#9/2007 • Ж.З.И.

Сергей АКСАНОВ

ЛАЗЕРНАЯ АТАКА

СОБСТВЕННО ГОВОРЯ, ЛАЗЕРЫ УЖЕ ДАВНО ИСПОЛЬЗУЮТСЯ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, МЕДИЦИНЕ, СВЯЗИ И ДАЖЕ В БЫТОВОЙ ТЕХНИКЕ — ДЛЯ ЗАПИСИ, ЧТЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ АУДИО- И ВИДЕОИНФОРМАЦИИ. В НАЧАЛЕ ГОДА МЫ РАССКАЗАЛИ И О ПЕРВЫХ ПОПЫТКАХ ПРИМЕНИТЬ ИХ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА СВЕТА В ДИСПЛЕЯХ, НО, ЧЕСТНО ГОВОРЯ, НЕ ПРЕДПОЛАГАЛИ, ЧТО СЕРИЙНЫЕ ОБРАЗЦЫ ПОЯВЯТСЯ ТАК СКОРО.

Но это действительно произошло — специализированная пресса пестрит сенсационными заголовками: «Лазерные телевизоры — убийцы плазмы», «Лазерные телевизоры поступят в продажу в 2008 году» и т.д. Главным ньюсмейкером стал альянс двух  компаний —  американской Novalux, разработавшей источник когерентного излучения трех основных цветов с высоким световым потоком, и австралийской Arasor, придумавшей, как его использовать в бытовых телевизорах. В своем офисе Arasor уже продемонстрировала опытные образцы дисплеев и объемные изображения, создаваемые лазерными чипами. Согласно ее данным, лазерные телевизоры на 30% ярче плазменных и ЖК-аналогов, более экономичны, имеют вдвое больший цветовой охват, у них не выгорает люминофор от статичной картинки и отсутствуют шлейфы за быстро движущимися объектами. Как утверждают в Arasor, первые модели появятся в продаже в 2008 году, будут как минимум на 30% дешевле плазмы и ЖК и в сегменте аппаратов с большим экраном быстро выйдут на лидирующие позиции.

Планы Novalux и Arasor поистине грандиозны — они собираются внедрить лазерные дисплеи буквально во все сферы, от мобильных телефонов до электронных цифровых кинотеатров. Вице-президент Novalux Грег Нивен сообщил, что их компания ведет переговоры с ведущими фирмами мира. В частности, Seiko Epson будет заниматься разработкой и производством лазеров, а Samsung уже официально предложил Novalux сотрудничество в производстве телевизоров. Кроме Arasor, образцы лазерных телевизоров показали Mitsubishi и Sony. Обе модели имеют диагональ более 50 дюймов и разрешение 1920 х 1080 пикселей, т.е. Full HD. Неплохо для дебюта? Можно с уверенностью сказать, что массовый выпуск таких моделей произведет переворот на рынке плоских дисплеев и видеопроекторов.

Так что же такое лазерный дисплей? Представьте себе проекционную систему, где вместо лампы сверхвысокого давления UHP используется лазерный излучатель. Известно, что у всех ламп очень небольшой срок службы, который сейчас составляет около 3000 и даже по самым оптимистическим оценкам не сможет превысить 8000 часов. Предпринимались попытки заменить дуговые лампы сверхъяркими светодиодами с ресурсом в 20000 часов, но ничего, кроме карманного проектора для презентаций, разработанного компанией Epson в 2005 году, пока не получилось.

Novalux изготовила и провела комплексные испытания лазеров трех цветов — синего (465 нм), зеленого (532 нм) с мощностью излучения 3,5 Вт и красного (621 нм) мощностью в 1,2 Вт. Это не так уж мало. При переводе 3,5 Вт зеленого цвета в привычные люмены получается поток 2387 ANSI, чего вполне достаточно для домашнего проектора или телевизора с диагональю более 50 дюймов. Характеристики излучателей соответствуют новому стандарту xvYCC с расширенным цветовым охватом в области сине-зеленых тонов. Испытания этих лазеров показали, что их ресурс составляет 50000 часов без потери мощности излучения. По оценкам Novalux, ожидаемая цена трехцветного модуля при производстве более миллиона штук в год будет около 100 долларов.

На рис. 1 показан локус и два цветовых треугольника — черный для стандарта МКО RGB и белый для лазерных источников света NECSEL. В обычных телевизорах область цветового охвата находится внутри цветового треугольника МКО RGB из-за широкого спектра излучения основных цветов. Лазерные источники являются спектрально чистыми, поэтому цветовой охват телевизора на их основе покрывает всю область белого треугольника и фактически оказывается на 80% больше, чем у ЖК и плазменных экранов.

В таблице 1 приведен сравнительный анализ источников света, которые могут использоваться в проекционных аппаратах. Очевидно, что основным преимуществом лазеров является большой срок службы и стабильность выходного потока. Высокий прогнозируемый коэффициент преобразования электрической мощности в свет (15%) и эффективная оптика (60%) позволят сделать лазерный телевизор более экономичным, а спектрально чистые цвета — получить естественное изображение. Лазеры излучают поляризованный свет, что упрощает оптическую систему телевизоров и проекторов на ЖК-матрицах, а способность мгновенного включения и выключения делает ненужным цветовое колесо в одночиповых DLP-аппаратах. Все вместе позволит использовать просветные и отражающие экраны без усиления и, следовательно, увеличить углы обзора. Возможности пространственного сканирования и управления яркостью лазера дает дополнительные преимущества при построении проекторов с механической разверткой луча и лазерных шоу.

КАК РАБОТАЕТ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР?

Практически любой источник видимого излучения основан на принципе квантовых переходов электронов из одного энергетического состояния в другое. При нагревании тела электроны переходят на более высокие уровни энергии и при возврате в исходное состояние излучают свет. Случайные (спонтанные) переходы вверх и вниз на разные энергетические уровни объясняют широкий спектр излучения нагретого тела, будь то нить накала лампочки или перегретый газ дуговой лампы.

Кроме спонтанных существуют вынужденные переходы, когда световая волна «заставляет» электрон перейти в состояние с низкой энергией и излучить свет той же частоты и фазы. Для получения лазерного излучения необходимо насытить область высокой энергии электронами и обеспечить вынужденное излучение. Перевод электронов на высокий энергетический уровень производится накачкой, а для эффективного взаимодействия световой волны с электронами используется оптический резонатор. Простейшая конструкция — два параллельно расположенных зеркала. Свет, отражаясь от них поочередно, вовлекает в излучение все большее количество электронов. Если оба зеркала отражают 100% света, то лазер будет отлично работать, а чтобы луч вышел наружу, одно из зеркал делают полупрозрачным.

В полупроводнике электроны слабо связаны с атомами, и часть из них свободно «гуляет» по кристаллу, или, как говорят физики, находятся в зоне проводимости. Там, где электрон покинул свой атом, в валентной зоне появляется «дырка», т.е. отсутствие электрона. Чтобы попасть из валентной зоны в зону проводимости, электрону необходимо добавить энергии, позволяющей ему преодолеть потенциальный барьер, называемый запрещенной зоной. При возврате электрона в валентную зону он рекомбинирует с дыркой и излучает свет. Цвет свечения зависит от ширины запрещенной зоны, которая определяется составом полупроводника и легирующих примесей. Для создания непрерывного потока электронов и дырок сращивают два полупроводника — один с избытком электронов (типа n), а другой — дырок (типа p). При протекании тока электроны и дырки устремляются к границе перехода и там рекомбинируют, излучая свет. В обычных светодиодах этот процесс идет спонтанно, поэтому полоса излучения у них довольно широкая — 20 — 35 нм. Для перевода светодиода в лазерный режим следует подать очень большой ток (~50 А/мм2 ) и поместить его в оптический резонатор.

КОНСТРУКЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ

Полупроводниковые лазеры разделяются на два типа по способу вывода излучения. Лазеры с торцевым излучением EEL (Edge Emitting Laser) наиболее распространены и используются для оптоволоконной связи и в бытовой CD/DVD-аппаратуре. Они просты в производстве, имеют достаточно высокую выходную мощность (до 300 мВт) и любой цвет свечения. Несмотря на большие объемы выпуска (около 50 млн. шт. в год), они довольно дороги, поскольку технология их производства не позволяет протестировать лазер на ранних стадиях изготовления. Лазерные диоды формируются на общей подложке, после чего алмазным резцом отделяются друг от друга. Затем их устанавливают в корпус, тестируют, разбраковывают по мощности и форме луча. Поскольку при разделении подложки точно выдержать геометрические размеры каждого экземпляра невозможно, такие лазеры работают в многомодовом режиме, имеют несимметричную форму луча и недостаточно узкую спектральную характеристику.

Для получения симметричного луча и узкого спектра были разработаны лазеры с поверхностным излучением и вертикальным резонатором VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). В отличие от лазеров с торцевым излучением их структура сложнее, поскольку включает резонаторы на многослойных зеркалах. Зато технология изготовления хорошо контролируется и позволяет протестировать лазеры в процессе производства. Однако из-за узкого спектра их выходная мощность составляет около 10 мВт, поэтому такие лазеры используют в модемах и конверторах для локальных сетей.

Новая более совершенная технология лазеров с поверхностным излучением NECSEL (New Extended Cavity Surface Emitting Laser) за счет большей площади апертуры и уникальной конструкции резонатора позволила увеличить мощность излучения на два порядка, сохранив при этом симметрию выходного луча и узкую спектральную характеристику. Структура излучателя NECSEL показана на рис. 2.

Рис. 2. Структура излучателя NECSEL

Лазер смонтирован на керамике из окиси бериллия, обеспечивающей хороший отвод тепла от кристалла. Он состоит из p-n перехода и специального слоя QWs, в котором происходит излучательная рекомбинация электронов и дырок. Полупроводник p-типа (p-DBR) представляет собой многослойное Брегговское зеркало с коэффициентом отражения, близким к 100%. Для обеспечения выхода излучения полупроводник n-типа (n-DBR) тоже выполнен в виде Брегговского зеркала, но полупрозрачного. За счет протекания большого тока исходный кристалл из арсенида галлия (GaAs) нагревается, и в нем образуется тепловая линза, увеличивающая плотность излучения на выходе.

ЛАЗЕРЫ КОМПАНИИ NOVALUX

Исследования показали, что коэффициент преобразования электрической энергии в свет у лазеров резко снижается с уменьшением длины волны. Поэтому создать мощный полупроводниковый лазер синего цвета, работающий при комнатной температуре, в настоящее время довольно проблематично. Поэтому специалисты Novalux пошли обходным путем. Они создали мощные лазеры видимого диапазона, используя эффект удвоения частоты инфракрасного излучения. Известно, что обычный синусоидальный сигнал, проходя через нелинейный элемент, обогащается гармониками. То же самое бывает и с монохроматическим излучением при прохождении через среду с нелинейным коэффициентом преломления. Среда становится нелинейной при большой плотности излучения, когда напряженность электрического поля инфракрасного света сравнима с внутриатомным электрическим полем кристалла, т.е. примерно 5 х 109 В/см. Плотность излучения инфракрасного лазера NECSEL (106 Вт/мм2 x срад) как раз и создает нужное электрическое поле.

Структура лазера Novalux показана на рис. 3. Излучатель видимого света  состоит из инфракрасного лазера NECSEL, удвоителя частоты PPLN и оптического резонатора — объемного Брегговского зеркала VBG (Volume Bragg Grating). При прохождении ИК-излучения через нелинейный кристалл его частота удваивается, и на выходе появляется свет. Таким способом удалось изготовить полупроводниковые лазеры трех основных цветов — синего (465 нм), зеленого (532 нм) и красного (621 нм). ИК-лазер на полупроводнике индий — галлий — мышьяк  (InGaAs), позволяет при изменении состава этого сплава и параметров Брегговских зеркал получить мощное излучение с длинами волн 930, 1064 и 1242 нм. В процессе производства на 4-дюймовой базовой пластине из арсенида галлия размещается более 6000 лазерных диодов, каждый из которых можно протестировать до установки в корпус. Обычно проверяются основные параметры излучателя — способность работать в импульсном и непрерывном режимах, выходная мощность и длина волны излучения.

Рис. 3. Структура излучателя компании Novalux

Каждый излучатель способен выдать в видимом диапазоне непрерывную мощность от 150 до 300 мВт (102 — 204 лм зеленого цвета), что для телевизора явно недостаточно. Однако технология Novalux позволяет изготавливать не только отдельные излучатели, а целые блоки в виде линеек в один или два ряда и даже матрицы лазеров. В этом случае потоки отдельных излучателей суммируются, и появляется возможность изготовить источник света практически любой мощности. На рис. 4 показан готовый модуль, состоящий из линейки с 15 излучателями.

Рис. 4. Модуль с 15 излучателями без кожуха

На рис. 5. показаны лучи линейка с 14 излучателями зеленого цвета. Лучи от отдельных лазеров строго параллельны, а угол расхождения близок к дифракционному пределу и составляет около 10 миллирадиан.

Рис. 5. Лучи линейки из 14 излучателей NECSEL 532 нм

Лазеры в линейке способны работать не только в непрерывном, но и в импульсном режиме с частотой следования до 1 МГц. Последний более предпочтителен, поскольку за счет большей плотности энергии в импульсе позволяет повысить эффективность нелинейного преобразования, уменьшить объем нелинейного кристалла и обеспечить работу лазера в более широком температурном диапазоне. Свет лазерных излучателей имеет круговую поляризацию, которую с помощью четвертьволновой пластинки можно практически без потерь преобразовать в линейную.

Эффективность преобразования электрической мощности в видимый свет сейчас составляет 5 — 6%. Ожидается, что при серийном производстве она возрастет до 10%, а в будущем за счет использования более совершенной конструкции и новых материалов — до 15%. Надежность инфракрасных лазеров NECSEL отвечает стандарту TELCORDIA. Среднее время наработки на отказ составляет около миллиона часов, что подтверждено методом ускоренных испытаний с превышением рабочего тока на 20% больше максимального. Можно с уверенностью утверждать, что гарантированный ресурс работы излучателей превысит 50000 часов без снижения выходной мощности и изменения длины волны излучения в видимом диапазоне. Достигнутые в настоящее время уровни мощности составляют 3,9 Вт для зеленого (532 нм), 3,7 Вт для синего (465 нм) и 1,2 Вт для красного (621 нм) цветов.

Способность к масштабированию выходной мощности компания продемонстрировала, изготовив матрицу из 225 (15 х 15) излучателей, расположенных на площадке 5 х 5 мм, которая в режиме непрерывной мощности выдала около 80 Вт видимого излучения (более 54000 лм для зеленого цвета). Для отвода тепла использовалось водяное охлаждение. Такие матричные источники света вполне подойдут для больших киноэкранов или рекламных панелей. Удельная мощность линейных излучателей пока скромнее — 4,5 Вт/см2 для зеленого и синего цветов, но производитель заверяет, что совсем скоро она будет удвоена. А вообще предполагается достичь значения 12 Вт/см2 для всех цветов.

ОПТИКА ПРОЕКЦИОННЫХ ТЕЛЕВИЗОРОВ НА ЛАЗЕРАХ

Чтобы убедится в том, что проекционные аппараты с применением лазеров устроены проще, приведем оптические системы для DLP и ЖК-вариантов.

На рис. 6. показана схема проекции на одном DMD-чипе с дуговой лампой, а на рис. 7 — с трехцветным лазерным модулем. Очевидно, что второй вариант гораздо компактнее и не содержит механических компонентов. Здесь не нужен вентилятор для охлаждения, поскольку лазер не нагревается так сильно, как лампа. Вместо цветового колеса используется электронная коммутация излучения, т.е. при проекции поля определенного цвета включается соответствующий лазер.

Рис. 6. Схема проекции на DMD-чипе и дуговой лампе

Рис. 7. Схема проекции на DMD-чипе и трехцветном лазерном модуле

И в трехматричных ЖК-проекторах оптическая схема с лазерным источником получается гораздо компактнее и проще, чем с лампой. В последнем случае (рис. 8) требуется тепловой фильтр, поляризатор света, светоделительные зеркала и другие оптические элементы. При установке трех лазеров остаются лишь анализаторы поляризованного света и суммирующая призма (рис. 9).

Рис. 8. Схема проекции на трех ЖК-матрицах и лампе

Рис. 9. Схема проекции на трех ЖК-матрицах и трех лазерных излучателях

О ЧЕМ НЕ ГОВОРЯТ НА ПРЕЗЕНТАЦИЯХ

Разумеется, представляя публике новую технологию, обычно расписывают ее преимущества, умалчивая о недостатках и проблемах. Так, даже в восьмом поколении ЖК-панели не могут воспроизвести 100-процентный черный цвет, а плазменные — избавиться от остаточного изображения. Еще в прошлом году нас обещали завалить недорогими телевизорами с экранами SED с превосходным изображением, а воз и ныне там — между патентными тяжбами и техническими трудностями. В частности, не удается сохранить высокий вакуум в микроскопических ячейках.

А вот о чем предпочитают не говорить разработчики лазерных телевизоров. Если вы внимательно рассмотрите пятно от лазерной указки, наверняка заметите в нем мелкие яркие точки. Объясняется это тем, что при попадании лазерного луча на шероховатую поверхность, например стену или просветный экран, происходит случайная фазовая модуляция. Она-то и проявляется в структуре рассеянного излучения в виде светлых и темных точек, которые являются не чем иным, как пространственным шумом. Это подтверждает рис. 10, на котором показана проекция лазерного луча на шероховатой поверхности.

Рис. 10. Проекция лазерного луча на шероховатую поверхность

Такое явление называется спеклом, или гранулярной структурой пятна. При использовании линейки или матрицы излучателей контраст этого пространственного шума уменьшается пропорционально квадратному корню из N, где N — количество излучателей. Для линейной структуры из 15 лазеров, которую Novalux собирается использовать в своих телевизорах, контраст уменьшится менее чем в 4 раза. Другой путь решения проблемы — запуск лазера в импульсном режиме, в этом случае за счет расширения спектра излучения ухудшается когерентность, а с ней и уменьшается контраст гранулярной структуры.

Вполне возможно, что к обещанному сроку все сложности удастся преодолеть и в будущем году мы сможем протестировать первый лазерный телевизор. В это, честно говоря, верится с трудом — как показывает опыт, столь масштабные проекты всегда требуют больше средств и времени, чем планировалось. Тем не менее серьезный задел уже имеется, и вряд ли лазерная технология остановится на половине пути. Вполне возможно, что конкурировать ей придется уже не с плазмой и ЖК, а с SED или OLED. И это будет действительно впечатляющее соревнование! l