Brevet FR2525406A1 — publié le 19831021

La présente invention concerne les lasers à semi-conducteurs et, en particulier, un tube cathodique à laser et un procédé pour son traitement thermique sous vide. L'invention proposée est applicable aux dispositifs de projection d'informations sur un grand écran d'usage collectif, de commutation d'adresse, de microscopie électronique à balayage par rayon laser. Des tubes cathodiques à laser connus (Certificat d'auteur de 1'URSS NO 270100 du 26.02.67, cl. 21 13/25; Brevet US NO 3558956 du 26.01.71) comprennent dans une enceinte sous vide un canon à électrons, un système de commande du faisceau d'électrons et un écran laser qui est une plaque mince plan-parallèle en semi-conducteur à surfaces lisses portant des revêtements réflecteurs constituant les miroirs d'un résonateur. Cependant à la surface et danse volume du revêtement réflecteur dielèctrique situé sur la surface soumise à un bombardement par le faisceau d'électrons de la plaque en semi-conducteur s'accumule sous l'action du bombardement électronique une charge amenant une dé focalisation du faisceau d'électrons d'excitation et un endommagement du revêtement diélectrique par suite de microclaquages. I1 est connu encore un tube cathodique à laser (Brevet US NO 3757250 du 4.03.73) -comprenant une enceinte sous vide renfermant un canon à électrons un système de commande d'un faisceau d'électrons et un écran. L'écran est réalisé sous forme d'une plaque en semi-conducteur plan-parallèle sur les surfaces de laquelle il y a des revêtements réflecteurs constituant les miroirs d'un résonateur. En tant que revêtement réflecteur situé du côté du canon à électrons on utilise une couche d'argent de 0,155 > xm d'épaisseur déposée par vaporisation à la surface de la plaque en semi-conducteur. Cependant dans un tel tube cat,lodigue à laser la couche d'argent absorbe en partie le rayonnement laser incident (d peu près 7% pour une couche fraichement dépo sée par vaporisation), ce qui diminue l'efficacité de gé nération. Au cours de l'utilisation d'un tel tube cathodique il se produit sous l'action du faisceau d'électrons et du rayonnement laser en partie absorbé par la couche d'argent une interaction de l'argent et du matériau semi-conducteur accompagnée d'une dégradation des propriétés de rayonne- ment du semi-conducteur et des propriétés réflectrices de la couche d'argent. Cela amène une dégradation irréversible de l'écran du tube cathodique à laser et une chute rapide de l'efficacité de génération ce qui réduit la durée de vie du tube cathodique à laser à quelques dizaines d'heu res de fonctionnement en régime de télévision. En optique on utilise outre des revêtements métalliques, des revêtements métallo-diélectriques (Four man Sh. A. "Revêtements optiques à couches minces", Léningrad, "Mashinostroénie", 1977) composés d'une cou che métallique et d'une couche de diélectrique ayant une épaisseur de # , où # est la longueur d'onde de la lu 4nd mière dans le vide, nd est l'indice de réfraction du dié lectrique. Cependant ces revêtements présentent un coef ficient de réflexion insuffisamment haut, et leur appli cation dans letube cathodique à laser ne-permet pas d'obtenir une efficacité élevée ni une durée de vie prolonge. On connait un procédé de traitement par le vide de dispositifs électriques à vide, y compris des tubes cathodiques lors de leur évacuation (Tcherepnin N.V. "Propriétés sous vide de matériaux destinés à la fabrication des appareils électroniques", Moscou, "Sovjetskoe radio", 1966; S. Deshman "Bases scientifiques de la technique du vide", Moscou, "Mir", 1964, p.p. 417-419) comprenant un chauffage de l'enceinte dans laquelle on a fait le vide jusqu'à une température à laquelle les gaz et les vapeurs d'eau absorbés se trouvent évacués des matériaux de l'enceinte, de l'écran et du canon à électrons. Notamment, pour un verre destiné aux dispositifs électroniques à vide à partir duquel on fabrique essentiellement les enveloppes des tubes cathodiques, le traitement thermique par le vide se fait à une température de 300 OC à gOC. Cependant dans les tubes cathodiques à laser dans lesquels l'un des revêtements reflecteurs de la plaque en semi-conducteur constituant les miroirs du résonateurest constitue par une couche d'argent déposée directement à la surface de cette plaque, un chauffage prolongé à une haute température dépassant 1500C amène une interaction entre le matériau semi-conducteur et le matériau du revêtement réflecteur (l'argent), ce qui provoque une baisse du coefficient de réflexion de- ce revêtement et une desradation des propriétés de rayonnement du matériau semiconducteur, et donc de l'efficacité de génération de l'é- cran laser. On connait un procédé de traitement thermique sous vide d'un tube cathodique à laser lors de son xKna- ge (Nicoll F.H. "An experimental pulsed CAS laser cathoderay tube", "R.C.A.Review , 1968, v. 29, N 3, p.p. 379385) comprenant un chauffage prolongé du tube à vide à une température de 1500C. Pour un tel procédé de traitement thermique sous vide l'efficacité de génération de l'écran laser ne se trouve pas encore réduite, mais la qualité de dégazage de l'enveloppe de l'écran et du canon à électrons est alors insuffisante. Par conséquent, au cours d'un stockage prolongé ou de l'utilisation le vide se dégrade dans le tube cathodique à laser, ce qui diminue la fiabilité et la durée de vie du canon à electrons, et donc du tube cathodique en entier. Le but de la presente invention est de mettre au point un tube cathodique à laser et un procédé pour son traitement thermique sous vide, dans lequel la reali sation constructive de l'écran et le choix du régime de température du traitement du tube permettraient d'éviter l'interaction entre le matériau semi-conducteur de l'écran et le matériau du miroir de résonateur, d'anéliorer le coefficient de réflexion du miroir, l'efficacité de rayon neent du matériau semi-conducteur de l'écran, ainsi que l'efficacité de dégazage des surfaces intérieures du tube, ce qui rendrait plus efficace la génération du tube cathodique à laser et prolongerait la durée de vie de ce lui-ci. Elle a donc pour objet un tube cathodique à laser comprenant une enxselo=ne à vide renfermant un canon à électrons un système de commande du faisceau d'électrons et un écran réalisé sous forme d'une plaque en semi-conducteur plan-parallèle à surfaces lisses portant des revêtements réflecteurs constituant les miroirs d'un résonateur, un des revêtements, celui situé du côté du canon à electrons, étant couvert d'une couche métallique caractériséeen ce que le revêtement en regard du canon à électrons comprend une couche de diélectrique dense et optiquement transparent intercalée entre la couche métallique et la surface de la plaque en semi-conducteur et l'épaisseur de cette couche de diélectrique dense étant déterminée par la relation donnée ci-dessous. ou h est l'épaisseur de la couche en diélectrique dense et optiquement transparent; est la longueur d'onde du rayonnement du tube cathodique à laser; nd est l'indice de réfraction du diélectrique; nm, km sont des valeurs réelle et imaginaire de l'indice de réfraction du métal; p est un nombre entier positif ou 0. Afin d'obtenir la meilleure efficacité de gé nération, en obtenant un coefficient de réflexion maximal du miroir, il est utile de choisir l'épaisseur de la couche de diélectrique d'après la relation où: h est l'épaisseur de la couche d'un diélectrique dense et optiquement transparent; est la longueur d'onde du rayonnement du tube cathodique à laser; nd est l'indice de réfraction du diélectrique; nm, km sont des valeurs réelle et imaginaire de l'indice de réfraction du métal; p est un nombre entier positif ou 0. Dans le but d'obtenir une grande durée de vie de l'écran et un haut coefficient de réflexion du miroir il est avantageux de fabriquer la couche de diélectrique dense optiquement transparent en SiO2 ou en Au203. Afin d'accroître l'efficacité de génération laser et de prolonger la duree de vie du tube cathodique à laser, son traitement thermique sous vide'doit être effectué par un chauffage à une température entre 1550C et 2550C. L'invention proposée sera expliquée ci-dessous dans la description d'un exemple concret de sa mise en oeuvre, en se référant aux dessins sur lesquels la Fig. 1 illustre en coupe longitudinale l'une des versions de réalisation du tube cathodique à laser selon l'invention; la Fig. 2 représente la relation entre l'efficacité de génération de l'écran du tube cathodique à laser et le coefficient de réflexion du miroir situé c- té canon à électrons selon l'invention; la Fig. 3 représente la relation entre le coefficient de réflexion du miroir situé du côté canon à électrons et l'épaisseur de la couche en diélectrique; la Fig. 4 représente la relation entre l'épaisseur optimale de la couche en diélectrique dense et optiquement transparent et l'indice de réfraction du diélectrique;; la Fig. 5 représente la relation entre le coefficient de réflexion du miroir situé côté canon à électrons et l'indice de réfraction du diélectrique; la Fig. 6 représente la relation entre la puissance réduite de la génération du tube cathodique à laser et la durée de son utilisation; la Fig. 7 représente la relation entre l'efficacité réduite de la génération de l'écran du tube cathodique à laser et la température de son traitement thermique sous vide selon l'invention. Le tube cathodique à laser comprend une enveloppe sous vide 1 (Fig. 1) renfermant un canon à électrons 2, un dispositif 3 de commande du faisceau d'électrons 4 et un écran laser 5 réalisé sous la forme d'une plaque en semi-conducteur plan parallèle 6 à surfaces lisses portant des revêtements réflêchissants 7 et 8 constituant les miroirs d'un résonateur. Le revêtement 7 iais- se passer en partie le rayonnement laser 9 généré dans la plaque en semi-condusteur 6 lorsque celle-ci est bombardée par le faisceau d'électrons 4.Le revetement 8 situé du côté du canon à electrons 2 comprend une pellicule métallique, notamment d'argent 10 et une couche de diolec- trique dense et optiquement transparent dont l'épaisseur est définie par la relation suivante où: h est l'épaisseur de la couche diélectrique; est la longueur d'onde de rayonnement du tube cathodique à laser; nd est l'indice de réfraction du diélectrique; nm, k sont les parties réelle et imaginaire m de l'indice de réfraction du métal; p est un nombre entier positif ou 0. Afin d'obtenir le coefficient de réflexion maximal du revêtement 8 l'épaisseur de la couche diélectrique 11 est établie d'après la relation Afin d'obtenir la meilleure efficacité de 1' écran 5 et une durée de vie prolongée du tube cathodique à laser, la couche de diélectrique 11 est faite en Si02 ou Au 203. La Fig. 2 illustre la relation 12 entre l'efficacité % de génération du tube cathodique à laser comportant la plaque 6, constituant l'écran 5 (Fig. 1), faite en sulfure de cadmium et le coefficient de réflexion R du revêtement 8 (Fig. 1) situé du côté canon à électrons 2 au régime d'excitation à balayage, avec une énergie d'électrons égale à E=60 keV, le rayon du faisceau 4 étant égal àR0= 20 m , la densité de courant dans le faisceau 4 A étant égale à j = 100- A2 , l'épaisseur de la plaque clr. en semi-conducteur 6 étant égale à g = 200 Am, le coefficient de réflexion du revêtement 7 partiellement transparent au rayonnement laser étant égal à R1=0,85 et la température de l'écran 5 étant égale à tO = - 1980C. la Fig 3 représente les relations 13 et 14 entre le coefficient R de la réflexion de la lumière incidente provenant de la plaque en semi-conducteur 6 (Fig. 1) en sulfure de cadmium, et frappant le revêtement réflecteur deposé par vaporisation à la surface de cette plaque 6 et comprenant une pellicule d'argent 10 et une couche de diélectrique 11 faite en SiO2 et A1203 et l'épaisseur de cette couche de diélectrique 11. la Fig. 4 représente la relation entre l'é- paisseur optimale de la couche de diélectrique 11 (Fig. 1) et l'indice de réfraction nd (Fig. 4) du diélectrique. La couche 10 (Fig. 1) du revêtement-8 est en argent. La courbe 15 (Fig. 4) correspond à la valeur p égale à zéro, tandis que la courbe 16 correspond à la valeur p égale à 1. la Fig. 5 représente la relation 17 entre le coefficient de réflexion R de la lumiere incidente venant de la plaque en semi-conducteur 6 (Fig. 1) en sulfure de cadmium et en frappant le revêtement réflecteur 8 déposé sur la surface de la plaque 6 et comportant la pellicule argent 10 et la couche de dielectrique 11 d'épais seur optimale et l'indice de réfraction nd (Fig. 5) de ce diélectrique. la Fig. 6 représente en unités relatives les relations ?(t) entre la puissance de génération des tubes p(0) cathodiques à laser avec des écrans 5 (Fig.l), dont les plaques 6 sont faites en sulfure de cadmium et dont les revêtements réflecteurs 8 comportent la pellicule d'argent 10 et la couche de diélectrique 11 faite en SiO2 (18j et A1203 (19) , et la durée d'utilisation des tubes en régime de télévision pourE=60keV, Ro=2opm , j =100 A 2 cm La Fig. 7 représente en unités relatives la relation 20 entre l'efficacité de génération Vt du tube cathodique à laser avec écran 5 (Fig. 1) en sulfure de cadmium et un revêtement réflecteur 8, comportant une couche en SiO2 de 0,06 um d'épaisseur et une couche d'argent de 0,2 um d' épaisseur et la température tOC de traitement thermique et à vide. Le principe de fonctionnement du tube cathodique à laser est le suivant Le bombardement de l'écran à laser 5 (Fig.1) par le faisceau d'électrons 4 provoque l'apparition dans la plaque en semi-conducteur 6 d'un rayonnement laser 9 traversant le revêtement 7 à transmission partielle. L'efficacité de génération conformément à la relation 12 (Fig. 2), augmente avec l'augmentation du coefficient de réflexion R du revêtement 8 (Fig. 1) situé côté canon à électrons 2. Le revêtement réfléchissant 8 comportant la couche de diélectrique 11 d'une épaisseur h définie par la relation où: h est l'épaisseur de la couche de diélectrique; est la longueur d'onde du rayonnement du tube cathodique à laser; nd est l'indice de réfraction du diélectrique, nm, k sont des valeurs réelle et imaginaire m de l'indice de réfraction du métal, p est un nombre entier positif ou 0, présente un coefficient de réflexion R élevé dont le maximum s'obtient pour l'épaisseur définie par la relation don ne-e ci-dessous Selon la Fig. 5, le coefficient de réflexion R du revêtement 8 est d'autant plus grand que l'indice de réfraction nd du diélectrique est plus petit; de ce fait, l'application comme matériaux constituant la couche de diélectrique 11 des oxydes Si02 ou A1203 à bas indices de réfraction permet d'avoir un coefficient de réflexion (Fig. 2) de tels revêtements R=0,97, ce qui augmente de 1,2 à 1,5 fois l'efficacité de génération par comparaison avec un tube cathodique à laser ayant un revêtement en argent (Fig. 1). En outre, la couche de diélectrique 11 d'une épaisseur optimale, intercalée entre la plaque en semiconducteur 6 et la pellicule métallique 10 diminue l'influence du rayonnement sur cette pellicule 10, empêchant l'interaction et la pénétration mutuelle des matériaux de la pellicule 10 et du semi-conducteur de la plaque 6. Grâce à de fait, les propriétés de réflexion du matériau semi-conducteur de la plaque 6 restent en pratique inchangées pendant une durée de fonctionnement prolongée du tube cathodique à laser, ce qui rend de 6 à 10 fois supérieure la durée de vie de ce dernier. Le tube cathodique à laser proposé subit un traitement thermique sous vide pour lequel le chauffage du tube dans lequel on a fait le vide s'effectue à une température comprise entre 1550C et 2550C. Le chauffage dans la plage de température de 1550C à 2550c permet un dégazage plus efficace des parois de l'enveloppe 1 (Fig. 1) en verre pour dispositifs électroniques à vide et notamment d'assurer un haut degré de désorption de vapeurs d'eau, et donc d'élever de 2 à 3 fois le vide dans le tube cathodique. En outre, le chauffage dans cette plage de températures augmente de 1,1 à 1,7 fois l'efficacité (courbe 20, Fig. 7) de génération en raison d'une amelioration des propriétés de rayonnement du matériau semi-conducteur de la plaque 6 (Fig. 1) grâce un traitement thermique des défauts de Frenkel et à l'élimination par stimulation thermique des atomes interstitiels de métalloide du semi-conducteur. La couche diélectrique 11 du revêtement réflecteur 8 empêche alors l'interaction des atomes de métallolde avec la pellicule métallique 10, ce qui ccntri- bue à conserver les propriétés de réflexion du revêtement 8 au cours du chauffage dans cette plage de températures. Si le tube cathodique est chauffé à des températures plus hautes (dépassant 2550C), les atomes de métallolde migrant vers la surface diffusent à travers la couche diélectrique 11, et par suite d'une intéraction avec l'argent, font baisser le coefficient de réflexion R (Fig. 2) du revêtement 8 (Fig. 1). En outre, le chauffage à une température au-dessus de 2550C provoque l'apparition dans la plaqe en semi-conducteur 6 de propres défauts du type lacunes, ce qui dégrade les propriétés de rayonnement du semi-conducteur. Donc, le chauffage du tube cathodique de laser à une température dépassant 2550C rend plus mauvaise l'efficacité de génération (courbe 20, Fig. 7) de son écran 5 (Fig. 1). Dans ce qui suit le procédé de taitement thermique sous vide du tube cathodique de laser sera expliqué à l'aide d'exemples confirmant la réalité de sa mise en oeuvre. EXEMPLE 1 Le tube cathodique à laser dont la plaque 6 (Fig. 1) de l'écran 5 est en sulfoxleniure de cadmium et dont le revêtement reflêchissant 8 comporte une pellicule 10 en argent de 0,2 > i m d'épaisseur et une couche il en SiO2 de 0,055 lu m d'épaisseur, est pompé jusqu'à une pres sion de 5.10 6mm de mercure, chauffé à une température de 230+50C pendant 10 heures, et ensuite refroidi jusqu'd 200C et pompé jusqu'à un vide poussé, de 5.10-8mm de mercure. Dans un tube cathodique soumis à tel traitement thermique sous vide, le vide est trois fois plus poussé que celui d'un tube chauffé à 1500C , et son efficacité de génération se trouve accrue de 1,2 fois EXEMPLE 2 Un tube cathodique à laser, dont la plaque 6 (Fig. 1) d'écran est faite en sulfure de cadmium et a un revêtement 8 comportant une pellicule d'argent 10 de 0,2 p m d'épaisseur et une couche 11 en A1203 de 0,58 pu d'épais-' seur, est pompe jusqu'à une dépression de 1.10 6mm de mercure, chauffé à une température de 180+50C pendant 15 heures, et ensuite refroidi à 200C et pompé jusqu'à un vide poussé, de 1.10 7 mm de mercure. Dans un tube-cathodique après un tel traitement thermique sous vide , le vide est deux fois plus poussé que celui d'un tube chauffé à 1500C et son efficacité de génération se trouve accrue de 1,1 fois. Le tube cathodique à laser proposé qui avait subi un traitement thermique sous vide selon le procédé proposé présente une haute efficacité et une durée de vie prolongée grâce au fait que la couche de diélectrique 11 ayant l'épaisseur optimale assure une augmentation du coefficient de réflexion du revêtement 8 situé du côté du canon 2 et empêche l'interaction du matériau de la pellicule ma tallique 10 et de la plaque en semi-conducteur 6 dans les conditions de bombardement électronique et de chauffage. Un pareil tube trouvera une large application dans les systûmes de projection sur grand écran à usage collectif, de commutation d'adresse et de microscopie à balayage par un rayon laser. REVENDICATIONS 1. Tube cathodique à laser comprenant une enveloppe traitée sous vide (1) renfermant un canon à électrons (2), un organe de commande (3) du faisceau électronique (4) et un écran (5) réalisé sous forme d'une plaque en semi-conducteur plan-parallèle (6) à surfaces lisses portant des revêtements réflêchissants (7,8) constituant des miroirs de résonateur, l'un des revêtements, situé du côté du canon à électrons (2), comportant une pellicule métallique (10),caractérise en ce que le revêtement (8) situé du côté du canon à électrons (2) comporte une couche (11) en un diélectrique dense et-optiquement transparent intercalée entre la pellicule métallique (10) et la surface de la plaque en semi-conducteur (6) et ayant une épaisseur déterminée par la relation où h est l'épaisseur de la couche (11) de diélectrique dense et optiquement transparent; est la longueur d'onde de rayonnement du tube cathodique à laser; nd est l'indice de réfraction du diélectrique; nm, km sont des parties réelle et imaginaire de l'indice de réfraction du métal; p est un nombre entier positif ou O. 2. Tube cathodique à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (11) en diélectrique dense et optiquement transparent est déterminée par la relation où h est l'épaisseur de la couche (11) de diélectrique dense et optiquemet transparent; est la longueur d'onde de rayonnement du tube cathodique à laser; nd est l'indice de réfraction du diélectrique; nm, k sont les parties réelle et imaginaire m de l'indice de réfraction du métal; p est un nombre entier positif ou O. 3. Tube cathodique à laser selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche (11) de diélectrique dense et optiquement transparent est en SiO2. 4. Tube cathodique à laser selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche (11) de diélectrique dense et optiquement transparent est faite en A1203 5. Procédé de traitement thermique sous vide du tube cathodique à laser selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le chauffage se fait à une température comprise entre 155 et 2550C.