Физико-оптические приборы для телевидения и компьютеров: фотопреобразователи и источники света

Леонид Чирков

В этой статье речь пойдет о приборах, в которых используются не только оптические, но и другие физические явления. Таким устройствам можно присвоить название «физико-оптические», хотя, возможно, оно и не очень корректно. Типичным представителем физико-оптических приборов является знаковое для телевидения устройство, с которого начинается ТВ-тракт — преобразователь «свет — сигнал». В современном телевидении и компьютерной технике физико-оптические приборы нашли очень широкое применение.

Преобразователи «свет — сигнал»

Процессы преобразования электромагнитного излучения в электрический сигнал разнообразны, они распространены и в научном, и прикладном приборостроении столь же широко, как и в природе. Преобразователь «свет — сигнал», ориентированный на телевидение, должен соответствовать ряду специфических требований. Фоточувствительность (фотоэффект) — это свойство, присущее в той или иной мере достаточно большому количеству веществ. Но для использования в телевидении подходят лишь те немногие из них, которые соответствуют достаточно жестким требованиям. Прежде всего, они должны обладать фоточувствительностью в области видимого света — рабочем диапазоне стандартного телевизионного фотопреобразователя. И это требование далеко не самое жесткое! На фотопреобразователь поступает изображение — некий двумерный сигнал с пространственным распределением, а на выходе должен формироваться одномерный электрический сигнал с временным распределением. Вот это самая тяжелая часть задачи, так как для ее решения необходимо, как минимум, согласовать двумерную в пространстве картинку с ее одномерным аналогом в канале связи. Начинать здесь надо с параллельного преобразования функции распределения яркостей в исходном изображении в соответствующее ему распределение зарядов, что по силам только пространственно распределенному фотоприемнику. Операции анализа и считывания электронного эквивалента исходного изображения следует проводить так, чтобы по всему растру соблюдался единый принцип накопления зарядов в течение кадрового интервала. О решениях, которыми на данное время располагает телевидение, будет рассказано чуть ниже.

Светочувствительностью обладают много природных элементов, но, с практической точки зрения, интерес представляют только два типа фотоэффекта — внешний (фотоэлектронная эмиссия) и внутренний. Фотоэлектронная эмиссия была открыта Г. Герцем в 1887 г., первые фундаментальные исследования фотоэлектронной эмиссии были проведены в 1888 г. А. Столетовым, который, в частности, доказал пороговый характер этого эффекта, и Ф. Ленардом в 1889 г.

Фотоэлектронная эмиссия — это испускание электронов во внешнюю среду (в приборах обычно в вакуум), вызванное электромагнитным полем. В принципе фотоэлектронная эмиссия присуща любой конденсированной среде (твердой и жидкой). Но типичный для фотоэффекта диапазон соответствует ультрафиолету и мягкому рентгену. Фотоэмиссия в оптическом диапазоне — прерогатива исключительно металлов: для них характерна слабая связь валентных электронов с атомами, поэтому и энергия фотоэлектронов, возникающих в процессе ионизации, оказывается достаточной, чтобы обеспечить чувствительность к видимому свету. Теоретическое обоснование законов внешней эмиссии дал А. Эйнштейн в 1905 г. Центральным в его теории стал очень простой и наглядный закон сохранения энергии при фотоэлектронной эмиссии:

e =  h·f - j,

где e — кинетическая энергия электрона, выбитого фотоном; j — энергия ионизации; h — постоянная Планка; f — частота фотона в Гц.

На границе раздела «металл — вакуум» существует некий потенциальный барьер q. Фотоэлектрон может покинуть среду, если его кинетическая энергия е превышает потенциальный барьер q. Если е меньше q, то фотоэффект отсутствует. В случае металлов, вследствие незначительной энергии ионизации, потенциальный барьер достаточно низок для фоточувствительности в области видимого света и даже для инфракрасного излучения с длиной волны около микрона. Пороговый характер кривой фоточувствительности, как показали более детальные теоретические исследования, присущ фотоприемникам любого типа.

Внутренний фотоэффект сводится к тому или иному перераспределению электронов по энергетическим состояниям. Данный эффект характерен для диэлектриков и полупроводников и проявляется, в частности, в изменении электропроводимости среды (фоторезистивный эффект), вызванном появлением фотоэлектронов. В телевидении используется только внутренний фотоэффект в полупроводниковых материалах. Дело в том, что телевизионный фотоприемник в течение времени, которое соответствует одному кадру, должен накапливать заряды. Чтобы зоны компактной локализации зарядов оставались в интервале кадра стабильными, материал должен иметь довольно низкую, но все же достаточную проводимость для обеспечения эффективного управления при считывании информации в темпе одного ТВ-элемента. Такими свойствами как раз и обладают проводники, которые имеют промежуточную между металлами и диэлектриками проводимость.

Передающие ЭЛТ (электронно-лучевые трубки с фотомишенью у анода) вплоть до последнего десятилетия прошлого века оставались единственными развертывающими ТВ-устройствами, они сохранили свои доминирующие позиции и позже, после появления альтернативного ТВ-фотопреобразователя на базе ПЗС. В первые 15…20 лет в передающих трубках для электронного телевидения применялись только фотомишени с электронной эмиссией. Такая мишень мозаичной конструкции содержала необходимое по ТВ-стандарту разложения число отдельных элементарных конденсаторов, в которых накапливались фотоэлектроны. По ходу развертки электронный луч разряжал эти элементарные конденсаторы с периодичностью, равной длительности кадра.

Первая передающая ЭЛТ — иконоскоп был изобретен В. Зворыкиным в США, а его аналог — С. Катаевым в СССР. Затем появились супериконоскопы — ЭЛТ с секцией электронного переноса изображений, вносящей дополнительное усиление, что позволило повысить фоточувствительность прибора. Позже были созданы ЭЛТ на медленных электронах — ортиконы и суперортиконы (с секцией переноса). Во всех этих конструктивных решениях последовательно улучшались параметры передающих трубок и прежде всего их световая чувствительность.

Передающие ЭЛТ принципиально нового уровня качества появились, когда мозаичную мишень с внешним фотоэффектом удалось заменить на полупроводниковую с внутренним. Так появились видиконы, плюмбиконы и другие подобные устройства. Надо заметить, что энергия фотоионизации в полупроводниковой среде заметно выше, чем у металлов, поэтому фотоэлектроны, оставаясь в ней, не тратят кинетическую энергию на преодоление потенциального барьера на границе раздела сред. В этом и заключается принципиальное преимущество внутреннего фотоэффекта по сравнению с внешним.

Приборы с зарядовой связью (международная аббревиатура — CCD, российская — ПЗС) появились 33 года назад и долгое время предлагались на рынке комплектующих компонентов для электроники в качестве элементов полуоперативной памяти, регистров сдвига и линий задержки с управляемым временем. Вскоре выяснилось, что их можно использовать и в качестве фотопреобразователей матричного типа. Первой реальную возможность создания ТВ-камер на основе ПЗС продемонстрировала Американская радиокорпорация (RCA), правда, остальные результаты этого эксперимента вызвали скорее разочарование. Более удачной оказалась камера BVP-5, с помощью которой специалисты Sony выявили существенные резервы для улучшения ПЗС.

У ПЗС много достоинств. По сравнению с ЭЛТ они представляют собой совсем небольшие устройства, их применение позволило значительно уменьшить размер камерных головок. Прибор с зарядовой связью — твердотельное устройство с жестким растром, а это значит, что в нем отсутствуют геометрические искажения, столь характерные для ЭЛТ с их огромным набором аберраций электронной оптики. Твердотельные приборы существенно устойчивее к климатическим условиям эксплуатации. А вот ЭЛТ способны «плыть» при малейшем дуновении ветра. К этому стоит добавить и такое явное преимущество ПЗС, как малое энергопотребление.

Однако первые ПЗС имели и серьезные недостатки, основная их причина — несовершенство технологии. Неприемлемо низкий процент выхода годной продукции, а также чрезмерный разброс рабочих характеристик матриц от партии к партии и даже в рамках одной партии. Еще один, чрезвычайно неприятный недостаток — грязный растр. Светочувствительность ячеек ПЗС на разных участках растра могла расходиться на недопустимую величину, в результате по растру случайным образом были разбросаны ячейки, обладающие сверхчувствительностью, на изображении они выделялись как яркие белые точки. Первые ПЗС проигрывали ЭЛТ и по таким показателям, как общая светочувствительность и разброс светочувствительности в каналах RGB.

Но усовершенствование технологии производства матриц, исключение вредных примесей (особенно кислорода) привело к тому, что к 1990 г. матрицы ПЗС обошли ЭЛТ по всем параметрам, включая светочувствительность. Даже экстренные меры по сверхминиатюризации передающих ЭЛТ и улучшению других их параметров не спасли трубки, которые были полностью вытеснены из вещательного телевидения.

Рис. 1. Типичная МОП-структура

ПЗС — типичные МОП-структуры, в которых МОП представляет собой трехслойную композицию «металл — оксид — полупроводник», причем полупроводник должен обязательно обладать дырочной проводимостью (рис. 1). В полупроводниках атомы или ионы сближены до расстояний, сопоставимых с размером атомов, поэтому для них характерен постоянный обмен валентными электронами. Именно эта особенность предопределяет все замечательные свойства полупроводниковых материалов, которые реализуются современной электроникой. Ковалентная связь позволяет электронам «гулять» в полупроводниках, хотя и не так свободно, как в металлах, но все-таки достаточно вольно, чтобы обеспечить электронную проводимость. Если же по каким-то причинам ион оказывается свободным, реализуется другой механизм проводимости — дырочный, своеобразный вариант ионной проводимости. Под действием электрического поля электрон с нейтрального атома может перескочить на соседний со стороны анода, тогда этот «сосед» превратится в ион, что будет соответствовать сдвигу положительной дырки на «шаг» в сторону отрицательного потенциала. Такой механизм проводимости и называют «дырочным». В чистых полупроводниках действуют оба механизма, а за счет введения примесей можно добиться преобладания одного из них — электронного (n-тип) или дырочного (р-тип). Фиксирующие проводимость примеси n-типа называют «донорами», а р-типа — «акцепторами». В МОП-структурах применяются полупроводники р-типа.

Рис. 2. Регистры сдвига и трехтактовый перенос заряда

Заряд дырок — положительный, поэтому чем дальше они от электрода, тем им комфортнее. В результате под электродом, на который подан положительный потенциал, образуется так называемая обедненная зона, где нет, а точнее, мало дырок. Допустим, что в полупроводниковый материал МОП-структуры каким-то способом инжектированы свободные электроны. С помощью дырочного переноса избыточные электроны отправятся прямо в обедненную зону, где они расположатся компактно и достаточно надолго. Одним из способов инжекции избыточных электронов является облучение МОП-конденсатора электромагнитным полем, в нашем случае световым (процесс фотоионизации).

В матрице МОП-конденсаторов заряды можно перемещать из ячейки в ячейку с помощью трехтактового «двигателя». Поясним процесс переноса на примере регистра сдвига (рис. 2). Пусть заряды собраны в первой ячейке. На все электроды подается одинаковый положительный потенциал U. На втором этапе потенциал соседней (второй) ячейки увеличен до 3U. Разницы потенциалов в 2U достаточно, чтобы «сдуть» все заряды во вторую ячейку, после чего потенциалы выравниваются. Процесс повторяется, заряд перемещают в третью ячейку и т. д.

Рис. 3. ПЗС с покадровым переносом: 1 — секция светочувствительных ячеек; 2 — секция накопления; 3 — считывающий терминал

Первая ПЗС с покадровым переносом была создана в Американской радиокорпорации (RCA), потом ее в течение многих лет дорабатывала фирма Philips. ПЗС этого типа (рис.3) состоит из двух секций: светочувствительной и накопления. В режиме чересстрочной развертки заряды из ячеек светочувствительной секции сбрасываются в секцию накопления в интервале полевого гасящего импульса, а в режиме прогрессивной развертки — в интервале кадрового импульса (каждого четного полевого импульса). На время сброса зарядов светочувствительная секция должна быть изолирована от света. Изоляция обеспечивается двухлопастным обтюратором, который работает в ведомом режиме. Ячейки секции накопления покрыты алюминиевой фольгой. Информация с ПЗС выводится через считывающий терминал (последняя ячейка на рисунке).

Однако механический обтюратор, вполне уместный в кинокамерах, совершенно не подходит для телевизионных. Этот и ряд других недостатков ПЗС с покадровым переносом спровоцировали компанию Sony на разработку собственной версии ПЗС с построчным переносом (рис. 4). Слева от каждой вертикальной линейки светочувствительных ячеек расположены ячейки регистра сдвига. В интервале полевого гасящего импульса накопленные заряды одновременно и почти мгновенно (в течение передачи одного ТВ-элемента) сбрасываются в соседние ячейки регистров сдвига. Заряды в интервале следующего ТВ-поля последовательно через считывающий регистр (нижний ряд ячеек) выводятся на считывающий терминал. Поскольку время сброса зарядов в регистры сдвига достаточно мало, световой поток можно не прерывать, что и позволило убрать обтюратор.

Рис. 4. ПЗС с построчным переносом: 1 — регистр сдвига; 2 — светочувствительная ячейка; 3 — считывающий регистр

Рис. 5. ПЗС с построчно-кадровым переносом 1 — регистр сброса; 2 — фоточувствительные элементы; 3 — фоточувствительная секция; 4 — элементы секции накопления; 5 — секция накопления; 6 — элементы регистра вывода; 7 — регистр вывода

Правда, и у построчного переноса тоже есть недостатки. Первый очевиден: примерно четверть рабочей поверхности матрицы закрыта светонепроницаемой пленкой, защищающей регистры сдвига, что приводит к соответствующим потерям света. С этим приходится либо смириться, либо за счет совершенствования технологии снижать долю регистров. Гораздо серьезнее другой недостаток — помехи от ярких объектов. Они проявляются в виде вертикальных «столбов» и являются принципиальным дефектом схемы вывода информации. И если в видеорепортаже, а иногда и во внестудийном производстве с такими помехами, поморщившись, можно смириться, то для студийной аппаратуры они просто недопустимы. Поэтому и были разработаны матрицы со строчно-кадровым переносом (рис. 5). На рисунке показано, что к матрице со строчным переносом «пристегнут» кадровый ПЗС-накопитель. Весь смысл этой простой, на первый взгляд, затеи заключается в перестройке схемы последовательного вывода информации во внешние цепи, при которой ориентированные помехи от ярких объектов исключаются, а точнее, разбрасываются по полю изображения в порядке, близком к случайному. Решение, конечно, дорогое, но в борьбе за качество за ценой не постоишь.

На рисунке приведена упрощенная схема ПЗС-матриц с построчно-кадровым переносом, но упоминания заслуживают и некоторые детали. Так, в регистрах сдвига вместо металлических электродов применяются полупроводники n-типа. С одной стороны они контактируют с зоной р-типа светочувствительных ячеек, а с другого края — с собственной полупроводниковой подложкой. И там, и там возникают p — n-переходы, что позволяет реализовать ряд полезных функций, например эффективный сброс зарядов в сдвиговые регистры и управление временем экспозиции. Заряды в течение 1/1000 с поступают на регистр, а накапливаемые в остальное время кадрового интервала уходят в подложку. Другой p — n-переход при пересветках (резком увеличении освещенности) автоматически сбрасывает в подложку лишние заряды.

Фотопроводимость (фоторезистивный эффект) — изменение электропроводимости полупроводника в зависимости от интенсивности электромагнитного облучения — широко используется в науке и технике. Этот эффект обусловлен увеличением концентрации подвижных носителей заряда в процессе фотоионизации среды. Фоторезисторы обладают достаточно высокой светочувствительностью, их часто применяют в составе оптронной пары «источник света — фотоприемник» в качестве практически идеального средства для гальванической развязки цепей (например, высоко- и низковольтных). При обратном расположении элементов такая пара может использоваться как преобразователь света по интенсивности (усилитель), спектральному составу и т. п. В некоторых приложениях она применяется в качестве усилителя яркости изображений.

Именно такой оптронный фокус проделала фирма JVC с известной серией видеопроекторов ILA. Самым важным элементом этого устройства является оптронная пара, составленная из полупроводниковой пластины-фоторезиста, с которой соприкасается электрооптический модулятор на жидком кристалле. Сразу замечу, что это однородные элементы без всяких намеков на матричные или растровые структуры. Пара работает следующим образом. Изображение, воспроизведенное на экране кинескопа, проецируется на фоторезист, который в виде соответствующего распределения потенциалов переносит его на поверхность электрооптического модулятора света. Последний модулирует мощный световой поток от независимого источника, руководствуясь распределением потенциалов, сформированным фоторезистом. Вот так относительно неяркое изображение с экрана кинескопа переносится на мощный световой поток и воспроизводится уже на большом экране.

Источники света

Для освещения съемочных площадок в студиях и на натуре используются самые разнообразные осветительные приборы и, конечно же, источники света (пожалуй, не в ходу теперь только дуговые лампы). Но эту тему журнал «625» не упускает из вида и регулярно посвящает ей свои материалы. Однако в телевидении самые различные источники света широко применяются и вне осветительной аппаратуры для решения иных технологических задач. Некоторые из них заслуживают упоминания в рамках этой статьи.

Газоразрядные источники света пользуются вполне заслуженной популярностью и часто находят самые неожиданные применения. Они могут работать в различных режимах. Так, газоразрядный источник может быть выполнен в виде миниатюрной лампы, которую можно использовать для подсвечивания небольших полостей (например, полости рта). Из них можно составить и целую световую стену. Подобные источники разнообразны и по спектральным характеристикам излучения, возможным цветовым температурам и т. п. Но все-таки популярность газоразрядных источников в телевидении связана с плазменными панелями отображения. Современные плазменные панели были подробно рассмотрены в обзоре «Устройства отображения для телевизионного производства», который был опубликован в нашем журнале («625», 9/2002, с. 5…43).

В газоразрядных источниках света, при всем разнообразии их форм, характеристик и назначения, протекают одни и те же физические процессы. Газоразрядный прибор заполняется инертным газом (гелием, неоном, ксеноном) или смесью газов до давления более низкого, чем атмосферное. Процесс начинается с поджига электрического газового разряда, для чего на электроды подается высоковольтный импульс. После пробоя для поддержки тока разряда потребуются более низкие потенциалы. Но в любом случае и потенциал пробоя, и ток равновесного тлеющего разряда напрямую зависят от давления газа и расстояния между электродами. При пробое образуются разрядные каналы, которые заполняет плазма, т. е. ионизированный газ. Электрический газовый разряд устойчив, если плазма равновесна, т. е. уравновешены два противоположно направленных процесса — воспроизводство новых ионов, поддерживаемое током разряда, и рекомбинация (восстановление) ионов до нейтральных атомов. Свечение, всегда сопровождающее плазму, как раз и является рекомбинационным.

Характеристики рекомбинационного излучения, за исключением интенсивности, в основном зависят от параметров газа, а большая часть электромагнитного излучения плазмы инертных газов лежит в области ультрафиолета. В газоразрядных приборах предусмотрен еще один физический процесс — фотолюминесценция, при которой ультрафиолетовое излучение плазмы преобразуется в видимый свет. С этой задачей справляются люминофоры. Сейчас известно достаточно много хороших и разных люминофоров, что важно, поскольку, варьируя состав люминофора, подбирают нужные спектральные характеристики излучения. И еще, газоразрядную трубку можно как угодно согнуть, на работоспособности плазмы (в известных, конечно, пределах) это не отражается. Примерами подобных фантазий может служить наружная световая реклама.

Плазменная панель формата 16/9 содержит немногим более 2,5 млн ячеек, каждая из которых является миниатюрным газоразрядным светоизлучающим прибором. Характерный размер ячейки для экрана с диагональю 1 м — 0,35 мм, и пока это нижняя граница для газоразрядных приборов. Форма этих ячеек, размещение электродов, состав люминофоров и другие детали конструкции целиком подчинены конкретной задаче. (Подробно об этом было рассказано в упомянутом выше обзоре.) Лазерную модификацию газоразрядного прибора мы рассмотрим ниже.

Светодиод — это еще один интересный тип источника света. Правда, пока для телевидения в «чистом виде» светодиоды скорее являются перспективными, а не широко используемыми элементами, а вот в сочетании с лазером играют достаточно важную роль. Светодиод — это полупроводниковый диод, который становится эффективным источником света при определенных режимах работы. Диод, в сущности, является комбинацией двух контактирующих сред, отличающихся по химическому составу, причем одна из них должна иметь электронный тип проводимости (n), а другая — дырочный (р). В остальном возможны варианты. Средой n-типа, например, может служить любой из металлов или соответствующий полупроводник с присадками-донорами. Претендовать на роль р-среды вполне может ионизированный газ и опять же полупроводник с соответствующим типом проводимости, т. е. с присадками-акцепторами. Но мы ограничимся рассмотрением лишь одной из многих возможных комбинаций, а именно парой полупроводников р- и n-типа (рис.6).

Сначала дадим небольшое определение: электроны в р-области и дырки в n-области являются неосновными носителями тока. А затем перейдем к физике: поскольку в твердом теле атомы и молекулы неподвижны, то и родители основных носителей — акцепторы и доноры — тоже неподвижны, и границу раздела р- и n-частей диода пересекать они не могут. Для неосновных носителей (n и р, соответственно) граница прозрачна. В этом «таможенном» неравенстве и заключена главная тайна полупроводниковой электроники. Попробуем, пользуясь рис. 6, постичь ее хотя бы частично. Как только контакт состоялся, дырки начинают двигаться в n-область (выделена синим цветом). Но далеко от границы уйти они не могут, поскольку за границей нет акцепторов. То же происходит и с электронами: шустро пустившись в бега, они попадают туда, где нет «валютной» донорской подпитки, т. е. в р-области (выделена зеленым цветом). В итоге на полосе справа от границы формируется эмиграционный лагерь положительных зарядов, а слева — отрицательных. Так возникает гетеропереход, т. е. переход между средами разного состава. Более конкретное определение для данного случая — электронно-дырочный, или p — n-переход.

Рис. 6. Полупроводниковый диод и его вольт-амперная характеристика

Как формируется двойной пространственный слой зарядов отрицательных в р-области и положительных в n-области показано на рис. 6. При этом возникает контактное электрическое поле, которое противодействует дальнейшей диффузии основных носителей тока. В случае теплового равновесия (в отсутствие внешнего поля) ток через p — n-переход не протекает (равен нулю). Как правило, контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) составляет доли вольта. Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера. При положительном потенциале со стороны р-области он понижается (прямое смещение). С ростом внешнего потенциала концентрация неосновных носителей по обе стороны p — n-перехода увеличивается экспоненциально (обратный переход, синяя часть кривой). Так осуществляется инжекция неосновных носителей. Именно в режиме инжекции и работает светодиод.

При отрицательном потенциале со стороны р-области контактный барьер возрастает, через переход течет ток насыщения IS, который почти не зависит от приложенного отрицательного потенциала. Красная часть вольт-амперной характеристики соответствует пробою p -n-перехода.

Итак, светодиод работает при прямом смещении, т. е. в режиме инжекции неосновных носителей тока, которая инициирует процессы рекомбинации носителей, в результате возникает световое излучение на основе явления инжекционной электролюминесценции. Величина тока при этом может изменяться в сотни тысяч и даже миллионы раз, а соответственно, и концентрация неосновных носителей, и яркость излучения светодиодов может достигать тысячи…сотни тысяч кд/кв. м. КПД светодиодов составляет от одной сотой до нескольких процентов, но для преобразования электрической энергии в световую это считается очень высокой эффективностью.

Газовые лазеры

Почти во всех случаях источником излучения света является энергетически возбужденный атом, в котором внешние (валентные) электроны по той или иной причине переброшены с основного квантового уровня на верхние с более высоким энергетическим состоянием. Возбужденное состояние неустойчиво, и электрон за счет одного или нескольких квантовых переходов возвращается на прежний уровень. Квантовые переходы сопровождаются спонтанным (самопроизвольным) излучением фотонов той или иной «окраски». Эти фотоны уносят избыточную энергию и воспринимаются нами как световое излучение. В силу природной индивидуальности каждого атома, даже фотоны одной линии (квантового перехода) излучения могут различаться по многим параметрам: направлению распространения, состоянию поляризации, длине волны в пределах ширины линии. До недавнего времени считалось, что упорядочить эту атомную анархию и организовать из них слаженный оркестр невозможно. Но в 1960 г. американский ученый Т. Мейман создал первый оптический прибор, который стал подлинным генератором направленного когерентного света и был назван «лазером».

Термин «лазер» является аббревиатурой от английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, которая переводится как усилитель света вынужденным (стимулированным) излучением. Ключевые слова в этом словосочетании — вынужденное излучение. На возможность вынужденного излучения применительно к оптике первыми указали великие теоретики прошлого века А. Эйнштейн и П. Дирак. Возбужденный атом имеет «на раздумье» определенный запас времени, но вынужден излучить фотон практически моментально, если оказывается в поле фотона, принадлежащего к той же линии. Причем вынужденный фотон будет полной копией «искусителя».

Для запуска лазерного механизма в среде необходимо создать инверсию населенностей: атомов в возбужденном состоянии в ней должно оказаться больше, чем в основном. Это возможно, если верхний уровень является метастабильным, т. е. квантовый переход с него на нижний уровень будет запрещен некими правилами отбора. При разрешенном квантовом переходе возврат на нижний уровень с излучением фотона происходит примерно за одну миллионную долю секунды, а в случае запрещенного перехода на это затрачивается от одной сотой до нескольких секунд. Различие огромное, поэтому времени для накопления возбужденных атомов вполне достаточно.

Рис. 7. Трехуровневая схема квантовых переходов в гелий-неоновом лазере

Отечественные физики А. Прохоров и Н. Басов разработали трехуровневую схему накачки инверсии населенности и лазерного действия, которая впервые была реализована в гелий-неоновом лазере. Эту схему поясняет рис. 7. Процесс начинается с энергетической накачки, в рассматриваемом варианте — тлеющий газовый разряд, подобный тому, что используется в плазменных панелях. В процессе накачки атомы гелия переходят в возбужденное состояние (соответствующий квантовый переход разрешен). В процессе столкновения атомов гелия и неона (у последнего есть метастабильный переход, близкий к накачиваемому уровню) энергия возбуждения передается атому неона. Этот переход является безызлучательным. Утраченная при этом малая доля энергии переходит в кинетическую энергию теплового движения атома, т. е. расходуется на практически незаметный разогрев среды. Вот так и формируется инверсия населенностей. В процессе вынужденного перехода с метастабильного уровня на нижний к стимулировавшему фотону добавляется его копия. За разработку этой схемы накачки и создание гелий-неонового лазера А. Прохоров, Н. Басов и Ч. Таунс (США) получили Нобелевскую премию.

Рис. 8. Газовый лазер с газоразрядной накачкой и размещение мод в полосе линии вынужденного излучения

На рис. 8 представлены основные элементы конструкции газового лазера с газоразрядной накачкой. Газоразрядная трубка размещена в интерферометре Фабри-Перо, о котором мы писали в статье «Оптика: интерференция» («625», 8/99, стр. 76…79). В лазере он выполняет функцию оптического резонатора. Торцевые концы газоразрядной трубки скошены под углом Брюстера. Для составляющей световой волны, диэлектрический вектор которой ортогонален плоскости падения луча, ориентация под углом Брюстера означает полную прозрачность (подробнее см. статью «Геометрическая оптика: определения и законы», «625», 4/2000, стр. 62…66). Диэлектрические зеркала оптического резонатора изготавливаются из высококачественного оптического стекла с многослойным покрытием, рассчитанным на максимальную эффективность в пределах линии спонтанного излучения. Такие зеркала практически не вносят потерь. Если нет специальных причин, то одно из зеркал делают глухим (с коэффициентом отражения 100%). Отражательная эффективность другого стекла составляет 98…99%, а оставшиеся 1…2% используют для вывода лазерного излучения.

Запуск лазера начинается с банального спонтанного излучения. Среди спонтанных фотонов скоро обнаруживается такой, который распространяется точно вдоль оптической оси резонатора и обладает частотой, совпадающей с собственной частотой одной из мод, точнее, той, что ближе всего к вершине частотной характеристики линии спонтанного излучения. Такой фотон и становится родоначальником лазерного излучения — потока копий прародителя. Подобное излучение монохромно и когерентно.

Гелий-неоновые лазеры дают непрерывное излучение с длиной волны 0,63 мкм, расходимостью 0,5…3 мрад и мощностью 10…50 мВт. КПД лазера невелико и составляет около десятой процента. Оптимальный состав газовой смеси — десять атомов гелия на один атом неона. Газовые лазеры, в том числе и гелий-неоновые, широко используются в концертной и театральной шоу-технике. К настоящему времени уже разработано много различных схем квантовых переходов и найдено большое число новых материалов, а мощность современных газовых лазеров может достигать нескольких ватт и даже киловатт.

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры — единственный тип лазера, где используются не квантовые переходы между дискретными уровнями, а переходы между энергетическими зонами. Другая их отличительная особенность заключается в огромном удельном оптическом усилении, которое может достигать 10 тыс. на каждый сантиметр, что позволяет добиваться желаемого результата при меньших размерах: типичные размеры оптического резонатора — всего 0,5…1 мм, а в случае газовых лазеров этот параметр составляет 0,5…1,5 м.

Механизм накачки в полупроводниковых лазерах тот же, что и в светодиодах — инжекция неосновных носителей.

Чтобы преобразовать светодиод в лазер достаточно отполировать торцевые грани, ортогональные p-n-переходу. Обычно этого достаточно, хотя иногда на торцы еще наносят диэлектрические зеркальные покрытия.

В настоящее время наиболее широко распространены гетеролазеры, содержащие два гетероперехода: p-n-переход, являющийся инжектором (эмиттером), его мы уже рассматривали, и р-р-переход, который ограничивает диффузное растекание носителей заряда из активного слоя. Лазерное излучение формируется в активном слое между названными гетеропереходами. Вариацией на тему гетеролазера является полосковый лазер, в котором активный слой сформирован в виде полоски шириной 1…20 мкм. Полоска тянется вдоль оси оптического резонатора от одного торца до другого. Мощность излучения из такой полоски может достигать 100 мВт.

Наиболее популярны полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия (GaAs), излучающие в красной области спектра. Хотя в настоящее время уже созданы лазеры на основе многих других веществ, дающие свечение самых разных цветов.

Следует отметить, что недавно за фундаментальные исследования разнообразных гетероструктур и приборов на их основе, в том числе гетеролазеров, наш соотечественник Ж. Алферов получил Нобелевскую премию.

Гетеролазеры надежно работают в оптических дисковых накопителях информации, где они используются для записи и считывания информации. Они «спрятаны» и в таких важных манипуляторах, как оптическая мышка. В телевидении оптические накопители успешно конкурируют с накопителями на базе жестких дисков. И, конечно, конвергенция телевидения и компьютерных технологий приведет к активному расширению областей применения гетеролазеров.