерам элементов требует принципиально нового подхода. С уменьшением размеров элементов приходится отказаться от традиционных технологических операций. Так как длина волны света препятствует миниатюризации, фотолитография заменяется электронной, ионной и рентгеновской литографией. На смену диффузионных процессов приходят ионная и электронно-стимулированная имплантация. Термическое испарение и отжиг материала вытесняются ион-но-лучевой, ионно-плазменной, электронно-лучевой обработкой. Появилась возможность локального воздействия на поверхность полупроводникового 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 лишнего материала из заготовки, подобно тому как скульптор удаляет куски мрамора, создавая задуманный образ. На смену ей постепенно приходит молекулярно-инженерная технология, позволяющая создавать электронные 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 имплантации 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 фундаментальных вопросов, связанных с новыми физическими принципами работы приборов и ограничениями, свойственными планарным процес-350

сам. В результате взаимодействия ускоренных пучков ионов с веществом можно направленно изменять их физико-химические свойства, что позволяет получать тонкопленочные элементы с заданными локальными характеристиками. Сфокусированные ионные потоки — это уникальный инструмент для прецизионной обработки различных материалов.

В настоящее время в качестве основного материала полупроводниковых приборов используется кремний. С развитием нанотехнологии будут применяться и другие материалы: арсенид галлия, фосфид индия, кадмий-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. Минимальными частицами, способными управлять электроном, являются атомы. Уже предложены элементы памяти на отдельных атомах, на которых можно создать суперкомпьютер площадью 200 мкм², содержащий 10 логических элементов, 10⁹ элементов памяти, и способный работать на частоте 10¹² Гц.

8.5. ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Особенности лазерного излучения и разновидности лазеров. Лазер — это слово появилось сравнительно недавно. Вначале оно было известно 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 возможностях. В то же время чаще всего у неспециалистов лазер вряд ли вызывает 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? Оказывается, есть. И специалистам, и всем, кто далек от понимания физических явлений, связанных с лазером. Для специалистов, в первую очередь физиков, лазер дал жизнь весьма перспективному научному направлению — нелинейной оптике, охватывающей исследования распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Лазеры породили новые технологии с уникальными возможностями. Для многих лазер — источник необыкновенного 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 зеркала и линзы чаще всего не нужны. Он и без них сам по себе излучает почти параллельный пучок света. Слово «почти» означает, что пучок лазер-352

ного света не совсем параллельный: существует угол расхождения, но он сравнительно мал — около 10^-5 рад, и тем не менее на больших расстояниях он ощутим: на Луне такой пучок, направленный с Земли, дает пятно диаметром примерно 3 км.

Во-вторых, свет лазера обладает исключительной монохроматичностью, 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 одноцветный, монохроматичный свет проходит через нее не разлагаясь. Линза тоже преломляет лучи, собирая их в фокусе. Но белый свет она фокусирует в радужное пятнышко, а лазерный луч — в крошечную точку, диаметр которой может составлять сотые и даже тысячные доли миллиметра. Благодаря такому свойству лазерного луча стала возможной оптическая запись 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 • 10³ Вт, причем суммарно по всему спектру.

Названные удивительные свойства лазерного излучения придали свету новое лицо. Еще на заре развития лазерной техники французский физик 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 инфракрасного света.

Но на этих достижениях ученые не остановились. Был создан газодинамический лазер, похожий на реактивный двигатель. В его камере сгорания сжигается угарный газ (окись углерода) с добавкой топлива (керосина, бензина, спирта). Получившаяся при этом смесь газов состоит из углекислого газа, азота и паров воды. Проносясь между зеркалами, молекулы 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 ученый 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 информационной емкостью: на диске диаметром 12 см можно записать сотни 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 настоящее время ведутся работы по созданию полупроводникового лазера, способного 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 однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать большие ее объемы. К тому же жидкость можно прокачивать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.

Наиболее широкое распространение получили лазеры на красителях. Называются они так потому, что их рабочей жидкостью являются растворы анилиновых красителей в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкостные лазеры могут излучать импульсы света различной длины волны (от ультрафиолетового до инфракрасного света) и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт в зависимости от вида красителя. Разрабатываются химические лазеры, в которых атомы переходят в 354

возбужденное состояние при действии энергии накачки химических реакций. Большое внимание уделяется разработке мощных химических лазеров, преобразующих энергию химической реакции в когерентное излучение, 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 вперед. Его можно пустить и по сплошному стеклянному стержню — толщиной в несколько тысячных миллиметра стеклянному волокну. Стеклянные волокна можно собирать в жгуты разной толщины, как медные проволоки в кабеле. Тонкие стеклянные нити довольно гибки: волоконный световод можно изгибать, завязывать узлом и вообще обращаться с ним, как с обычным электрическим проводом.

В настоящее время успешно развивается волоконная оптика — раздел 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 волоконные световоды позволяют тщательно осматривать внутренние детали машин и механизмов, не разбирая их. По одному и тому же световоду можно направить излучение второго лазера (с другой длиной волны), третьего, четвертого. Каждый из них может нести свой сигнал. По одному волокну, по стеклянной нити чуть толще волоса можно одновременно передавать 32 000 телефонных разговоров или 60 цветных телевизионных программ! Сейчас уже созданы световоды, способные работать в тех же условиях, что и обычные провода. Они выдерживают большие колебания температуры, обледенение, порывы ветра. Их можно прокладывать в земле и натягивать на столбах. Огромная пропускная способность световодов позволяет создать сеть кабельного телевидения, работающего без помех и искажений.

И вот что интересно: природа умудрилась создать даже такое сложное устройство, как волоконный световод, да еще настроенный на определенную длину волны. Хозяин этого устройства — белый медведь. Американским ученым удалось установить, что каждая шерстинка его шкуры работает как оптическое волокно. Солнечный свет нагревает шерсть, а тепловые 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

Развитие лазерных технологий. Лазерные технологии по многообразию применений едва ли уступают охватившей в той или иной степени все основные сферы человеческой деятельности микроэлектронной технологии. Уникальная способность лазеров концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в спектральном интервале может быть использована двояко: во-первых, при нерезонансном взаимодействии мощных световых потоков с веществом в непрерывном и импульсном 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 лазерная обработка материалов, лазерный термоядерный синтез, лазерная химия, лазерное воздействие на живую ткань, лазерная спектроскопия, лазерная связь и многие другие. Лазерный луч режет, сваривает, закаливает, сверлит, проверяет качество обработки деталей и производит множество других не менее важных операций. Обо всем этом рассказать невозможно, но кое о чем попытаемся.

Газовый лазер мощностью до 5 кВт, дающий инфракрасный луч, позволяет сваривать отдельные детали толщиной до 2 см. Шов при этом получается раза в четыре тоньше, чем при обычной электросварке, а электроэнергии тратится в три раза меньше! Лазер позволяет легко автоматизировать сварку, сваривать металлы, которые обычным способом соединить 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 движением управляет ЭВМ. При этом экономится до 15% материала.

Лазерный луч может не только разрушать, но и упрочнять детали, закаливая их с поверхности. Стальная деталь при этом одевается закаленной «скорлупой», твердой и устойчивой к трению, хотя и довольно хрупкой. 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 вязкой: лазерная вспышка не успевает ее прогреть. Деталь, обработанная лазером, устойчива и к ударам, и к трению, как знаменитый булат — гордость русских оружейников.

Лазер помогает сажать самолеты. Идеально прямые, яркие лучи разноцветных лазеров образуют в воздушном пространстве аэродрома разметку, по которой самолет может точно выйти на посадку. Но лазер способен не только облегчать жизнь здоровых людей, он может и лечить больных. Лазер — хирург и терапевт. Хирурги давно мечтали об инструменте, которым можно делать бескровные разрезы. Хорошо бы также, чтобы он был «понежнее». Ведь сегодня хирурги делают операции на сетчатке глаза и вторгаются в святая святых организма — человеческий 356

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 зависимости от энергии, которую он несет, и времени воздействия он может «заварить» кровеносный сосуд (медики говорят «коагулировать» его) или, наоборот, пробить в нем отверстие. Даже цвет луча оказался важен в хирургии. 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 добиться мгновенного образования сгустка крови, закупоривающего перерезанный 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 медицины, 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 многолетней практики лечения с помощью лазерного луча можно твердо сказать, что лазерная хирургия глаза — на правильном пути.

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

Голография и распознавание образов. Однажды в музей небольшого 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, заваленную несметными сокровищами. Выставка была подготовлена Алмазным фондом. Посетители рассматривали драгоценности, восхищались мастерством ювелиров, дивились величине камней и их игре. Но вот настал вечер, посетители разошлись, и музей закрылся. Тогда заволновались 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 вошел электрик и повернул выключатель... Погасли лампы, и сразу пропали сияющие бриллианты, драгоценные эмали и золото. В витринах лежали листы стекла, мутного и как будто грязноватого. На выставке были не настоящие драгоценности, а фотопластинки с их изображениями! Но изображения эти не обычные, как на фотографиях, а объемные. Их можно рассмотреть с разных сторон и простым глазом, и в лупу. Их можно фотографировать. Вот только потрогать и унести их с собой нельзя. Способ записи такого объемного изображения носит название голография, а сами изображения и пластинки с их записью называются голограммами. В переводе с греческого «голография» означает «полная запись»: изображение на пластинке дает иллюзию настоящего предмета.

Если для получения голограммы взять параллельный пучок света, а для ее восстановления — расходящийся, то полученное изображение будет увеличенным. И тем сильнее, чем больше расходится луч. Осветив голограмму светом не той же длины волны, а в 2, 3, 7 раз более длинной, мы опять-таки получим изображение, увеличенное во столько раз, во сколько одна световая волна длиннее другой! Таким способом можно построить голографический микроскоп, к тому же дающий объемное изображение.

Получать изображение можно, разумеется, не только с объемных предметов, но и с плоских — букв, цифр, рисунков, фотографий. Это не означает, правда, что обычная плоская фотография после голографирования приобретет объемность. Нет, это делается для того, чтобы можно было автоматизировать и другой, тоже важный процесс — распознавание образов. Распознать нужный образ среди других, значит, сравнить все их с эталоном, выбрать один-единственный, идентичный ему. Задача эта порой бывает очень сложна, требует опытного глаза и длительного навыка. Проверьте, например, сколько времени у вас уйдет, чтобы в толпе фигурок на рисунке опознать две одинаковые. Признаков, по которым они сравниваются, всего пять-шесть. А если их будет тридцать—сорок? Задача становится неизмеримо сложнее и кажется, что она не может быть решена при помощи машины. Но оказалось, что и в этом нелегком деле может помочь лазер.

Поставим на пути лазерного луча проверяемый кадр с запечатленными на нем образами (например, микрофотографию с изображением двух-трех сотен микробов), затем голограмму эталона, потом — экран. Будем менять диапозитивы: первый, второй, третий — экран остается темным. Но вдруг на нем справа, сверху появилось яркое пятно. Это означает, что в правом верхнем углу кадра находится искомый образ! Если он в кадре не один, то и точек на экране будет несколько. Проверяемый кадр может быть не только диапозитивом. Поиск образов можно вести и на ри-358

сунке, и на экране телевизора, в поле зрения микроскопа и даже просто в пространстве, освещенном лазерным светом. Вместо экрана ставится светочувствительный датчик, который срабатывает при появлении светового пятна и отмечает найденное изображение. На поиск при помощи голографии затрачивают в десятки тысяч раз меньше времени, чем при поиске вручную. Таким способом можно вести поиск любых образов при любом их числе, и даже не по целому образу, а по его фрагменту, небольшому кусочку. Такое изображение, восстановленное по фрагменту, называется фантомным (от французского слова «привидение», «призрак»).

Лазер — это не только объемная фотография и библиотека в кармане, не только новые сверхточные методы измерения и новая технология. Лазер способен давать многое, что стало уже привычным. От него можно ожидать и много неожиданностей, которые в руках пытливых естествоиспытателей превратятся в новые полезные дела.