ЛЕКЦИЯ 7.

СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА

ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Быструшкин   Константин  Николаевич,   к.т.н.   Окончил

 МИЭМ в 1981 г., к.т.н. с 1991 г., имеет 80 научных трудов (180 печатных работ). Работает в ЗАО «МНИТИ»

Заместителем   Генерального  директора по научной работе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.1. Основные понятия и определения

7.1.1. Современные типы дисплеев

 

Условно все дисплеи можно разделить на 2 большие группы: телевизионные и мультимедийные. Телевизионные дисплеи, как правило, имеют черес­строчную развертку. Мультимедийные дисплеи (в том числе компьютерные мониторы) предназначены, в первую очередь, для отображения компью­терной графики, поэтому они имеют прогрессивную развертку и способны поддерживать большое количество отображаемых форматов видеосигнала.

С появлением дисплеев на плоских панелях это различие нивелирует­ся. Действительно, практически все модели телевизоров на основе таких панелей, помимо отображения видеосигналов, могут использоваться и как высококачественный компьютерный монитор,

По принципу получения изображения различают проекционные дисплеи (Projection type) и дисплеи прямого излучения света (Direct-viewing type).

В свою очередь проекционные дисплеи разделяют на дисплеи прямого излучения (телевизионные и мультимедийные проекторы) и дисплеи с об­ратной проекцией (рир-проекторы). В проекторах первого вида изображе­ние получается на экране отражательного типа, тогда как в дисплеях с об­ратной проекцией изображение проецируется на полупрозрачный матовый экран при помощи наклонного зеркала. В 90-х годах прошлого века были очень популярны CRT (Cathode Relay Tube) проекторы и проекционные телевизоры на основе проекционных кинескопов. В настоящее время они практически полностью вытеснены с рынка проекционными дисплеями, изготовленными на основе пиксельных матриц (Pixel-based rear projection).

 

 

 

Дисплеи прямого излучения (Direct-viewing type) также можно разде­лить на 2 большие группы:

на основе кинескопа (CRT);

плоские телевизионные дисплеи на основе матриц с жестким чис­лом пикселей (Pixel-based displays).

Среди плоских телевизионных дисплеев FPD (Flat Panel Display) наи­большее распространение получили жидкокристаллические (LCD — Liquid Crystal Display) и плазменные (PDP — Plasma Display Panel). Все более ши­рокое распространение в малогабаритной аппаратуре (сотовые телефоны, трЗ плееры и т. д.) получают также органические дисплеи (OLED — Organ­ic Light Emitting Diode). В стадии окончания разработки находятся эмис­сионные FED (Field Emission Display) и SED (Surface Conduction Electron-emitter Display), а также электролюминесцентные EL (Electro Luminescence) дисплеи.

 

7.1.2. Особенности различных типов дисплеев

7.1.2.1. Особенности LCD дисплеев

 

 

LCD (Liquid Crystal Display) — жидкокристаллические дисплеи. Являют­ся светоклапанными устройствами, принцип действия которых основан

 

 

 

К этому типу относятся проекционные телевизоры на основе технологий 3LCD, LCOS, D-ILA, SXRD и DLP.

 

•  У новых LCD панелей 8-го поколения и PDP 6-го и 7-го поколений значения этих параметров существенно лучше.

Full HDTV — поддержка формата 1080i

 

на модуляции проходящего через LCD ячейку светового потока. Измене­ние светопропускания ячеек для предварительно поляризованного света осуществляется изменением плоскости поляризации молекул жидких кри­сталлов под действием управляющего напряжения. Основными элемента­ми LCD дисплея являются: лампа подсветки, пленки поляроидов с обеих сторон ячейки жидких кристаллов, герметизированный стеклопакет с моле­кулами жидких кристаллов и светофильтры первичных цветов для получе­ния цветного изображения на фронтальной поверхности дисплея. К достоинствам LCD дисплеев можно отнести:

•    высокую яркость и натуральную цветопередачу в освещенном по­мещении;

•     относительную простоту изготовления дисплеев с разрешением full HDTV.

К недостаткам LCD дисплеев можно отнести:

•     уменьшение контраста в темном помещении;

•    трудность воспроизведения черных участков изображения;

•     наличие направленности излучения и инерционность жидких кри­сталлов;

относительно высокую цену.

 

 

 

Для устранения этих недостатков производителями жидкокристалли­ческих дисплеев предложено множество технологических усовершенство­ваний, реализованных в 6, 7 и 8 поколениях LCD. Поэтому современные LCD в значительной степени свободны от отмеченных выше недостатков.

 

7.1.2.2. Особенности PDP дисплеев

 

PDP (Plasma Display Panel) — дисплеи прямого излучения. Принцип дей­ствия основан на излучении света люминофорами под воздействием на них ультрафиолетового излучения, возникающего при электрическом разряде в разряженном газе (плазме). Так как минимальный размер плазменной ячейки лимитируется условиями возникновения электрического разряда в плазме, PDP дисплеи с поддержкой full HDTV, как правило, изготавли­ваются с размером экрана 50 дюймов и выше.

По сравнению с LCD плазменные телевизоры обладают рядом важных преимуществ:

•    высокий контраст и натуральная цветопередача в затемненном по­мещении;

•    независимость качества изображения от угла наблюдения;

•    безинерционное воспроизведение быстродвижущихся объектов.

К недостаткам PDP дисплеев можно отнести:

•     уменьшение контраста при ярком освещении;

 •    технологические трудности дальнейшего повышения разрешающей способности;

•    относительно высокое энергопотребление.

Необходимо отметить, что благодаря развитию дисплейных технологий указанные недостатки в значительной степени устранены уже в 6-м поко­лении PDP. Во второй половине 2006 года в продажу поступили PDP уже 7-го поколения, в которых большинство этих недостатков устранено.

 

7.1.2.3.    Особенности CRT дисплеев

7.1.2.4.     

CRT (Cathode Relay Tube) — электровакуумный дисплей прямого излуче­ния. Принцип действия основан на излучении света люминофорами экра­на под воздействием ускоренного потока электронов (электронного луча).

 По сравнению с LCD и PDP кинескопные дисплеи CRT обладают сле­дующими преимуществами:

•    относительно низкая стоимость дисплеев с размером экрана 14"—32";

•    высокий контраст и натуральная цветопередача;

•    независимость качества изображения от угла наблюдения;

•    безинерционное воспроизведение быстродвижущихся объектов.

К недостаткам CRT дисплеев можно отнести:

•    громоздкость конструкции (в новых кинескопах Slim глубина кине­скопов уменьшена на 1/3), большая масса;

•     технологические трудности повышения разрешающей способности свыше 800 строк.

 

7.1.2.4.  Особенности PRTV

 

PRTV (Pixel-based rear-projection TV) — дисплеи светоклапанного типа, в качестве источника светового потока используется мощная галогеновая лампа подсветки. Для получения изображения на экране свето­вой поток лампы модулируется при помощи пиксельных матриц (Pix­el-based rear projection). В проекторах прямого излучения (Transmissive rear projection) 3 LCD матрица установлена на просвет и осуществля­ет модуляцию проходящего через нее светового потока. В проекторах отражательного типа (Reflection rear projection) световой поток лампы подсветки направляется на пиксельную матрицу, которая модулирует интенсивность отраженного от нее светового потока. Для получения изображения на отражательном или просветном экране в проекторах используются объективы.

К достоинствам PRTV можно отнести:

•    цена ниже, чем у LCD и PDP с равным размером экрана;

•    обеспечивают высокое разрешение.

К недостаткам PRTV можно отнести:

•    относительно большая глубина по сравнению с телевизорами на

плоских панелях;

•    малый вертикальный угол обзора;

•    малая контрастность;

•    неадекватная передача градаций серой шкалы.

 

7.1.2.5.  Особенности SED дисплеев

 

SED (Surface-conduction electron-Emitter Display) — дисплеи прямого излучения. Принцип действия аналогичен кинескопу CRT и основан на свечении люминофоров экрана под воздействием на них ускорен­ных электронов. Первый прототип SED с размером экрана 40 дюй­мов был показан Toshiba и Cannon Corp. осенью 2004 года на выставке СЕАТЕС-2004.

К достоинствам SED дисплеев можно отнести:

•    высокие яркость и контраст изображения;

•    широкий угол обзора;

•    отсутствие инерционности;

•    малая потребляемая мощность;

•    прогнозируемая цена ниже, чем у LCD и PDP с равным размером. экрана.

Поэтому SED являются практически идеальным типом дисплея для HDTV.

 

7.1.2.5.    Особенности EL дисплеев

7.1.2.6.     

EL (ElectroLuminescent) — электролюминесцентные дисплеи прямого излу­чения. Принцип действия основан на свойстве ряда органических (OLED, PLED дисплеи) веществ излучать свет под воздействием электрического напряжения.

К достоинствам EL можно отнести:

•    высокий контраст изображения;

•    широкий угол обзора;

•    простота конструкции и технологичность;

•    отсутствие инерционности;

•    малая потребляемая мощность;

•    очень малая толщина дисплея;

•    возможность создания дисплеев на гибкой подложке.

К недостаткам EL можно отнести:

•    небольшая яркость изображения;

•    малое время жизни;

•    на настоящий момент не решены технологические вопросы созда­ния EL дисплеев с большим размером экрана.

Поэтому, несмотря на преимущества и очевидную перспективность EL технологии, до практического использования дисплеев этого типа в HDTV еще очень далеко.

 

7.1.3. Основные характеристики дисплеев

7.1.3.1.  «Световой поток» (luminance)

 

Световой поток характеризует яркость экрана и измеряется в канделах на кв. м (cd/m2). Чем больше световой поток, тем выше яркость изображе­ния.

Однако наличие большого светового потока не является гарантией того, что качество изображения обязательно будет превосходным. Помимо этого хороший дисплей должен также обеспечивать высокий контраст и воспро­изведение широкого диапазона шкалы серого.

Величина светового потока в значительной степени определяется типом используемой дисплейной технологии. Например, LCD телевизоры име­ют высокие значения средней яркости (когда светится 100% поверхности экрана) и превосходят по этому показателю PDP. Однако PDP способны воспроизводить большие значения пиковой яркости (свечение небольшой поверхности экрана). При этом PDP имеют явные преимущества по пере­даче градаций яркости изображения в затемненных помещениях, то есть в типовых условиях просмотра телепередач. Поэтому большинство зрите­лей отдает предпочтения PDP дисплеям как обеспечивающим лучшую мо­дуляцию яркости картинки по сравнению с LCD.

 

7.1.3.2.  «Разрешение» (resolution) и «четкостью» (definition) изображения

 

Разрешение означает способность дисплея воспроизводить тонкую струк­туру (мелкие детали) изображения. Величину разрешения телевизоров и дисплеев определяют при помощи тестовых таблиц (test pattern), которые имеют специальные миры в виде вееров из горизонтально или вертикально расходящихся тонких линий (wedge-shaped lines). За меру разрешения при­нимается максимальное число линий, который дисплей позволяет наблю­дать раздельно. Отметим, что помимо веерных линий тестовые таблицы содержат испытательные изображения серого клина для проверки контра­ста и воспроизведения градаций серого, а также миры для оценки других видов искажений.

Четкость также характеризует способность дисплея воспроизводить мелкие детали изображения. Обычно она выражается в числе пикселей в одном дюйме экрана (пиксель на дюйм). Чем больше пикселей на дюйм, тем выше четкость дисплея. Если два дисплея имеют равное число пиксе­лей, но разные размеры экрана, большая четкость будет у дисплея с мень­шим размером экрана, потому что у него меньше размер ячейки экрана (пикселя). По сравнению с ним картинка на дисплее с большей диагона­лью экрана будет выглядеть более грубой.

 

7.1.3.3.  Количество пикселей изображения

 

В общем случае, большее число пикселей означает более высокую чет­кость. Ведь чем больше на экране пикселей, тем более детальную картинку может воспроизвести этот дисплей. Общее число пикселей определя­ется как произведение количества пикселей по вертикали и горизонтали. При этом каждый пиксель состоит из трех субпикселей первичных цве­тов RGB.

Форматы изображения также описываются в количестве пикселей по диагонали и вертикали. Максимальное качество картинки получает­ся в том случае, когда количество пикселей изображения точно соответ­ствует количеству пикселей экрана дисплея. Если же количество пикселей экрана не совпадает с параметрами формата отображаемого видеосигнала, необходима процедура пересчета (масштабирования) параметров растра сигнала до соответствия физическим характеристикам матрицы экрана. При этом качество полученного изображения будет определяться уже не только количеством пикселей дисплея, но и совершенством алгоритма масштабирования. Поэтому, например, телевизионное изображение с 576 активными строками при прямом воспроизведении на дисплее фирмы Sharp PALoptimal с LCD матрицей размером 540x960 пикселей может быть лучше, чем на экране дисплея full HDTV после не очень удачной проце­дуры масштабирования.

 

7.1.3.4.  «Количество градаций шкалы серого» (number of gray scales) и «количество воспроизводимых цветов» (number of colors represents)

 

Количество градаций серого отражает способность дисплея отображать из­менение яркости изображения. Чем больше у него градаций серого, тем точнее этот дисплей покажет тончайшие оттенки перехода от белых к чер­ным участкам изображения. На практике это проявляется в большей глад­кости и повышенной объемности картинки.

В LCD, PDP и проекционных телевизорах на основе матриц с фик­сированным числом пикселей количество градаций серого определяется размерностью сигнала управления ячейками их экранов. В общем случае справедливо утверждение, что чем больше размерность управляющего сиг­нала, тем больше градаций серого может отобразить этот дисплей.

Аналогично обстоит дело с количеством отображаемых дисплеем цве­тов. Так как каждый пиксель первичных цветов на экране FPD управляет­ся независимо от других пикселей, количество воспроизводимых дисплеем цветовых оттенков также прямо пропорционально разрядности управляю­щего сигнала. Поэтому, чем больше у дисплея шкала серого, тем более количество цветов может воспроизвести этот дисплей.

В современных FPD применяется, как правило, 10—12 разрядное управление ячейками экрана. При этом количество отображаемых диспле­ем цветов будет больше 1 млн.

 

7.1.3.5.  «Цветовоспроизведение» (color reproducibility)

Цветовоспроизведение характеризует возможности дисплея максимально точно отражать цветовую гамму исходного изображения. Цветовоспроизведение описывается областью (диапазоном) воспроизводимых дисплеем цветов на двумерной диаграмме в координатах X-Y (X-Y chromaticity dia­gram).

Чем больше площадь этой области («цветовой локус») на диаграмме, тем лучше цветовоспроизведение дисплея.

Существует три стандарта на параметры цветовоспроизведения теле­визоров:

•    американский — NTSC (National Television Standard Committee);

•    европейский — EBU (European Broadcast Union);

•    МЭК — I EC (International Electro technical Commission).

Эти системы незначительно отличаются координатами вершин цвето­вого локуса. В каталогах и рекламных проспектах производители аппарату­ры обычно описывает цветовоспроизведение своих телевизоров в терминах соответствующих стандартов. К примеру, часто можно встретить упомина­ние о том, что цветовоспроизведение телевизора составляет 80% от стан­дарта NTSC или 90% стандарта EBU.

Новейшие LCD и PDP панели 7-го и 8-го поколений обеспечивают вос­произведение 90—100% от площади локуса NTSC и даже более.

 

7.1.3.6. Энергопотребление

 

Потребляемая HDTV дисплеем электрическая мощность зависит от раз­мера его экрана и типа используемой дисплейной технологии. При прочих равных условиях, чем больше размер экрана, тем больше будет мощность потребления. Кроме того, full HDTV дисплеи (разрешение 1080x1920 пик­селей) потребляют больше мощности, чем 720 HD-compatible (разреше­ние 768x1280 пикселей), которые, в свою очередь, более «прожорливы», чем дисплеи стандартного разрешения SDTV.

Различие в потребляемой мощности разных типов дисплеев объясня­ется отличием их эффективности преобразования электрической энергии в световую. Чем больше эта эффективность, тем меньше потребляемая дис­плеем мощность.

На электропотребление оказывают влияние и способ управления яр­костью ячеек экрана. Например, в PDP панелях максимальное потребле­ние энергии ячейками происходит на ярких участках изображения, тогда как при воспроизведении черных участков плазменные ячейки энергию не расходуют. А вот в LCD телевизорах независимо от яркости изображе­ния потребление электроэнергии практически постоянно, так как лампа подсветки продолжает светиться на полную мощность даже при темном экране.

Если сравнивать между собой дисплеи разных типов с размером экрана 30 дюймов и более, то наиболее экономичными являются проекционные телевизоры, затем идут LCD, и, наконец, самыми «прожорливыми» яв­ляются PDP. Однако по мере развития технологий эти различия все бо­лее нивелируются, и потребление электроэнергии всеми типами дисплеев неуклонно снижается.

 

7.1.3.7. Цифровые видеоинтерфейсы DVI и HDMI

 

Цифровые интерфейсы DVI (Digital Video Interface) и HDMI (High Defi­nition Multimedia Interface) широко используются в новом поколении AV-аппаратуры. Благодаря высокой скорости передачи данных они прекрасно подходят для передачи HD видеосигналов. Оба типа интерфейсов поддер­живают защищенный от копирования режим передачи данных благодаря встроенной системе HDCP (High-Bandwidth Digital Content Protection). Ис­пользование в системе HDCP специального протокола обмена данными между источником сигнала и его получателем по утверждению его раз­работчиков исключает несанкционированный доступ к данным. Наи­большую популярность в современных AV-ресиверах, телевизорах FDP и другой AV-аппаратуре получил интерфейс HDMI, который по одному кабелю позволяет передавать не только цифровые сигналы изображения, но и цифровой звук.

Интерфейс DVI был разработан рабочей группой DDWG (Digital Display Working Group) для передачи видеосигналов от компьютера к LCD монито­ру, поэтому он не предусматривает передачу звуковых сигналов. Интерфейс поддерживает передачу видеоформатов 480, 720 и 1080 как с прогрессив­ным, так и с чересстрочным растром. Существуют две разновидности этого интерфейса:

•    DVI-D, предназначенный для передачи только цифровых видеосиг­налов,

•    DVI-I, в котором помимо цифрового сигнала присутствует аналого­вый видеосигнал RGB.

Отметим, что универсальным интерфейсом DVI-1 обычно оснащаются персональные компьютеры, компьютерные мониторы и LCD телевизоры, а также видеопроекторы. В DVD проигрывателях, как правило, устанавли­вается версия DVI-D.

Цифровой аудиовидеоинтерфейс HDMI стал фактически мировым промышленным стандартом для нового поколения AV-аппаратуры. Обе­спечивает «совместимость вниз» с интерфейсом DVI.

HDMI предназначен для передачи по одному кабелю аналоговых и циф­ровых сигналов изображения и цифрового звука, включая многоканальный звук 5.1. Обеспечивает поддержку компонентных аналоговых видеосигна­лов RGB и Y/Cb/Cr для видеоформатов 480, 720 и 1080 с прогрессивной и чересстрочной разверткой. Цифровые видеосигналы передаются в канале DDC (Display Data Channel).

Цифровой звук передается с помощью импульсно-кодовой модуляции PCM (Pulse Code Modulation) с поддержкой систем многоканального звука Dolby Digital и DTS. В новой версии стандарта HDMI Version 1.1 обеспе­чивается поддержка передачи в цифровом виде 24 битовых сигналов DVD-Audio с частотой дискретизации 192 кГц и числом звуковых каналов до уровня 7.1. Сегодня практическое применение имеет вариант HDMI Type А, в котором максимальная скорость передачи данных составляет 5 Гбит/с, что вполне достаточно для бытового применения. В стадии принятия на­ходится стандарт на вариант интерфейса HDMI Type В, который обеспечит уже двухстороннюю передачу данных со скоростью до 10 Гбит/с. В этом случае будет обеспечена передача сигналов любых HDTV форматов с вы­сочайшим качеством изображения и звука.

 

7.2. CRT (Cathode Ray Tube)

 

В 1996 году кинескоп отметил свою 100-летнюю годовщину. Современный цветной кинескоп — весьма сложный электровакуумный прибор, основ­ные элементы которого условно показаны на рис. 7.3.

Основными элементами современного цветного кинескопа являются:

•    корпус (колба) кинескопа с глубоким вакуумом, при этом поверх­ность экрана является фрагментом сферы большого радиуса;

•    электронная оптическая система с тремя электронными пушками;

•    отклоняющая система (ОС), магнитное поле которой обеспечивает сканирование (развертку растра) лучей по экрану кинескопа;

•     теневая маска, обеспечивающая разделение электронных лучей, что препятствует попаданию электронных лучей на люминофоры «чу­жого» цвета;

•     люминофоры первичных цветов, нанесенные на внутреннюю по­верхность  экрана,  которые  обеспечивают  преобразование  энер­гии электронного луча в световую соответствующего цвета (RGB-триады), количество которых достигает 500 тыс. шт. и более.

 

Современные кинескопы обеспечивают высокие значения светотехни­ческих параметров:

•    яркость свыше 300 кд при токе 0,7—1,2 мА и анодном напряжении 27-31 кВ (2Г-ЗГ);      •    контраст 400:1 (21м—32м);

•    разрешение до 700 элементов по горизонтали в массовых моделях и 1200 и более в моделях HDTV.

Технология изготовления кинескопов в настоящее время находится на очень высоком уровне и интегрирует в себе новейшие достижения науки и техники, а также новые материалы. Для получения высоких значений контрастности изображения в них применено светопоглошающее покры­тие из графита между «зернами» люминофоров, называемое также Black Matrix (черная матрица). Эффективность ее обусловлена высокой степенью поглощения графитом внешней засветки, дополнительно ослабляемой за­темненным стеклом экрана кинескопа. Применение затемненного стекла почти вдвое повышает контраст изображения, так как. собственное из­лучение кинескопа проходит через стекло только один раз и ослабляется меньше, чем внешний свет, проходящий через него дважды (после отра­жения от внутренней поверхности стекла). Для еще большего повышения контраста изображения на экран дополнительно наносится антибликовое покрытие. Кроме того, широко используется нанесение на поверхность экрана (поверх люминофорных триад) цветовых светофильтров. Так как люминофоры первичных цветов излучают свет в достаточно широкой по­лосе цветового спектра, применение светофильтров значительно улучшает чистоту цвета свечения кинескопа и, следовательно, цветопередачу вос­производимого изображения. Кроме того, эти светофильтры значительно ослабляют засветку люминофора внешним светом в «чужих» спектральных полосах, активно поглощая его. Все эти меры значительно повысили кон­траст цветного изображения даже при яркой внешней засветке. С начала 90-х годов цветные кинескопы стали выпускать со сверхплоской поверхно­стью экрана со спрямленными углами (FST — Full Square Tube, FSQ — Flat and Square, Flat, Super Flat, Ultra Flat).

Отметим следующие основные тенденции развития цветных кинеско­пов в мире:

•    уплощение поверхности экрана. Кинескопы нового поколения от­личаются малой кривизной поверхности экрана. С 1997 года начали выпускаться кинескопы FD (Flat Display) с абсолютно плоским ки­нескопом. Первый кинескоп FD Trinitron был разработан фирмой Sony. На сегодняшний день свыше 75% выпускаемых CRT телевизо­ров имеют кинескопы с экраном FD;

•    уменьшение глубины кинескопа за счет применения сверхболь­ших углов отклонения электронного луча в 125 градусов. Благодаря широкому углу отклонения глубина кинескопа, а, следовательно, и корпуса телевизора уменьшилась почти на треть, поэтому кинескопный телевизор Slim по своим габаритам становится вполне со­измеримым с моделями на основе PDP или LCD.

Работы по созданию плоского кинескопа на фирме Samsung начались в 1999 году, а телевизоры SlimFit на его основе появились в продаже в Юж­ной Корее только в 2005 году. Помимо Samsung подобные модели телеви­зоров начали выпускать Philips, Thomson, Sanyo, а также корейская фирма Rolsen. На фоне явно обозначившегося технологического застоя кинескоп-ных моделей в начале XX века появление «компактной» серии SlimFit фир­мы Samsung оказалось настолько значимым событием, что за эти телевизо­ры она была удостоена награды CES Innovation 2005.

Технология разработки и изготовления Slim кинескопов настолько сложна, до недавнего времени многие специалисты считали создание по­добного кинескопа абсолютно невозможным. Вот некоторые из проблем, которые нужно было преодолеть разработчикам компактного кинескопа:

При угле отклонения 125 градусов для компенсации уменьшения чув­ствительности сверх широкоугольной отклоняющей системы (ОС) требует­ся на 56% увеличить мощность устройств развертки по сравнению со ПО градусными моделями телевизоров.

В компактных кинескопах резко возрастают требования к эмиссии электронной пушки, которая должна выдавать повышенный уровень тока. Особенно, в моменты сканирования углов экрана.

Повышенные требования предъявляются к эффективности работы схе­мы динамической фокусировки, так как траектория лучей электронной пушки до центра экрана и его углов в кинескопах Slim различается почти в 2,5 раза.

В сверх широкоугольных кинескопах неизмеримо сложнее, чем в тра­диционных с углом отклонения ПО градусов, обеспечить чистоту цвета и точность сведения лучей.

Появление на рынке CRT телевизоров на кинескопах Slim, без сомне­ния, повысило их конкурентоспособность по сравнению с моделями на плоских телевизионных панелях. Однако с развитием жидкокристалличе­ских дисплеев и снижением цен на них CRT телевизоры будут активно вы­тесняться с рынка. Ряд ведущих фирм-изготовителей объявили о полном прекращении ими выпуска CRT телевизоров (например, Sharp).

 

7.3  LCD (Liquid Crystal Display)

 

Первые LCD (Liquid crystal display) телевизоры с экраном на жидких кри­сталлах (ЖК) были разработаны компанией Sharp еще в 70-е годы про­шлого столетия. Однако они имели очень маленький экран в 3—4 дюйма по диагонали и изображение (вначале черно-белого, а затем — цветного) низкого качества. Сделать LCD дисплей больших размеров, тем более — с высококачественной картинкой, долгое время никому не удавалось ввиду отсутствия необходимой элементной базы и технологических сложностей. Однако время шло, и появление малогабаритных компьютеров «ноутбук» дало мощнейший импульс развитию LCD технологий. Быстро развиваю­щийся компьютерный рынок привел к оправданности огромных инвести­ций в разработку и производство LCD панелей с размером экрана от 10" (ноутбуки) до 14", 15" и 17" (для настольных компьютерных мониторов).

 

 

 

 

 

В свою очередь, начало массового выпуска LCD панелей для компьютер­ных мониторов и ноутбуков создало к 2000 году объективные предпосылки к разработке и LCD телевизоров с большим экраном.

LCD дисплей состоит из двух стеклянных пластин, образующих герме­тично запаянный стеклопакет (рис. 7.4), на боковые поверхности которого нанесены пленочные поляроиды. Причем плоскости поляризации обеих пленок взаимно перпендикулярны, и поэтому в исходном состоянии свет через подобный стеклопакет не проходит. Если теперь между стекол по­местить специальное вещество (жидкость, молекулы которой могут обра­зовывать структуру, подобную кристаллической решетке), изменяющее под действием приложенного к нему напряжения поляризацию проходящего через «жидкий кристалл» света, то изменением угла поворота плоскости поляризации можно влиять на прозрачность LCD ячейки. Или, иными словами, модулировать яркость проходящего через нее света. Если нанести на внутренние поверхности стеклопакета с ЖК управляющие электроды и подсветить его с одной из сторон специальной плоской лампой подсвет­ки, то в принципе получим простейший LCD монитор. В черно-белом ва­рианте. Для того чтобы он стал цветным, нужно нанести на поверхность LCD матрицы 3 вида светофильтров первичных цветов и обеспечить соот-

ветствующее управление прозрачностью находящихся под ними LCD яче­ек сигналами этих цветов.

Важно отметить, что наряду с ростом объемов выпуска LCD каждый год на рынке происходит смена поколений дисплеев. При этом каждое но­вое поколение LCD отличается от предыдущего не только размерами, но и заметно улучшенным качеством изображения.

 

7.3.1. Увеличение размера экрана LCD

 

Стремительное развитие LCD дисплеев сопровождается непрерывным ро­стом размеров диагонали их экрана. Принято считать, что первое поколе­ние жидкокристаллических дисплеев было разработано в 1989 году (хотя миниатюрные черно-белые телевизоры с жидкокристаллическим экраном выпускались рядом японских фирм еще в конце 70-х годов). Второе поко­ление LCD появилось 3 года спустя и отличалось от первого возросшей на 40% площадью подложки. За период с 2000 по 2005 годы на рынке сменили друг друга четвертое, пятое, шестое и седьмое поколения жидких кристал­лов, при этом площадь их стеклянной подложки за это время увеличилась на 700%!

Хотя первые заводы по производству LCD восьмого поколения (ком­пания Sharp) начали работать только в начале 2006 года, специалисты уже обсуждали спецификации панелей девятого поколения. А ведь переход на каждое новое поколение LCD — это многие миллиарды долларов инвести­ций в оборудование и развитие технологий. Чем же вызвана эта технологи­ческая гонка, и ради чего производители идут на такие жертвы?

Причин по большому счету всего две. Одна из них — явно обозначив­шаяся тенденция к увеличению размера диагонали плоских панелей, так как появление DVD и цифрового телевизионного вещания и переход к те­левидению высокой четкости HDTV настоятельно требуют все более вы­сококачественных средств отображения. При этом широко используемые в домашних театрах высокого класса удвоители строк позволяют получить свободное от растровой структуры изображение даже на больших экранах (50" и более) при наблюдении их с расстояния от 2—3 метров.

Основной же причиной быстрой смены поколений LCD является эко­номика. Точнее, конкуренция на рынке плоских панелей, благодаря ко­торой цены на них быстро снижаются. Чтобы в этих условиях сохранить минимальный уровень рентабельности, производители вынуждены до предела снижать себестоимость изготовления. Одним из самых эффектив­ных путей снижения производственных издержек является использование в каждом новом поколении LCD стеклянной подложки все большего раз­мера. Это позволяет добиться реального уменьшения стоимости 1 дюйма диагонали по сравнению с предыдущим минимум на 30%.

Современный технологический процесс производства LCD предусма­тривает изготовление базового блока с размерами листа, определяемыми поколением используемой технологии, а затем, в зависимости от производ­ственной программы завода, этот лист нарезается на готовые панели тре-

 

 

 

буемого размера. При этом в каждом новом поколении требования к техно­логическому оборудованию резко возрастают.

Во-первых, требуются все большие по размеру рабочие камеры для фо­толитографии, нанесения люминофора и пайки микросхем драйверов не­посредственно к проводникам на поверхности стеклянной подложки.

Во-вторых, ужесточаются допуски на все стадии производственного процесса.

Это вызвано тем, что современные стандарты на LCD дисплеи допуска­ют наличие по всей плоскости экрана не более 4—8 «битых» пикселей сре­ди 2 млн (в панелях HDTV количество пикселей может достигать 6 млн), тогда как еще сравнительно недавно вполне допустимым считался уровень дефектных ячеек в 0,5—1% от общего числа пикселей. На практике это означает, что на гигантской заготовке LCD дисплеев седьмого поколения размером в 2 м не может быть больше полусотни бракованных пикселей.

Выполнение столь жестких требований заставляет производителей LCD предельно высокого качества не только самого технологического процесса, но и используемых в производстве комплектующих изделий и материалов. Важнейшей деталью LCD дисплея являются стеклянные листы для его фронтальных и тыловой сторон. Именно от качества стекла, в конечном счете, зависят такие важные характеристики LCD дисплея, как яркость, максимальное разрешение и угол наблюдения изображения.

Эксклюзивные требования к стеклу для дисплеев в первую очередь от­носятся к чистоте обработке его поверхности и допускам на геометриче­ские размеры. Кроме того, стекло для дисплея должно иметь малый коэф­фициент теплового расширения (СТЕ), низкое рассеивание проходящего светового потока и быть химически инертным к воздействию различных веществ, в том числе используемых при технологических операциях на­несения пленочных покрытий, формирования активной матрицы TFT, светофильтров и т. д. Более того, это стекло не должно выделять каких-

либо вещества, которые могли бы «отравить» молекулы жидких кристаллов в процессе многолетней эксплуатации дисплея. Наконец, по мере роста размеров дисплея все большее значение приобретают параметры механи­ческой прочности стекла, поскольку применение излишне толстых листов приведет к недопустимому росту его массы. В то же время недостаточная прочность стекол может стать причиной выхода из строя дисплея в процес­се эксплуатации вследствие механических повреждений его конструкции.

Столь суровые требования производителей дисплеев потребовали пол­ностью переработать технологию изготовления стекол. В отличие от ши­роко применяемого в производстве оконных стекол техпроцесса проката листов между стальными валками, для подложки панелей седьмого по­коления компанией Display Corning Inc. был разработан метод Advantages of Corning fusion process — непрерывного вытягивания стеклянного листа из расплава. Для этого раскаленную стеклянную массу помешают в специ­альную ванну, в нижней части которой находится щель. Протяженность щели совпадает с шириной условного листа технологической панели (на практике немного шире, так как края полученного листа затем обрезают­ся). Высота (зазор) щели калибрована и рассчитана таким образом, чтобы вытягиваемый из нее стеклянный лист имел заданную толщину. Литье осуществляется в свободном пространстве, при этом вытягивание стекла из ванны осуществляется самим стеклянным листом за счет сил поверхност­ного натяжения. Благодаря строгому контролю химического состава сте­клянного расплава, его температуры и вязкости, а также скорости охлаж­дения и отвердевания получаемый в результате стеклянный лист имеет заданные физические и механические параметры, в том числе и требуемую толщину. Так как в процессе литья стекла оно не контактирует с валками и не подвергается никакому механическому воздействию, а также благода­ря специально подобранному режиму его охлаждения в стеклянном листе формируется свободная от дефектов и механических напряжений однород­ная внутренняя структура.

Все эти новации сделали возможным появление на свет совершенно уникальных по своим физическим свойствам стеклянных листов, изго­товленных по описанной выше технологии «Eagle 2000 glass». Сегодня она де-факто стала стандартом для всей индустрии жидкокристаллических дисплеев. В свою очередь, освоение в производстве стекол этого стандарта сделало реальностью начало серийного производства LCD панелей седьмо­го и восьмого поколений.

 

7.3.2. Лампа задней подсветки

 

Успешное решение проблемы производства стекла нужных кондиций, не­смотря на всю важность этого вопроса, являлось далеко не единствен­ной трудностью создания шестого и седьмого поколений LCD дисплеев. Тем более что в себестоимости дисплея на долю собственно самого стекла приходится всего 10%. Зато на лампу подсветки жидкокристаллического видеомодуля отводится чуть не половина всего отпущенного производства дисплея бюджета.

 

 

 

Роль лампы подсветки резко возрастает по мере роста размера диаго­нали экрана. До недавних пор в этом качестве использовались исключи­тельно плоские флуоресцентные лампы с холодным катодом CCFLs (Cold Cathode Fluorescent lamps), однако при размере экрана 40 дюймов и выше изготовить одну гигантскую лампу уже не представляется возможным. Поэтому в больших LCD панелях, как правило, используется две и более ламп. Это, в свою очередь, порождает множество новых проблем, в частно­сти, необходимость обеспечения одинаковой яркости и цветопередачи по всей поверхности LCD дисплея при использовании нескольких различных источников светового потока. Кроме того, применение нескольких ламп CCFLs значительно усложняет и удорожает конструкцию дисплея.

Поэтому началась интенсивная разработка альтернативных флуорес­центным лампам источников подсветки экрана. Наиболее перспективным направлением считается создание плоской светодиодной LED панели. Та­кие панели при своей сверхмалой толщине способны создавать световые потоки огромной интенсивности. С появлением доступных по цене LED панелей подсветки качество изображения LCD дисплеев резко возрастет, особенно в части максимальной яркости изображения.

Ну а пока в серийно выпускаемых дисплеях в подавляющем большин­стве случаев для подсветки экрана по-прежнему используются CCFLs лам­пы. Наиболее известными производителями таких ламп являются следую­щие компании: Harrison Toshiba Lighting Corp., Sanken Electric Corp. Ltd., Stanley Electric Corp. Ltd., West Electric Corp. Ltd и NEC Lighting Ltd.

В 2005 году Sharp Corp. разработала уникальную лампу CCFLs с рас­ширенным спектром излучения в области красного цвета. Традиционные лампы подсветки проектируют так, чтобы их спектры излучения имели три максимума с длинами волн, совпадающими с координатами первич­ных цветов LCD дисплея. Это позволяет улучшить цветопередачу и по­лучить большую яркость за счет уменьшения потерь светового потока в светофильтрах первичных цветов LCD видеомодуля. В новой лампе подсветки Sharp спектр ее излучения в области красного цвета удалось сделать необычайно широким. Он занимает участок спектра от 600 до 700 нм, что дало основание Sharp назвать свою новую CCFLs «лампой подсветки с четырьмя длинами волн» в отличие от стандартных «трех волновых» ламп. Благодаря использованию «четырех длинноволновой» лампы новые LCD телевизоры Sharp LC-65GD1E Aquos поражают необыкновенно реалистичной передачей полутонов и особой глубиной на красных участках изображения.

С началом серийного производства LCD дисплеев HD-Ready одним из ключевых направлений совершенствования ламп подсветки стало расши­рение спектра излучаемого ими светового потока. Потому как цветовой треугольник в HDTV телевидении шире, чем принятый за эталон для стан­дартного телевидения SOTV треугольник NTSC color triangle. И на этом пути есть реальные достижения. Так, в моделях 46" LCD панелей Samsung 2005/2006 годов диапазон воспроизводимых ими цветов составляет уже свыше 105% треугольника NTSC. Компания LG. Philips LCD добилась еще большего успеха: ее 47" Full HD LCD дисплеи воспроизводят 110% эталон­ного цветового треугольника. Эта же компания одной из первых в мире разработала светодиодную LED панель подсветки LCD дисплеев. Помимо высоких светотехнических характеристик эта панель обладает интересным свойством адаптивности к воспроизводимому изображению. Благодаря специальной встроенной системе AFLC (Area-Focused Luminance Control) производится непрерывный анализ сигнала воспроизводимого изображе­ния. В случае преобладания в картинке темных или светлых участков осу­ществляется коррекция режима работы LED панели подсветки для наи­лучшей проработки полутонов в этих участках изображения.

 

7.3.3. Направленность светового излучения

 

Одним из главных недостатков технологии LCD долгие годы являлся срав­нительно узкий угол наблюдения изображения, который в первых поко­лениях этих дисплеев составлял всего лишь 130 градусов по горизонтали и примерно 125 градусов по вертикали. До недавнего времени с этим де­фектом ничего нельзя было поделать, так как для изменения поляриза­ции жидких кристаллов использовался режим twisted-nematic mode (TN). В этом режиме под воздействием управляющего напряжения длинные мо­лекулы жидких кристаллов закручивались в спираль, изменяя при этом поляризацию проходящего через них света. Недостатком метода была зна­чительная анизотропия его поляризации в зависимости от направления распространения светового луча в слое закрученных жидких кристаллов. Это означает, что нормальное изображение на экране TN дисплея можно наблюдать только при фронтальном расположении зрителей. Выход из по­ложения был найден в переходе в 2004—2005 годах на новые прогрессивные методы управления «кристаллами»: IPS (In-Plane Switching) и VA (Vertical Alignment).

Режим IPS характерен тем, что молекулы жидких кристаллов всег­да ориентированы вдоль поверхности стеклянной подложки. При подаче управляющего напряжения они начинают вращаться в плоскости, парал­лельной стеклу, при этом вместе с ними вращается и плоскость поляри­зации проходящего через них светового потока. За счет отказа от скру­чивания и использования упорядоченного расположения молекул удалось значительно уменьшить анизотропию поляризации проходящего светового луча по сравнению со старыми дисплеями «спирального» типа. Как следствие — значительное расширение угла наблюдения изображения до 170 градусов. Этот метод широко используется в LCD дисплеях, начиная с пя­того и шестого поколений, чем в значительной степени и объясняется со­вершенный ими прорыв в качестве изображения. Именно с этого момента LCD панели по углам зрения стали вполне сравнимы с PDP.

В другом, еще более эффективном методе VA, используются два рабо­чих состояния жидких кристаллов: в режиме запирания ячейки (темный экран) молекулы располагаются зертикально, при подаче управляющего напряжения они ориентируются в горизонтальной плоскости — режим прохождения света (светлые участки изображения). Модуляция интенсив­ности проходящего через LCD ячейки светового потока осуществляется за счет разницы в поляризации света молекулами жидких кристаллов при их вертикальной и горизонтальной ориентации. В дисплеях с VA методом управления удалось достигнуть поистине рекордных для жидкокристалли­ческих экранов значений углов обзора картинки в 175—178 градуса.

Помимо применения новых методов управления ячейками для еще большего снижения направленности излучения многие производители используют дополнительные покрытия экрана в виде тонких пленок для оптической компенсации изменения яркости излучения (optical compen­sated bend — ОСВ). Их оптические характеристики подобраны таким об­разом, что компенсируют анизотропию жидкокристаллических ячеек.

Благодаря новым методам управления жидкими кристаллами в сочета­нии с пленочными покрытиями экрана в новых поколениях LCD (начиная с шестого) проблемы угла обзора больше не существует.

 

7.3.4. Уменьшение времени отклика LCD ячеек

В старых моделях первого и второго поколения оно достигало 40—60 мс, что приводило к появлению на экране шлейфов и смазыванию изобра­жения движущихся предметов. Основной причиной этого была повышен­ная инерционность переключения жидких кристаллов из «выключенного» (то есть не пропускающего свет) положения в фазу «включение». Однако по мере совершенствования технологий, в 2002—2003 годах время пере­ключения достигло 25 мс и менее. Помимо разработки «быстрых» LCD кристаллов этого удалось добиться также путем применения различных схемотехнических методов управления работой LCD ячейки. Например, при помощи предложенной Matsubishi Electric Corp. технологии FFD — Feed forward driving. Однако вскоре выяснилось, что механизм смазыва­ния изображения оказался гораздо тоньше, и одно только повышение бы­стродействия переключения ячеек до конца эту проблему не решает. Дело в том, что в отличие от кинескопов и PDP панелей, чьи люминофоры рабо­тают в динамическом (импульсном) режиме, вспыхивая под воздействием электронного луча или разряда в плазме на очень короткое время, LCD дисплеи работают в статическом режиме. То есть схема «развертки» фор­мирует на ячейках LCD матрицы изображение сразу всего кадра, которое обновляется каждые 40 мс (при частоте полей 50 Гц). А все это время глаз видит одно неподвижное изображение, как у кинопленки. Однако разница

между киноэкраном и LCD в том, что на время смены кадра окно кино­проектора перекрывается специальной заслонкой (обтюратором), поэтому глаз воспринимает смену кадров как череду последовательных вспышек, пусть даже и статических изображений. В LCD мониторах первых поколе­ний один кадр плавно «перетекал» в другой, что было очень хорошо видно на экранах ноутбуков и компьютерных мониторов прежних лет выпуска. Вот это «перетекание» и обуславливает неизбежное смазывание изображе­ния, так как глаз человека успевает фиксировать смену кадров. Для борьбы с этим явлением фирмы-изготовители предложили два принципиально от­личающихся друг от друга решения. Первый из них называется «псевдо­импульсный метод управления» (pseudo impulse method) и предполагает периодическое затемнение экрана во время воспроизведения статического кадра. В результате глаз человека наблюдает импульсно вспыхивающую и погасающую картинку. Того же результата можно добиться и путем мо­дуляции свечения лампы подсветки экрана. Этот метод, разработанный инженерами Hitachi Ltd., имитирует работу обтюратора кинопроектора, выключая лампу на время смены кадров на экране LCD матрицы. Наи­лучшие результаты обеспечивает совместное использование обоих мето­дов, предложенное той же Hitachi Ltd. Этот метод называется «super im­pulse method» и широко используется конструкторами телевизионных LCD экранов других фирм-изготовителей.

Самым радикальным способом уменьшения времени отклика (пере­ключения) LCD дисплеев стало использование новых методов IPS и VA управления ЖК ячейками. Отказ от «закрученных» спиралей молекул жидких кристаллов позволил радикально уменьшить время переключения LCD ячеек до 4 мс и меньше.

 

7.3.5. Совершенствование других элементов LCD дисплеев

При переходе на каждое новое поколение усовершенствованиям подверга­ются буквально все звенья производственного процесса. В том числе:

улучшается технология нанесения различных пленочных покры­тий, в том числе антибликовых;

•     используются более эффективные поляроиды; разрабатываются новые светофильтры первичных цветов; внедряются усовершенствованные технологии нанесения на стекло активной TFT матрицы;

•     осуществляется непосредственный монтаж драйверных микросхем на поверхность стеклянной подложки и т. д.

Совокупность всех этих факторов и обеспечивает тот впечатляющий прогресс в росте качества изображения, который мы наблюдаем в каждом новом поколении LCD дисплеев.

7.2.                PDP {Plasma Display Panel) — седьмое поколение

7.3.                 

Исследования плазменных дисплеев проводились в США еще четыре де­сятилетия назад, в 60-х годах. Технология была разработана четырьмя учеными: Битцером (Bitzer), OioTToy(Slottow), Вилсоном (Willson) и Аророй (Агога). Первый прототип дисплея появился довольно быстро, в 1964 году. Матрица, революционная для свого времени, имела размер 4x4 пикселя, которые излучали монохромный голубой цвет. Затем, в 1967 году, размер матрицы был увеличен до 16x16 пикселей, на этот раз она излучала моно­хромный темно-красный цвет (с помощью неона). Вполне естественно, что эта технология заинтересовала производителей, и в 1970 году к работе при­соединились такие компании, как IBM, NEC, Fujitsu и Matsushita. Принцип действия плазменной панели основан на свечении специальных люмино­форов при воздействии на них ультрафиолетового излучения. В свою оче­редь, это излучение возникает при электрическом разряде в среде сильно разреженного газа. При таком разряде между электродами с управляющим напряжением образуется проводящий «шнур», состоящий из ионизирован­ных молекул газа (плазмы). Поэтому-то газоразрядные панели, работаю­щие на этом принципе, и получили название «газоразрядных» или, что то же самое, — «плазменных» панелей.

Подавая управляющие сигналы на вертикальные и горизонтальные проводники, нанесенные на внутренние поверхности стекол панели, схема управления PDP осуществляет соответственно «строчную» и «кадровую» развертку растра телевизионного изображения. При этом яркость каждо­го элемента изображения определяется временем свечения соответствую­щей ячейки плазменной панели: самые яркие элементы «горят» постоянно, а в наиболее темных местах они вовсе не «поджигаются». Светлые участки изображения на PDP светятся ровным светом, и поэтому изображение аб­солютно не мерцает, чем выгодно отличается от картинки на экране тра­диционных кинескопов.

На фоне убедительного прогресса LCD, достижения «плазмострои-телей» на первый взгляд выглядят не столь впечатляюще. Однако это не так, что наглядно видно при знакомстве с модельными рядами PDP сезо­на 2006/2007 годов. Тенденции в этом сегменте рынка, как и прежде, во многом определяют японцы. Тем более, что для разработки плазменных панелей 7 поколения в 2003 году был образован альянс японских про­изводителей «плазмы» APDC (Advanced PDP Development Corporation). В этот альянс входят Pioneer, Matsushita (Panasonic), Hitachi и Fujitsu. Со­гласно рекомендациям APDC, основными направлениями улучшения PDP в 2005/2006 годах были определены:

•    совершенствование структуры панели (уменьшение толщины сте­нок между ячейками);

•    применение более эффективных люминофоров; оптимизация состава газовой смеси; •    •    улучшение схем управления ячейками PDP;

•    новые алгоритмы цифровой предобработки видеосигнала для улуч­шения качества изображения.

Конечной целью всех этих ухищрений является создание плазменных дисплеев, удовлетворяющих требованиям спецификации Full HDTV.

Перед APDC была поставлена амбициозная задача: в кратчайшие сро­ки разработать «сверхновые» PDP столь высокого технологического уров-

ня, который обеспечит им безоговорочное преимущество перед другими типами дисплеев (в первую очередь, LCD). В случае успеха этого плана японские фирмы из альянса APDC смогут вернуть себе былые рыночные позиции, которые у них медленно, но верно отвоевывают конкурирующие производители LCD и PDP дисплеев.

К PDP панелям 7-го поколения с самого начала были выдвинуты очень жесткие требования:

•    новая «плазма» должна быть на голову выше прогнозируемого на ближайшие 2 года уровня LCD панелей и превосходить их по всем объективным характеристикам и субъективному качеству изобра­жения

• и при этом продаваться по конкурентоспособной цене.

На деле это означало, что новые PDP, как минимум, будут поддержи­вать полное HDTV разрешение 1920x1080 как с чересстрочным (1080i), так и с прогрессивным (1080р) растром. При этом встроенные в PDP мощные цифровые процессоры должны «на лету» осуществлять преобразование па­раметров растра входного сигнала от любых источников как HDTV, так и SDTV (Standart Definition TV) в совместимый с матрицей экрана сигнал изображения без малейших артефактов и для статических и для динами­ческих картинок. Яркость и контрастность новых PDP должны быть, по крайней мере, в 1,5—2 раза выше, чем у конкурирующих LCD. И, что самое удивительное, новая «плазма» при этом должна иметь меньшее энергопо­требление, чем панель на жидких кристаллах с равным размером экрана. Как известно, большое энергопотребление PDP являлось одним из главных недостатков «плазмы», которая по этому параметру не менее чем в 2 раза проигрывала LCD. И вот теперь должен произойти настоящий техно­логический прорыв, так как 7-е поколение PDP будет иметь чуть ли не в 3 раза (!) пониженное электропотребление. Наконец, новые PDP должны превосходить LCD даже следующего поколения по естественности пере­дачи градаций яркости и натуральности цветопередачи при работе в поме­щениях как с низкой, так и высокой освещенностью. До сих пор «плазма» выигрывала у «кристаллов» в темном помещении, но уступала при работе в условиях яркого освещения.

Напомним, что эти особенности PDP и LCD дисплеев определяются особенностями их технологий.

Дело в том, что любая жидкокристаллическая панель имеет лампу-подсветку, световой поток от которой модулируется по яркости ячейками LCD матрицы. При ярком освещении такие дисплеи работают превосход­но, так как современные лампы подсветки создают огромный световой по­ток. А вот в темном помещении козыри будут уже на стороне «плазмы», так как до сих пор никому еще не удалось создать LCD матрицу, полностью перекрывающую подсветку при воспроизведении темных сцен. Для теле­визоров, которые смотрят при обычном дневном свете, это свойство «кри­сталлов» на качестве изображения практически не сказывается, тем более что при большой освещенности LCD картинка имеет лучший контраст, чем PDP. Что и объясняет широкую популярность жидкокристаллических телевизоров. Другое дело — домашний театр! Как правило, киносеансы в домашнем кинозале проходят при затемненном освещении, а вот в этих условиях недостатки LCD технологий становятся уже заметными.

Наибольшие трудности, как и ожидалось, возникли на пути создания PDP с полной спецификацией Full HDTV. Дело в том, что характерной особенностью PDP технологии является резкое снижение эффективности светового потока при уменьшении размера ячеек, в которых происходит плазменный разряд. К сожалению, физику не обманешь: для получения интенсивного ультрафиолетового излучения, которое в свою очередь вы­зывает свечение люминофоров экрана PDP, для нормального протекания процесса электрического пробоя необходимо иметь вполне определенный объем «газовой камеры». Поэтому плазменные дисплеи имеют техноло­гические ограничения на минимальный размер экрана, нижняя грани­ца которого для PDP с разрешением 480—720 активных строк находится в диапазоне 36" дюймов. Сделать полноценный плазменный дисплей тако­го разрешения с меньшей диагональю очень трудно, так как размер ячеек экрана становится меньше критического.

Ситуация еще более усложняется при переходе от формата HD ready с 720 активными строками к формату Full HDTV, для которого требует­ся минимум 1080 строк. В этом случае при равной диагонали экрана от­носительный размер ячеек плазменного дисплея Full HDTV должен быть в 1,5 раза меньше, чем у HD ready. Расчеты показывают, что при количе­стве пикселей экрана 2 млн шт. (1980x1080) для экрана 50" линейный раз­мер каждой газоразрядной ячейки должен быть не более 0,3 мм. Поэтому специалисты приняли за аксиому следующие утверждения:

•       сделать «плазму» Full HDTV с большой диагональю экрана в 60" и 50" в принципе можно, хоть и очень трудно;

•     для типоразмера 42" и меньше создание моделей PDP высокого раз­решения является совершенно безнадежным делом. (Заметим, что для LCD дисплеев подобных жестких ограничений на размеры яче­ек нет. Поэтому даже 17—19" LCD мониторы с разрешением в 1080 строк и более, не являются редкостью.)

Однако наука и техника воистину способны творить любые чудеса, и то, что вчера казалось несбыточной мечтой, сегодня становится реальностью. В области плазменных технологий подобное чудо удалось сотворить ком­пании Fujitsu Hitachi Plasma Display Ltd. (совместное предприятие Fujitsu и Hitachi): в декабре 2005 года она продемонстрировала вполне работаю­щий 42" PDP телевизор Full HDTV, выполненный по технологии e-ALiS (Extended ALiS). Главной ее особеностью стал новый способ изготовления микрорельефа экрана, в результате чего удалось уменьшить в 2 раза (!) тол­щину разделительных ребер между ячейками, в которых происходит раз­ряд плазмы. Это позволило, во-первых, увеличить число ячеек на экране (читай — количество пикселей) без изменения объема ячеек, а во-вторых, увеличить суммарный объем люминофора в ячейках. В сочетании с но­вой схемой высокоскоростного управления разрядом в плазменных ячейках впервые удалось создать 42" PDP панель Full HDTV с яркостью свечения экрана 1000 кд/мI. Что, бесспорно, является огромным успехом японских инженеров.

Среди множества больших и малых технологических усовершенство­ваний технологии PDP компании Samsung SDI (дисплейное отделение южнокорейского гиганта) отметим разработку нового типа цветных свето­фильтров, наносимых непосредственно на фронтальное стекло панели. По­добная технология применяется большинством производителей «плазмы», так как, в отличие от наклеиваемых на стекло пленочных светофильтров, не создает отражений и рассеивания света на границе «светофильтр-клей-стекло». А это позволяет значительно поднять контраст изображения PDP при ярком освещении, что является одним из генеральных направлений совершенствования «плазмы» в борьбе с LCD. Помимо уменьшения пере­отражений нанесенный на стекло «правильный» светофильтр интенсив­но поглотает падающий на панель внешний свет, что приводит к даль­нейшему улучшению контраста. У Samsung технология нанесения таких «светопоглощаюших» светофильтров получила название АРС technology (Advanced-complementary Panel color Coating).

Другой характерной особенностью модельного ряда PDP Samsung 2006 года является использование 13-разрядной обработки цифрового видеосигнала в схеме видеопроцессора. 13-битовая технология обработ­ки видеосигнала позволяет значительно улучшить передачу градаций се­рого, в результате чего количество воспроизводимых цветовых оттенков возрастает до 550 млн! Что означает 100% соответствие требований стан­дарта NTSC по цветопередаче. В результате получаем более глубокие, на­сыщенные и натуральные цвета, а также объемную картинку на экране. Три ключевые новинки: новые светофильтры, АРС и 13-битовая обработ­ка видеосигнала являются главными особенностями PDP Samsung сезона 2006 года.

Matsushita (Panasonic) в новом поколении «плазмы» основной упор сде­лала на применение более эффективных алгоритмов управления разря­дом в плазменной ячейке, новых светофильтров для повышения контраста, а также оптимизации газовой смеси в ячейках PDP. Matsushita интенсивно работает и над созданием панелей Full HDTV. И добилась очень значитель­ных успехов в этом направлении.

 

7.5. PRTV (Pixel-based rear-projection TV)

 

Современные проекционные телевизоры по принципу их действия можно разделить на две большие группы: с фронтальной проекцией (Transmissive rear projection) и с обратной рир-проекцией (Reflective rear-projection). В свою очередь, по типу источника светового излучения они делятся на модели с проекционными кинескопами CRT и проекторы на основе ма­триц с жестко заданным числом пикселей (Pixel-based rear projection). Да­лее, проекторы обоих типов могут быть с фронтальной или обратной про­екцией. Модели с фронтальной проекцией могут обеспечивать развертку изображения на экраны больших размеров (100" и более), но имеют огра­ниченную яркость и сложны в развертывании и настройке (в частности, может потребоваться проведение дополнительных операций по сведению на экране изображений растров первичных цветов). Для того чтобы увеличить яркость изображения, используются специальные экраны с направ­ленным отражением света. При этом происходит концентрация (усиление) свечения экрана при его наблюдении с определенного направления, одна­ко расплатой за это является ограничение угла оптимального просмотра изображения. В настоящее время достаточно широко распространены LCD и DLP проекторы фронтального типа, которые являются одним из самых распространенных и популярных типов офисного оборудования. Они ста­ли незаменимы при проведении конференций и презентаций, так как легко стыкуются с персональными компьютерами (в том числе и ноутбуками) и обеспечивают высококачественное отображение компьютерной инфор­мации на экранах размером 1—2 метра. Фронтальные проекторы кине-скопного типа CRT занимают достаточно узкую нишу фронтальных про­екторов с особо высоким качеством изображения, в частности, в системах «домашнего театра» высокого класса.

Гораздо более широко распространены сегодня проекционные телеви­зоры и дисплеи с обратной проекцией, так как они обладают хорошим качеством изображения и вполне достаточной яркостью при относительно компактных размерах и весе по сравнению с аналогичными по размеру кинескопными телевизорами и дисплеями.

Для обеспечения высокой четкости изображения на экране телевизора и уменьшения фокусного расстояния проекционного объектива использу­ется специальная асферическая оптика в объективе. Для удешевления про­екторов сегодня повсеместно применяются пластмассовые линзы и лишь в дорогих моделях — стеклянные. Для уменьшения размеров корпуса про­ектора используется система отражательных зеркал. Отраженные от зерка­ла световые лучи проецируются на экран проектора, на котором и воспро­изводится телевизионное изображение. Конструкция экрана представляет собой достаточно сложную конструкцию, состоящую из двух и даже более слоев. Поверхность внутреннего слоя представляет собой линзу Френеля, собирающую проходящий световой поток и направляющую его вдоль оси экрана. Наружный же слой имеет специальный профиль в виде множества тонких вертикальных линзочек, промежутки между которыми чернятся аналогично экранам кинескопов. Создание просветного экрана для проек­ционного телевизора представляет собой сложную задачу. Необходимо при приемлемой прозрачности добиться возможно более широкого угла про­смотра и при этом снизить эффект «горячего пятна» — засветки централь­ной части изображения. Некоторые фирмы, например, Sony, используют дополнительный наружный прозрачный защитный слой.

В качестве источника света в современных проекционных телевизорах используются мощные ксеноновые и галогенные лампы с электрической спиралью малого размера (short-arc). Такие лампы излучают свет в широ­ком диапазоне светового спектра и являются почти точечным источником света. Наилучшими с точки зрения натуральности воспроизводимых цве­тов и длительности срока службы считаются ксеноновые лампы.

Для формирования изображения на экране проекционного телевизо­ра в качестве светоклапанного устройства используются LCD матрицы. В проекторах и проекционных телевизорах отражательного типа в качестве элементов модуляции отраженного от матрицы светового потока использу­ют LCD матрицы типа LCOS (Liquid Crystal On Silicon), D-1LA (Direct drive image Light Amplifier) и DLP (Digital Light Processing) на основе микрозер­кальной технологии DMD.

По типу формирования светового потока трех основных цветов LCD проекционные телевизоры можно разделить на две большие группы: про­екторы с одной тройной LCD панелью (single-panel) и проекторы с тремя простыми LCD панелями (three-panels). В проекторах первого типа в каче­стве управляющего световым потоком элемента используется одна цветная просветная LCD панель с тремя типами цветовых ячеек RGB. Принцип работы такого проектора весьма прост. Световой поток от источника света (ксеноновая или галогенная лампа) попадает на поверхность цветной LCD панели — модулятора света, которая имеет рельеф в виде сферических микролинзочек. Проходя через RGB фильтры и соответствующие ячейки LCD панели, световые лучи первичных цветов модулируются по яркости и через линзу-Френеля, и объектив оптической системы проецируются на экран.

Значительно более эффективно используется световой поток в от­ражательных LCD панелях — LCOS. К преимуществам таких телевизо­ров, кроме этого, относятся высокое разрешение, большая контрастность и хорошее воспроизведение шкалы серого. Однако их конструкция очень сложна и требует использования специальных компонентов. Это значи­тельно повышает цену ПТВ с LCOS панелями по сравнению с моделями, использующими другие технологии. Для уменьшения цены JVC, которая называет свои просветные LCD панели D-ILA, разработала конструкцию с использованием дихроичных зеркал и призм. На рис. 7.5 представлена схема трехматричного LCOS проектора.

Матрица JVC имеет размер 0,8" и обеспечивает полное соответствие требованиям HDTV — 1920x1080 пикселей. Кроме того, благодаря исполь­зованию LCOS панели обеспечивается относительно большой угол верти­кального обзора. Американская компания Intel выпускает LCOS панели

с разрешением 1280x720 и 1920x1080 пикселей. Компания Sony в начале 2003 года сообщила о разработке своей LCOS панели, которую разработчи­ки назвали SXRD. У этой панели высокая разрешение, большая контраст­ность и время отклика всего 5 мс. Компания намерена использовать эту панель в проекционных телевизорах и видеопроекторах. Производит LCOS матрицы с разрешением HDTV также японская компания Hitachi.

И, наконец, технология DLP. Для управления яркостью светового потока в этом типе дисплеев используется микрозеркальная матрица DMD, един­ственным производителем которой является Texas Instruments. Этот тип проекционных телевизоров имеет высокую контрастность, отлично вос­производит изображения с большой динамикой, хорошо передает серую шкалу и имеет большой срок службы.

Существует два типа DLP проекторов: одно и трех матричные. В трех матричных DLP проекторах для получения цветного изображения исполь­зуются 3 отдельные DMD матрицы для первичных цветов RGB. Световой поток лампы подсветки при помощи светофильтров разделяется на 3 по­тока, каждый из которых освещает «свою» DMD матрицу. После этого световые потоки RGB объединяются при помощи призмы или дихроичных зеркал в общий световой поток, который проектируется объективом на просветный или отражательный экран. Достоинством трех матричных DLP проекторов является очень высокое качество изображения, недостат­ком — конструктивная сложность и высокая цена.

Значительно дешевле одно матричные DLP проекторы, в которых для модуляции светового потока используется всего одна DMD матрица. Для получения цветного изображения в проекторах этого типа использу­ется специальное секторное колесо с цветными светофильтрами, помещае­мое между DMD матрицей и объективом. При этом растры первичных цве­тов на экране воспроизводятся последовательно, а зрительное восприятие цветного изображения обеспечивается за счет их временного усреднения мозгом зрителя. Последовательный метод передачи цветов в одноматричных DLP проекторах по сравнению с трех матричными приводит к появ­лению следующих недостатков:

•    снижению яркости изображения за счет потерь светового потока в светофильтрах;

•    повышенной утомляемости зрителей;

•    возможности появления специфического артефакта на изображе­нии — цветовой радуги, вызванного особенностями зрительного восприятия при последовательном воспроизведении цветов. В то же время неоспоримым преимуществом одно матричных DLP про­екторов является их простота и низкая цена.

 

7.6. FED (Field Emission Display)

 

В ближайшие время ожидается появление, как минимум, двух новых ти­пов плоских телевизионных панелей с большими экранами, принцип дей­ствия которых радикально отличается от привычных PDP и LCD дисплеев. Одним из них будут люминесцентные дисплеи с «холодной эмиссий» SED(Surface-conduction electron Emission Display). Второй новинкой, способной взорвать рынок плоских телевизионных панелей, может стать новая генера­ция органических OLED (Organic Light Emitting Diode) дисплеев.

Наибольших успехов в создании дисплеев с большим экраном на на­чало 2006 года добились разработчики эмиссионных дисплеев FED. Если говорить предельно упрощенно, то дисплеи этого типа представляют собой высшую форму развития обычных вакуумных кинескопов CRT, посколь­ку оба вида дисплеев являются приборами прямого излучения светового потока. И в том, и в другом случае свет излучают люминофоры, которые возбуждаются (активируются) при помощи падающего на них пучка уско­ренных электронов, излучаемых катодом. Разница состоит в том, что если в кинескопе для создания электронного пучка (луча) используется один катод (или 3, в случае цветного кинескопа), то в SED дисплеях у каждого пикселя экрана имеется свой индивидуальный катод, который управляет свечением одного единственного пикселя! Поэтому в SED дисплеях отсут­ствует всем привычная отклоняющая система, благодаря чему их можно сделать чрезвычайно компактными. В принципе, их толщина может со­ставить всего несколько сантиметров. Таким образом, SED дисплей, с не­которыми оговорками, представляет собой как бы совокупность несколь­ких сотен тысяч миниатюрных кинескопов, объединенных в одну общую конструкцию.

Конструктивно люминесцентный FED видео модуль представляет со­бой две стеклянные пластины, объединенные в один общий герметичный пакет. На одной из внутренних сторон пакета нанесены люминофоры (флу­оресцентное покрытие) первичных цветов. Напротив них на внутренней стороне стеклопакета расположены эмиттеры электронов, представляющие собой ультратонкий слой из множества микроскопических остроконечных пирамидок с диаметром острия несколько нанометров. Воздух внутри па­кета откачан до глубокого вакуума. Если к игольчатому слою из микро пирамидок и экраном подать достаточно высокое напряжение, то напря­женность электрического поля на кончиках пирамидок достигнет величи­ны, достаточной для начала эмиссии электронов из их тела благодаря тун­нельному эффекту. При превышении разности потенциалов между катодом (игольчатый слой пирамидок) и анодом (прозрачное токопроводящее по­крытие под слоем люминофоров) 10 кВ вылетевшие из катодов-пирамидок электроны ускорятся и полетят в сторону экрана. Попадая на люминофор, электроны отдают ему свою энергию и вызывают свечение экрана. По­сле этого для формирования изображения на экране SED дисплея нужно только организовать индивидуальное управление напряжением каждого из катодов-пирамидок при помощи матрицы электродов. Примерно так, как это реализовано в плазменных панелях с использованием драйверов сток и столбцов.

Самой сложной проблемой создания FED дисплеев является изготовле­ние микрокатодов, способных эмитировать большое количество электро­нов. Эта задача решается либо путем использования специального типа углеродного катода со сверхмалой энергией выхода электронов (так назы­ваемые «карбоновые нанотрубки» (carbon nanotubes)), либо за счет при-дания катодам формы остроконечной пирамиды (spindt-style cathodes), на острие которой происходит концентрация энергии приложенного к катоду электростатического поля. Кстати, подобный принцип положен в основу работы громоотвода, ведь он «притягивает» молнии также вследствие кон­центрации на его острие электростатических полей. Как видим, принцип действия эмиссионных дисплеев очень прост, однако для того чтобы реа­лизовать его на практике, потребовалось решить множество сложнейших научных, инженерных и технологических задач. Тем более что FED ди­сплей содержит не три (как в обычном цветном кинескопе CRT), а многие сотни тысяч катодов (!), так как для каждого пикселя изображения в эмис­сионных дисплеях требуется свой индивидуальный катод.

Долгие годы создать идеально ровные по величине катоды-пирамидки на сколько-нибудь значительной поверхности подложки никому не удавалось. Работали в этом направлении и российские ученые, в частности, из НИИ «Волга» (г. Саратов). Так, еще в 2000 году группа специалистов под руко­водством Бориса Исааковича Горфинкеля получила патент на способ фор­мирования структуры микрокатодов для FED дисплеев на основе тонких пленок алмазоподобного углерода. В основе запатентованного саратовцами ноу-хау является применение для формирования микрорельефа катодов тех­нологии напыления и осаждения тонких углеродных пленок с последующей фотолитографией по этим пленкам. В результате удалось получить практи­чески идеальную кристаллическую структуру графитовых микрокатодов-пирамидок и повторяемость результатов. При этом, что очень важно, обеспе­чивается долговечность работы сформированных таким методом «алмазных» катодов, тогда как известные до этого микрокатоды на основе углеродных нанотрубок или микроскопических игл из молибдена работали буквально считанные часы. Для проверки теоретических изысканий в НИИ «Волга» в 2002 году были изготовлены фрагменты цветного FED дисплея с матрицей 64x64 пикселя, которые оказались вполне работоспособными. Изысканиями наших ученых активно заинтересовались за границей. В частности, к ним проявили живой интерес фирмы Samsung и Futaba Corporation (Япония), ко­торые даже частично профинансировали проведение исследований. На этой стадии разработки возникло ощущение, до внедрения в производство отече­ственного FED дисплея уже рукой подать. Однако дело застопорилось на фазе лабораторных образцов и макетов, так как не удалось собрать необходи­мого для запуска серийного производства дисплеев пакета инвестиций, ко­торый, по минимальным оценкам, должен быть в размере нескольких сотен тысяч долларов. Добавим, что помимо эмиссионных дисплеев с холодным катодом (FED) в НИИ «Волга» разрабатываются дисплеи и с термокатодом. Эти дисплеи устроены почти как FED, только для эмиссии электронов в них используются катоды, имеющие вид туго натянутых проволочек, подогревае­мых при помощи протекающего через них тока накала. В настоящее время разработаны несколько моделей дисплеев этого типа с размером экрана около 20 см и даже изготовлены их опытные образцы, что внушает осторожный оптимизм и законную гордость за отечественных разработчиков.

За рубежом наиболее активно разработкой FED дисплеев занимаются японские фирмы. Лидером среди них является компания Canon, которая

потратила огромные средства и 20 лет интенсивных исследований, прежде чем ее технологи научились получать повторяемые результаты.

В 1999 году к Canon присоединилась Toshiba, и обе фирмы подписали соглашение (agreement) о проведении совместной разработки SED диспле­ев. Одной из целей «люминесцентного союза» было амбициозное желание сделать технологию SED де-факто стандартом для плоских панелей следу­ющего поколения. Согласно этому соглашению, Canon взяла на себя разра­ботку технологии создания эмиссионного слоя с микро катодами и флуо­ресцентного экрана, в свою очередь Toshiba обязалась отработать создание стеклопакета SED дисплея, нанесение управляющих катодами электродов на базе технологий массовых LCD, а также разработку комплекта специа­лизированных управляющих СБИС.

После решения принципиальных проблем, в том числе выбора мате­риала для изготовления катодов-пирамидок, на повестку дня встал вопрос о создании простой и недорогой технологии формирования эмитирующего электроны слоя. И эта задача была с блеском решена: специалисты Canon предложили использовать для создания эмитирующего слоя метод печати с использованием головок от струйных принтеров. Это остроумное реше­ние оказалось очень важным в судьбе SED дисплеев, так как сразу же появилась принципиальная возможность создания высокотехнологичных и недорогих массовых дисплеев с большими размерами диагоналей. Ма­лая стоимость люминесцентного дисплея объясняется его принципиаль­ной конструктивной простотой, отсутствием дорогостоящих материалов, а также дешевизной технологического процесса с использованием струй­ного метода. При этом SED дисплеи обладают очень высокой эффективно­стью преобразования электрического сигнала в световую энергию в 5 лю­мен/ватт. Для сравнения: при прочих равных условиях (в первую очередь размер экрана) люминесцентная панель потребляет в 3 раза (!) меньше энергии, чем PDP панель, и в 2 раза меньше, чем CRT. Или, другими сло­вами: энергопотребление SED панели размером 42 дюйма эквивалентно 36 дюймовому кинескопному дисплею.

Помимо высокой эффективности новый тип дисплея обладает еще це­лым рядом не менее важных достоинств:

•    высокая яркость и контрастность изображения; отсутствие направленности излучения экрана;

•    относительная простота создания дисплеев сверхвысокого разреше­ния для HDTV;

•    конструктивно SED дисплей можно сделать очень тонким для раз­мещения на стену.

Однако широко рекламируемые SED панели Toshiba/Canon так и не появились на рынке ни весной, ни летом, ни даже осенью 2005 года. Они не были показаны даже на международной выставке развлекательной электроники IFA-2005 в Берлине, на которой ведущие мировые произво­дители традиционно стараются показать свои самые перспективные нара­ботки в области высоких технологий. Поэтому после IFA-2005 всем стало понятно, что разработчики эмиссионных технологий столкнулись с куда большими проблемами, чем они себе представляли ранее.

Тем не менее, в октябре 2005 года на выставке СЕАТЕС-2005 альянс Toshiba/Canon на совместном стенде SED показали предсерийные образцы дисплеев с экраном 55 дюймов по диагонали. Для демонстрации их досто­инств в отдельном зале был устроен специальный показ, где наряду с SED дисплеем были установлены PDP и LCD экраны.

В отличие от PDP 7-го поколения, изображения которых действительно впечатляет, SED дисплей на СЕАТЕС-2005 не сумел показать реальных преимуществ ни над LCD, ни над PDP. Единственным его неоспоримым достижением является сверхнизкое потребление электроэнергии: от 90 до 130 Вт (в зависимости от сюжета). Для 55-дюймового экрана это действи­тельно большое достижение.

В заключение отметим, что создание SED дисплеев в очередной раз блестяще подтверждает всеобщность принципов диалектики о том, что развитие любого процесса или явления происходит по спирали. В самом деле, что такое люминесцентный дисплей, как не новая, более высокая ступень развития традиционного кинескопа CRT? Ведь описание принци­па его работы как «электровакуумный прибор, в котором для светоизлучения люминофоров используется поток электронов» полностью применимо и для SED дисплея!

 

 

 

 

 

7.7. OLED (Organic Light — Emitting Diode)

 

Еще более широкие горизонты и крайне заманчивые перспективы сулит освоение в массовом производстве технологии так называемых «органиче­ских» электролюминесцентных дисплеев — OLED.

Их история началась в 1998 году, когда компания Tohoku Pioneer Corp. показала очередное японское чудо — небольшой матричный графический дисплей с зеленым цветом свечения, который сразу же вызвал огромный

 

интерес у специалистов в области дисплейных технологий. Что неудиви­тельно, ведь это был первый в мире серийно выпускаемый графический электролюминесцентный дисплей на органических светодиодах, извест­ный ныне как OLED.

Принцип действия OLED (Organic Light Emitting Diode) так же, как и обычного светодиода, основан на эффекте излучении светового потока полупроводниковым переходом при приложении к нему управляющего на­пряжения. Разница только в том, что у OLED для получения р/n перехода используются не традиционные полупроводники, а тонкие пленки спе­циальных органических веществ. Поэтому конструктивно OLED дисплей устроен еще проще, чем SED. По сути, он является «бутербродом» (рис. 7.6) из тонких пленок органических веществ с «электронной» (n-типа) и «ды­рочной» (р-типа) проводимостью, на поверхность которых нанесена матри­ца из управляющих электродов столбцов и строк.

Таким образом, в качестве светоизлучающего элемента в OLED дисплее используется структура, состоящая из двух органических пленок, имеющих разные типы проводимости: за счет свободных электронов (electron-conduct­ing layer) и за счет положительно заряженных ионов — «дырок» (hole-con­ducting layer). На границе раздела этих пленок электроны и «дырки» рекомбинируют, а выделяющаяся при этом энергия излучается в виде видимого света. Кстати, именно так работают и обычные полупроводниковые светодиоды (LED — Light-Emitting Diodes). OLED дисплей и является по существу светодиодом, только вместо полупроводников пир типа в нем используются «электронные» и «дырочные» пленки из органических материалов. Построе­ние цветного OLED дисплея особых проблем не вызывает и решается при помощи нанесения дополнительных пленок органического вещества с соот­ветствующим цветом излучения. Вся трудность состоит в том, чтобы синте­зировать вещества с нужными свойствами и обеспечить их долговечность.

Несмотря на общность принципа работы, свойства органических (OLED) и неорганических полупроводниковых (LED) светодиодов отлича­ются очень значительно.

Во-первых, технология изготовления «настоящих» полупроводниковых LED дисплеев сложна и дорога, так как требуются материалы с очень вы­сокой степенью очистки от примесей.

Во-вторых, имеются большие трудности с изготовлением полупрово­дниковых светодиодов голубого свечения. Поэтому полноцветные LED дисплеи пока еще очень дороги.

Наконец, при работе LED потребляют очень много электричества, оставляя по этому показателю далеко позади даже такого признанного «по­жирателя электричества», как «плазма». Поэтому полупроводниковые LED явно не годятся на роль идеального дисплея.

Но зато их органические собратья OLED не только свободны от всех этих недостатков, но и обладают целым рядом важнейших достоинств: они чрез­вычайно экономичны и при массовом производстве должны стоить очень дешево. Ведь по существу они состоят только из стекла-подложки (или даже прозрачного пластика) с нанесенными на нее несколькими слоями орга­нических пленок синего, зеленого и красного цветов плюс управляющие электроды. Причем толщина пленок составляет всего около 100 нм. И это все! Правда, столь простая структура характерна для недорогих дисплеев с пассивным управлением яркостью свечения экрана. В более совершенных и дорогих OLED дисплеях для повышения яркости свечения ячеек пикселей используются дополнительные тонкопленочные транзисторы TFT.

Подобная технология «активной матрицы» является базовой для совре­менных LCD мониторов, и поэтому изготовление активно матричных TFT подложек для OLED дисплеев принципиальных трудностей не вызывает. Основная проблема их производства — это получение высокомолекуляр­ных органических соединений с высоким уровнем светового излучения. Эта задача решается путем синтеза новых все более эффективных с точки зрения светоотдачи органических соединений.

По всеобщему мнению, пионерами разработки теории органических дисплеев были инженеры известной фирмы Eastman Kodak Company C.W. Tang и S.A. VanSlyke. В опубликованной ими в апреле 1987 года на­учной статье «Organic Electroluminescent Diodes» показано, как на осно­ве структуры из двух слоев пленки органических диэлектриков толщиной в 500 Ангстрем можно изготовить высокоэкономичный дисплей с большой яркостью свечения. Согласно расчетам, яркость «органического» дисплея может достигать 1000 кд/м2, а эффективность излучения — 1,5 люмена/Вт! Несмотря на то что сама возможность создания светоизлучающих прибо­ров на основе органических пленок была предсказана рядом ученых еще в 60-е годы прошлого века, считается, что именно эта статья дала мощный толчок к развертыванию практических разработок OLED дисплеев в раз­ных странах Европы, США и Японии.

В качестве «рабочего тела» в первом поколении «органиков» использова­лись пленки на основе PPV (polyphenylene vinylene), однако так как для их работы требовалось управляющее напряжение порядка 100 В, продолжались интенсивные научные исследования по поиску более эффективных полиме­ров. И эти работы увенчались успехом, что позволило в конце 90-х годов при­ступить к промышленному изготовлению OLED индикаторов и дисплеев.

Надо отметить, что параметры уже первых серийных моделей OLED дисплеев породили большой оптимизм у инженеров и разработчиков аппа­ратуры. К примеру, матричный черно-белый дисплей компании TDK вы­пуска 1998 года с разрешением 256x64 пикселя имел яркость 100 кд/м2 при контрасте 100:1. И при этом для управления его работой требовалось на­пряжение 22 В, а потребление дисплея составляло всего 0,8 Вт. Для справ­ки: для управления современными OLED требуется напряжение 2—10 В, а потребляют они буквально считанные мВт.

Среди ярых приверженцев первой волны «органической» технологии заметно выделялась японская фирма Pioneer. Так, уже на IFA-1999 Pioneer сумела на своем стенде показать в работе прототип первого в мире цветно­го телевизионного OLED дисплея с размером экрана 10 дюймов, который стал одной из самых громких сенсаций выставки.

Впрочем, от выставки до появления нового продукта на прилавках ма­газинов может пройти несколько лет — уж очень большой объем конструк­торских и технологических задач приходится при этом решать. Поэтому первое время выпускались OLED дисплеи только с небольшими размерами экрана в 1—2 дюйма по диагонали. По этой причине они нашли свою нишу в качестве экрана карманных персональных ассистентов PDA и некоторых моделях мобильных телефонов. Компания Pioneer с 2000 года оснащает цветными органическими дисплеями (фирменное название — OEL (Or­ganic Electro Luminescent)) многие модели автомобильных магнитол и CD-ресиверов. Достоинством OEL фирмы Pioneer является их способность отображать помимо традиционной буквенно-цифровой информации (на­звание дисков, номера треков, частоты настройки станции, рабочий режим магнитолы или ресивера и т. д.) также полноценную подвижную трехмер­ную (3D) графику. Говоря о преимуществах OEL, директор департамента Mobile Entertainment компании Pioneer Corp. г-н Shoichi Yamada отметил: «OEL дисплеи являются идеальным продуктом для использования в авто­мобильной электронике. Поэтому мы будем активно, как только сможем, продвигать подобное оборудование на рынок». Серьезность намерений Pio­neer подтверждают оценки экспертов, согласно которым уже в ближайшем будущем от 80 до 90% автомобильной AV-аппаратуры этой фирмы будет оснащено исключительно OEL дисплеями.

Другие известные производители также не остались в стороне от «ор­ганической» тематики. К примеру, Sony Corp. активно работает над соз­данием собственной линейки органических электролюминесцентных дисплеев OELD с большим размером экрана (10 дюймов и более) с активно-матричной подложкой на основе TFT транзисторов. Чтобы подчеркнуть исключительность своих технологий, Sony также предложила собственное альтернативное OLED название органических дисплеев — OELD (Organic Electro Luminescent Display). «Изюминкой» дисплеев Sony является исполь­зование сильноточных драйверов ячеек панели, выполненных по техно­логии ТАС (Top emission Adaptive Current drive), что позволило добиться очень высокой яркости при высоком разрешении изображения. Еще два года назад Sony удалось изготовить действующий образец OELD дисплея с размером экрана 13 дюймов с разрешением 800x600 пикселей, который имел яркость свыше 300 кд/м2.

Как видим, параметры этого дисплея были вполне сопоставимы с ха­рактеристиками LCD дисплеев, выпускаемых в то время. Однако по срав­нению с ними «органические светодиоды» имеют ряд важных преиму­ществ, а именно:

•     более широкий угол наблюдения изображения и по горизонтали, и по вертикали;

•     их можно сделать очень плоскими, так как для работы не требуется лампа подсветки;

•     более высокий контраст и полное отсутствие артефактов движения.

Впечатляющее достижение. Однако этот успех дался Sony дорогой це­ной, так как реализация ТАС требует довольно изощренных технологи­ческих изысков. Например, для управления каждой ячейкой экрана ис­пользуется не одна пара транзисторов, как у большинства конкурентов, а целых четыре транзистора. При этом «лишняя» пара транзисторов нужна для дополнительной регулировки яркости свечения пикселя с целью урав­нивания яркости свечения по всему полю экрана.

Помимо Sony и Pioneer серьезные намерения в области развертыва­ния серийного производства OLED дисплеев демонстрируют Sanyo Electric Corp. и Eastman Kodak Co. Для этого ими даже была образована дочерняя фирма SK Display Corp, которая в 2002 году начала выпуск опытных пар­тий органических дисплеев. На полную мощность заводы SK Display Corp должны были выйти в конце 2005 года.

Как видим, производители электроники оценили потенциал органиче­ских дисплеев и объемы их выпуска быстро нарастают. С 2001 по 2002 год рынок OLED дисплеев в мире вырос на 217% и достиг 72 млн долл. В 2002 году рост составил уже 257%, а объем продаж в этом году превысил 257 млн долл. Рост объема продаж вызван все более широким использо­ванием OLED дисплеев в сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах, трЗ плеерах и т. д. Поэтому неудивительно, что в 2005 году размер рынка OLED дисплеев достиг 2,7 млрд долл.

Основной причиной взрывного спроса на органические дисплеи, по мнению аналитиков, является растущая потребность в малогабаритных и экономичных цветных дисплеях для мобильных телефонов, персональ­ных цифровых ассистентах PDA (Personal digital assistants) и другой порта­тивной электронной техники.

Поэтому в Японии и на Тайване не менее 20 компаний продолжают ин­тенсивно разрабатывать все новые и новые технологии. Наиболее крупным на сегодня производителем OLED является тайванская RiTdisplay, входя­щая в состав Ritek Corp, которая выпускает по 180 тыс. дисплеев ежемесяч­но. Стратегическими партнерами RiTdisplay являются Intel, Kodak, Dupont, General Electric Co., ViewSonic и Futaba Japan. Основной специализацией этой компании являются дисплеи для сотовых телефонов и PDA.

Другим крупным игроком на «органическом» рынке является японская Pioneer. Как мы уже знаем, свой первый образец OLED дисплея зеленого цвета японцы показали еще в 1997 году, а цветные органические экраны начали выпускать с марта 1999 года. Основной объем из выпускаемых еже­месячно 20 тыс. OLED (или, как их называют в Pioneer, OEL) дисплеев приходится на автомобильные магнитолы и CD-ресиверы, а также сотовые телефоны.

В 2005 году был начат серийный выпуск 13- и 15-дюймовых цветных OLED, на основе которых изготавливаются ноутбуки, дисплеи для настоль­ных компьютеров, цветные телевизоры и другая аппаратура. Активно ведутся работы и над созданием дисплеев с размерами экрана 50 дюймов и более.

Не исключено, что в будущем второе дыхание нетрадиционным пло­ским дисплеям может придать и внедрение разработанной группой англий­ских ученых из Кембриджского университета еще в 1990 году разновидности OLED технологии, названной ими PLED (Polymer light-emitting diode). Тео­рия и конструкция PLED дисплеев очень похожа на OLED, только вместо органических пленок в них используются высокомолекулярные полимеры. Правда, на сегодняшний день пока еще не удалось создать серийный пол­ноцветный PLED дисплей, но работы над ним интенсивно продолжаются. Помимо Кембриджского университета в них принимают участие специали­сты Philips и Seiko Epson Corp. Одним словом, сегодня мало кто сомневает­ся, что у OLED и PLED дисплеев великое будущее. Тем более, что целому ряду компаний удалось преодолеть один из главных недостатков OLED тех­нологии — трудность создания дисплеев с большим размером экрана.

В мае 2004 года фирма Seiko Epson неожиданно для всех продемонстриро­вала работающий прототип OLED дисплея с размером экрана по диагонали в 40 дюймов! Для того чтобы оценить всю грандиозность этого достижения, необходимо сказать, что к этому моменту только корейская Samsung смогла продемонстрировать «живой» OLED дисплей с относительно большим раз­мером экрана, который составил целых 17 дюймов! (В 2005 году Samsung успешно продемонстрировал прототип OLED телевизора с размером экрана 42 дюйма). Большинству конкурентов в то время не удалось сделать и этого, так как они не сумели выйти даже за пределы 10 дюймов экрана. Чем же объяснить столь впечатляющий прорыв Seiko Epson?

Так же, как и у альянса Can on-Toshiba, главной «изюминкой» разрабо­танного Seiko Epson техпроцесса изготовления больше экранных OLED дис­плеев является использование метода струйной печати для нанесения светоизлучающего полимера на стеклянную подложку. Это стало возможным благодаря впечатляющим достижениям современных технологий изготовле­ния струйных принтеров. Они достигли таких высот, что схемы управления позиционированием печатающей головки позволяют обеспечить точность ее перемещения вдоль подложки, обеспечивающей плотность нанесения капель с разрешением 1440 точек на дюйм. Что более чем достаточно для изготовления светоизлучагощей матрицы OLED экрана стандартного раз­решения. Второй «изюминой» является конструкция самой печатающей го­ловки, которая внешне почти не отличается от головок обычных струйных принтеров. Однако внутреннее устройство головки для «органической пе­чати» было основательно доработано, что позволило более точно форми­ровать объем капель активного вещества OLED, «выплевываемых» за один такт. В экспериментах Seiko Epson при изготовлении опытных образцов дисплея с размером экрана 40 дюймов использовалась типовая технология струйной печати, что позволило изготовить работоспособный образец стан­дартного разрешения. По словам представителей фирмы, с переходом на модифицированную головку струйной печати при таких размерах экрана вполне можно обеспечить уровень разрешения HDTV. Наконец, третьим ключевым ноу-хау Seiko Epson являются формула и состав органического OLED люминофора, обеспечивающего высокую эффективность при доста­точном рабочем ресурсе панели. До сих пор большинство применяемых в коммерческих устройствах органических дисплеев имеет время жизни по­рядка 1—2 тыс. ч. Что, в принципе, наверное, более чем достаточно для дис­плея цифрового фотоаппарата или экрана сотового телефона, которые для экономии энергии батареек гасятся в нерабочем положении. Совсем иные требования предъявляются к компьютерному монитору или телевизору, ко­торые могут работать по несколько часов в день. В этом случае рабочий ресурс в 1 тыс. ч может быть выбран менее чем за год. Поэтому специалисты Seiko Epson активно работают над увеличением жизненного цикла OLED дисплея хотя бы до 10 тыс. ч, что уже вполне сравнимо с ресурсом PDP или LCD панелей. С учетом быстрого морального старения любой современ­ной электронной аппаратуры, в том числе и плоских панелей, достижение этого рубежа реально откроет перед OLED с большими экранами широкие рыночные перспективы. Тем более что, судя по всему, их иена будет значи­тельно ниже, чем у «плазмы» и «жидких кристаллов». При этом на стороне «органиков» будут такие сильные аргументы, как отсутствие инерционно­сти (важно для передачи фаз движения быстро перемещающихся объектов) и направленности излучения. В таких панелях не будет ни высокого напря­жения, ни вакуума, поэтому они являются абсолютно безопасными. К тому же органические дисплеи очень экономичны (сравнимы по этому показате­лю с SED), что заведомо обеспечит им всемерную поддержку «зеленых» по всему миру. Плюс к этому меньшие массогабаритные характеристики, ведь принципиально OLED дисплей состоит только из стекла-подложки с нане­сенными на нее тонкими пленками органического люминофора и матрицей управляющих электродов. Это дает возможность изготовить сверхтонкий (а, значит, очень легкий) дисплей с глубиной лишь ненамного превосходящей толщину самого несущего стекла-подложки.

Согласно планам самой Seiko Epson исследовательские работы долж­ны закончиться только в 2007 году. При этом ей потребуются огромные финансовые ресурсы, превышающие возможности этой одной отдельно взятой японской компании. Поэтому Seiko Epson активно ищет партне­ров для завершения разработки и инвестиций для начала серийного про­изводства. Финансовые вложения для этого потребуются немалые. Хотя бы для того, чтобы организовать в необходимых количествах производство OLED материалов нужного качества в необходимых количествах. По сло­вам Тетцуя Мицуно, менеджера подразделения Seiko Epson OL Business Planning Department, потенциальные партнеры не спешат предложить свою помощь в разработке и инвестиции в производство. Причина такой, уди­вительной на первый взгляд, пассивности вполне понятна. Дело в том, что все ведущие мировые гиганты электронной индустрии на сегодняшний день уже успели вложить огромные средства, исчисляемые миллиардами долларов США, в производство плазменных и жидкокристаллических па­нелей. Вполне естественно, что они рассчитывают не только вернуть, но и преумножить эти деньги на быстрорастущем рынке плоскоэкранных па­нелей. Появление SED и OLED дисплеев с их явными преимуществами пе­ред PDP и LCD способно в одночасье взорвать равновесие на поделенном уже между ведущими игроками самом перспективном рынке современной электроники. Зато для новых и агрессивных компаний, в частности из Китая и других стран Юго-Восточной Азии, новые дисплейные техноло­гии — это просто подарок судьбы, так как они открывают потенциальные возможности ворваться на рынок с революционным продуктом. Тем более что южно-корейский гигант Samsung активно и вполне успешно работает над созданием собственной технологии больше экранных OLED дисплеев.

Помимо увеличения размера экрана магистральным направлением раз­вития органических дисплеев является создание тонких и гибких телевизи­онных панелей. Японское правительство активно поддерживает эти работы посредством финансирования различных технологических программ. В част­ности, с 2002 года полным ходом идет реализация пятилетней национальной программы «High-Efficiency Organic Device Project», спонсором которой вы­ступило Министерство экономики, торговли и промышленности Японии. Программа состоит из 16 отдельных проектов и предусматривает создание широкой номенклатуры дисплеев на самых различных физических принци­пах. В частности, до конца 2006 года японские фирмы должны разработать целую линейку OLED дисплеев, начиная от миниатюрных с экраном менее 10 дюймов и кончая гигантскими панелями с диагональю в 60" (!).

Помимо Pioneer Corporation и 4 ведущих промышленных электронных компаний к созданию в рамках проекта ПАР (Integrative Industry-Academia Partnership) новых типов дисплеев широко привлекаются японские вузы, в том числе Kyoto University. Основным исполнителем по разработке OLED в этой программе определили Pioneer, потому как эта компания еще в дале­ком 1997 году показала первый в мире автомобильный ресивер с монохром­ным органическим дисплеем. На этот раз задача гораздо сложнее: требуется создать гибкие цветные органические дисплеи с высокой яркостью и с высо­ким разрешением. Плюс к тому новые дисплеи должны иметь высокую ме­ханическую прочность и обеспечивать широкий угол обзора изображения.

Исследования по их созданию развернулись сразу по нескольким на­правлениям. Одна группа инженеров билась над решением задачи техно­логии изготовления гибкого дисплея на основе ультратонкой пластиковой подложки. При этом наибольшей трудностью на этом пути стало обеспе­чение герметичности упаковки в пластик активного вещества OLED для защиты его от воздействия атмосферной влажности и кислорода. Потому что они за очень короткий срок буквально «убивают» органические свето-диоды. В дисплеях на основе стеклянной подложки эта проблема решается сравнительно просто путем его герметизации. А вот над вариантом ис­полнения OLED в виде гибкой тонкопленочной пластины пришлось осно­вательно потрудиться, так как кислород и водяной пар упорно проникали внутрь дисплея через микроскопические трещины и поры в пластике.

Вторая по сложности задача тоже была связана с переходом на пласти­ковую подложку. Дело в том, что для максимального удешевления гибких органических дисплеев в качестве их основы используется недорогая пла­стиковая пленка, которая имеет низкую термическую стойкость. По этой причине не представлялось возможным использовать хорошо отработан­ные методы нанесения на подложку активной матрицы из полупроводни­ковых транзисторов для управления свечением пикселей OLED дисплея. Выход из положения был найден путем использования в активной матрице органических же транзисторов (!), которые изготавливаются по тем же тех­нологиям, что и органические светодиоды OLED.

Ну и, наконец, последняя по упоминанию, но не последняя по важ­ности, задача: разработка специальных драйверных микросхем, обеспечи­вающих оптимальное управление органическим дисплеем.

На сегодняшний день можно с уверенностью сказать, что со всеми тре­мя задачами в Pioneer в принципе успешно справились: на стенде ком­пании на выставке СЕАТЕС-2005 в октябре 2005 года демонстрировался действующий прототип гибкого 5-дюймового цветного OLED. Он обеспе­чивал высокое качество изображения с высокой яркостью и очень сочными красками. Судя по всему, теперь дело только за освоением гибкого OLED в серийном производстве.

Не меньше внимание развитию органических дисплеев уделяют и ев-1 ропейские страны. В частности, в прошлом году здесь стартовал проект OLLA (Organic LEDs for ICT and Lighting Application), в котором участву­ют 24 партнера из 8 европейских стран. В том числе такие европейские гиганты как Philips и Siemens. Целью проекта OLLA является разработка к 2008 году сверх яркой органической панели белого света размером не менее 15x15 см. Такие панели можно будет использовать и как экономич­ные светильники, и как яркую лампу подсветки для будущих поколений LCD дисплеев. Даже первое поколение OLED, разрабатываемое в рамках OLLA, будет иметь очень неплохие для «органиков» характеристики: яр­кость свечения в 1000 кд/м1, световая эффективность 50 люмен/Вт, срок эксплуатации 10000 ч. А в следующей генерации они станут еще более высокими: многократно возрастут яркость и экономичность, увеличится рабочий ресурс дисплеев. Такая панель уже вполне может составить кон­куренцию лампам подсветки для LCD мониторов, изготовленным по LED технологии. Так что не исключено, что в десятом поколении LCD будут использоваться яркие органические светодиоды.

По сравнению с конкурирующими технологиями, дисплеи по OLED и PLED технологиям отличает простота технологического процесса при крупносерийном производстве, что в принципе позволяет добиться очень низкой себестоимости. Второй положительной чертой органических и по­лимерных дисплеев является их очень высокая экономичность. Наконец, эти дисплеи можно изготавливать не только на подложке из стекла, но и наносить их светящие пленки на гибкий прозрачный пластик. Что по­зволяет, например, изготовить на их основе такой принципиально новый продукт, как электронная газета.

Принципиально при наличии тонкого гибкого дисплея сделать ее со­всем несложно. Процесс ее изготовления может выглядеть примерно так.

На прозрачный лист пластика наносится OLED (PLED) пленка.

В пластиковый лист имплантируется бескорпусной чип микропроцес­сора со встроенной памятью и беспроводным интерфейсом Bluetooth или Wi-Fi.

На третьем шаге в память чипа загружаются свежие новости.

Электронная газета готова! При покупке ее в киоске нужно будет толь­ко активизировать чип микропроцессора (для этого можно дополнительно встроить в лист газеты сенсорный датчик). Причем наряду с неподвижными картинками и текстом на «экран» газеты можно выводить и небольшие ви­деоролики! Прочитал (просмотрел + прослушал записанный на том же чипе звук через встроенный в лист плоский пьезоизлучатель) — и выбросил. Даль­ше — больше! Можно будет печатать «электронные» книги и журналы с чуд­ными «живыми» картинками, которые наверняка очень понравятся детям.

Самое интересное, что подобные газеты можно изготавливать уже се­годня, так как многие необходимые для этого технологии находятся на финальной стадии разработки. И даже появились действующие прототипы подобного рода изделий. Например, специалисты компании Toshiba недав­но демонстрировали гибкий экран — SVGA монитор размером 8,4 дюйма по диагонали (правда, он был изготовлен не по OLED, a LCD технологии). Ну а отсюда, в принципе, и до электронной газеты уже не так и далеко. Трудно ведь было поверить лет 30 назад, что когда-то электронные часы с жидкокристаллическим экраном будут продаваться в газетных киосках по цене в 1 долл. А ведь сегодня простейшие их модели в пластиковом кор­пусе лежат буквально на каждом углу и стоят от силы рублей 25—30!

Помимо газеты сверхтонким и гибким органическим дисплеям навер­няка найдется множество других не менее полезных применений. Напри­мер, наклеив OLED или PLED пленку на всю стену, можно оперативно ме­нять интерьер своей квартиры. Открывающиеся при этом для дизайнеров интерьеров возможности практически безграничны. Например, по команде устройства управления «электронными фотообоями» на них вывести изо­бражение лесной поляны или березовой рощи. Или морского побережья. Более того, плоский органический дисплей можно оформить в виде окна и выводить на него цветное изображение, например, парижской улицы. Посетители кафе с такими «окнами в Париж» могут ощутить полный эф­фект присутствия во французской столице.

Подобную «телевизионную» пленку можно нанести на ткань и сделать из нее рубашки или платья с изменяющимся рисунком. Можно также изго­товить из подобной ткани костюм-хамелеон, который будет воспроизводить окраску окружающего фона, как это делает лежащая на дне камбала. На­верняка такой «плащ-невидимка» очень понравится военным и охотникам. А можно вообще такой тканью оклеить танк или автомобиль и с помощью выводимого на OLED или PLED изображения сделать его невидимым.

Подчеркнем, что описанные перспективы создания сверхдешевых «од­норазовых» дисплеев вполне реальны уже сегодня. К примеру, Philips еще в 2001 году разработал технологию изготовления гибких дисплеев при по­мощи струйного принтера, заправленного вместо чернил специальным со­ставом для формирования полимерной светоизлучающей пленки PLED дис­плеев. Эти работы ведутся в кооперации с рядом технологических фирм, в частности, компаниями Bayer, Covion, Avecia и Dow Chemical. Согласно имеющейся информации в 2001—2004 годах Philips удалось решить все прин­ципиальные проблемы создания очень дешевого, но отличающегося высокой точностью нанесения активного вещества техпроцесса, который позволяет создавать недорогие и высококачественные гибкие PLED любого размера. Эти технологии Philips открывают и вовсе захватывающие дух перспективы: возможность изготавливать огромные экраны, сворачиваемые в рулон, ин­терактивные рекламные стенды и т. д. Одним словом — возможности и об­ласти применения «органических» дисплеев практически безграничны!

 

7.8. Е Ink дисплеи («Электронные чернила»)

 

Определенных успехов добились и разработчики дисплеев, работающих по технологии «электронных чернил» Эту технологию продвигает амери-

 

 

канская компания Е Ink Corporation, образованная в 1997 году группой студентов (!). В основе технологии лежит принцип управления частицами красящего вещества (собственно, «чернилами») при помощи электроста­тических сил притяжения и отталкивания. Для этого предварительно за­ряженные микроскопические частички белого и черного цветов помещают внутрь крохотных прозрачных капсул с жидкостью (рис. 7.7).

Если такую капсулу поместить между взаимно перпендикулярными электродами, к которым приложено постоянное напряжение, то, изменяя его полярность можно заставить всплывать частицы либо черного, либо белого цвета. Соответственно, зритель будет воспринимать эту капсулу на фоне белой подложки в первом случае как черную точку, а во втором — не видеть ее вовсе. Если же под капсулой расположить не один, а два электро­да, то появляется возможность воспроизведения полутоновых изображений за счет независимого управления цветом краски в разных частях капсулы.

Для реализации этой идеи потребовались немалые средства в объеме 100 млн долл., которые предоставили Lucent Technologies, Motorola, Philips, Toppan Printing и целый ряд других компаний. Это позволило быстро разра­ботать и изготовить самые различные типы дисплеев с «электронными чер­нилами». Благо технология позволяет наносить микрокапсулы на самые раз­личные типы подложек, в том числе изготовленные из пластика и бумаги. В последнем случае получается самая настоящая «электронная газета», так как управлять выводом изображения на бумажный лист может имплантиру­емая в этот же лист крохотная микросхема. Это стало возможным благодаря тому, что Е Ink дисплеи в десятки и сотни раз более экономичны, чем LCD и OLED, так как затраты энергии требуются только на момент переключения микрокапсул из одного устойчивого состояния в другое. Проводя аналогию можно сказать, что «чернильные» дисплеи в этом смысле очень похожи на механические информационные табло, устанавливаемые на вокзалах и аэро­портах. В этих табло имеется множество ячеек, содержащих поворачиваемую шторку, управление которой осуществляется электромагнитом. Внутренняя сторона шторки покрашена в желтый цвет, а наружная — в черный. Так как информационное поле дисплея также имеет черный цвет, при включении ячейки она воспринимается как ярко желтая точка, а при выключении ста­новится невидимой на фоне черной поверхности.

Простота конструкции, нечувствительность к температуре и магнит­ным полям, а также высокая технологичность позволяет предположить, что «электронночернильные» дисплеи ожидает великое будущее в сфере изготовления различных информационных табло, рекламном деле, учебном процессе и т. д. Например, рядом фирм рассматривается возможность изготовление по технологии Е Ink информационных табло с бегущей стро­кой для электричек и автобусов.

Недостатками Е Ink дисплеев является их относительно большая инер­ционность (скорость обновления изображения 10 Гц) и возможность вос­произведения всего двух цветов: черного и белого. Что не позволяло создать на их основе цветные телевизионные дисплеи. Но в прошлом году благо­даря Philips в деле создания «чернильных» дисплеев произошел настоя­щий технологический прорыв, открывающий возможность показа на них цветных телевизионных изображений. Голландцы предложили помещать в микрокапсулу с жидкостью не порошок, а каплю масляной краски. В от­сутствии напряжения на управляющих электродах капля краски растека­ется по дну капсулы, и мы видим ее в виде цветового пятна. Если теперь приложить к электродам напряжение, то капля краски начнет скатываться в шарик, уменьшаясь в размерах пропорционально величине приложенного напряжения. Таким образом, варьируя величиной напряжения, мы имеем возможность управлять размерами масляного «пиксела» цветного экрана. И что особенно приятно, быстродействие дисплеев на «масляном ходу» мо­жет достигать 80 Гц, что не в пример выше, чем у обычных «электронных чернил». А это уже совсем другое дело! Тут уж и до «масляного» цветного телевизора, как говорится, рукой подать.

Впрочем, до телевизора с экраном, изготовленным по «масляно-капельной» технологии, пока еще далеко, так как над ней нужно еще рабо­тать и работать. Но, например, «умный» пульт управления домашней AV-электроникой с большим цветным сенсорным экраном на их основе можно сделать вполне. Тем более что дисплеи этого типа очень экономичны, что является едва ли не главным критерием выбора типа экрана для пультов ДУ, питающихся от батареек или аккумуляторов.

 

Литература

 

В лекции использованы обзоры автора в соавторстве с Л. Степаненко, А. Тарима и А. Кирпичникова.

[I]    С плазмой по жизни//Салон AV. № 8. 2000. С. 4-14. [2]  Азиатские виртуозы//Салон AV. № 8. 2001. С. 4—12.

[3]   Текучесть кадров. Тест LCD/УСалон AV. № 11. 2002. С. 51-64.

[4]   Плазменный привет//Салон AV. № 5. 2002. С. 62—78.

[5]   Похороны электронной пушки//Эксперт. № 9. 6 марта 2000. С. 44—46.

[6]   Органическая физика//Салон AV. № 7. 2003. С. 4—12.

[7]  Лед и пламень//Салон AV. № 11. 2003. С. 78-83.

[8]   Плазменная математика//Салон AV. № 7. 2004. С. 4—10.

[9]    Эмиссия выполнима//Салон AV. № 1. 2005. С .4-12.

[10] Тигр готовится к прыжку//Салон Audio Video. № 12. 2005. С. 4—10.

[II]   Эволюция номер 9//Салон Audio Video. № 1. 2006. С. 4—14.

 

ЛЕКЦИЯ 8.

СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА-ИСТОРИЯ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Галдецкий Анатолий Васильевич, д.т.н., профессор, окон­чил Московский физико-технический институт в 1978г., к.ф-м.н. с 1981 г., имеет более 50 научных трудов. Рабо­тает в ФГУП «НПП Исток».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.1. Введение

 

Нередко можно услышать, что СВЧ электроника является одной из областей высоких технологий, определяющих облик современной жизни. Так ли это? Будет ли так в будущем, когда технологии разовьются еще сильнее и можно будет эффективно работать с еще более высокочастотным, например, уль­трафиолетовым, излучением? Покажем, что это действительно так! Такое положение СВЧ техники определяется тем, что современное высокотехно­логичное общество является и будет являться информационным, т. е. вся его жизнь базируется на передаче и обработке больших массивов информа­ции. Обеспечить передачу информации с большой скоростью могут лишь достаточно широкополосные каналы передачи, а это значит, что такие ка­налы могут существовать лишь в достаточно высокочастотной области спек­тра. Эту роль могут играть волны с длиной менее одного метра. С другой стороны, более высокочастотные излучения: ИК, оптическое и еще более коротковолновые излучения способны распространяться без помех лишь в специально подготовленных линиях передачи (например, оптоволокне) или в космосе. Стоит только попытаться передать сигнал по воздуху в опти­ческом диапазоне, и первый же дождь или туман покажет бессмысленность этой затеи. Это связано, прежде всего, с тем, что размеры частиц воды пре­вышают длину волны излучения, что обеспечивает сильное рассеяние, диф­ракцию и поглощение. Кроме того, проникающая способность излучения сквозь препятствия (стены, деревья) быстро падает с ростом частоты. Таким образом, уникальность диапазона длин волн от 50 до 0,2 см для обеспечения

связи с мобильными объектами очевидна. Более того, это положение сохра­нится и в будущем при любом развитии технологий. Ведь принципиальным достоинством СВЧ излучения является способность переносить большие объемы информации, распространяться в атмосфере с малым затуханием и иметь управляемую (высокую или низкую) направленность.

К такому состоянию дел естественно пришел исторический процесс развития технологий в человеческом обществе. Со временем обществу и его технике приходилось осваивать все более и более высокочастотные диа­пазоны по двум причинам. Во-первых, низкочастотные диапазоны просто быстро занимались и новые системы связи или радиолокации вынуждены были работать на свободных, более высокочастотных диапазонах (и зна­чит, создавать для них приборы, системы, методы обработки). Во-вторых, обществу было необходимо передавать все большие объемы информации: для передачи точек и тире азбукой Морзе достаточно было полосы в еди­ницы герц, а современные спутниковые системы занимают полосу в сотни мегагерц (рост в сотни миллионов раз впечатляет).

Первоначально развитие СВЧ техники определялось в основном по­требностями радиолокации и эти потребности в основном были военными. Однако в последние два десятка лет ситуация кардинально изменилась. Произошла настоящая революция в области телекоммуникаций, благодаря развитию мобильной связи, различного рода беспроводных компьютерных сетей. Сейчас локомотивом развития СВЧ электроники за рубежом явля­ется связь, телекоммуникации, и ее потребности определяются в основном гражданскими применениями. К сожалению, у нас в стране промышлен­ность пока не осознала новых реалий1.

Вся СВЧ электроника делится на две большие области, взаимно до­полняющие друг друга: вакуумную и полупроводниковую. Многие будут удивлены тем, что электровакуумные приборы — лампы, еще живы. Одна­ко СВЧ электроника высоких мощностей — это одно из направлений, где лампы успешно конкурируют с полупроводниками.

 

8.2. Вакуумная СВЧ электроника

 

СВЧ технологии как область промышленности возникли во время Второй мировой войны из потребностей военной радиолокации. Всем участникам боевых действий необходимо было издалека «видеть» самолеты противни­ка, а для этого необходимо было высоконаправленное (а значит, высокоча­стотное) излучение. Ученые в Европе, России и США понимали, что нуж­но создавать системы генерации, излучения и приема излучения с длиной волны в десятки, а лучше единицы сантиметров.

В то время СВЧ электроника была исключительно вакуумной, и к тому же она была фактически фундаментальной наукой, частью общей физики, поскольку рассматривала классические задачи взаимодействия заряженных частиц с электромагнитными полями, распространения электромагнитных

волн. Привлеченные красотой возникающих задач и востребованностью  получаемых решений ею занимались как выдающиеся ученые (достаточ­но вспомнить П.Л. Капицу, Н.Д. Девяткова, Гапонова, Л.А. Вайнштейна), так и новички, пришедшие из других областей знаний1. Вакуумная СВЧ электроника была и продолжает оставаться синтетической наукой, вклю­чающей исследования электродинамики, электроники, магнитных систем, вопросов теплопередачи, физики поверхности, твердого тела, материалове­дения и др. Это одна из немногих областей повседневной жизни, где реля­тивистские эффекты, рассматриваемые теорией относительности, играют заметную роль.

Привычные всем лампы с сетками (триоды, тетроды), в которых входной ВЧ сигнал управляет током эмиссии катода (как кран управляет потоком воды), с трудом продвигались в СВЧ область, потому что времена пролета электронов через лампу, которыми до сих пор разработчики пренебрега­ли, оказывались больше периода сигнала. Это приводило к тому, что в те моменты времени, когда входной сигнал должен запереть лампу, через нее продолжали проходить электроны, стартовавшие ранее, полпериода назад, и лампа просто не работала как усилитель. Уменьшать зазор не удавалось из-за опасности замыканий, а также из-за нарастания емкости сетка-катод. Особенно плохо обстояло дело с получением высокой мощности сигнала. И это после того как у нас в стране уже были созданы низкочастотные тетроды с охлаждаемым водой анодом и непрерывной мощностью десят­ки киловатт (а радиостанции имени Коминтерна были самыми мощными в мире). Нужны были новые решения.

 

8.3. Магнетрон

 

По-видимому, первым из таких нетривиальных СВЧ приборов был маг­нетрон. В промежутке между двумя войнами было постепенно осознан­но следующее. Если к цилиндрическому вакуумному диоду приложить магнитное поле перпендикулярное электрическому, то электроны в та­ких скрещенных полях не будут лететь прямо от катода к аноду, а будут двигаться по окружностям малого радиуса, причем центры этих окруж­ностей будут медленно дрейфовать в направлении, перпендикулярном как магнитному, так и электрическому полям в диоде, т. е. в направлении по азимуту вдоль электродов. Если кроме постоянного электрического поля в диоде распространяется высокочастотная волна в направлении дрейфа электронов и со скоростью, равной скорости дрейфа, то движение элек­тронов меняется кардинальным образом. При равенстве скоростей вол­ны и дрейфа электронов электроны «видят» не меняющееся во времени поле волны. В тех местах, где оно совпадает по направлению со статиче­ским полем электродов (т. е. стремится ускорить электроны), имеется так­же поперечная (азимутальная) компонента поля волны, которая стремится увести электроны в области, где поле волны противоположно по отношению к статическому полю. В этих местах возникают области притяжения электронов. В результате электроны в них собираются в «спицы», которые вращаются вместе с полем волны подобно спицам велосипедного колеса. Электрон в «спице», двигающийся по окружности и дрейфующий вместе с волной, «видит» практически постоянное поле волны, которое действует на него длительное время. В азимутальном направлении это поле притя­гивает электроны к оси спицы, уплотняя ее. А в радиальном направлении поле волны тормозит электроны, дрейфующие к аноду, и не позволяет ста­тическому, полю разогнать их. Таким образом, в магнетроне электроны, вращаясь по малым окружностям, одновременно медленно дрейфуют вдоль «спицы» от катода к аноду. Фактически происходит преобразование потенциальной энергии электронов в энергию СВЧ колебаний.

Для того чтобы поле волны двигалось с той же скоростью, что и элек­троны, волну необходимо замедлить. Обычно это делается с помощью специальной периодической структуры, состоящей из резонаторов на по­верхности анода магнетрона (рис. 8.1). Такая замедляющая система явилась прототипом многих других замедляющих систем, которые играют одну из центральных ролей в СВЧ электронике.

Предвестник магнетрона — генератор звуковой частоты с гладким ано­дом и скрещенными электрическим и магнитным полями, напоминающий по конструкции магнетрон, был изобретен Хэллом в 1919—1921 гг. [1]. СВЧ колебания в нем впервые получил Жачек в 1924 г. В том же году анало­гичные работы были начаты в СССР А.А. Слуцкиным и Д. С. Штернбер­гом, причем была предложена периодическая структура из 2-х сегментов на поверхности анода. Наконец, в 1935—1940 гг. Постумус предложил ис­пользовать в магнетроне режим с бегущей волной. Независимо к 1940 г. в Ленинграде инженеры Н.Ф. Алексеев и Е.Д. Маляров под руководством М.А. Бонч-Бруевича предложили и реализовали многорезонаторный маг­нетрон практически в современном его облике [2]. В 1944 г. их работа была переведена в журнале Proceedings IRE. По­сле начала войны англичане Бут и Рэнделл также разработали магнетрон пригодный для практического применения, который был широко использован в радиолокаторах Великобритании и США [3]. По-видимому, они знали о работе Алексеева и Малярова.

Достоинством магнетрона является его низкое рабочее напряжение, обусловлен­ное тем, что в этом приборе электронный поток оказывается широким и коротким. Его не нужно фокусировать и транспорти­ровать на большое расстояние (что обыч­но требует сильных магнитных полей для удержания пучка от развала полем соб­ственного пространственного заряда и вы­соких напряжений для увеличения скоро­сти электронов и уменьшения плотности  пространственного заряда). Кроме того он выглядел очень привлекательно для первых разработчиков радаров, поскольку передатчик состоял фак­тически из единственного СВЧ прибора — оставалось только сделать для него короткоймпульсный источник питания и СВЧ фидер с антенной.

Недостатком магнетрона является необходимость осаждать электрон­ный пучок на замедляющую систему, которая оказывается очень мелко­структурной в коротковолновых диапазонах. В результате при высокой импульсной мощности магнетрон обычно имеет довольно низкую сред­нюю мощность, т. е. его естественный режим работы — короткие импуль­сы с большой скважностью (что, впрочем, как раз подходило для рада­ров первого поколения)1. Еще один недостаток магнетрона — интенсивная бомбардировка катода частью электронов, ускоряемых ВЧ полем обратно к катоду, что приводит к распылению материала катода и малому сроку службы прибора. Но самый главный недостаток магнетрона — это то, что он является генератором. Оказывается, что в любом СВЧ приборе усло­вия получения высокой мощности и КПД (что означает наличие хороших усилительных свойств у активной среды внутри прибора) противоречат условиям получения хорошего качества сигнала — чистому спектру с ма­лыми шумами и паразитными излучениями (что требует малого запаса по усилению)2. Поэтому в радиосвязи и радиолокации электронная про­мышленность пошла по пути отказа от мощных генераторов: слабый СВЧ сигнал создается в маломощном генераторе (где создаются все условия для получения стабильного высококачественного сигнала, пусть ценой низкого КПД) и затем усиливается цепочкой усилительных приборов, которые не портят спектр и имеют высокий КПД. Это позволяет получить хорошее качество сигнала при высоких мощности и КПД. К тому же это позволяет эффективно суммировать сигналы от нескольких усилителей, запитываемых от одного источника и потому имеющих одинаковую фазу сигнала. И сейчас в современных информационно-емких системах требуются мощ­ные усилители, а не генераторы.

В результате магнетроны практически вышли из употребления в «се­рьезных» радиолокационных и связных системах. Они еще используются на морских судах благодаря их низковольтности3 (что важно при эксплуата­ции в условиях высокой влажности), в простых некогерентных минирадарах, ну и конечно в СВЧ печах (благодаря их дешевизне). Следует заметить, что в СВЧ печах генерируется подавляющая часть мощности, создаваемой всеми СВЧ приборами во всем мире.

 

8.4.    Клистрон

 

Клистронный принцип усиления СВЧ колебаний явился естественным развитием триодного принципа управления электронным потоком. Если в триоде не получается быстро менять плотность электронного потока, управляя эмиссией электронов с катода, то можно сначала ускорить элек­троны до высокой энергии в электронной пушке, а затем не пытаться мо­дулировать их плотность входным сигналом, а модулировать их скорость, пропуская через зазор СВЧ резонатора, к которому приложено ВЧ напря­жение входного сигнала (рис. 8.2).

Электроны, проходящие зазор во время положительной полуволны на­пряжения слегка доускоряются, а электроны, проходящие зазор во время отрицательной полуволны напряжения, притормаживаются. В процессе их дальнейшего движения быстрые электроны догоняют более медленные так, что на некотором расстоянии от входного зазора образуются сгустки (группы) электронов, т. е. СВЧ ток. Такой сгруппированный пучок, про­ходя через зазор выходного резонатора, возбуждает в нем сильное вы­сокочастотное поле, которое тормозит электроны, заставляя их отдавать энергию полю. Таким образом, в клисacтроне электроны сначала набирают кинетическую энергию в пушке, а затем кинетическая энергия электро­нов преобразуется в энергию выходного сигнала. После выходного резо­натора электронный пучок попадает в специальную полость — коллектор, где он расширяется и расплескивается по стенкам на большой площади (что хорошо с точки зрения возможности отвода большой мощности). До-

бавление нескольких дополнительных резонаторов между входным и вы­ходным позволяет существенно поднять усиление клистрона и расширить его полосу.

Почему вообще в клистроне используются резонаторы? Дело в том, что, как правило, электронный пучок имеет не очень большой ток и очень высокую энергию электронов (что диктуется необходимостью его транс­портировки в клистроне на большое расстояние — от нескольких санти­метров до 2—3 м), поэтому он представляет собой довольно высокоомную нагрузку для входного сигнала во входном зазоре (и высокоомный источ­ник для выходного сигнала в выходном). Входной и выходной резонаторы позволяют согласовать волновые сопротивления входного и выходного трактов с импедансом электронного пучка, т. е. существенно повысить СВЧ напряжение на зазорах и, значит, поднять эффективность взаимо­действия.

Такая конструкция лампы имеет целый ряд преимуществ. Узел фор­мирования пучка (пушка) и узел его утилизации (коллектор) вынесены из области взаимодействия с СВЧ полями, что позволяет их оптимизи­ровать независимо (в триоде катод, сетка и анод являются частью СВЧ резонаторной системы, что вносит в нее дополнительные потери). Так, например, в пушке можно использовать компрессию пучка, т. е. собрать электронный поток с большой поверхности катода в узкий канал, создав высокую плотность тока в пространстве взаимодействия. В коллекторе можно развить площадь оседания электронного потока и эффективно ее охлаждать, что дает возможность повысить среднюю мощность прибора до единиц и сотен киловатт (импульсная мощность может превышать 50 МВт2). Ничтожно малая связь между выходным и входным резона­тором позволяет иметь усиление до 40—60 дБ без опасности самовоз­буждения. КПД клистрона в рекордных образцах превышает 90%, хотя типичной является величина 30—50%. Вся конструкция прибора являет­ся цельнометаллической (за исключением пушки и вывода энергии) и не содержит мелкоструктурных элементов, что существенно улучшает тех­нологичность и надежность лампы. Вообще, клистрон является одним из наиболее надежных СВЧ приборов.

Однако за такие преимущества приходится платить. В клистроне электронный пучок приходится транспортировать на большое расстоя­ние (что необходимо для его группировки). Это вынуждает использовать высокое напряжения питания и довольно массивную магнитную фокуси­рующую систему. Кроме того, использование резонаторов подразумевает, что прибор должен иметь узкую полосу частот (доли или единицы про­центов). Тем не менее, в настоящее время клистроны широко использу­ются для усиления СВЧ колебаний в связи, радиолокации, ускорительной технике.

 

 

В погоне за увеличением мощности клистрона приходится заметно по­вышать напряжение питания. Поскольку в 50-е годы у нас в стране не уда­валось изготовить надежные малогабаритные высоковольтные источники питания, то разработчики электронных приборов пошли другим путем. Была предложена идея многолучевой конструкции клистрона (СВ. Коро­лев, Зусмановский), в которой несколько электронных потоков, не «видя» друг друга, проходят через общие резонаторы, что позволяет суммировать мощности, создаваемые ими.

Это дает возможность наращивать мощность лампы, увеличивая ее ток, а не напряжение. При этом существенно уменьшаются габариты и масса самой лампы и ее источника питания. Заодно удается суще­ственно расширить полосу частот (до 10—17%). Однако за эти преиму­щества приходится платить. В многолучевой конструкции, как правило, не удается использовать компрессию пучка в пушке, из-за чего при­ходится сильно увеличивать плотность тока, отбираемого с катода, что в свою очередь предполагает необходимость повышения температуры ка­тода, повышенное испарение активного вещества катода и неизбежное сокращение срока службы лампы. Из-за этого многолучевые клистроны нашли применение в основном в военных системах, где наиболее важны предельные параметры, а стоимость прибора и срок службы уходят на второй план.

Предвестник клистрона — СВЧ генератор, использующий модуляцию скорости пучка, был предложен А. Арсеньевой и О. Хейлем1 в 1933 г. Кли­строн был изобретен в 1937 г. братьями Вариан, которые приспособили не-

 

 

давно изобретенный Хансеном объемный резонатор для группировки пуч­ка в клистроне (рис. 8.4), а публикация об этом появилась в 1939 г. [4].

Стенфордский университет выделил братьям на эту разработку 100 дол­ларов, из которых на прибор была потрачена половина. От этой разработки университет получил прибыль более 2,5 млн долларов и большую часть той репутации, которой он сейчас пользуется во всем мире. Братья Вариан орга­низовали фирму «Вариан», которая впоследствии стала одним из крупнейших производителей мощных СВЧ ламп. В СССР конце 30-х годов под руковод­ством Н.Д. Девяткова также были созданы пролетные клистроны сантиме­трового диапазона [5]. В это же время независимо работы по разработке кли­строна проводились Ю.А. Кацманом в Ленинграде [6]. Вообще этой проблеме в СССР уделялось очень большое внимание. Например, в 1945 г. сразу после победы Н.Д. Девятков был откомандирован в Берлин, где у развалин рейхстага нашли остатки немецкой СВЧ лаборатории. Впоследствии часть немецких спе­циалистов по СВЧ электронике была вывезена в Советский Союз для помощи в организации производства СВЧ приборов (подобно тому, как у американцев работал Вернер фон Браун), а через несколько лет вернулась на родину.

 

8.5. Лампа бегущей волны

 

Клистронный принцип усиления СВЧ колебаний явился естественным продолжением триодного подхода. В обоих случаях пучок взаимодействует с входным сигналом в малом зазоре входного резонатора. Для того чтобы влияние сигнала на пучок было значительным, на этом зазоре приходится развивать значительное СВЧ напряжение. Это приводит к большим токам и значительным потерям СВЧ мощности (в триоде — большим, в клистро­не — меньшим). Кроме того, малое время взаимодействия приводит к за­метному влиянию собственных шумов пучка. Если бы каждый из электро­нов пучка взаимодействовал с СВЧ полем дольше и если бы он «видел» поле СВЧ сигнала постоянным, т. е. не меняющимся во времени, то тогда эффект влияния этого поля на электрон мог бы накопиться, и величину поля можно было бы сделать небольшой. В результате потери СВЧ мощно­сти были бы небольшими, а кроме того из-за усреднения в течение большо­го времени взаимодействия, влияние флуктуации пучка на шумы прибора существенно понизились бы. Но как этого добиться? Решение этой задачи первому пришло в голову австрийскому инженеру Рудольфу Компфнеру. По образованию он был архитектором и до войны 8 лет работал по этой специальности в Великобритании. С началом войны он был интерниро­ван, и у него появилось время для занятий физикой! Вскоре его привлек­ли к работам на Военно-морское министерство по клистронам. Но дома он пытался придумать иные принципы усиления1. Он осознал, что если заставить СВЧ сигнал распространяться в каком-то направлении в виде волны с замедленной скоростью (скорость электронов всегда меньше ско­рости света) и пустить электронный пучок с той же скоростью, то каждый электрон «увидит» неменяющееся поле, так что эффект его действия может накапливаться. Если, к тому же, поле волны направлено вдоль направ­ления ее распространения (продольная волна), то электроны, попавшие в тормозящую фазу поля, будут постепенно замедляться, а электроны, на­ходящиеся в ускоряющей фазе, будут ускоряться и догонять замедленные. Таким образом, в лампе образуются сгустки, которые могут эффективно взаимодействовать с волной и отдавать ей свою энергию. Этот прибор по­лучил название лампы бегущей волны (ЛБВ). Каким же образом можно замедлить электромагнитную волну? В мире было предложено большое количество вариантов замедляющих систем, но со временем основную роль стали играть два типа. Первый — это так называемые спиральные замед­ляющие системы, изобретенные еще Компфнером [7] (рис. 8.5).

В такой системе волна бежит вдоль провода, свернутого в спираль (а пучок летит прямо вдоль оси спирали), поэтому распространение вол­ны вдоль оси замедляется пропорционально длине окружности и обратно пропорционально шагу спирали. К тому же поскольку СВЧ поле почти перпендикулярно проводу спирали, оно имеет значительную продольную

 

 

составляющую, которая велика внутри спирали (т. е. там, где проходит электронный пучок) и мала вне ее. Фактически спиральная замедляющая система является некоторой модификацией коаксиальной линии и подобно последней способна работать в очень широкой полосе частот (перекрытие по частоте может достигать 10). К тому же она очень эффективно взаи­модействует с пучком — электрическое поле волны находится в основном внутри спирали в области прохождения пучка. Единственный, но очень серьезный недостаток такой системы — плохой теплоотвод от спирали, ко­торая нагревается как протекающими по ней токами, так оседающими на ней электронами пучка, имеющими высокую энергию. По этой причине спиральные ЛБВ применяются при уровне мощностей, не превышающем несколько сотен ватт. Но зато здесь им нет конкурентов: очень широкая полоса, большое усиление (~50 дБ), высокий КПД (до 75%), большой срок службы (более 100000 часов), малые габариты и масса. Это привело к тому, что практически вся спутниковая связь базируется на лампах этого типа.

Однако погоня за высокой мощностью заставляла искать другие типы замедляющих систем, обеспечивающих связь через хорошо проводящий тепло металл между областью, где проходит пучок и корпусом прибора. В результате был предложен второй тип замедляющих систем — цепочка связанных резонаторов. Оказывается, что набор тороидальных резонато­ров (таких же как в клистроне), в котором каждый связан с соседними резонаторами через отверстия в общих стенках, также способен вести замедленную электромагнитную волну. При этом обеспечивается хороший теплоотвод через медные стенки резонаторов, что позволяет достичь уров­ня средней мощности в несколько киловатт.

Следует заметить, что одним из главных озарений Компфнера было осознание неожиданного на первый взгляд факта: для того чтобы получить от лампы устойчивое усиление, нужно внести в нее достаточно высокие потери. Действительно, на практике всегда существует некоторое отраже­ние СВЧ сигнала от концов спирали (там, где происходит переход от спи­рали к подводящему тракту). Поэтому сигнал, поданный на вход лампы, не имеющей потерь, проходит к выходу, усиливаясь, затем отражается от выходного конца лампы, проходит без ослабления ко входу, где снова от­ражается, складываясь с первоначальным сигналом, и снова усиливается. Это означает, что лампа бегущей волны, не имеющая внутренних потерь и имеющая значительное усиление, обязательно загенерирует и не будет работать как усилитель. Если же внутри лампы будут присутствовать зна­чительные потери, то сигнал, отраженный от выхода прибора, затухнет на обратном пути.

Мы здесь не коснулись целого ряда областей вакуумной СВЧ электро­ники, отличающихся красотой используемых идей, но не имеющих пока массового применения:

сверхмощные генераторы миллиметрового излучения — гиротроны, которые используются для нагрева материалов и плазмы в термоя­дерных реакторах;

•     вакуумные микроэлектронные приборы, основанные на электрон­ных пучках, создаваемых холодными автоэмиссионными катодами, и сочетающие достоинства вакуумных и полупроводниковых при­боров. Для их изготовления используются технологии полупрово­дникового производства;

•     сверхмощные СВЧ приборы для ускорения элементарных частиц, с помощью которых исследуют фундаментальные проблемы миро­здания;

генераторы миллиметрового излучения, использующие открытые резонаторы — оротроны.

Клистроды — мощные приборы дециметрового диапазона, представ­ляющие гибрид триода и клистрона. В последнее время они используются для телевизионных передатчиков.

 

8.6. Полупроводниковая СВЧ электроника

 

Следует заметить, что в то время как в вакуумной СВЧ электронике погоду делают приборы (ЛБВ, клистроны), для которых не существует аналогов в низкочастотной области, в полупроводниковой СВЧ электронике ситуа­ция строго противоположна: в основном используются аналоги низкоча­стотных приборов (полевые и биполярные транзисторы), а все попытки предложить жизнеспособный вариант принципиально высокочастотного прибора (например диод Ганна или ЛПД) окончились неудачей. По види­мому, это означает, что основные прорывы здесь впереди.

В настоящее время в полупроводниковой СВЧ электронике можно вы­делить два основных сектора, различающихся диапазоном частот. В секто­ре до частот 2,5—3 ГГц, где еще применимы дешевые кремниевые приборы и имеется большое число производственных фабрик, наблюдается настоя­щий бум в развитии разнообразных систем связи и новых сервисов и при­боров в основном гражданского применения. Сюда относятся различные виды сотовой телефонии и беспроводных телекоммуникационных сетей: WiFi, Bluetooth, WiMAX, ZeegBee, WLAN и др. В области частот выше границы в 3 ГГц кремниевые приборы, как правило, становятся неэффективными, и на смену им приходят более дорогие арсенид-галлиевые. Здесь число гражданских применений заметно ниже, производство оказывается гораздо менее массовым, зато преобладают сложные военные системы свя­зи и локации с очень высокими параметрами.

 

8.7. Транзисторы

 

Следует констатировать, что среди полупроводниковых СВЧ усилителей нет приборов, не имеющих аналогов в низкочастотной области. Факти­чески сюда были перенесены с минимальными изменениями те приборы и принципы усиления, которые существуют, например, в усилителях зву­ковой частоты. Фактически все используемые в промышленности приборы работают по принципу управляемого резистора. Входной сигнал управляет толщиной проводящего ток канала и, таким образом, изменяет выходной ток. По большому счету можно говорить о трех основных типах актив­ных СВЧ приборов: кремневые CMOS транзисторы, кремневые гетеробиполярные транзисторы и арсенид-галлиевые полевые транзисторы (MES-FET и рНЕМТ). Первый тип транзисторов широко используется благодаря крайней дешевизне материала — кремния и наличию хорошо отработан­ной технологии и заводов по производству транзисторов и микросхем этого типа. Фактически в этом случае используются фабрики по производству цифровых интегральных схем для создания в одном технологическом про­цессе цифровых и аналоговых (СВЧ) компонентов. Однако диапазон ча­стот, в котором применяются такого рода приборы, не превышает 1—2 ГГц. Более высокочастотными оказываются кремниевые гетеробиполярные транзисторы, которые занимают нишу до 3 ГГц. Наконец, выше 3 ГГц ис­пользуются арсенид галлиевые транзисторы.

Рассмотрим для примера работу наиболее важного и распространен­ного полупроводникового СВЧ прибора — гетероструктурного полевого транзистора с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Рабочей обла­стью транзистора является тонкий слой (~0,2 мкм) высококачественного, бездефектного полупроводника, выращенный на поверхности полупрово­дниковой подложки более низкого качества (рис. 8.6).

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

 

Для того чтобы дефекты в подложке не влияли на процессы в ак­тивном слое, на подложке вначале перед активным слоем выращивается буферный слой. В процессе роста активного слоя выращивается так­же канал — слой нелегированного полупроводника GaAs, не имеющего примесей (и, соответственно, дефектов), но и непроводящий. Затем вы­ращивается спейсер — нелегированный слой AlGaAs. Поверх спейсера выращивается очень тонкий сильно легированный слой AlGaAs, кото­рый имеет высокую электронную концентрацию и служит источником электронов для канала. В этом слое подвижность электронов мала из-за большой концентрации доноров-дефектов. Спейсер необходим для того, чтобы надежно отделить электроны, попавшие в канал, от легирован­ного слоя-источника AlGaAs. На поверхность полупроводника наносят­ся выводы истока и стока — две металлические площадки с плавными переходами от полупроводника к металлу — омическими контактами. Для уменьшения сопротивления контактов в местах расположения пло­щадок имеется слой полупроводника GaAs с сильным легированием и высокой проводимостью. Между истоком и стоком в специальном углублении находится еще один металлический электрод — затвор с рез­кой границей между металлом и полупроводником. На этой границе об­разуется барьер Шоттки, который не позволяет электронам из металла проникнуть в полупроводник. Различие характеристик контактов ис­тока и стока, с одной стороны, и затвора — с другой, объясняется тем, что площадки истока и стока наносятся раньше и проходят процедуру вжигания, когда при высокой температуре атомы металла и полупро­водника диффундируют и перемешиваются в приграничной области, образуя омический контакт без барьера. Затвор наносится позднее и не вжигается, поэтому его резкая граница сохраняется и образует барьер1. Поскольку полоску затвора необходимо иметь как можно более узкой (говорят, что затвор должен быть коротким, см. ниже), то для уменьше­ния ее сопротивления сверху на затвор наносят толстый слой металла, придавая затвору Т-образную форму.

Работа транзистора происходит следующим образом. Электроны не могут быть зажаты в легированном слое-источнике AlGaAs в силу своих квантовых свойств. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга они образуют некоторое облако, причем большая их часть оказывает­ся в канале (в спейсере их мало в силу энергетических соображений). Это облако в канале называется двумерным электронным газом, посколь­ку электроны могут свободно двигаться вдоль канала и не могут двигать­ся поперек него — говорят, что их движение в этом направлении кванто­вано. Поскольку большая часть электронного облака находится в области бездефектного канала, то их движение происходит практически без стол­кновений с примесями, поэтому они обладают очень высокой подвиж­ностью. Таким образом, канал обладает очень малым сопротивлением, и он может замыкать между собой исток и сток транзистора. При подаче на затвор отрицательного напряжения по отношению к истоку поле затвора отталкивает электроны от него, образуя вблизи затвора обедненную область. Если отрицательное напряжение затвора растет, то обедненная область увеличивается и перекрывает канал, т. е. поле затвора, близко расположенного к каналу, превышает поле, создаваемое стоком, и сильно влияет на ток истока. Ток через транзистор прекращается, прибор закры­вается. Таким образом, меняя напряжение на затворе в небольших преде­лах, можно сильно изменять ток транзистора и ВЧ мощность в нагрузке. Выходная мощность транзистора определяется током (зависящим от кон­центрации и подвижности электронов в канале) и возможностью подать на сток достаточно высокое напряжение питания, что ограничивается пробивным напряжением прибора, определяемым электрофизическими свойствами материала.

Из описанного принципа работы НЕМТ транзистора ясно, что для того чтобы ток успевал следовать за изменениями напряжения на затворе, нужно, чтобы время пролета электронов мимо затвора не превышало по­ловины периода ВЧ колебаний. В свою очередь, это время пролета опре­деляется длиной затвора и подвижностью электронов. Поэтому в погоне за высокой рабочей частотой транзистора стремятся делать затвор как можно более коротким (в настоящее время его длина обычно не превы­шает 0,2 мкм), а подвижность электронов увеличивают за счет исполь­зования двумерного электронного газа или новых полупроводниковых материалов.

Следует сказать, что и для других типов полупроводниковых приборов всегда есть некоторый конструктивный размер и некоторая характеристика подвижности носителей, определяющие частотную границу работы прибо­ра. По этой причине вся история продвижения приборов в область высо­ких частот — это борьба с технологическими проблемами по уменьшению разрешения литографического оборудования. Современные электронные литографы имеют разрешение 0,03—0,05 мкм, но имеют малую произво­дительность. Фотолитография также приближается к этому диапазону, но имеет в тысячи раз более высокую производительность.

В настоящее время наиболее распространен вариант НЕМТ — псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью (рНЕМТ), отличающийся тем, что канал выращивается не из GaAs, а из InGaAs. Этот материал име­ет период решетки, отличающийся от GaAs, что приводит к механическим напряжениям в канале, которые в свою очередь заметно увеличивают под­вижность и скорость носителей в канале. Кроме того, этот слой способен обеспечить большую концентрацию носителей.

По-видимому, первый полевой транзистор из GaAs был создан Джи­мом Тернером в Plessey Research (Caswell) в 1962 г. [8]. Первые прибо­ры имели длину затвора 24 мкм и работали в УКВ диапазоне. В 1967 г. появился первый коммерческий транзистор с длиной затвора 4 мкм, ко­торый продемонстрировал усиление 10 дБ на 1 ГГц. Он назывался GAT1 и выпускался фирмой Plessey Optoelectronics and Microwave Ltd. В 1971 г. появился транзистор GAT3 с длиной затвора 1 мкм, изготовленный с по­мощью электронного литографа и продемонстрировавший усиление на частоте 10 ГГц.

 

8.8.  Гибридные интегральные схемы

 

Исторически гибридные интегральные схемы СВЧ (ГИС СВЧ) были пер­вым шагом к повышению уровня интеграции СВЧ устройств.

В отличие от интегральных схем, работающих в более низкочастотных диапазонах, в СВЧ области длина и форма проводников, емкости элемен­тов играют решающую роль. Поэтому сложность проектирования инте­гральных схем резко возрастает с ростом частоты. Это требует применения сложных программ и методов моделирования работы такой схемы, нередко включающих трехмерное моделирование распространения электромагнит­ных волн в структурах интегральной схемы.

В ситуации,- когда отдельные СВЧ компоненты (в первую очередь, транзисторы и диоды) имели большой разброс параметров и малый про­цент выхода, пытаться на одном кристалле создать целую схему означало не получить ни одного годного прибора на выходе. Действительно, если процент выхода СВЧ транзисторов составляет 10%, то процент выхода схемы, содержащей 10 транзисторов, составляет (0,1)'° = 10~ш ничтожно малую величину. Кроме того кремний, имея довольно высокую про­водимость (и значит, высокие СВЧ потери), плохо подходит как мате­риал для подложки СВЧ схемы. Выход из этой проблемы был найден давно: нужно создавать кристаллы транзисторов отдельно, отбирать из них годные, а затем монтировать их на специальной диэлектрической подложке, на которой располагаются пассивные компоненты. В качестве такой подложки используют диэлектрики с малыми потерями: сапфир, поликор, а в последнее время специальную керамику с низкой темпера­турой обжига (LTCC), что позволяет спекать многослойные интеграль­ные схемы СВЧ. Технология ГИС была первой, широко используемой в полупроводниковой СВЧ технике, она применяется и поныне, одна­ко в ближайшем будущем она исчезнет в своем нынешнем виде в силу ее дороговизны. На смену ей разрабатывается технология, в которой на едином носителе монтируются не отдельные транзисторы, а монолитные интегральные схемы

 

8.9.  Новые полупроводниковые материалы

 

Здесь уже упоминалось о том, что полупроводниковая СВЧ электроника до сих пор базировалась в основном на кремниевых и арсенид-галлиевых приборах. Однако в последние годы широко исследуются новые материа­лы. С одной стороны, развитие кремниевой технологии пошло по пути использования сплава кремний-германий, который позволяет поднять ча­стотную границу электронных приборов до нескольких единиц гигагерц и при этом использовать дешевые технологические процессы, а также все заводы и оборудование, разработанные для кремния.

С другой стороны, интенсивно исследуются широкозонные полупро­водники: соединения типа А3В5: нитрид галлия, карбид кремния, алмаз, имеющие более широкую запрещенную зону, что сильно увеличивает пробивные напряжения транзисторов и их температурный диапазон1. Это, в свою очередь, позволяет существенно увеличить выходные мощ­ности транзисторов.

Если необходимо иметь малошумящий усилитель при малом уровне сигнала, но на очень высоких частотах, то, как указывалось выше, необ­ходимо стремиться увеличивать поверхностную концентрацию электро­нов в канале, что достигается увеличением содержания индия в слое-источнике. Однако слои с очень высокой концентрацией индия не могут быть выращены на подложке из GaAs. Поэтому на смену им в очень высо­кочастотных применениях используют подложки из фосфида индия InP, которые позволяют иметь гетероструктуры с высокими содержаниями индия. К сожалению, этот материал имеет малую ширину запрещенной зоны и, потому, малые пробивные напряжения и выходные мощности транзисторов.

 

8.10. Монолитные интегральные схемы

 

Монолитные СВЧ схемы, как правило, имеют невысокий уровень инте­грации — не более 10—20 транзисторов, что контрастирует с цифровыми схемами, где процессор с тактовой частотой 3 ГГц может иметь несколько миллионов транзисторов. Почему это так? Оказывается, задача достижения

 

 

 

 

 

 

минимального коэффициента шума или максимального кпд и мощности требует тщательной подгонки согласования характеристик отдельных узлов схемы, что является гораздо более трудной задачей, чем простое переклю­чение маломощного транзистора из запертого в открытое состояние.

Первая пассивная СВЧ монолитная схема появилась в 1968 году в ком­пании Texas Instruments — это был смеситель на 94 ГГц с диодами Шоттки [9]. Там же были описаны (но, по-видимому, не изготовлены) монолитные схемы генератора на диоде Ганна и умножителя.

Первая усилительная СВЧ монолитная схема была спроектирована, но не реализована в 1969 году сотрудником компании Marcony Caswell Ltd Майклом Геем (рис. 8.7). Вдохновленные его идеей сотрудники Caswell Пенгелли и Тернер изготовили и испытали первую в мире МИС (рис. 8.8) [101.

Ее создатели использовали недавно появившиеся подложки из высо-коомного GaAs, который оказался довольно хорошим изолятором, поэтому на подложке удалось разместить кроме активных элементов также и пас­сивные элементы — индуктивности, конденсаторы. В 1982 г. была проде­монстрирована сверхширокополосная МИС в диапазоне 0—12 ГГц [11]

С тех пор интерес к СВЧ МИС рос лавинообразно. В США мини­стерством обороны была запущена государственная программа по разра­ботке промышленной технологии СВЧ МИС — MIMIC, которая привела к удешевлению технологии и быстрой ее коммерциализации с внедрением в различные гражданские области.

В настоящее время и в будущем СВЧ МИС являются элементарными кирпичиками (атомами), из которых собираются более сложные узлы и си­стемы.

 

Литература

 

[1]    Brittain J. E. The magnetron and the beginning of the microwave age. Phys. Today. 1985, v. 33, № 7, p. 60.

[2] Алексеев Н. В., Маляров Д. Е. Получение мощных колебаний магнетро­нов в сантиметровом диапазоне волн//ЖТФ. 1940. Т. 10. № 15. С. 1297. (Proc. IRE. 1944, v. 32, р. 136).

[3] Boot H.A.H., Randall J.T. Historical notes on the cavity magnetron/IEEE Trans, on ED 1976, v. ED-23, № 7, p. 724

[4] Varian R., Varian S. High frequency oscillator and amplifier//Journal of Appl. Phys. 1939, v. 10. p. 321.

[5] Девятков Н.Д., Данильцев Е.Н., Пискунов И. В. О колебательных ре­жимах клистрона//ЖТФ. 1941. Т. 11. Кг 15-16. С. 1348.

[6]   Каиман Ю.А. Создание русского клистрона. СПб., 1997.

[7] Kompfner R. The invention of the traveling wave tube. San-Francisco: San-Francisco Press, 1964.

[8] Turner J.A. History of GaAs FET at Caswell (1964-1985). IEE colloquium on modeling, design and application of MMlCs. London, 1994, digest # 1994/092, p. 1/1-1/3.

[9] Mao S., Jones S., Vendelin G. D. Millimeter-wave integrated circuits//IEEE Journal of Solid State Circuits. 1968, SC-3(2), p. 117-123.

[10] Pengelly R.S., Turner J.A. Monolithic broadband GaAs FET amplifiers/ Electronics Letters, 1976, 12(10), p. 251-252.

[11]   Strid E.W., Gleeson K.R. A DC-12 GHz monolithic GaAs FET distributed amplifier/IEEE Trans, on MTT, 1982, MTT-30 (7), p. 969-975.

 

ЛЕКЦИЯ 9

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

 

Зверев Георгий Митрофанович, д.т.н., профессор. Окон­чил в 1956 г. физический факультет МГУ. Работая до 1964 г. в МГУ под научным руководством академика A.M. Прохорова, защитил в 1960 г. кандидатскую дис­сертацию. Зверев Г. М. принимал участие в создании первых отечественных квантовых парамагнитных уси­лителей СЕЧ, за что был удостоен Государственной пре­мии СССР (1976).

Дальнейшая работа  Зверева  Г. М.  связана  с  НИИ «Полюс». Созданное им научно-техническое направление твердотельных лазеров и приборов на их основе разрабо­тало и обеспечило серийное производство многих элементов и приборов кван­товой электроники. В 1983 г. удостоен Ленинской премии за работы в обла­сти специальной техники.

Многие годы читает лекции по квантовой электронике в Московском физико-техническом институте. Под его научным руководством защищено более 20 кандидатских диссертаций. 7 учеников Зверева Г. М. впоследствии успешно защитили докторские диссертации. Автор более 200 научных работ и 2 монографий.

Действительный член Российской академии инженерных наук, заслужен­ный деятель науки Российской Федерации (2006).

 

Квантовая электроника (КЭ) является разделом электроники — науки о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о приборах, использующих это взаимодействие для целей передачи, обработки и хране­ния информации, генерирования электромагнитной энергии. Электроника как наука появились в самом начале XX века, вскоре после открытия элек­трона — наилегчайшей частицы вещества, обладающей элементарным от­рицательным зарядом, — е (Дж. Дж. Томсон, 1897). Первым электронным прибором стал вакуумный диод (Флеминг, 1904). При дальнейшем разви­тии электроники были созданы вакуумные приемно-усилительные и гене­раторные лампы, приборы СВЧ электроники — магнетроны, клистроны, лампы бегущей и обратной волны, фотоэлектронные приборы — фотоум­ножители, приемные и передающие телевизионные трубки и др. Появление полупроводников привело к созданию электронных полупроводниковых приборов — диодов, транзисторов, интегральных схем. Микроэлектроника создала техническую базу для появления компьютеров.

Электроника в целом является техническим фундаментом радиосвя­зи, телевидения, радиолокации, информатики и вычислительной техники, основой современного информационного этапа развития человеческой ци­вилизации.

Во всех классических электронных приборах используются свободные (в вакуумных приборах) или квазисвободные (в полупроводниках) элек­троны, обладающие непрерывным (квазинепрерывным) энергетическим спектром, т. е. набором разрешенных энергетических состояний.

В приборах квантовой электроники используются квантовые перехо­ды между дискретными энергетическими уровнями связанных электро­нов, входящих в состав атомов, молекул или твердых тел. Важным для КЭ является понятие кванта излучения — порции электромагнитной энергии с частотой v, возникающей или исчезающей при квантовых переходах в ве­ществе. Впервые понятие кванта, т. е. минимальной порции энергии Av, ввел М. Планк в 1900 г. Он решал проблему излучения абсолютно черного тела температуры Т и вначале интуитивно угадал, а затем обосновал знаме­нитую формулу для спектральной интенсивности излучения черного тела:

                          (9.1)

Формула дала блестящее согласие с экспериментом. Планк сумел дать интерпретацию своей формуле, предположив дискретность энергетических состояний осцилляторов поля и допустив, что разность энергии соседних состояний ε = hv, где h — постоянная Планка, v — частота осциллятора, а с в формуле (1) — скорость света.

Идеи Планка о квантовании энергии были поддержаны и получили развитие в теории атома Бора (1913), последний связал частоту атомных переходов v с разностью энергий атомных уровней Е2 и Е1: hv = Е2 - Е, и нашел значения уровней энергии Еп для атома водорода. Однако одной идеи квантов было недостаточно для создания приборов КЭ — мазеров и лазеров.

Идея создания мазера — квантового монохроматического источника СВЧ излучения и лазера — когерентного направленного источника опти­ческого излучения — основывается на понятии вынужденного (индуцированного) излучения. Впервые процесс индуцированного излучения был введен Эйнштейном в 1916 г. Он также рассматривал тепловое излучение черного тела и, исходя из принципа детального равновесия квантовых пе­реходов между уровнями, установил, что наряду со спонтанным не зави­сящим от наличия внешнего электромагнитного поля излучением должно существовать вынужденное излучение, пропорциональное плотности воз­действующего излучения ρυ.

Действительно, вероятность переходов вниз с квантового уровня п на уровень т (рис. 9.1)

где Апт — вероятность спонтанных, a Bnmpv — вероятность вынужденных переходов.

 

 

Соответственно, вероятность переходов вверх Wmn = Вmn pv. Эйнштейн показал, что коэффициенты вынужденного поглощения Втп и излучения Впт для невырожденных уровней пит совпадают, а вероятность спонтан­ного излучения Атп и коэффициент вынужденного излучения Втп связаны

соотношениями:

,                                              (9.2)

Вmn =Вnm   .                                               (9.3)

Эти соотношения названы именем Эйнштейна. Формулы (9.2) и (9.3) являются универсальными, отражают объективный закон природы и спра­ведливы при любых температурах и для любых веществ. Сильная кубичная зависимость вероятности спонтанного излучения от частоты излучения (9.2) говорит о важности спонтанного излучения для квантовых переходов оптического диапазона и о его практическом отсутствии в СВЧ диапазо­не.

Эффекты спонтанного излучения и вынужденного поглощения в те годы были хорошо известными оптическими явлениями люминесценции и поглощения, однако вынужденное излучение на опыте не наблюдалось.

Дальнейшее развитие понятие вынужденного излучения получило в 1927 г. в трудах Дирака, создавшего строгую квантовомеханическую тео­рию излучения. Если Эйнштейн лишь высказывал соображения о совпа­дении частот и направления распространения падающего и вынужденного излучений, то Дирак установил, что кванты вынужденного и вынуждаю­щего излучений когерентны, т. е. совпадают по частотам, направлению распространения и поляризации. Именно когерентность вынужденного излучения позволяет использовать это явление для усиления электромаг­нитных колебаний и генерации излучения различных диапазонов волн.

После работ Эйнштейна и Дирака понятие вынужденного излучения стало общепринятым, однако экспериментально все еще никем не наблю­далось.

В 1928 г. Ладенбург и Копферман опубликовали статью об исследовании отрицательной дисперсии в веществе методом крюков Рождественского — сильных изменений показателя преломления вблизи линий поглощения в веществе. Они сделали вывод, что ее можно наблюдать в условиях отрицательного поглощения (абсорбции). Они ясно понимали роль инверсии населенностей энергетических уровней как необходимого условия для на­блюдения отрицательного поглощения.

При тепловом равновесии атомы распределены по энергетическим уровням в соответствии с распределением Больцмана, при этом населен­ности уровней типе энергиями Ет и Еп {Ет < Еп, рис. 9.1), Nm и N связаны соотношением:

,                             (9.4)

где ΔEnm = Еп — Ет, причем в тепловом равновесии Nm > Nn и атомная систе­ма способна лишь поглощать падающее излучение. Инверсия населенно­стей — это состояние, когда Nn > Nm. Ладенбург и Копферман предложили также и путь к созданию инверсии населенности — специальное избира­тельное возбуждение уровней в газовом разряде.

В 1939 г. советский ученый В. А. Фабрикант в своей докторской диссер­тации прямо обсуждал возможность наблюдения отрицательной абсорб­ции и впервые указал на возможность усиления света за счет процессов индуцированного излучения. Однако эта работа, опубликованная в 1940 г. в трудах ВЭИ, не привлекла внимания и не повлияла на развитие кван­товой электроники. Тем не менее, в 1951 г. В.А. Фабрикант, М.М. Вудын-ский и Ф. А. Бутаева получили авторское свидетельство на способ усиления электромагнитных излучений, а в 1964 г. — диплом на открытие.

В 1928 г. индийские ученые Ч. Раман и К. Кришнан опубликовали со­общение, в котором ошибочно интерпретировали фиолетовую компоненту недавно открытого ими комбинационного рассеяния света как процесс от­рицательной абсорбции. В их условиях можно было наблюдать лишь спон­танное комбинационное рассеяние света, теория которого была построена Г. С. Ландсбергом и С. Л. Мандельштамом, открывшими комбинационное рассеяние в кристаллах кварца. Вынужденное комбинационное рассеяние удалось впервые наблюдать лишь в 1962 г. с использованием рубинового лазера при интенсивностях световых потоков на много порядков выше, чем у Рамана и Кришнана.

Явление вынужденного излучения впервые наблюдалось в 1950 г. в ра­диодиапазоне. К этому времени большое развитие получили радиоспектро­скопические методы исследования вещества. В радиодиапазоне вероятно­сти спонтанных переходов по отношению к вынужденным в соответствии с формулой (9.2) резко уменьшаются и можно наблюдать, как правило, лишь вынужденные процессы поглощения и излучения. В 1950 г. Парселл и Паунд впервые получили инверсию населенностей для энергетических уровней, расщепление между которыми лежало в радиодиапазоне. Инвер­сия достигалась методом внезапного обращения направления внешнего магнитного поля, при котором нижние и верхние энергетические уровни магнитных моментов ядер лития Li7 менялись местами, и система оказыва­лась в состоянии с так называемой отрицательной спиновой температурой, при которой населенность верхних уровней превышала населенность ниж­них. Вследствие инверсии населенностей экспериментально наблюдалось

усиление малого пробного сигнала за счет вынужденных переходов. Вы­числения показывают, что коэффициент усиления за счет вынужденных переходов между уровнями 2 и 1 к:

                 (9.5)

где п — показатель преломления вещества, g(v) — фактор, учитывающий ширину линии атомного перехода, В21 — коэффициент Эйнштейна для вы­нужденного перехода, Ni — населенности уровней, a gi. — статистический вес уровня. Усиление возможно только тогда, когда возникает инверсия населенностей.

т. е. когда 

Первым прибором, использовавшим явление вынужденного излучения для генерации электромагнитных волн, стал молекулярный генератор на пучке молекул аммиака. Создание молекулярного генератора стало воз­можным на основе широких радиоспектроскопических исследований мо­лекул, предпринятых в послевоенные годы в СССР и США.

В 1954 г. в СССР Н.Г. Басовым и A.M. Прохоровым и в США Гордо­ном, Цайгером и Таунсом для генерации СВЧ колебаний было предложено использовать пучок возбужденных молекул аммиака NH3 (рис. 9.2), отсо­ртированных квадрупольным конденсатором, и пролетающих объемный резонатор; была создана теория молекулярного генератора и осуществлен первый такой генератор. Этими работами была от­крыта новая эра в развитии электроники — эра квантовой электроники, почва для которой была подготовлена трудами предшественников, начиная с Эйнштейна.

В 1964 г. Н.Г. Басову, A.M. Прохорову и Ч. Таунсу за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, которые привели к созда­нию генераторов и усилителей нового типа — ма­зеров и лазеров, была присуждена Нобелевская премия по физике. Название «мазер» является аб­бревиатурой английских слов «Microwave Amplifica­tion by Stimulated Emission of Radiation», означающих «Усиление СВЧ волн вынужденным испусканием излучения», а «лазер» — сокращение «Light Amplifi­cation by Stimulated Emission of Radiation», означает «Усиление света вынужденным излучением».

Первый молекулярный генератор представлял собой вакуумный прибор (рис. 9.3), в объем кото­рого через систему тонких каналов истекал из бал­лона аммиак.

.

 

 

Пучок молекул направлялся вдоль сортирующей системы. Сортирую­щая система (квадрупольный конденсатор с напряжением 15 кВ, состоя­щий из четырех протяженных металлических стержней) оставляла на оси пучка только возбужденные молекулы, стремящиеся в область с мини­мальным значением электрического поля, а невозбужденные — отбрасы­вала на периферию прибора (рис. 9.4). Сфокусированный квадрупольным конденсатором пучок возбужденных молекул пролетал через объемный цилиндрический резонатор, в котором возбуждались колебания типа ТЕ0|. Возбужденные молекулы отдавали свою энергию резонатору за счет вынуж­денных переходов. Мощность генерации была очень невелика (~10~9 Вт), однако стабильность частоты генерации, жестко привязанной к частоте квантового перехода между двумя инверсионными энергетическими уров­нями молекулы аммиака, была исключительно высокой (Δν/ν = 10-10).

Если в существовавших ранее радиотехнических генераторах стабиль­ность частоты определялась резонансными свойствами колебательного контура, в молекулярном генераторе вместо колебательного контура вы­ступила система энергетических уровней молекулы аммиака.

 

            Стабильность частоты такого перехода определя­ется шириной спектральной линии молекулы, что позволяет получить эквивалентную добротность (отношение v/Av) на много порядков выше, чем ве­личины, доступные для обычных колебательных контуров СВЧ диапазона. Впоследствии молекуляр­ные генераторы получили применение в качестве стандартов времени и частоты.

В дальнейшем явление вынужденного излучения было использовано для усиления слабых сигналов    рис. 9.5. Система из при разработке квантовых парамагнитных усилите-    трех уровней лей (КПУ). В них был использован предложенный в 1955 г. Н. Г. Басовым и A.M. Прохоровым трехуровневый метод получе­ния инверсии населенностей с помощью вспомогательного излучения.

В системе из трех уровней (рис. 9.5) при тепловом равновесии населен­ности N]0, N20, N30 подчиняются распределению Больцмана (9.4). Подавая между уровнями 1 и 3 мощное вспомогательное излучение от внешнего ис­точника, можно достичь эффекта насыщения, когда населенности уровней N1h и N3h под действием накачки уравняются, т. е. NlH = N3H, а населенность 2-го уровня изменится слабо. Тогда возможно, что N3h >N20 и возникает инверсия населенностей, т. е. случай, когда населенность верхнего уровня превышает населенность нижнего.

Предложение о создании парамагнитного усилителя (рис. 9.6) было впервые высказано Н. Бломбергеном (США) в 1956 г. Первый успешный эксперимент с парамагнитным усилителем на частоте 9 Ггц, использующим парамагнитный кристалл этилсульфата лантана с малой примесью гадоли­ния, помещенный в объемный резонатор и возбужденный вспомогатель­ным излучением от генератора СВЧ излучения, был осуществлен в 1956 г.

 

Сковилом, Фехером и Зайделем. В их приборе парамагнитный кристалл вместе с резонатором охлаждался до температуры 1,2 К жидким гелием и размешался во внешнем постоянном магнитном поле 2850 эрстед. -

Собственные шумы квантового парамагнитного усилителя лишь не­значительно превышали температуру криостата и составляли единицы градусов Кельвина. Шумы СВЧ усилителей на электронных пучках из-за дробовых шумов электронного пучка составляли тысячи градусов.

Первые квантовые парамагнитные усилители на кристаллах рубина {Al2О3, с примесью ионов Сr3+), получившие впоследствии практическое применение в системах дальней космической связи и радиоастрономии, были созданы в 1958 г. в СССР и США.

Кристаллы рубина, в отличие от использовавшегося Сковилом выращи­ваемого из водных растворов этилсульфата гадолиния, обладали прекрас­ными эксплуатационными характеристиками: прочностью, твердостью, устойчивостью к влаге и воздействию различных температур. Производство кристаллов опиралось на уже имевшуюся технологическую базу (рубин давно использовался в ювелирном деле как драгоценный камень и в при­боростроении — как материал для опорных подшипников в часах и других точных приборах). Опыт использования рубина в квантовых парамагнит­ных усилителях сыграл впоследствии большую роль при создании первых лазеров на рубине.

Создание первого лазера. Если молекулярные генераторы и квантовые парамагнитные усилители были лишь новыми уникальными научными приборами, открывшими новые пути в технике генерации высокостабиль­ных монохроматических колебаний и усиления слабых сигналов СВЧ диа­пазона, то квантовые генераторы оптического диапазона — лазеры — очень быстро вторглись во многие сферы науки, производства и военной техники. Для их создания потребовалось перенести в оптический диапазон принци­пы генерации электромагнитных волн при вынужденных переходах атомов и молекул, развитые для СВЧ диапазона.

Большой и новой проблемой при этом стало создание оптического ре­зонатора для осуществления обратной связи. В радиотехнике резонаторы (колебательные контуры) состояли из комбинации сосредоточенных кон­денсаторов и катушек индуктивности; в СВЧ диапазоне объемные резона­торы представляли собой металлические полости с характерными разме­рами порядка длины волны излучения. Перенос принципов СВЧ в оптику ставил задачу создания резонаторов микронных размеров. Успеха здесь не могло быть из-за технологических трудностей, а также из-за ничтож­ных мощностей приборов вследствие малого количества активных частиц в объеме резонаторов таких размеров.

Выход был найден при использовании так называемых открытых ре­зонаторов. В 1958 г. A.M. Прохоров предложил использовать в качестве резонатора для субмиллиметровых волн два плоско-параллельных зер­кала, т. е. применить в качестве оптического резонатора интерферометр Фабри —Перо (рис. 9.7). Позднее аналогичное предложение использовать интерферометр Фабри —Перо в качестве резонатора для инфракрасного и оптического излучения высказали Шавлов и Таунс в США.

 

В интерферометре Фабри — Перо размеры пластин и расстояние между ними могут существенно, на много порядков, превышать длину волны из­лучения, но резонаторные свойства при этом сохраняются. Использование закрытых объемных резонаторов таких же размеров не дает результата из-за огромного количества собственных колебаний, перекрытия их частот, приводящего практически к исчезновению резонансных свойств.

В открытых резонаторах резко уменьшается число высокодобротных собственных типов колебаний, остаются только типы колебаний с направ­лением распространения электромагнитного поля, перпендикулярным плоскости отражающих пластин или близким к нему. Численный анализ на ЭВМ, выполненный Фоксом и Ли уже после создания лазеров, показал, что в плоскопараллельном открытом резонаторе существуют устойчивые типы колебаний, обладающие различным распределением поля на отражающих зеркалах (рис. 9.8). Обладающий минимальными диффракционными потерями наинизший тип колебаний ТЕМ00 имеет максимальную амплитуду поля в центре зеркала резонатора, плавно спадающую к краям.

Для реализации квантового генератора оптического диапазона, кроме резонатора, необходимо было предложить конкретное вещество с подходя­щей схемой энергетических уровней, а также метод его возбуждения.

Первый лазер был создан в 1960 г. в США Т. Мейманом на кристалле рубина, возбуждаемом импульсной лампой — вспышкой (рис. 9.9). Пред­ложение использовать рубин для создания лазера обсуждалось в 1959 г. А. Шавловым на I Международной конференции по квантовой электро­нике. При этом отмечались благоприятные особенности схемы энергетиче­ских уровней рубина: широкие полосы поглощения в зеленой и фиолетовой областях спектра, способные поглошать излучение накачки, наличие узких метастабильных уровней, обладающих сильной люминесценцией с высо­ким квантовым выходом в красной области спектра (рис. 9.10).

В первом эксперименте Меймана по получению лазерного излучения наблюдалось перераспределение интенсивностей линий люминесценции Rt и R2 в спектре излучения рубина при различных уровнях возбуждения: до порога генерации отношение интенсивностей IR,/IR2 составляло 2:1, а выше порога лазерной генерации 50:1, а также сужение спектральной линии R: (X = 6943 А), на которой наблюдалась генерация, с 4 А до менее 1 А. В опы-

 

 

 

те использовался рубиновый куб размером 10x10х10 мм, две противополож­ные грани которого были посеребрены. Наблюдение за излучением велось через маленькое отверстие в одной из посеребренных граней. При этом замечательное свойство лазера — направленность излучения — замечена не была. Ее впервые наблюдал Р. Коллинз и др., проведшие систематические исследования лазера на кристалле рубина, имевшего форму цилиндриче­ского стержня диаметром 5 и длиной 40 мм с отполированными и по­серебренными торцами, при этом один из торцов был полупрозрачным

 

с пропусканием 1—5%. Излучение лазера наблюдалось глазом в виде яркого пятна на экране на пути луча, выходяшего из полупрозрачного торца кри­сталла. Расходимость луча была оценена в 0,3—Г. Авторы впервые наблю­дали характерные релаксационные колебания интенсивности лазера (так называемые пички, рис. 9.11).

 

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

Дальнейшее развитие твердотельных лазеров. Так как вскоре после созда­ния первого лазера на рубине была получена лазерная генерация в газовом разряде, в полупроводниках и других средах, лазеры на активированных кристаллах и стеклах получили название «твердотельных» лазеров.

Тот факт, что и в КПУ, и в твердотельных лазерах используются па­рамагнитные кристаллы, не является случайным. Парамагнетизм прояв­ляется в атомах или ионах, имеющих незаполненные электронные обо­лочки — обычно 3d или 4f. Матрицей для парамагнитных ионов служат ионные кристаллы, состоящие из ионов металлов, а также ионов кислорода или фтора (например, А12О3, Y3 Al5O12, YLiF4, ВеА12О4 и др.). Все ионы ма­трицы имеют электронную структуру, состоящую из полностью заполнен­ных электронных оболочек, при которой основное электронное состояние иона имеет величину орбитального момента L = 0, спинового момента S = О, полного момента J = 0 (состояние 1SQ). Поэтому сама матрица являет­ся диамагнитным кристаллом, а ее возбужденные электронные состояния в связи с большой энергией связи электронов в полностью заполненных электронных оболочках лежат в далекой ультрафиолетовой области спек­тра. Введение в матрицу парамагнитных примесных ионов — активаторов (Сr3+, ТР3+, Nd3+, Er3+; Y + и т. п.) полностью меняет ситуацию: их ниж­ние электронные уровни обладают магнитным моментом, а возбужденные оптические уровни лежат в инфракрасной или видимой области спектра. Магнитные дипольные переходы между зеемановскими компонентами основного электронного уровня примесных ионов при наложении внеш­него постоянного магнитного поля ответственны за линии электронного парамагнитного резонанса или квантового усиления в КПУ, а переходы между различными электронными уровнями внутри 3d или 4f оболочек дают спектры поглощения и люминесценции и обеспечивают работу ла­зера. Энергетические уровни кристалла рубина допускают работу лазера по трехуровневой схеме (рис. 9.12, а): широкополосное излучение накачки переводит ионы хрома с уровня / на уровень 3, далее они совершают релак­сационный переход без излучения на уровень 2, с которого происходит вы­нужденный переход на нижний уровень /, сопровождающийся лазерным излучением. Для достижения инверсии населенностей уровней 2 и / не

 

 

менее 50% атомов должно быть возбуждено через уровень 3. Трехуровневая схема лазера требует для своей реализации высокой степени возбуждения вещества, достижимой только при очень больших интенсивностях накач­ки. Резко улучшить ситуацию удалось в лазере, работающем по четыреху­ровневой схеме (рис. 9.12,5). В таком лазере нижний лазерный уровень 2, расположенный достаточно высоко над основным уровнем l (ΔE21>>kT) в отсутствие возбуждения практически не заселен. Поэтому для дости­жения порога генерации требуется существенно меньшая интенсивность возбуждения.

Первый четырехуровневый твердотельный лазер был создан в США Сорокиным и Стивенсоном в 1960 г. на кристаллах CaF2, активированных ионами трехвалентного урана. Лазер работал при температуре жидкого ге­лия в инфракрасном диапазоне с длиной волны 2,49 мкм. В выборе актив­ного вещества Сорокин и Стивенсон опирались на спектроскопические исследования флюорита CaF2 с ураном, выполненные в СССР П. П. Феофиловым и Л. Г. Галкиным, в которых была обнаружена интенсивная лю­минесценция урана в спектральном диапазоне 2,1—2,5 мкм. Уже первые твердотельные лазеры на рубине и флюорите с ураном давали выходную мощность до 10 кВт в импульсе длительностью -1 мс.

В дальнейшем наибольшее распространение получили лазеры на кри­сталлах и стеклах с примесью ионов редкоземельного металла неодима, также работающие по четырехуровневой схеме и обладающие наилучшей эффективностью.

Резкому повышению импульсной мощности излучения твердотельных лазеров способствовал метод модуляции добротности резонатора, пред­ложенный Хелвортсом (США). Если с помощью специального затвора внести в резонатор лазера большие дополнительные потери, то запасен­ную на возбужденных уровнях энергию можно существенно увеличить. После резкого повышения добротности резонатора (быстрым переключе­нием затвора) запасенная энергия высвечивается в виде короткого мощ­ного импульса излучения длительностью 10-7—10-8 с. При этом пиковая мощность легко достигает величин Ю7—109 Вт. Возможность получения в твердотельных лазерах с модуляцией добротности световых импульсов мегаваттной мощности открыло перспективу использования этих лазе­ров в светодальномерах и оптических локаторах, а также позволило от­крыть новый раздел физики — нелинейную оптику, изучающую нелиней­ное взаимодействие мощного лазерного излучения с газами, жидкостями и твердыми телами. В частности, средствами нелинейной оптики методом генерации высших оптических гармоник в кристаллах удалось обеспечить источниками мощного лазерного излучения видимый и ультрафиолето­вый диапазоны длин волн.

Уже в первых твердотельных лазерах были реализованы замечательные свойства лазерного излучения, принципиально отличающие его от излуче­ния других источников света, в частности, высокая направленность излу­чения, задаваемая оптическим резонатором. Сочетание большой мощности импульсов лазерного излучения с высокой направленностью делает яркость лазера как источника оптического излучения очень высокой. Лазерное из­лучение легко фокусируется на объекты размером порядка длины волны света (1—10 мкм); в фокальном пятне развивается высокая температура, достаточная для плавления и испарения любых, даже самых тугоплавких материалов. На способности лазеров локально нагревать, плавить и ис­парять вещество основаны многие направления лазерной технологии — резка, сварка, закалка, маркировка, сверление малых отверстий, подгонка резисторов и т. п.

Твердотельные лазеры, использующие в качестве активной среды примесные кристаллы (или стекла), имеют следующие основные особен­ности:

• они используют оптическую накачку от другого источника света (лампы, полупроводникового или другого лазера необходимой мощ­ности и спектрального состава и т. п.);

• для них характерна малая концентрация активных атомов в матрице (0,01—10%) и возможность выбора их оптимальной концентрации; используемые лазерные переходы являются сильно запрещен­ными электрическими дипольными переходами с вероятностью ~103—106 с"1, что характерно для переходов внутри одной элек­тронной оболочки с заданной четностью. Разрешенные оптиче­ские переходы для видимой области спектра имеют вероятность 108—109 с-1;

• оптические электронные переходы примесных ионов подвержены сильному электронно-колебательному взаимодействию, во многих случаях приводящему к сильному ущирению линий переходов, до значений ширин 102—103 см-1, в то же время отдельные узкие линии могут иметь ширину -10 см-1;

• относительно длинное время жизни электронов на верхнем (мета-стабильном) лазерном уровне (10-2—10-4 с) дает возможность на­капливать на нем электроны в течение импульса накачки и обе­спечивает возможность работы лазера в режиме модулированной добротности, высвечивая гигантские импульсы;

• малое эффективное сечение и управляемая концентрация актива­тора позволяет возбудить оптической накачкой значительные объ­емы активной среды и получить большие энергии моноимпульса (более килоджоуля в крупных установках на неодимовом стекле);

• высокая теплопроводность кристаллов позволяет лазерам работать с высокой частотой повторения импульсов, обеспечивая большую выходную среднюю мощность (до десятка киловатт);

• широкие линии лазерных переходов в корунде с титаном, в грана­те с четырехвалентным хромом, александрите позволяют осущест­влять перестраиваемую по длине волны лазерную генерацию и эф­фективную генерацию сверхкоротких лазерных импульсов.

Специфика используемых лазерных активаторов позволяет твердотель­ным лазерам обеспечить эффективную работу в самых разнообразных ре­жимах (рис. 9.13):

• в режиме свободной генерации при непрерывной накачке;

• в режиме свободной генерации при импульсной накачке повторяю­щимися импульсами;

• в режиме модулированной добротности при непрерывной накачке, когда излучается цуг регулярных мощных импульсов;

 

в режиме модуляции добротности при однократной или повторяю­щейся импульсной накачке, когда высвечивается однократный (на­пример, для дальномера) или повторяющийся (для светолокатора) мощный световой импульс;

• в режиме ультракоротких лазерных импульсов при синхронизации продольных мод.

В своем развитии твердотельные лазеры прошли большой путь исследо­ваний и разработок. Были изучены сотни кристаллов и примесных ионов-активаторов и выбраны оптимальные из них. Наибольшее применение в промышленных, исследовательских и военных целях получили лазеры на кристалле иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) Y3 А15О12, активирован­ного ионами редкоземельного металла неодима (ИАГ: Nd3+), впервые пред­ложенного в США Гёзиком и др.

Ион трехвалентного неодима из всех лазерных ионов-активаторов ока­зался наиболее подходящим: он допускает работу по четырехуровневой схеме, легко возбуждается различными источниками накачки. Кристаллы ИАГ благоприятны для использования в лазерах, так как допускают леги­рование неодимом в требуемой концентрации (~1%), имеют очень малень­кие оптические потеры, высокую твердость и прочность, хорошую тепло­проводность. Лазеры на ИАГ: Nd могут работать в непрерывном режиме с выходной мощностью от милливатт до киловатт. Излучение этого лазера можно получить на длинах волн 0,94 мкм либо 1,06 мкм, либо 1,32 мкм, лежащих в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Наибольшая мощ­ность достигается на длине волны 1,06 мкм. Эти лазеры могут работать в режиме однократных импульсов или в периодическом режиме с частотой повторения до 100 Гц при импульсной накачке или в режиме модуляции добротности до 50 кГц при непрерывной накачке. Также в режиме син-

 

хронизации продольных мод доступны частоты повторения импульсов до 10" Гц.

Технология выращивания монокристаллов для лазеров является слож­ной задачей и ограничивает их максимальные размеры: активные элементы из рубина достигают длины 200—300 мм, ИАГ — 150—200 мм (рис. 9.14). Объем активных элементов определяет запасенную энергию возбуждения. Поэтому наибольшую импульсную энергию и мощность имеют твердо­тельные лазеры на стекле с неодимом, активные элементы которых дости­гают длины 1000 мм. Именно такие лазеры используются в экстремально мощных лазерных установках для экспериментов по лазерному нагреву плазмы с целью осуществления управляемой реакции термоядерного син­теза легких ядер.

Впервые предложение использовать лазер для этих целей было выска­зано Н.Г. Басовым и О. Н. Крохиным в 1964 г. Однако низкая теплопрово­дность стекла позволяет таким мощным лазерам работать лишь в режиме однократных или редких импульсов.

Твердотельные лазеры, способные генерировать мощные световые им­пульсы, поставили новую сложную проблему — проблему устойчивости оптических материалов к действию мощного лазерного излучения. Взаимо­действие мощного лазерного излучения с веществом включает множество нелинейных процессов: самофокусировку, вынужденное комбинационное рассеяние и рассеяние Мандельштама—Бриллюэна, тепловой пробой ве­щества. При разработке новых оптических материалов для лазеров при­нимались специальные меры по повышению стойкости лазерных материа­лов — использовалась более глубокая очистка от загрязняющих примесей, поглощающих включений, отбирались материалы с лучшими характери­стиками. Однако фундаментальные ограничения световой мощности, про­ходящей через вещество без его разрушения, всегда необходимо учитывать при разработке лазеров различных типов.

Первые твердотельные лазеры возбуждались световым излучением от ксеноновых и криптоновых ламп — вспышек. Существующие мощные ис­точники света — дуговые и импульсные газоразрядные лампы позволяют эффективно возбуждать твердотельные лазеры только видимого и инфра­красного диапазонов. Отсутствие мощных ламп ультрафиолетового диапа­зона не позволяет создать твердотельные лазеры УФ диапазона, оставляя этот спектральный диапазон для эксимерных лазеров и для устройств на нелинейно-оптических принципах: генераторов высших оптических гар­моник на нелинейных кристаллах, возбуждаемых излучением твердотель­ных лазеров.

При возбуждении твердотельных лазеров наряду с лампами широко ис­пользуется метод возбуждения активной среды другими лазерами. Наиболее перспективны для этой цели мощные полупроводниковые лазерные диоды. В отличие от широкополосных ламповых источников, излучающих белый свет, спектр излучения полупроводниковых лазеров можно подобрать так, чтобы он попадал точно в полосы поглощения ионов-активаторов, что при­водит к существенному повышению эффективности лазеров. Для лазеров с ламповой накачкой характерные значения эффективности составляют

1—5%. Для приборов с диодной накачкой эффективность превышает 30%. Диодная накачка позволила получать генерацию твердотельных лазеров на малых объемах активной среды, снизить пороговые мощности накач­ки с долей киловатта до долей ватта и охватить твердотельными лазера­ми милливаттный уровень выходных мощностей (1—100 мВт). В резуль­тате удалось создать новый класс миниатюрных твердотельных лазеров. Использование в таких лазерах нелинейных кристаллов позволило соз­дать малогабаритные и недорогие «зеленые» (рис. 9.15) и «синие» лазеры, осуществляя преобразование во вторую гармонику излучения ИАГ-.Ndm волнах 1,064 и 0,946 мкм соответственно. Маломощными малогабаритны­ми твердотельными лазерами с диодной накачкой перекрыт диапазон от 0,47 мкм до 1,32 мкм (0,47; 0,53; 0,66; 0,94; 1,064, 1,32 мкм). Эти приборы получают широкое применение как лазерные указки, источники светового луча в геодезических приборах, лазеры для информатики, медицинской техники, аналитического приборостроения и т. п.

Дальнейшее развитие этого направления видится в широком исполь­зовании интегральной технологии. Объединение активного кристалла, пассивного затвора, резонатора, а часто и нелинейного элемента в единой жесткой гибридной конструкции (объединенной методом диффузионной сварки) привела к созданию так называемых «микрочип-лазеров» — по габаритам аналогичных полупроводниковым лазерам.

Используя накачку одним или несколькими мощными диодами и аку-стооптическую модуляцию добротности, удается создать миниатюрные мощные (~1 Вт) источники ультрафиолетового излучения (355 и 266 нм), используя схемы нелинейного преобразования частоты в 3-ю и 4-ю гармо­ники.

Твердотельные лазеры в режиме модуляции добротности находят мно­гочисленные применения в измерительной технике (дальномеры и высо­томеры), системах лазерной локации, лидарах, целеуказателях, системах наблюдения, мониторинга окружающей среды (рис. 9.16—9.18).

 

Импульсные лазеры в режиме свободной генерации используются в ла­зерной сварке, при пробивании отверстий, резке, пайке, при лазерной за­калке и отжиге и других лазерных технологиях. В этом режиме мощность накачки достигает 10s Вт при длительности импульса до 10 мс, что обе­спечивается разрядом батареи накопительных конденсаторов. На рис. 9.19 показана недавно малогабаритная лазерная технологическая установка «К.вант-155», заменяющая ранее разработанные установки серии «Квант». Лазерные переходы в активных кристаллах с сильным электронно-колебательным взаимодействием дают уникальную возможность генера­ции ультракоротких лазерных импульсов, вплоть до фемптосекундного диапазона длительностей(1 фс = 10~15 с). Особый интерес для этих це­лей представляет кристалл ИАГ: О*+, перестраиваемый лазер на котором

в спектральном диапазоне 1,36—1,53 мкм впервые   предложен   А. В.    Шестаковым

(СССР). Впоследствии в совместной работе с учеными из Англии и США на этом пульсы  являются  уникальным  инструментом для исследования экстремальных состояний     вещества,  нанотехнологий, скоростных химических реакций.

Перспективы развития и применений твердотельных лазеров далеко не исчерпаны. Несмотря на усилившуюся конкуренцию со стороны полупроводниковых и волоконных лазеров, их роль в рынке  лазерных   технологий   остается   значительной, особенно для лазеров в режиме модулированной добротности и одномо-

довой генерации, для генерации фемпто- секундных импульсов, генерации высших оптических гармоник и освоения ими дальнего ультрафиолетового диапа

                                                                                               

                            

 

 

 

 

зона, параметрического преобразования излучения в средний инфракрас­ный диапазон.

Для управления добротностью резонаторов твердотельных лазеров были разработаны затворы различных типов: электрооптические, акустооптические, оптикомеханические, фототропные (рис. 9.20). В них для управления лазерами используются различные физические явления: электрооптиче­ский эффект, приводящий к изменению поляризации проходящего через специальный кристалл (например, дигидрофосфат калия — КДП или нио-бат лития LiNbOj) пучка света при приложении электрического поля; диффракция света на ультразвуке в прозрачных материалах — стекле, плавле­ном кварце; механическое перемещение зеркал резонатора при вращении призмы с помощью электродвигателя; насыщение поглощения в растворах красителей в фототропных растворах.

Твердотельные лазеры на электронно-колебательных переходах в кри­сталлах (александрит с хромом, корунд с титаном и др.), имеющих боль­шую ширину линии лазерного перехода, позволяют создать лазеры с плав­ной перестройкой частоты излучения. Так, лазер на корунде с титаном может работать на любой длине волны в интервале 650—1000 нм. Лазеры с широким спектром лазерной генерации также позволяют получать уль­тракороткие лазерные импульсы длительностью 10-12—10-14 сек.

Создание газовых лазеров. Практически одновременно с первым твер­дотельным лазером на рубине в 1960 г. был создан и первый газовый лазер на тлеющем разряде в смеси неона и гелия. Инверсия населенностей в газовой смеси получается за счет неупругих соударений атомов неона и гелия (рис. 9.21). Атомы гелия возбуждаются за счет соударений с электронами,                

 

 

 

 

 

 

ускоряющимися в электрическом поле газового разряда. Атомы неона, концентрация которых на порядок меньше, чем атомов гелия, возбужда­ются в основном за счет неупругих соударений с возбужденными атомами гелия, причем избирательно возбуждаются уровни, находящиеся в резо­нансе с переходами в атоме гелия. Такое селективное возбуждение позво­ляет в определенном интервале давлений и концентраций неона и гелия получить инверсию населенностей. Коэффициент усиления в газовых ла­зерах на нейтральных атомах (в том числе неон-гелиевого) обычно невелик и составляет несколько процентов на метр длины газоразрядной трубки. Предложение использовать для лазерной генерации смесь неона и гелия впервые было высказано Джаваном (США). Первый газовый лазер работал на длине волны 1,15 мкм на смеси гелия при давлении 1 мм рт. ст. и неона ( 0,1 мм рт. ст.) в трубке диаметром 15 мм и длиной 80 см. Разряд в трубке возбуждался высокочастотным генератором мощностью 50 Вт.

Выходная мощность лазера составила несколько милливатт. Резона­тором лазера служил интерферометр Фабри — Перо, образованный двумя многослойными диэлектрическими зеркалами с коэффициентом отраже­ния 98,9% (рис. 9.22). Генерация в неонгелиевом лазере была вскоре также получена на длине волны 0,63 мкм в красной области спектра. Этот лазер

 

 

 

и до сих пор является важнейшим представителем газовых лазеров, по­лучившим весьма широкое распространение. Он излучает четко очерчен­ный узкий красный лазерный пучок с хорошей направленностью излуче­ния (расходимость менее 10~3 рад), с выходной мощностью милливаттного уровня. Луч этого прибора оказался незаменим как материальный носи­тель прямой линии в геодезии, при высокоточных измерениях расстояний, в строительстве, при прокладке туннелей, планировке сельскохозяйствен­ных угодий, для юстировки больших оптических систем и т. п.

Различные типы газовых лазеров. В дальнейшем лазерное излучение в газах было получено на сотнях переходов нейтральных и ионизованных атомов и молекул, а также их смесей. Диапазон длин волн газовых ла­зеров простирается от вакуумного ультрафиолета (110 нм, молекула Н2, возбуждаемая жестким импульсным электрическим разрядом) через ближ­ний ультрафиолет (328 нм, импульсный азотный лазер) и видимую область (500 нм, аргоновый лазер и лазер на парах меди и 628 нм, неон-гелиевый лазер); через инфракрасную область (10,6 мкм, углекислотный лазер) до субмиллиметровьтх волн (0,7 мм, многоатомные молекулы типа HCN).

Газовые лазеры возбуждаются как электрическим разрядом в плазме, так и другими методами — химическим, газодинамическим. Коэффициент полезного действия при электрическом возбуждении, как правило, неве­лик, в неон-гелиевом лазере он составляет ~0,01% в связи с тем, что лишь малая доля электронов в разряде способна возбудить атомы гелия, а в воз­бужденном неоне менее 10% энергии возбуждения используется на лазер­ную генерацию на высоко расположенных лазерных уровнях.

Ситуация с эффективностью газовых лазеров резко изменилась по­сле создания в 1966 г. американским исследователем К. Пателем лазера на смеси молекул СО2 и N2. Этот углекислотный лазер работает в дале­ком инфракрасном диапазоне 10,6 мкм и до сих пор является рекордсме­ном среди лазеров по выходной мощности в непрерывном режиме, пре­вышающей десятки киловатт. Инверсия населенности в СО2 лазере, как и в неон — гелиевом, создается за счет избирательного возбуждения мо­лекул СО2 при столкновениях с возбужденными молекулами азота. Ла­зер имеет высокую эффективность, превышающую 30%. Если в газовых лазерах на нейтральных и ионизированных газах используются для гене­рации чисто электронные переходы, то в газовых молекулярных лазерах используются переходы между различными колебательно-вращательными уровнями молекул. В частности, в СО2 лазере генерация возможна на си­стеме переходов, простирающихся от 9 до 11 мкм. В большинстве газо­вых лазеров используется низкое давление газовой смеси (~1016 частиц/см3), поэтому они способны отдавать мощность в непрерывном режиме, но из-за малого количества возбужденных частиц не способны накапливать воз­буждение на верхнем лазерном уровне и работать в режиме модулирован­ной добротности. Принципиально важной представляется идея создания СО2 лазера высокого давления — до 10—50 атм — при возбуждении элек­тронным пучком или несамостоятельным разрядом. В таких лазерах уда­ется получить энергию моноимпульса до нескольких КДж. При высоком давлении отдельные линии колебательно-вращательных переходов в СО2 лазере сливаются в сплошную полосу от 9 до 11 мкм, при этом становится возможной непрерывная перестройка длины волны лазерного излучения в этом диапазоне. Наиболее мощные углекислотные лазеры требуют для эффективной работы прокачки газовой смеси через газоразрядную трубку, для чего необходимы мощные вентиляторы и трубопроводы больших сече­ний. Маломощные лазеры (до 100 Вт) используют отпаянные конструкции, не требующие прокачки. СО2 лазеры излучают инфракрасное излучение далекого ИК диапазона — 10,6 мкм. Для этого диапазона ограничен вы­бор пригодных оптических материалов — это дорогие KBr, KRS-5, GaAs. Часто приходится использовать отражательную оптику. Кроме того, длин­новолновый диапазон не позволяет эффективно фокусировать излучение на малые микронные площадки из-за диффракции. Однако высокая мощ­ность и эффективность углекислотных лазеров определили их широкое применение для резки металлов и древесины, раскроя тканей, закалки ме­таллических поверхностей, в системах гравировки и маркировки изделий (рис. 9.23).

Весьма плодотворной оказалась идея замены электрических методов возбуждения газовых лазеров (газовый разряд, электронный пучок) на тепловые и химические методы возбуждения. В газодинамических лазе­рах (ГДЛ), впервые предложенных A.M. Прохоровым и др., источником энергии служат молекулы в возбужденных колебательных состояниях, со­держащиеся в горячем газе. Усиливающая среда создается динамически в процессе тепловой релаксации нагретых молекул при истечении газа че­рез сверхзвуковое сопло. В ГДЛ часть энергии сжатого горячего газа не­посредственно преобразовывается в энергию когерентного электромагнит­ного излучения инфракрасного диапазона. Большие выходные мощности в непрерывном режиме (105 Вт) достигаются при значительных расходах горячей смеси газов (например, СО2 и N2), которую можно получать непо­средственно сжиганием углеводородного топлива на воздухе.

В химических лазерах инверсия населенностей получается в процессе химической реакции за счет неравновесного распределения молекул — про-

 

                              г-

 

дуктов реакции — по колебательным состояниям. Первое осуществление генерации химического лазера на смеси водород — хлор относится к 1965 г. В дальнейшем были предложены и реализованы более эффективные со­ставы для химических лазеров (D2 +F2 +СО2 и др.). Химические газовые лазеры излучают в инфракрасном диапазоне от 1 до 20 мкм. Химические лазеры — это наиболее мощные источники когерентного света. Они явля­ются основой перспективных систем лучевого оружия, которые по замыс­лу разработчиков должны на больших расстояниях в космосе уничтожать (прожигать, взрывать) вражеские баллистические ракеты.

Интересной разновидностью газовых лазеров являются лазеры на па­рах металлов. Наилучший из них — это лазер на парах меди, излучающий в зеленой области спектра. Лазеры на парах металлов имеют сравнительно высокий КПД благодаря подходящей схеме энергетических уровней. Так, для медного лазера КПД превышает 1%. Генерация происходит при пере­ходе с резонансного на метастабильный уровень, имеющий большое вре­мя жизни. Поэтому она возможна только в течение короткого импульса длительностью -1 мкс при возбуждении импульсным электрическим раз­рядом. Частота повторения импульсов может достигать сотен герц. Осо­бенностью лазера на парах меди является очень высокий коэффициент усиления, определяющий способность этого лазера работать без зеркал на усилении за один проход. Наиболее эффективными ультрафиолетовыми лазерами являются эксимерные лазеры на молекулах инертных газов и их галоидов.

Эксимерами называют молекулы, существующие только в возбужден­ном состоянии. Например, основное состояние молекулы Хе2 неустойчиво и невозбужденный газ состоит в основном из одиночных атомов ксенона. При возбуждении возможно существование связанного состояния молеку­лы Хе2 в возбужденном состоянии (рис. 9.24).

За счет  чрезвычайно  быстрого распада  нижнего лазерного уровня в эксимерных молекулах легко достигается инверсия населенности. Воз­буждение эксимерных лазеров обычно осуществляют электронным пучком или жестким электрическим разрядом. Коэффициент полезного действия эксимерных лазеров на галоидах инертных газов KrF, ArF, XeBr и др. до­стигает 10% в диапазоне длин волн 193—353 нм. На эксимерных молеку­лах F2 разрабатывается наиболее коротковолновый лазер с рабочей длиной волны 157 нм, на котором  £, основываются новые системы субмикронной фотолитографии для сверхбольших интегральных схем. Обычным является использование для микроэлекроники  эксимерного лазера на KrF с длиной волны 248 нм.                                                                           Применения   газовых   лазеров.   Мощные   угле-                     кислотные лазеры стали основой многочисленных                   технологических установок.  Они  режут стальные                            листы в судостроении и на автомобильных заво-                               дах, сваривают металлы, режут по контуру дере­во, пластмассы, стекло, режут природный камень и т. п., применяются для закалки и отжига материалов, для маркировки изделий. Лазеры выжигают печатные формы для полиграфии, изготавли­вают сувениры, освещают путь судам вместо традиционных бакенов на маяках.

Уже упоминались применения маломощных неон-гелиевых лазеров в геодезии и строительстве. Присущая таким лазерам высокая когерент­ность излучения позволяет их широко использовать для высокоточных интерферометрических измерений микронных перемещений, контро­ля линейных размеров деталей, голографических методов наблюдения и контроля. Неон-гелиевые лазеры используются в лазерных гироскопах, позволяющих измерять малые угловые перемещения с предельно высокой точностью (рис. 9.25). Лазерные гироскопы в настоящее время вытесняют традиционные механические гироскопы в системах навигации воздуш­ных судов. Эксимерные лазеры используются в производстве важнейших . приборов наноэлектроники, воздействуют на биологические объекты. Нельзя не упомянуть о широком применении газовых лазеров в медици­не: в хирургии, онкологии, гинекологии, офтальмологии, лечении других болезней.

Полупроводниковые лазеры являются важнейшими приборами совре­менной квантовой электроники, лидирующими по масштабам практиче­ских применений и наиболее быстро развивающимися в последние годы.

В полупроводниковых лазерах световое излучение возникает за счет излучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда — электро­нов и дырок, присущих самой структуре полупроводникового кристалла. Этим они принципиально отличаются от твердотельных лазеров, в кото­рых лазерные свойства несут легирующие примеси, например, редкоземель­ные ионы. Большая вероятность излучательной рекомбинации электронов и дырок с характерным временем ~10-9 с и высокая концентрация воз­буждения определяют очень большой коэффициент усиления (достигаю­щий 103—104 см-1) и, соответственно, характерный размер приборов от  до1000 мкм. Лазерными свойствами могут обладать как объемные полупроводниковые кристаллы, так  и полупроводниковые лазерные  диоды,   использующие  р-п  переход.   Замечательным   свойством лазерных диодов — инжекционных полупрово­дниковых лазеров, использующих для лазерной генерации р-п переход, является прямое преобразование электрического тока в свет с эффективностью, приближающейся к 100%.                                    

Предложение     использовать     полупроводники для создания лазеров было впервые сформу­лировано Н.Г. Басовым с сотрудниками в 1958 г.    Структура Уже в 1962 г. лазерное излучение в р-п переходе на кристалле арсенида галлия было получено в США и в СССР                                                                                

Для полупроводниковых лазеров пригодны так

называемые прямозонные полупроводники, у которых дно зоны проводи­мости и максимум валентной зоны расположены при нулевых значениях квазиимпульса носителей (рис. 9.26). Это, прежде всего, соединения типа А3В5 (GaAs, InSbJnAs, GaP, GaN и др.), а также соединения А2В6 (CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe и т. п.).

Существует несколько методов создания неравновесных носителей в полупроводниках: это уже упомянутый р-п переход, а также возбуждение объемного кристалла оптическим излучением или электронным пучком (рис. 9.27). Необходимая для инверсии населенностей плотность неравно­весных носителей при оптическом возбуждения может быть достигнута только с помощью другого мощного лазера. Возбуждение полупроводни­ковых люминофоров электронным пучком широко используется в кине­скопах телевизоров и мониторах компьютеров. Однако в них используется спонтанная излучательная рекомбинация. Возбуждение электронным пуч­ком является наиболее универсальным способом накачки любых полупро­водниковых лазерных кристаллов. Однако этому методу присущи и серьез­ные ограничения: при генерации электронно-дырочных пар электронным пучком рождаются носители с большим квазиимпульсом вблизи краев зон,

 

 

которые затем термализуются в зонах, отдавая существенную энергию ре­шетке. Расчеты показывают, что только ~30% энергии электронного пучка способно генерировать свет, а -70% расходуется на нагрев кристалла. Та­ким образом, полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком представляет собой вакуумный высоковольтный прибор, требующий ин­тенсивного охлаждения полупроводникового кристалла. Устройство такого прибора (квантоскопа), специально сконструированного для проекцион­ной лазерной телевизионной системы, приведено на рис. 9.28.

Инжекционные лазеры на р-п переходе (рис. 9.29) способны более эф­фективно преобразовывать электрический ток в свет.

Первые полупроводниковые инжекционные лазеры требовали для сво­его возбуждения очень высокой плотности тока (свыше 10 КА/см2) и ра­ботали в импульсном режиме при температуре жидкого азота. Эти лазеры имели форму куба из арсенида галлия со стороной размером ~0,4 мм, со­держащим внутри р-п переход. Резонатор был образован сколотыми граня­ми кристалла, перпендикулярными плоскости р-п перехода.

Огромным достижением в развитии инжекционных полупроводни­ковых лазеров явилось использование в них гетероструктур GaAs—AlAs, предложенных Ж. И. Алферовым с сотрудниками. Их использование по­зволило снизить потери света в области р-п перехода, локализовать воз­буждение в активной области, сформировать в области перехода квантовые

 

ямы, повышающие плотность состояний и коэффициент усиления, улуч­шить конструкцию приборов, снизить пороговую плотность тока в лазерах на несколько порядков и, как результат, осуществить лазерную генерацию в непрерывном режиме при комнатной температуре с высокой эффектив­ностью. В 2000 г. за изобретение гетеропереходов Ж. И. Алферов удостоин Нобелевской премии по физике.

Вначале инжекционные полупроводниковые лазеры работали в ин­фракрасном диапазоне длин волн (0,9 мкм). В дальнейшем, после изобре­тения новых гетеросоединений А3В5, таких, как сплавы GaAs—InP, AlAs— InP и др. удалось расширить спектральный диапазон лазеров с 0, 63 мкм до 1,7 мкм. Сплавы соединений А2В6, такие, как PbSe—SnSe, PbTe—SnTe, также могут быть использованы для создания инжекционных полупрово­дниковых лазеров длинноволнового инфракрасного диапазонов, работаю­щих при низких температурах в диапазоне длин волн 6,5—32 мкм. Такие лазеры перспективны для спектроскопических исследований. Длина вол­ны определяется конкретным составом сплава, зависит от температуры и внешних воздействий, например, объемного сжатия вещества при из­менении давления.

Недавно были изобретены и «синие» полупроводниковые лазеры, ис­пользующие р-п переход в нитриде галлия GaN. Их применение еще только начинается.

За годы своего развития полупроводниковые лазеры прошли огром­ный путь от маломощных индикаторных приборов, использовавшихся в простейших системах автоматизации производства (например, для счи­тывателей штрих-кода в кассовых аппаратах супермаркетов), от простых источников света в проигрывателях компакт-дисков до сложнейших ста­билизированных по частоте и мощности источников сигнала в системах волоконно-оптической связи с частотным уплотнением до 1000 каналов в одном волокне и мощных источников света киловаттного уровня. Были разработаны специализированные лазеры на перспективные для линий связи диапазоны 1,3 и 1,55 мкм, мощные одиночные лазеры для техно­логических и медицинских применений с выходной мощностью до 10 Вт, а также специализированные мощные инжекционные лазеры для накачки волоконных линейных усилителей в системах оптической связи и твердо­тельных лазеров. Полученные методом интегральной технологии линейки и решетки полупроводниковых лазерных диодов, содержащие от нескольких десятков до сотен и тысяч элементов, позволили получить выходную мощ­ность до нескольких киловатт в непрерывном или квазинепрерывном ре­жиме (длительность импульса 200 мкс при частоте повторения 50—100 Гц). Эффективность лучших полупроводниковых лазеров достигает 90%.

Развитие полупроводниковых лазеров использовало передовые дости­жения микроэлектронной технологии. Планарные структуры для лазеров производятся методами молекулярно — лучевой эпитаксии и методом пи­ролиза металлоорганических соединений и гидридов металлов на подлож­ке соответствующего состава (эпитаксия из газовой фазы). Формирование активной области, резонатора, зеркал осуществляется на современном пре­цизионном оборудовании, в том числе сверх высоковакуумном. Важнейшей

 

 

 

 

 

 

решенной проблемой является надежность и долговечность инжекционных лазеров в условиях высоких токовых и световых нагрузок в широком ин­тервале рабочих температур.

В настоящее время полупроводниковые лазеры интенсивно разви­ваются по многим направлениям. Появились вертикально излучающие приборы, у которых лазерная генерация происходит перпендикулярно плоскости р-п перехода. Они особенно удобны для создания двумерных лазерных излучающих матриц для систем информатики. Начинают ши­роко использоваться системы с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками, где используется квантование состояний элек­тронов в объектах нанометровых размеров. Интенсивно внедряются но­вые нитридные соединения для лазеров и светодиодов сине-фиолетового диапазона.

Применение полупроводниковых лазеров. Полупроводниковые лазе­ры являются самым массовым типом лазеров, нашедших применения во многих приборах широкого использования. Полупроводниковые лазе­ры используются в плейерах компакт-дисков, в компьютерах для записи и считывания информации на СД, в волоконно-оптических системах свя­зи различных назначений, включая самые массовые системы локального доступа. Множество различных полупроводниковых лазеров используются в современных трансконтинентальных волоконных линиях связи с частот­ным уплотнением: это и лазеры с точно настроенной длиной волны на каждый частотный канал, и лазеры для накачки эрбиевых волоконных усилителей, компенсирующих потери в волокне.

Полупроводниковые лазеры широко используются в военной технике: это источники света для бесконтактных датчиков цели снарядов и ракет; имитаторы стрельбы для тренажеров; компактные лазерные системы це­леуказания для стрельбы из пистолета и автомата; системы лучевого на­ведения высокоточного противотанкового оружия; системы стыковки и ближнего дальнометрирования для судов и космических объектов; лу­чевые системы охраны стратегических объектов, приемо-передатчики бор­товых волоконно-оптических линий связи, системы освещения для систем ночного видения и многое другое.

В последнее время мощные полупроводниковые лазеры стали широко использоваться для технологических целей: для резки и сварки пластмасс, для пайки электронных плат, для резки и сварки материалов. Области при­менения полупроводниковых лазеров непрерывно расширяются.

Жидкостные лазеры. Лазерное излучение было получено на несколь­ких классах неорганических жидкостей. В апротонных жидкостях (не со­держащих водорода), окрашенных солями неодима, была получена гене­рация на переходах неодима на длине волны 1,06 мкм. В воде или других обычных растворителях люминесценция неодима сильно погашена за счет электронно-колебательного взаимодействия с молекулами растворителя. Из-за плохих термооптических характеристик жидкостей такие лазеры не получили большого развития.

Лазеры на растворах органических красителей используются при соз­дании перестраиваемых по длине волны лазеров. Молекулы сложных органических соединений имеют широкие полосы поглощения и люми­несценции в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной об­ластях спектра, многие из них позволяют получать лазерную генерацию с ламповой и лазерной (от другого лазера) накачкой (рис. 9.31). Наиболее эффективный лазер на красителе был создан на растворе родамина 6Ж. При возбуждении излучением 2-й гармоники лазера на стекле с неодимом КПД лазера превысил 70%. Излучение этого лазера перекрывает диапазон длин волн от 0,58 до 0,62 мкм. В целом лазеры на красителях позволяют непрерывно перекрыть диапазон 0,34—1,1 мкм, используя набор около 10 различных красителей. Лазеры на красителях работают как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Для работы в непрерывном и импульсном повторяющихся режимах используется прокачка раствора через резонатор лазера, постоянно обновляющая активную среду (для непрерывного режи­ма при возбуждении аргоновым лазером — за время -1 мс). Перестройка длины волны осуществляется  с   использованием   дисперсионного резонатора, использующего призмы или диффракционные решетки в качестве селектирующего элемента. Перестройка осуществляется при повороте призм, решетки, или зеркала резонатора.                                                      

Перестраиваемые   лазеры   на   красителях,   а  также   на  кристаллах  с   широкими электронно-колебательными        лазерными              

переходами и на полупроводниках получа         

ют широкое распространение для спектро-              

скопических    исследований,    исследований             

атмосферы, создания лидаров — лазерных             

устройств   по   дистанционному   контролю       

окружающей среды.                                                     

Лазеры на свободных электронах. В рас­смотренных     выше     приборах     квантовой    электроники   для   усиления   и   генерации   

электромагнитных колебаний используются квантовые переходы между энергетическими уровнями (полосами, зонами) атомов, молекул и твер­дых тел.

В последние годы сделана успешная попытка создания лазеров на сво­бодных электронах, т. е. с использованием квантовых переходов в непре­рывном энергетическом спектре свободных электронов. Такие лазеры яв­ляются развитием классических СВЧ приборов, в частности, ламп бегущей волны.

В лазере на свободных электронах моноэнергетический электронный пучок проходит через ондулятор-периодическую структуру из противо­положно направленных магнитов. В магнитном поле пучок формируется и группируется. Взаимодействие электронного пучка и ондулятора приво­дит к электромагнитному излучению с длиной волны

где λm — период ондулятора, γ0 = 1/(1 — v2/c2)l/2 — релятивистский фактор. Так как период ондулятора конструктивно может иметь величину ~1 см, для получения генерации в оптическом диапазоне необходимо использо­вать релятивистские электронные пучки с энергией не менее 50 Мэв, для которых у имеет величину ~100. Так как в лазерах на свободных электро­нах активной средой являются электроны в вакууме, в ней отсутствует ряд фундаментальных ограничений, присущих лазерам других типов (в част­ности, прозрачность, нелинейность активной среды). Проекты таких ла­зеров очень большой мощности могут представлять интерес для военных применений. Частота излучения лазера на свободных электронах опреде­ляется энергией электронного пучка.

Волоконные лазеры. Развитие волоконных систем связи привело к по­явлению принципиально новых приборов, использующих вынужденное излучение для усиления и генерации оптических сигналов. Для этого ис­пользуется многослойное оптическое волокно (рис. 9.32). Центральная жила волокна, формирующая оптический волновод, легируется подобно

 

кристаллу твердотельного лазера, редкоземельными ионами эрбия, иттер­бия или неодима. Средняя оболочка волокна существенно большего диа­метра также обладает волноводными свойствами и служит для канализа­ции излучения накачки, получаемого от полупроводниковых лазеров или их интегральных сборок. Весь свет накачки поглощается в центральной жиле. Внешний слой волокна защищает внутренние жилы.

Легированное оптическое волокно используется в волоконно-оптических усилителях на диапазон 1,5 мкм, использующих для усиления квантовый переход ионов эрбия в кварцевом стекле, накачиваемых полупроводнико­выми лазерами. Они широко используются в современных магистральных каналах связи в качестве линейных усилителей, компенсирующих поте­ри сигнала в волокне. В последнее время созданы волоконно-оптические лазеры, использующие вынужденное излучение ионов иттербия на волне 1,01 мкм при накачке лазерными диодами с длиной волны 0,94 мкм.

Выходная мощность таких приборов, накачиваемых десятками мощ­ных полупроводниковых лазеров с выходной мощностью до 5 Вт, достигла 100 Вт с одномодового волокна диаметром -10 мкм. Эти приборы рабо­тают без использования жидкостного охлаждения и с большим ресурсом (до 10000 ч). В мультиволоконных энергетических системах суммирования мощности излучения, использующих плотную упаковку из 7, 19, 37 и более волокон, в таких лазерных системах удается достичь многокиловаттного уровня мощностей с плотностью мощности на объекте 105—107 Вт/см2. Сле­дует, однако, отметить, что и полупроводниковые, и волоконные лазеры из-за малых поперечных размеров активной области даже в непрерывном режиме работают на пределе лучевой прочности материала к собственному лазерному излучению и не могут работать в режиме гигантских импульсов. Однако они могут применяться в непрерывном режиме для сварки и резки металла, пластмасс, пайки, маркировки, успешно конкурируя с мощными газовыми углекислотными лазерами.

Рентгеновские лазеры. Создание лазеров рентгеновского диапазона со­пряжено с рядом трудностей принципиального характера. Как видно из формулы (9.2), вероятность спонтанных дипольных переходов возрастает с ростом частоты 3, что затрудняет с укорочением длины волны генера­цию вынужденного излучения. Мощность возбуждения должна успевать поддерживать инверсию населенностей, непрерывно разрушаемую спон­танным излучением. В качестве рабочих сред для рентгеновских лазеров нужно использовать многократно ионизованные атомы, разность энергий уровней которых попадает в диапазон мягкого рентгеновского излучения. Так, впервые лазерная генерация в 24-кратноионизованном селене Se24*, была получена в Ливерморовской лаборатории США в 1985 г. В качестве источника возбуждения использовался импульсный твердотельный лазер с модуляцией добротности, излучение которого было сфокусировано на узкую полоску селеновой фольги. Лазерное излучение рентгеновского диа­пазона с длиной волны 20,63 нм и 20,96 нм получалось из высокотемпера­турной плазмы, возникавшей при взрыве селеновой фольги. Наблюдались лишь сверхкороткие импульсы рентгеновского излучения. В дальнейшем рентгеновское лазерное излучение в диапазоне длин волн от 3,6 до 47 нм было получено подобным образом и на многих других материалах. Рентге­новские лазеры не вышли еще из стадии научных разработок.

Применение лазеров. Параллельно со становлением и развитием лазеров различных типов развивались и их области применения.

Концентрация энергии лазеров с помощью фокусирующих устройств на поверхности различных предметов сделала возможным плавление и ис­парение всех без исключения материалов. Из этих первых экспериментов, выполненных одновременно с созданием первых лазеров, развилась совре­менная лазерная технология, использующая остро сфокусированный ла­зерный пучок как инструмент для прожигания отверстий, резки листовых материалов, сварки металлов (рис. 9.33).

Лазерная технология получила широкое применение в различных об­ластях промышленности. Лазерная резка используется в автомобилестрое­нии, судостроении, легкой промышленности, строительстве при раскрое металла, пластика, дерева, тканей, стекла, камней.

Лазерная сварка вошла в практику автомобиле- и приборостроения, в электронную промышленность. Лазерная закалка режущего инстру­мента, балансировка роторов двигателей, лазерная подгонка резисторов и конденсаторов, прожигание перемычек в интегральных схемах — все это делают лазеры. Мощные лазеры (до 10 кВт) применяются для закалки по­верхностей цилиндров автомобильных двигателей, для сверления отверстий в лопатках турбин и т. п.

Мощные химические лазеры служат основой перспективных лазерных военных систем, ориентированных на мгновенное уничтожение удаленных объектов (например, ракет вероятного противника). Мощные твердотельные лазеры с модуляцией добротности — это источники импульсов излучения для оптических дальномеров, локаторов, систем целеуказания высокоточно­го оружия. Полупроводниковые лазеры — это неконтактные взрыватели для снарядов и ракет, целеуказатели и тренажеры для стрелкового оружия.

Широчайшее применение нашли лазеры в информационных техноло­гиях. Это, прежде всего, волоконно-оптическая связь, которая стала осно­вой современных информационных технологий и, в частности, определила возможность появления Интернета. Переход каналов связи на оптический диапазон был предопределен ограниченностью частотных ресурсов тради­ционной радиосвязи. Компактные высоконадежные полупроводниковые лазеры в сочетании с кварцевым оптическим волокном с малыми потеря­ми позволили создать как глобальные межконтинентальные каналы связи, так и локальные сети практически неограниченной емкости. Современные каналы связи используют частотное уплотнение по длинам волн, пропу­ская по одному волокну до 1000 широкополосных оптических каналов. Лазерами обеспечены все необходимые для оптической связи длины волн; 1,3 мкм, где волокно имеет минимум дисперсии, и 1,55 мкм, где кварце­вое волокно имеет минимальное затухание. Созданы волоконные эрбиевые усилители на активированном волокне, накачиваемые полупроводниковы­ми лазерами, используемые как ретрансляторы оптического сигнала.

Полупроводниковые лазеры внесли важнейший вклад в проблему запи­си и считывания информации в компьютерных технологиях. Они исполь­зуются и для считывания, и для записи информации, в создании архивных копий на оптических дисках.

Маломощные газовые лазеры являются источником оптического ко­герентного излучения, они нашли применение в прецизионных интерфе-рометрических системах контроля линейных перемещений. На их основе созданы лазерные гироскопы, позволяющие измерять угловые координаты с невиданной ранее точностью. Они получили широкое применение в на­вигационных системах гражданской авиации, системах ориентации кос­мических аппаратов, навигации подводных лодок, системах стабилизации оружия и т. п.

Перестраиваемые по длине волны лазеры широко используются в си­стемах экологического контроля окружающей среды, для стимулирования химических реакций, лазерного разделения изотопов.

Дальнейшее развитие лазеров. За годы, прошедшие с момента появ­ления первых приборов квантовой электроники — мазеров и лазеров — прошло лишь полвека. Эти приборы активно вторглись в широчайшие сферы деятельности человечества, ими перекрыт спектральный диапазон от вакуумного ультрафиолета до субмиллиметровых волн. Существуют как высокостабильные по частоте, пригодные для точнейших измерений, так и перестраиваемые по частоте лазеры, позволяющие настроиться на заданную длины волны. Лазеры перекрыли диапазон мощностей в непре­рывном режиме от микро- и милливатт до сотен киловатт и мегаватт, по энергиям импульсного излучения от микро- и миллиджоулей до кило-и мегаджоулей. Происходит бурное дальнейшее развитие лазеров различ­ных типов.

Фундаментальные исследования в квантовой электронике продолжа­ются в направлении создания лазеров рентгеновского диапазона и других когерентных источников нанометрового диапазона. Продолжаются работы по лазерному термоядерному синтезу — нагреву дейтериево-тритиевой смеси до температуры свыше миллиона градусов. Для этой цели сооружаются мощные лазерные установки и специальные реакторы.

Методами нелинейной оптики получаются короткие фемптосекундные импульсы, позволяющие при фокусировке излучения лазера существенно превысить внутриатомные поля и вторгнуться в область экстремальных со­стояний вещества, существующих лишь в недрах звезд.

Фемптосекундные лазеры, работающие с высокой частотой повторения импульсов и малой энергетикой, становятся незаменимым инструментом воздействия на вещество, позволяющим методами абляции обрабатывать детали нанометровых размеров. Лазеры становятся необходимыми в даль­нейшем прогрессе технологии сверхбольших интегральных схем (нанофо-толитография). Возможности лазеров в различных направлениях науки и техники продолжают расширяться.

 

 

Литература

[I]    Прохоров A.M. Избранные труды. Квантовая электроника. М.: ИздАТ, 1996.

[2] Басов Н.Г, О квантовой электронике: статьи и выступления. М.: Нау­ка, 1987.

[3]   Алферов И. Ж., Физика и жизнь. М.; СПб.: Наука, 2001.

[4]   Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1988.

(5]   Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1984.

[6] Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая шко­ла, 2001.

[7]   Шен И. Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Наука, 1989.

[8]   Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. М.: Радио и связь, 1989.

[9] Курбатов Л.Н. Оптоэлектроника видимого и ИК диапазонов спектра. М.: МФТИ, 1999.

[10] Павлов П. В, Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2000.

[11]   Зверев Г.М, Голяев Ю.Д. Лазеры на кристаллах и их применение. М.: Радио и связь, 1994.

[12] Бутусов М.М., Верник СМ., Галкин С. Г и др. Волоконно-оптические системы передачи. М.: Радио и связь, 1992.

[13] Карасик В. И., Орлов В. М. Лазерные системы видения. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

[14] Делоне Н.Б., Крайнов В. П. Нелинейная ионизация атомов лазерным излучением. М.: Физматлит, 2001.

[15] Мусьяков М. П., Миценко И. Д., Ванеев Г. Г. Проблемы ближней лазер­ной локации. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.

[16] Мазанько И. П., Швец Ю. И. Принципы преобразования и детектиро­вания оптических сигналов. М.: МФТИ, 2001.