Лазерная альтернатива

Лазерные источники света уже давно считаются перспективными для улучшения цветопередачи, увеличения срока службы и снижения энергопотребления проекционной аппаратуры.

Действительно, качество цветопередачи, например, проекционных телевизоров с типовыми источниками света хотя и высокое, но полностью не охватывает цветового локуса человеческого зрения, особенно в зелено-голубых тонах. Дело в том, что разделяющие цвета фильтры не обеспечивают высокую чистоту основных цветов, так как имеют довольно широкую полосу пропускания. А при применении интерференционных фильтров, выделяющих спектрально чистые цвета, мощность источника света с непрерывным спектром используется неэффективно. Поэтому разработчики оказываются перед выбором: либо высокая яркость, умеренное энергопотребление и цветовая насыщенность, либо высокое качество цветопередачи, но низкая яркость и большое энергопотребление.

Рис. 4. Локус и два цветовых треугольника

На рис. 4 показан локус и два треугольника с зонами цветового охвата. Черный треугольник построен в соответствии со стандартом МКО RGB, а белый — для лазерных источников света, соответствующих новому стандарту xvYCC. Следует отметить, что принятая зона охвата для системы NTSC по стандарту BT709-5 еще меньше, чем МКО RGB, так что цветовой охват лазерных дисплеев на 80% больше, чем у этой системы.

Установлено, что среднестатистический глаз обладает максимальной чувствительностью в области зеленого света. В системе СИ принято, что 1 Вт мощности однородного энергетического потока с длиной волны зеленого излучения 555 нм эквивалентен световому потоку 683 лм. Расчеты показывают, что равноэнергетическое излучение белого света на основных цветах RGB по МКО соответствует световому потоку 200 лм. Так как световой поток Ф (лм), необходимый для создания яркости Е (кд/м²) экрана площадью S (м²) определяется выражением Ф=pSE, получается, что для яркости 500 кд/м² экрана площадью 1 м² необходим световой поток pE§ 1570 лм, то есть лишь около 8 Вт лазерного излучения.

Таким образом, применение лазерных источников света выглядит весьма заманчивым и с точки зрения качества цветного изображения, и энергетически. Для этого уже разработаны мощные растровые структуры излучателей, позволяющие заменить проекционные лампы широкими пучками лазерных лучей красного, зеленого и синего цветов.

Подробно о лазерах уже говорилось в статье Л. Е. Чиркова «Фотопреобразователи и источники света» («625», № 2/2004), в которой отмечалось огромное удельное оптическое усиление полупроводниковых лазеров. Напомним, что любой из них работает по принципу квантовых переходов электронов из одного энергетического состояния в другое. В равновесном состоянии электроны распределены так, что электронов с низкой энергией в веществе больше, чем с высокой. Каждый атом обладает набором энергетических уровней.

Рис. 5. Виды излучения

Электроны атома, находящегося в основном состоянии (с минимальной энергией), при поглощении квантов света переходят на более высокий энергетический уровень (рис. 5а); а при излучении кванта света — наоборот. Излучение света при переходе на более низкий энергетический уровень (рис. 5б) может происходить самопроизвольно (спонтанно) или под действием внешнего излучения (вынужденно, рис.5в). Кванты спонтанного излучения испускаются в случайных направлениях, а квант вынужденного излучения испускается в том же направлении, что и квант, вызвавший это излучение, то есть оба кванта тождественны.

Для того чтобы преобладали переходы, при которых происходит излучение энергии, необходимо создать повышенную концентрацию возбужденных атомов (так называемую инверсную населенность). Состояние вещества, в котором создана инверсная населенность уровней, называется активным, а среда, состоящая из такого вещества — активной средой. Процесс создания инверсной населенности (электрический, оптический, тепловой, химический и др.) называется накачкой.

Переходы электронов с одного уровня на другой происходят постоянно. Если при переходе их с верхнего энергетического уровня на нижний излучается квант света, такой переход называется излучательным, а если нет — безызлучательным. Энергия электрона при безызлучательном переходе трансформируется в тепло. Обычно излучательные переходы происходят спонтанно, и спектр излучения таких источников света непрерывный и широкий. При вынужденных переходах частота и фаза нового кванта оказываются такими же, как у исходного, и спектр излучения получается очень узким. Для большего усиления света необходимо, чтобы один квант света вызывал как можно больше вынужденных переходов. Это достигается с помощью оптического резонатора, например двух параллельных зеркал. Квант света, пролетая от одного зеркала к другому и обратно, вынуждает большое количество электронов излучать свет. Если оба зеркала отражают 100%, то на выходе света не окажется. Поэтому выходное зеркало резонатора делают полупрозрачным.

Часть электронов в полупроводниках находится в валентной зоне (связана с атомами), а часть — в зоне проводимости. Эти зоны энергетически разделены, и при добавке энергии электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости, а в валентной зоне появляется дырка, то есть отсутствие электрона. При возврате электрона в валентную зону происходит рекомбинация электрона и дырки и может появиться квант света. Длина волны излучения зависит от состава полупроводника и легирующих его примесей. Например, светодиоды, изготовленные из фосфида галлия (GaP), при легировании кислородом излучают красный цвет, а при легировании азотом — зеленый. Так как в светодиодах электроны и дырки рекомбинируют спонтанно, возникающее при этом излучение занимает довольно широкую полосу частот. Для получения лазерного излучения необходимо увеличить скорость перехода электронов в зону проводимости так, чтобы они не успевали спонтанно рекомбинировать. Поэтому перевод излучающего диода в лазерный режим достигается при очень большой плотности тока.

Рис. 6. Структура лазера EEL

Полупроводниковые лазеры с различными вариантами оптических резонаторов, геометрией активной среды и конструкцией корпуса классифицируются по выводу света на лазеры с поперечной накачкой и торцевым излучением EEL (Edge Emitting Laser, рис.6) и лазеры с поверхностным излучением и вертикальным резонатором VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).

Диоды EEL формируются на общей подложке десятками тысяч штук, после чего их раскалывают на отдельные кристаллы, заключают в корпус и тестируют. Резонатор такого лазера получается при раскалывании, и, так как расстояние между сколами выдержать точно невозможно, такие лазеры излучают несколько частот. Поэтому они выдают выходной луч несимметричной формы с широкой спектральной характеристикой. Эти недостатки особенно проявляются у лазеров с высокой выходной мощностью. Лазеры EEL могут обеспечивать любой цвет излучения, просты в производстве, используются в аппаратуре CD/DVD и оптоволоконной связи. Но, несмотря на большие объемы производства, они дороги, так как технология их изготовления не позволяет тестировать лазеры на ранних этапах изготовления.

Лазеры VCSEL имеют более сложную структуру, включающую резонатор на многослойных зеркалах с высоким коэффициентом отражения. Они излучают симметричные лучи высокого качества и спектральной чистоты. Технология изготовления хорошо контролируется и позволяет тестировать кристаллы в процессе производства. Однако из-за малой мощности излучения (около 1 мВт) лазеры VCSEL применяются для оптических соединений ближнего действия.

Калифорнийская компания Novalux разработала недорогие источники света для проекционных дисплеев по технологии NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser — лазер Novalux повышенной мощности с поверхностной эмиссией), являющейся развитием VCSEL. В нее заложен принцип получения мощного инфракрасного излучения на полупроводниках типа InGaAs (многослойные структуры из арсенида галлия с напряженными квантовыми ямами) и удвоения его частоты на нелинейных кристаллах из ниобата лития с периодической структурой PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate — периодический ниобат лития).

Рис. 7. Лазер типа NECSEL Protera

На рис. 7 показана структура излучателя NECSEL серии Protera. Этот лазер состоит из p-n перехода, промежуточного слоя, в котором происходит рекомбинация электронов и дырок, и резонатора ИК-излучения, выполненного на двух зеркалах DBR (Distributed Bragg Reflector). Зеркало p-DBR со 100 %-м отражением имеет тепловой контакт с основой из окиси бериллия (BeO), обладающей высокой теплопроводностью. Расположенное над ним полупрозрачное зеркало n-DBR отделено от зеркала р-DBR областью усиления, содержащей квантовые колодцы, обеспечивающие эффективную излучательную рекомбинацию носителей. Базовый кристалл GaAs, на котором сформирована структура ИК-лазера, является одновременно тепловой линзой, фокусирующей ИК-излучение в область нелинейного кристалла и повышающей эффективность преобразования ИК-излучения в видимый свет. Внешний резонатор, настроенный на вторую гармонику ИК-излучения, то есть на длину волны выходного излучения, состоит из зеркала VBG (Volume Bragg Grating) и поверхности базового кристалла из арсенида галлия. Это позволяет использовать плоскую оптику и существенно упрощает производство. Нелинейный материал — периодический ниобат лития — используется для всех трех длин волны с небольшим изменением периода решетки. Никакие волноводы или сферические элементы не используются, что удешевляет производство и увеличивает выход годных изделий.

Изготовление излучателей NECSEL начинается с эпитаксиального наращивания на 4" пластине из арсенида галлия (GaAs) около тысячи структур лазерных диодов. Их можно проверить до разделения полупроводниковой пластины на отдельные кристаллы и установки массива на теплоотвод. Красный (621 нм), зеленый (532 нм) и синий (465 нм) цвета могут быть реализованы в едином блоке излучателей.

Рис. 8. Фотография растрового излучателя без кожуха	Рис. 9. Растровый излучатель NECSEL 532 нм	Рис. 10. Зависимость средней мощности излучения от тока

На рис. 8 приведена фотография растрового излучателя NECSEL, содержащего 15 излучателей и удвоитель частоты, имеющий размеры 1×5 мм. Оптические оси отдельных излучателей параллельны друг другу (рис. 9), а угол расхождения лучей составляет около 30’. На рис. 10 показан пример зависимости средней выходной мощности второй гармоники такого излучателя длины волны 465 нм от амплитуды тока управления. Это устройство характеризуется довольно широкой, близкой к линейной, зоной управления. Эффективность преобразования мощности излучателей NECSEL, определяемая как отношение мощности излучения к потребляемой мощности, в настоящее время составляет 5…6%. Ожидается, что при серийном производстве для излучателей мощностью более 4 Вт она возрастет до 10%, что гораздо выше, чем у больших плазменных и ЖК-дисплеев.

Устройства NECSEL работоспособны и в импульсном режиме с частотой повторения около 1 МГц. Это позволяет при высокой импульсной мощности повысить эффективность нелинейного преобразования, обеспечить его работу в широком температурном диапазоне и уменьшить эффективную длину нелинейного кристалла PPLN. Прогнозируемый ресурс растровых излучателей при условии неизменности выходной мощности и длины волны в видимом диапазоне излучения — более 50 тыс. ч. Технология NECSEL обеспечивает также постоянство выходного потока и цветовых координат излучения.

Эксперименты показали, что при использовании водяного охлаждения инфракрасных лазеров Necsel, расположенных на площадке 5×5 мм, растровый излучатель из 225 диодов (15×15) в режиме параллельной непрерывной работы всех излучателей выдает более 80 Вт. При этом температура переходов массива диодов изменялась в пределах не более 3°C. Такие мощные двумерные растровые излучатели высокой мощности могут использоваться для обслуживания очень больших экранов кинозалов и рекламных дисплеев. Яркость таких массивов на шесть порядков больше, чем у ламп накаливания или светодиодов.

Рис. 11. Массив из 24 излучателей (465 нм) шириной 8 мм

Уже достигнуты мощности порядка 4,5 Вт/см² для зеленого и синего цветов. Ожидается, что скоро будет достигнуто значение 9 Вт/см² для одномерного растрового излучателя и около 12 Вт/см² для всех трех цветов у двумерного растрового излучателя с двумя строками (рис. 11). Начальный разброс яркостей излучателей в массиве незначителен и не изменяется в течение всего срока службы. Прогнозируется, что при массовом производстве (около одного миллиона трехцветных модулей) стоимость изготовления излучателя RGB NECSEL при 3 Вт на цвет будет менее 100 долларов США.

Растровые массивы лазерных диодов NECSEL излучают пучки света с круговой поляризацией и слабо расходящимися, почти параллельными лучами. Такой свет может быть с помощью 1/4-волновой пластинки практически без потерь преобразован в свет с заданной линейной поляризацией и эффективно использоваться для подсветки ЖК-телевизоров и дисплеев, причем с упрощением их оптических систем. Действительно, в этом случае отпадает необходимость применения в качестве входной оптики ЖК-панелей линейных поляризаторов, на которых теряется половина света, и дорогостоящих конвертеров PBS (Polarized Beam Splitter — цветоделительная призма), восполняющих эти потери.