ЛАЗЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРОЕКТОР
LASER ELECTRON-BEAM PROJECTOR

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно - к лазерным электронно-лучевым приборам (ЛЭЛП), используемым в системах отображения информации и медицинской технике, в частности растровой оптической микроскопии.
Идея лазерного кинескопа многократно описана в литературе [Уласюк В.Н. Квантоскопы. М.: Радио и Связь, 1988] и чрезвычайно проста: при замене люминофорного покрытия экрана ЭЛП монокристаллической полупроводниковой мишенью каждый ее элемент под воздействием электронного пучка генерирует когерентное излучение. Иными словами, каждый элемент мишени является полупроводниковым лазером с накачкой электронным пучком. Длина волны лазерного излучения определяется типом полупроводникового материала, а его интенсивность и пространственное положение задаются электронным пучком, управляемым стандартными и хорошо отработанными для обычных кинескопов методами.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту, создание лазерных ЭЛП с параметрами, приемлемыми для практического применения, потребовало более 25 лет сложнейших научно-технических и технологических работ, и устройства на основе ЛЭЛП первого поколения были реализованы только в середине 90-х годов. Основное внимание в ходе разработок уделялось выходным светотехническим характеристикам приборов: мощности и длине волны лазерного излучения; разрешающей способности; устранению неравномерности поля излучения и т.п. Были получены весьма обнадеживающие результаты: создан параметрический ряд ЛЭЛП практически с любой длиной волны излучения - от синего до красного диапазонов спектра - мощностью 2-25 Вт в зависимости от длины волны и с разрешающей способностью до 2500 ТВ-линий.
2
6
Однако все практические реализации лазерных ЭЛП до сих пор имеют ряд существенных недостатков эксплуатационного характера. В первую очередь - это выполнение условий охлаждения и радиотехнического обеспечения, необходимых для нормального функционирования приборов. Так, для охлаждения лазерной мишени требовались криогенные температуры (80-150К). А для успешной работы проектора следовало подавать на катод ЭЛП высокое отрицательное ускоряющее напряжение (до 75 кВ). Соблюдение этих требований приводило к тому, что любая аппаратура на основе проекторов первого поколения создавалась как бы "с нуля", поскольку стандартные для обычных ЭЛП технические решения и комплектующие устройства оказались не применимыми. Глубокое охлаждение лазерной мишени потребовало создания специальных дорогостоящих криогенных устройств с большими массогабаритными показателями и энергопотреблением порядка 3-4 кВт. Для подачи на катод столь высокого отрицательного напряжения необходимы нестандартные источники высоковольтного напряжения, содержащие помимо собственно источника напряжения блоки питания катода, модулятора, усилителя видеосигнала и др. К тому же, этот высоковольтный комплекс нужно было изолировать от остальной системы, что обычно выполнялось с помощью трансформаторного масла большого объема. Проекторы первого поколения имели также ряд конструктивных недостатков: большую длину (750 мм); встроенные активные средства поддержания вакуума, что сразу же ограничивало срок службы примерно до 1 тыс. часов и усложняло и без того достаточно непростое устройство. Все это делало аппаратуру на основе проекторов первого поколения слишком громоздкой (массой до 500 кг), дорогостоящей и ненадежной (A.S.Nasibov et al. "Full color TV projector based on АВ elektron-beam pumped semiconductor lasers" Journal of Crystal Growth 117 (1992) 1040-1045, North-Holland).
Известен лазерный электронно-лучевой проектор, содержащий электронную пушку с системами фокусировки и отклонения электронного пучка и лазерную мишень, содержащую полупроводниковую пластину с нанесенными на ее поверхности отражающими покрытиями, приклеенную оптически прозрачным клеем к оптически прозрачному лейкосапфировому хладопроводу (Патент Швейцарии №661380, кл. H01S 1/103, 1987).
В известном приборе электронный пучок, сканируя по лазерной мишени, возбуждает излучение в полупроводнике, то есть точка экрана, возбуждаемая в данный момент электронным пучком, становится минилазером. Излучение выходит наружу через отражающее покрытие, клей и лейкосапфировый хладопровод. Мощность этого излучения в конкретной точке определяется уровнем накачки (током электронного пучка) и добротностью резонатора. Отклоняя пучок по поверхности мишени и модулируя ток пучка, можно достичь требуемого распределения интенсивности (мощности) излучения по лазерной мишени. Добротность резонатора в каждой точке мишени определяется, в первую очередь, коэффициентом отражения выходного зеркала, приклеенного к лейкосапфировому хладопроводу. В свою очередь, коэффициент отражения этого зеркала, представляющего собой обычно многослойную интерференционную структуру, зависит от числа слоев, их толщины и показателя преломления диэлектрика в каждом из слоев.
Недостаток известного прибора обусловлен тем, что из-за разнотолщинности клеевого шва, значительно превышающей длину волны излучения (составляющей обычно 2-5 мкм), в разных точках мишени оказываются разными значения коэффициента отражения выходного зеркала, а следовательно, добротность резонатора и мощность генерируемого излучения. Это приводит к значительной (десятки процентов) неоднородности мощности излучения по лазерной мишени. При этом, естественно, снижается также средняя мощность излучения лазерного электронно-лучевого прибора и точность достижения распределения мощности по лазерной мишени.
Известен, принятый за прототип, лазерный электронно-лучевой проектор, в котором для снижения неоднородности распределения мощности излучения по лазерной мишени, повышения средней мощности излучения и точности его распределения по экрану упомянутая выше лазерная мишень содержит дополнительно слой оксида алюминия толщиной (0,152±0,002)λ. Этот слой напылен на поверхность лейкосапфирового хладопровода, к которой приклеена полупроводниковая пластина (где λ - длина волны излучения лазерного экрана в вакууме (RU №2080718, МПК6 H01S 3/18, опубл. 1997.05.27).
Недостаток известного прибора обусловлен тем, что для получения лазерной генерации требовалась по-прежнему низкая температура экрана 200 К. Общую для всех ЭЛП проблему резкого увеличения диаметра электронного высоковольтного пучка с ростом тока, имеющую критически важное значение, удалось решить лишь за счет усложнения электронно-оптической системы прибора. При этом получение лазерного эффекта на полупроводниковой пластине требовало использования высоковольтного напряжения 50-75 кВ, что приводит к значительному усложнению источников питания и системы сканирования электронного луча в проекторе.
Предлагаемое изобретение лазерного электронно-лучевого проектора последовательно решает две основные, на первый взгляд взаимоисключающие для полупроводниковых лазеров, задачи: снижение напряжения генерации лазерного излучения и повышение рабочей температуры.
Согласно изобретению лазерный электронно-лучевой проектор содержит электронную пушку с системами фокусировки и отклонения электронного пучка и лазерную мишень. Новизна предлагаемого технического решения заключается в том, что лазерная мишень состоит из стоящих на подложке под углом к вертикали не более 10° монокристаллических полупроводниковых наностержней.
Для использования ЛЭЛП в телевидении при напряжении 30 кэВ наностержни изготавливают диаметром 100-500 нм и длиной, составляющей 5-100 диаметров.
Для улучшения четкости изображения на больших расстояниях свободные торцы наностержней снабжены отражающими зеркалами.
Для увеличения рабочей температуры лазерной генерации монокристаллические наностержни выполнены из оксида цинка.
Выполнение лазерной мишени в виде ансамбля из множества монокристаллических полупроводниковых наностержней, стоящих на подложке с небольшим отклонением от вертикали, в отличие от ЛЭЛП первого поколения позволяет одновременно с генерацией лазерного излучения внутри одного отдельного наностержня осуществлять и функцию суммирования интенсивности излучения множества всех стержней, находящихся под пучком электронов. При этом направленность и спектральный состав лазерного излучения определяются геометрической формой отдельного стержня как оптического нанорезонатора. Для эффективного возбуждения стержней пучком электронов с низкой энергией используется наклонное падение пучка электронов под углом 10-20° к оси стержня. Конкретная величина угла зависит от энергии электронов и диаметра стержней и подбирается так, чтобы весь объем наностержня был эффективно возбужден падающими электронами. Общую для всех ЛЭЛП проблему увеличения рабочей температуры лазерной генерации лазерной мишени, вплоть до комнатной и выше (500К), имеющую критически важное значение для ЛЭЛП, удалось решить за счет выбора нового полупроводникового материала мишени - монокристаллических наностержней оксида цинка (ZnO).
Как известно, снижение напряжения в лазерном ЭЛП - прототипе с лазерной мишенью, выполненной в виде полупроводниковой пластины, ведет к резкому снижению глубины проникновения падающих на полупроводник электронов, и при энергии электронов менее 75 кэВ диаметр пятна области генерации становится больше ее толщины. При таком режиме лазерный свет возникает не вдоль, а поперек падающего пучка электронов [A.S.Nasibov et al. «Full color TV projector based on A2B6 electron-beam pumped semiconductor lasers». Journal of Crystal Growth, 117 (1992), 1040-1045] и лазерный проектор перестает работать. Предлагаемая нами конструкция позволяет получить новые светотехнические характеристики, в первую очередь достаточно высокую направленность лазерного излучения при малых ускоряющих напряжениях электронов, позволяет понизить энергию электронного пучка на мишени до режима обычной телевизионной электронно-лучевой трубки 20-30 кэВ.
Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в снижении рабочего напряжения лазерного электронно-лучевого проектора с 50-75 кВ до телевизионного режима 20-30 кВ, при этом рабочая температура возрастает с 200К до комнатной.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-3.
На фиг.1 приведено электронно-микроскопическое изображение торца лазерной мишени лазерного ЭЛП из наностержней оксида цинка на подложке сапфира. Длина наностержней 30 мкм и диаметр около 500 нм.
На фиг.2 приведен схематически изображенный в разрезе предлагаемый лазерный электронно-лучевой проектор.
На фиг.3 представлена зависимость получаемой световой мощности лазерного ЭЛП в фиолетовом диапазоне спектра 390 нм от суммарного тока используемого пучка электронов.
В таблице приведены параметры излучения ЛЭЛП на основе лазерной мишени из наностержней ZnO.
Лазерный электронно-лучевой проектор содержит электронную пушку с системами фокусировки и отклонения электронного пучка - 1, лазерную мишень из монокристаллических полупроводниковых наностержней - 2 на подложке - 3 и выходное кварцевое окно - 4. Причем монокристаллические полупроводниковые наностержни - 2 расположены на подложке 3 под углом к вертикали не более 10°, их диаметр имеет размер 100-500 нм, а длина составляет 5-100 диаметров.
Лазерный электронно-лучевой проектор работает следующим образом. Электронный пучок, формируемый электронный пушкой 1, возбуждает лазерную мишень. Из каждого наностержня 2, попадающего под возбуждающий электронный пучок, генерируется лазерное излучение. Геометрические размеры и ориентация наностержней 2 определяют направление и модовый состав лазерного излучения. В данном приборе электронный пучок, сканируя по лазерной мишени, возбуждает излучение в материале наностерженей 2 лазерной мишени и они становятся минилазерами. Излучение выходит наружу через торцы наностерженей 2 и сапфировую подложку 3. Мощность этого излучения в конкретной точке определяется уровнем накачки (током электронного пучка) и добротностью резонаторов - наностержней 2. Отклоняя пучок по поверхности лазерной мишени и модулируя ток пучка, можно достичь требуемого распределения интенсивности (мощности) излучения по лазерной мишени.
Оксид цинка - прямозонный полупроводник с кристаллической решеткой типа вюрцита имеет ширину запрещенной зоны 3.37 эВ при комнатной температуре. По сравнению с другими широкозонными полупроводниками, ZnO имеет несомненное преимущество в применении как лазерная среда в фиолетовой области спектра (390 нм), благодаря очень высокой энергии связи экситона (около 60 мэВ). Поэтому стимулированное излучение возможно получить в ZnO при комнатной и более высокой температуре (500К), что невозможно на ранее применяемых в лазерных ЭЛП полупроводниковых материалах.
Наностержни из оксида цинка выращивали на подложке сапфира (0001) методом газофазного химического синтеза (CVD) при пониженном давлении. В качестве исходных реагентов использовали металлический цинк высокой чистоты (99,999%) и кислородно-азотную смесь (20% кислорода). Синтез проводили в двухзонном кварцевом реакторе проточного типа. В первой зоне происходило испарение цинка. Во второй зоне пары цинка [Грузинцев А.Н., Редькин А.Н., Маковей З.И., Дубонос С.В., Якимов Е.Е. Получение ориентированных массивов наностержней ZnO методом газофазного синтеза из элементов. Неорган. материалы. 2007, т.43, №3, с.301-306] взаимодействовали с кислородом. В этой зоне располагались подложки. Температура испарения цинка составляла 670°С, температура синтеза (вторая зона) - 650°С. Кислородно-азотная смесь поступала в реактор со скоростью 1 л/час. Расход цинка составлял 20-28 г/час. Таким образом, в расчете на мольное соотношение синтез проводился в среднем примерно при 30-кратном избытке паров цинка по отношению к кислороду. При этом данный избыток увеличивается от начала к концу реактора. Давление в реакторе поддерживали на уровне 5 Торр. Синтез проводили в течение 30 мин на подложках, расположенных в реакторе на разном расстоянии от источника цинка.
Полученный оксид цинка согласно данным электронной микроскопии (фиг.1) представляет ансамбль вертикально стоящих наностержней разной длины (длина менялась от 5 до 100 диаметров в зависимости от положения подложки кремния в реакторе) со средними диаметрами отдельных кристаллитов около 500 нм и хорошо выраженной кристаллической огранкой. Они обладали электронным типом проводимости с довольно низким удельным сопротивлением 10 Ом×см. Правильная гексагональная форма основания наностержней говорит о преобладании гексагональной модификации ZnO, что было подтверждено методом рентгеновской дифрактометрии.
2
Результаты исследования влияния длины и диаметра наностержней оксида цинка на спектры катодолюминесценции (КЛ) нашего ЛЭЛП в ультрафиолетовой области приведены в Таблице. Возбуждение лазерной мишени производилось пучком электронов с энергией 30 кэВ при постоянном токе 6 мкА. Лазерное излучение наностержней имело максимум при 390 нм. Наностержни столбчатой формы являются монокристаллами с гексагональной огранкой и имеют преимущественную вертикальную ориентацию на подложке сапфира (0001). При комнатной температуре обнаружены узкие пики стимулированного излучения свободных экситонов с полушириной 3 нм. Показано, что наностержни ZnO с диаметром менее 500 нм имеют порог лазерной генерации при мощности электронного возбуждения 1000 кВт/см. Обнаружена узкая направленность их лазерного излучения с длиной волны 390 нм вдоль оси стержней. Для диаметра стрежней 600 нм при энергии электронов 30 кэВ лазерной генерации не наблюдалось. Выходная мощность ЛЭЛП при этом резко падала до 7 мВт и линия излучения уширялась до 16 нм. Такое поведение характерно для спонтанной (а не стимулированной) катодолюминесценции оксида цинка. Использование же стержней с диаметром более 500 нм требует для режима лазерной генерации проектора применения более высоких напряжений питания.
При диаметрах стержней менее 100 нм становится большой дифракция лазерного излучения на выходном торце наностержня, что затрудняет его собирание выходной проецирующей линзой ЛЭЛП. Из-за этого выходная мощность лазерной генерации тоже уменьшается.
Для более длинных наностержней ZnO (более 50 мкм (100 максимальных диаметров)) наблюдалось их искривление в процессе роста на подложке. Происходило отклонение оси стержней и их лазерной генерации от вертикали, что делало невозможным их применение в ЛЭЛП.
Для возбуждения лазерного излучения в проекторе мы использовали пучок электронов с энергией 30 кэВ, который фокусировался на мишени в пятно диаметром Д=10 мкм. Рабочая температура лазерного электронно-лучевого проектора была комнатной без использования какой-либо системы охлаждения. На фиг.3 представлена зависимость получаемой световой мощности лазерного ЭЛП в фиолетовом диапазоне спектра 390 нм от суммарного тока используемого пучка электронов. Видно, что при токе 2.5 мкА начинается режим лазерной генерации проектора. Мощность лазерного луча достигала 30 мВт при максимальном рабочем токе прибора 6 мкА, что соответствует эффективности преобразования электрической мощности в световую около 15%.
Полученный эффективный лазерный ЭЛП с излучением в фиолетовой области 390 нм может быть использован для получения монохромного или цветного изображения на большом экране, если в качестве последнего использовать холст или полимерную пленку с нанесенными на нее люминофорами, преобразующими фиолетовое лазерное излучение в видимый свет. Как мы знаем из техники люминесцентных ламп, эффективность такого преобразования имеет квантовый выход более 90%. Это техническое решение более просто и дешево по сравнению с прототипом, где для каждого цвета (синего, зеленого и красного) делается отдельный проектор.
Аналогично, в нашем случае, могут быть изготовлены лазерные проекторы синего, красного и зеленого цвета свечения при использовании в качестве материала наностержней ZnSe, CdSe и CdS соответственно.
Нанесение на свободные торцы наностержней отражающих зеркал не только в 2 раза увеличивает их эффективную длину для лазерного излучения, но и препятствует выходу лазерного излучения в обратном направлении. В результате не только улучшается направленность лазерного пучка проектора, но и возрастает его эффективность и яркость свечения. Отражающие зеркала наносились напылением слоя металла (алюминия) толщиной более 50 нм на подложки с вертикальными стержнями методом электронно-лучевого напыления.
Таблица
ЛАЗЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРОЕКТОР
Диаметр стержней
100 нм
220 нм
310 нм
420 нм
500 нм
600 нм
Длина стержней
1000 нм
2500 нм
5000 нм
11000 нм
30000 нм
30000 нм
Полуширина линии КЛ
3 нм
3 нм
3 нм
3 нм
3 нм
16 нм
Мощность излучения
17 мВт
18 мВт
20 мВт
22 мВт
30 мВт
7 мВт