МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ПРОЕКЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВА

OPTICAL PHENOMENA AND FACILITIES

Статья поступила в редакцию 10.06.13. Ред. рег. № 1676

The article has entered in publishing office 10.06.13. Ed. reg. No. 1676

УДК 621.373.826:621.397.13

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ПРОЕКЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

1 2 3

М.А. Казарян , Ю.М. Мокрушин , О.В. Шакин

1Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН 119991 Москва, Ленинский пр., д. 53 Тел.: +7 (499) 135-78-90, e-mail: [email protected] 2Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ) 195251 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29 E-mail: [email protected] 3Физико-технический институт им. Иоффе РАН 194021 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26 Факс: (812) 297-1017

Заключение совета рецензентов: 15.06.13 Заключение совета экспертов: 18.06.13 Принято к публикации: 20.06.13

Рассмотрены различные способы формирования проекционного изображения на носителях больших геометрических размеров. Особое внимание уделено импульсным методам формирования оптического изображения с помощью эффективных акустооптических преобразователей. Такие системы представляются в настоящее время единственными из всех возможных для целей широкомасштабного оповещения населения о возможных природных или техногенных катастрофах в чрезвычайных ситуациях.

Ключевые слова: акустооптическая проекционная система, импульсный лазер, модулятор, кристалл ТеО2.

METHODS OF CREATION OF THE LASER PROJECTION IMAGE M.A. Kazaryan1, Yu.M. Mokrushin2, O.V. Shakin3

'P.N. Lebedev Physical Institute of RAS 53 Leninsky ave., Moscow, 119991, Russia Tel.: +7 (499) 135-78-90, e-mail: [email protected] 2Saint-Petersburg State Polytechnic University 29 Polytechnic str., St.-Petersburg, 195251, Russia E-mail: [email protected] 3A.F. Ioffe Physical-Tecnical Institute of RAS 26 Polytechnic str., St.-Petersburg, 194021, Russia Fax:(812)297-1017

Referred: 15.06.13 Expertise: 18.06.13 Accepted: 20.06.13

Various ways of formation of the projective image on carriers of the big geometrical sizes are considered. The special attention is given pulse methods of formation of the optical image by means of effective aKycTOonraHecKHX converters. Such systems are represented now unique of all possible for the large-scale notification of the population about possible natural or technogenic accidents in extreme situations.

Keywords: acousto-optical projection system, pulsed laser, modulator, TeO2 crystal.

Развитие лазерных телевизионных устройств отображения информации

На первых этапах своего развития работы по созданию телевизионных отображающих систем велись в основном по двум направлениям. В основе первого направления лежала идея управления электронным

пучком при помощи электромагнитных устройств модуляции и отклонения и дальнейшего преобразования энергии электронов в видимое излучение на люминофорном экране. Эта идея нашла свое отражение в создании электронно-лучевых кинескопов, долгое время являвшихся основными элементами телевизионных отображающих устройств. Другим

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

направлением являлись работы по непосредственному использованию энергии световых пучков для создания телевизионного изображения на проекционном экране.

Принцип формирования развертки в электроннолучевых кинескопах был напрямую связан с последовательным принципом получения и передачи информации по каналу связи. В современных телевизионных устройствах имеется электронная память на кадр, которая дает возможность преобразования последовательного информационного массива в параллельный с последующим выводом изображения на матричный стационарный экран. При этом отпадает необходимость в системах сканирования по строке и кадру. Каждый элемент изображения на таком экране занимает свое определенное место. В настоящее время существует большое количество различных матричных систем отображения информации, построенных на различных физических принципах, которые отличаются друг от друга способами создания светового излучения и методами его модуляции. Их работа достаточно подробно освещена в литературе [1]. Для создания светового изображения в современных матричных телевизорах используются жидкокристаллические [2, 3] и плазменные панели [4]. Разрабатываются дисплеи на основе органических светодиодов [5, 6]. Получает дальнейшее развитие технология создания цветного изображения путем засветки люминофоров при взаимодействии с ним модулированного пучка электронов. В результате использования холодных катодов с автоэлектронной эмиссией удалось создать плоский матричный дисплей, состоящий из триады RGB люминофоров, которые возбуждаются током автоэлектронной эмиссии [7]. Управляющее поле при этом составляет всего 1,5-2,0 В/мкм. Яркость индикаторов достигает нескольких тысяч кандел на квадратный метр. Дальнейшим развитием этого метода являются работы по созданию плоских дисплеев с поверхностной эмиссией электронов [8]. Для больших экранов коллективного пользования широко используются светодиодные матрицы, а также матрицы из катодолюми-несцентных ламп. Каждая из существующих технологий обладает своими достоинствами и недостатками. К недостаткам жидких кристаллов можно отнести недостаточно большие углы обзора, невозможность отображения черного цвета и инерционность. У плазмы другие проблемы: выгорание пикселей, меньшая, по сравнению с ЖК, яркость и высокое энергопотребление. Плазменной панели противопоказана длительная демонстрация неподвижного изображения. Общими недостатками матричных систем являются дискретность их структуры, неодинаковость свечения отдельных элементов, что особенно сильно проявляется при наблюдении изображения на больших полиэкранах.

В основе современных устройств с проекционными кинескопами, например, Barco Reality 812 (Бельгия), лежит принцип оптического увеличения

изображения, получаемого на экране высокояркост-ных люминофорных электронно-лучевых трубок с диагональю экрана 300 мм и с магнитной фокусировкой электронного пучка. Изображение с экрана трубки проецируется с помощью линзового или зеркально-линзового объектива на проекционный экран. Каждая из трех RGB трубок обладает высокой разрешающей способностью (2000 ТВ-линий) при кадровой развертке до 200 Гц. При очень высоком качестве получаемого изображения световой поток таких проекторов невелик (до 500 лм), что ограничивает область их применения закрытыми залами.

Отдельным направлением, которое продолжает развиваться только в России, являются работы по созданию телевизионных проекторов на основе полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком - квантоскопов [9, 10]. В квантоскопе экран трубки изготавливается в виде пластины, вырезанной из монокристалла полупроводника, с нанесенными отражающими покрытиями на обе плоскопараллельные поверхности. Эта система играет роль оптического резонатора полупроводникового лазера с электронным возбуждением. При сканировании по монокристаллу электронным лучом, модулированным по интенсивности, он становится источником оптического изображения. Достоинством этих приборов является сравнительно низкая потребляемая мощность (1-1,5 Вт/лм) при достаточно высоком уровне выходного светового потока (до 3000 лм). Несмотря на довольно высокую монохроматичность излучения, позволяющую получать высокий цветовой контраст, в изображении отсутствует «спекло-вая» структура. К другим достоинствам современных квантоскопов можно отнести широкий диапазон длин волн излучения (460-700 нм), сравнительно невысокие требования к проекционной оптике, обусловленные малыми размерами активных элементов и небольшой расходимостью лазерного излучения, а также высокую разрешающую способность (до 1600 ТВ-линий) и быстродействие, присущие электроннолучевым приборам. Основными недостатками кван-тоскопов являются присутствие высокого напряжения, возможность выгорания отдельных активных зон и необходимость эффективного охлаждения полупроводниковых пластин активного элемента, что ограничивает возможность дальнейшего увеличения размеров пластин и выходного светового потока.

С использованием некогерентных источников света второе направление развития телевизионных отображающих систем нашло свое наиболее законченное выражение в телевизионной проекционной системе, разработанной в 1938-1939 гг. английской фирмой «Scophony» [11, 12]. В качестве пространственного модулятора света в данной системе была применена жидкостная ультразвуковая ячейка. В ячейке возбуждалась бегущая ультразвуковая волна, которая была промодулирована по амплитуде видеосигналом. Длина звукопровода выбиралась равной произведению скорости звука в жидкости на дли-

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

тельность телевизионной строки. Ячейка равномерно освещалась световым пучком от мощной ртутной лампы или дугового разряда, направленным параллельно фронту упругой волны. После прохождения света через ячейку наблюдалась картина дифракции света на объемной фазовой решетке, обусловленной изменениями показателя преломления среды ячейки за счет упругооптического эффекта в жидкости. При помощи проекционного объектива из дифрагированных световых пучков на экране формировалось распределение светового поля, интенсивность которого по одной координате изменялась в соответствии с законом амплитудной модуляции. Это изображение перемещалось по экрану со скоростью, пропорциональной скорости звука в ячейке. Для компенсации этого движения световые пучки отражались от дополнительного вращающегося многогранного зеркального барабана. В результате изображение строки становилось неподвижным. Последовательное отклонение амплитудно-модулированных световых строк по другой координате осуществлялось в результате отражения света от второго зеркального барабана, скорость вращения которого была синхронизирована с частотой кадров. При использовании мощной дуговой лампы данная система позволяла получать телевизионное изображение размером 4,5^3,6 м. При полосе частот видеоканала 5 МГц число разрешаемых элементов в телевизионной строке составляло 250 при 405 строках в кадре. Несмотря на свои недостатки: невысокое разрешение, неэффективное использование энергии светового излучения, присутствие механически управляемых элементов отклонения света, создание данной системы явилось большим техническим достижением для своего времени, получившим дальнейшее развитие с появлением мощных источников когерентного излучения - оптических квантовых генераторов.

Одной из первых работ по реализации телевизионной системы отображения информации с использованием лазера была работа Корпела и др. [13], в которой был практически повторен принцип действия проектора фирмы «8сорИопу». В качестве светового пучка использовалось непрерывное излучение Не-№ лазера. Модулятором служила ультразвуковая ячейка на воде, в которой возбуждалась акустическая волна с частотой / = 41,5 МГц. Остановка движения строки на экране осуществлялась при помощи акустооптического дефлектора на воде, отклонявшего падающий на него модулированный световой пучок в сторону, противоположную той, куда перемещалась картина на экране. Развертка по кадру осуществлялась при помощи зеркального электромагнитного гальванометра. При полосе частот видеоканала 3,15 МГц данная система позволяла получить 200 элементов разрешения по строке. Акустооптические модуляторы на воде, используемые в первых работах, из-за большого акустического затухания (1,5 дБ/см при/= 30 МГц) работали на довольно низких частотах ультразвука, что не позволяло получить большой полосы модулирующих

частот видеоканала. Кроме того, при работе с большими мощностями ультразвукового сигнала срок службы таких ячеек был ограничен.

В 70-х годах в области создания лазерных телевизионных устройств отображения информации наметился определенный прогресс, обусловленный рядом факторов. Во-первых, были созданы непрерывные ионные лазеры на инертных газах: аргоне (^1 = 476,5 нм, Х2 = 514,5 нм, = 488,0 нм) и криптоне (Х4 = 647,1 нм), которые могли давать одномо-довое выходное излучение мощностью в несколько ватт. Расчеты показывают [14], что при использовании смешанного излучения этих лазеров на длинах волн Х2 и Х4 с выходными мощностями излучения, находящимися, соответственно, в отношении 1,16; 1; 2,667, можно получить поток белого света. При этом излучение на этих длинах волн можно использовать в качестве основных цветов полноцветной телевизионной системы. Во-вторых, были синтезированы новые высокоэффективные акустические кристаллы (Те02, РЬМо04, а-НГОз, ^2С12 и др.), а также разработаны широкополосные пьезоэлектрические преобразователи для возбуждения упругих волн, что позволило существенно увеличить эффективность управления лазерным лучом. Успехи были достигнуты также и в области создания электрооптических модуляторов света.

В первых ТВ устройствах с разверткой лазерного луча использовались непрерывные лазеры на инертных газах: аргоне, криптоне и неоне. Пик развития таких систем приходится на 70-80-е годы. В то время было опубликовано много работ по исследованию лазерных проекционных устройств. В таких устройствах излучение аргонового или криптонового лазера модулируется по интенсивности акустооптическим [15, 16] или электрооптическим [17-20] модулятором. Отклоняется последовательно по строке и кадру при помощи акустооптических дефлекторов (АОД) [16, 19-22] или систем оптико-механических разверток, представляющих собой вращающиеся зеркальные барабаны [17, 23, 24], многогранные призмы [19], а также гальванометры [19, 24] и биморфные элементы [18].

К основным параметрам, характеризующим работу системы отображения информации с непрерывной разверткой светового луча, относятся: число разрешимых элементов по строке, определяющееся произведением полосы модулирующих частот видеоканала на длительность строки, несущей информацию, а также число разрешимых строк в кадре. Эти параметры определяются характеристиками используемых в системе пространственных модуляторов и дефлекторов светового излучения. Выбор способов модуляции и отклонения светового луча зависит от требований, предъявляемых к конкретной системе отображения или записи информации. В области низких модулирующих частот (< 10 МГц) акустооптические модуляторы (АОМ) превосходят по своим параметрам электрооптические модуляторы (ЭОМ)

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

[25]. Электрооптические модуляторы имеют преимущества на более высоких частотах модуляции. С помощью АОМ можно получить более высокий, чем с ЭОМ, коэффициент передачи контраста на низких частотах.

Оптико-механические дефлекторы использовались в тех случаях, когда требуется получить цветное изображение с малыми световыми потерями и высоким разрешением по строке и кадру. Так как дисперсия в подобных системах отсутствует, для них не существует проблемы сведения цветов на экране. Их недостатки - инерционность, сложность обеспечения необходимой точности и стабильности отклонения световых пучков, чувствительность к механическим вибрациям. Устранение этих недостатков является трудной технической задачей. В работе [24] для этого применялись сложные системы автоподстройки, а также высокоскоростные синхронные двигатели с магнитными и газодинамическими подвесами. Акустооптические дефлекторы с успехом использовались в менее дорогих системах для получения одноцветного изображения [19]. Они привлекают внимание простотой управления положением светового пучка, малыми размерами и отсутствием механически перемещающихся деталей.

Высшим достижением в области создания лазерных телевизионных систем отображения информации с непрерывными лазерами явилось цветное воспроизводящее устройство, разработанное японскими фирмами «NHK» и «Hitachi» для телевидения повышенной четкости [14, 24]. Это устройство позволяло отображать 1125 линий по высоте изображения и имело полосу пропускания тракта видеосигнала до 30 МГц. При суммарной мощности источников лазерного излучения в 6 Вт (4 Вт - аргоновый лазер, 2 Вт - криптоновый) система позволяла получать высококачественное изображение на экране площадью 3 м2. При коэффициенте усиления экрана, равном 4, его яркость составила величину 37,6 кд/м2. В данной системе мощность одних только лазеров, потребляемая от сети, равнялась 12 кВт, что говорит о низком коэффициенте полезного действия (0,05%) использовавшихся лазерных источников света. По этой причине широкого распространения эти устройства не получили.

Одним из самых слабых звеньев механической системы разверток телевизионного изображения с непрерывными источниками света является высокоскоростной вращающийся многогранный зеркальный барабан, который формирует строку. Скорость вращения этих барабанов достигает 30-60 тыс. об/мин. К качеству изготовления этих устройств предъявляются очень высокие требования. Так, например, для системы телевидения повышенной четкости с числом разрешимых элементов в строке, равном 1500 [17], требования к точности изготовления зеркальных граней барабана были следующие:

а) максимальная погрешность в угловом положении двух граней < ± 16 угловых минут;

б) наклон поверхности грани относительно оси вращения < ± 3,5 угловые минуты;

в) неплоскостность поверхности < 0,05 мкм.

Большие сложности при формировании равномерной линейной развертки изображения по строке возникают также и при использовании акустоопти-ческих дефлекторов непрерывного лазерного излучения [14].

Задача устранения высокоскоростной развертки всегда была одной из важных задач, стоящих перед создателями световых устройств отображения информации. В конце 30-х годов сотрудниками фирмы «8сорИопу» был предложен метод формирования телевизионной строки на экране, получивший название метода «волновой щели», рассматривавшийся как один из возможных вариантов построения проекционной системы без высокоскоростного зеркального барабана. В работе [26] для остановки движения изображения на экране предлагалось применить вторую акустическую ячейку на воде, в которой возбуждаются короткие ультразвуковые импульсы, следующие с частотой повторения строк. Свет от непрерывного источника, дифрагируя на ультразвуковом импульсе в первой ячейке, проецировался линзой на апертуру второго модулятора в виде светового пятна, перемещающегося со скоростью распространения звука в материале ячейки. В результате повторной дифракции света на амплитудно-модулированной видеосигналом ультразвуковой волне, бегущей навстречу перемещающемуся по ячейке световому пятну, на экране последовательно прописывалась картина телевизионной строки. Время формирования строки равнялось половине периода повторения строчных импульсов, а сама развертка получалась линейной с высокой степенью точности вследствие постоянства скорости распространения звука в материале ячейки.

В установке предполагалось также осуществить импульсную модуляцию источника света при помощи ячейки Керра [27]. Частота модуляции должна была равняться частоте строк, а размеры ячейки - равными произведению скорости звука в материале звукопро-вода на время, соответствующее длительности телевизионной строки. При этом каждый световой импульс после дифракции на ультразвуковой волне и прохождения через оптическую проекционную систему должен был давать на экране изображение строки. Для получения резкого изображения длительность светового импульса должна быть меньше или равна времени перемещения одного разрешимого элемента изображения в модуляторе. Для такой системы общее число разрешимых элементов в строке приблизительно можно определить выражением

N

T

T А/0

(1)

т + то 1+то А/0

где Тс - длительность строки, несущей информацию; т - длительность одного разрешимого элемента, т0 -

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

длительность светового импульса, А/ - полоса частот модулирующего сигнала.

Из (1) видно, что для получения 300 разрешимых элементов в строке при Tc = 60 мкс, А/0 = 6 МГц необходимо, чтобы т0 < 30 нс. Частота повторения световых импульсов должна равняться частоте строчной развертки (15,625 кГц для системы SECAM) при высокой средней мощности и направленности излучения. Такие параметры излучения нельзя получить с использованием некогерентных ламповых источников света.

В 1974 г. было предложено реализовать акусто-оптическую систему с импульсной проекцией телевизионного изображения на основе лазера [28]. Предлагалось использовать Nd:YAG лазер с преобразованием частоты во вторую гармонику в режиме модуляции добротности, работающий с частотой повторения, равной частоте телевизионных строк. Переход в видимый диапазон длин волн предполагалось осуществлять посредством преобразования частоты излучения во вторую гармонику в нелинейном кристалле йодистого лития. Развертка по кадру в таком устройстве должна была осуществляться при помощи электромагнитного гальванометра. В качестве среды акустооптического взаимодействия предлагалось использовать кристалл a-HJO3, имеющий скорость распространения ультразвука 2,44-105 см/с, при существенно меньшем коэффициенте затухания, чем у воды. При такой скорости длина кристалла для «записи» целой телевизионной строки должна была равняться 15,5 см. В работе [28] указывалось, что, имея излучение на трех длинах волн Ac, Аз, в соответствующих мощностных пропорциях, можно построить цветное, воспроизводящее ТВ изображение устройство, используя один акустооптический пространственный модулятор света. Для этого нужно возбудить в модуляторе 3 ультразвуковые волны на частотах fc, /з, /к, удовлетворяющих условию

^с /с з / /к = 2sin еБ, (2)

где еБ - угол падения светового пучка на модулятор, равный углу Брэгга [29].

При таком условии изображения на этих длинах волн будут совмещены. Автором [28] была предпринята попытка практической реализации предложенного устройства, но технические возможности того времени: несоответствие параметров импульсного излучения с требованиями импульсного метода проекции, а также отсутствие подходящих акустоопти-ческих кристаллов - не позволили ее реализовать. Так, Nd:YAG лазер работал с частотой 300 Гц и излучал световые импульсы длительностью 0,2 мкс, а длина акустооптической ячейки составляла всего 1/10 часть от требуемой.

Дальнейшее развитие импульсный метод формирования ТВ изображения получил с появлением мощных импульсно-периодических лазеров видимо-

го диапазона длин волн: лазеры на парах металлов (меди, золота и т.д.), YAG:Nd с модуляцией добротности и удвоением частоты во вторую гармонику. Кроме того, были синтезированы высокоэффективные акустооптические кристаллы с малыми скоростями распространения звуковых колебаний по определенным кристаллографическим направлениям (TeO2, Hg2Cl2) и размерами, позволяющими разместить в звукопроводе стандартную телевизионную строку (Tc = 52 мкс).

Хорошие результаты по созданию одноцветной телевизионной системы с импульсным лазером на парах меди были достигнуты в Англии [30] и России [31, 32]. Прототип лазерной установки [33] был успешно апробирован при демонстрации ТВ изображений в условиях города на экране размером 4x5 м, находящемся на расстоянии 80 м от установки. Основным недостатком созданной системы являлась ее немногоцветность, обусловленная работой лазера на парах меди на длинах волн 510,6 и 578,2 нм. В работах [34, 35] описывается система, работающая по тому же принципу, что и [30-32] , в которой в качестве основного применен импульсный YAG:Nd лазер с ламповой накачкой, работающий в режиме модуляции добротности с преобразованием излучения во вторую гармонику. Средняя выходная мощность этого лазера на длине волны = 532 нм составляла 16 Вт. Излучение трех таких лазеров использовалось для получения трех основных RGB (красный, зеленый, синий) цветов полноцветного лазерного ТВ изображения. Для зеленого цвета использовался один лазер (А,1 = 532 нм, P1 = 16 Вт). Для получения красного цвета применялся лазер на красителе с накачкой от второго YAG:Nd лазера с удвоением частоты (к2 = 615 нм, P2 = 15 Вт). Синий цвет был получен в лазере на Al2O3:Ti3+ c удвоением частоты и на- ^ качкой от третьего YAG:Nd лазера с удвоением частоты (А3 = 450 нм, Р3 = 6 Вт). Данная система ра- J ботала в стандарте NTSC и формировала цветное ТВ изображение на экране размером 3,6x4,8 м. Длительность импульсов генерации лазеров составляла величину 100 нс, что не давало возможности получить высокое разрешение в ТВ проекторе по строке. В публикации [36] сообщалось об увеличении средней выходной мощности синего лазера до 7 Вт (т0 = 80 нс, 1Уповт = 17 кГц) на длинах волн 430-460 нм в лазере на Al2O3:Ti3+ c внутрирезонаторным удвоением частоты на кристалле (ВВО), который накачивался второй гармоникой неодимового лазера с модуляцией добротности.

Дальнейший прорыв в развитии лазерных проекционных систем произошел в конце 20 и начале 21 в. Это было связано с разработками новых достаточно мощных источников лазерного излучения, работающих в зеленой, синей и красной областях спектра. Все эти источники разработаны на основе нелинейного преобразования длины волны инфракрасного

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

излучения твердотельных или полупроводниковых лазеров в видимый диапазон длин волн. Наиболее эффективно это происходит в импульсном режиме работы лазеров с применением нелинейных монокристаллов или нелинейно-оптических кристаллов с регулярной доменной структурой [37, 38].

В 1998 г. немецкая компания Laser-Display-Technology (LDT) предложила новую технологию создания лазерных проекционных систем отображения ТВ информации [39-41], которая вскоре нашла воплощение в серийно производимых установках немецкой фирмы JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH. Лазерный источник света в данной установке построен по схеме задающий генератор - усилитель - нелинейно-оптический преобразователь. Задающий генератор представляет собой лазер на кристалле Nd:YVO4 со светодиодной накачкой, работающий в режиме синхронизации мод на длине волны X = 1064 нм и генерирующий импульсы излучения длительностью 7 пс с частотой повторения 80 МГц и средней мощностью 4,5 Вт. Это излучение проходит через 4 каскада лазерных усилителей на активных элементах из кристаллов Nd:YVO4 и усиливается до 42 Вт. Далее оно поступает в нелинейно-оптическую систему преобразования излучения, состоящую из удвоите-

Ji лей и сумматоров частоты на кристаллах LiB3O5 (LBO) и KTiOAsO4 (KTA), а также оптического параметрического преобразователя на кристалле KTA. В результате этого преобразования на выходе формируются 3 лазерных луча на длинах волн 532 нм

СО

(P = 6,5 Вт), 628 нм (P = 7 Вт), 446 нм (P = 4,8 Вт). Каждый из этих пучков модулируется по амплитуде при помощи ЭОМ или АОМ. Все пучки вводятся в одно многомодовое оптическое волокно, где они

с

складываются по мощности и далее подводятся к зеркальной системе отклонения по строкам и кадрам, представляющей собой многогранный (25 граней) зеркальный вращающийся барабан и электромагнитный гальванометр кадровой развертки. При помощи оптического телескопического объектива на проекционном экране формируется телевизионное изображение. Суммарная выходная мощность модулированного лазерного излучения в данной системе составляет величину = 10 Вт. Из-за очень малых длительностей лазерных импульсов (больших величин напряженности электрического поля световых волн) эффективность преобразования по мощности инфракрасного излучения в видимый свет в данной системе составила 40%. Кроме того, из-за широкого частотного спектра пикосекундных световых импульсов в изображении отсутствует спекловая структура, которая обычно портит изображение в лазерных проекторах. Предельное число разрешимых элементов в изображении для данной системы определяется отношением частоты следования световых импульсов к частоте кадровой развертки. При частоте смены кадров 25 Гц, за вычетом времени обратного хода развертки, эта величина приблизительно равна 3-106. Излучающий торец волокна является общим для всех

длин волн, поэтому в системе отсутствует необходимость в совмещении цветов на экране.

К недостаткам системы можно отнести:

а) недостатки, присущие механической высокоскоростной зеркальной системе разверток, используемой ранее для системы с непрерывными газоразрядными лазерами [14];

б) сложность конструкции системы, обусловленная необходимостью поддержания стабильных температурных режимов для резонаторов лазерной системы и нелинейных оптических преобразователей;

в) высокая цена лазерного проектора ($ 300 тыс.).

Для рассмотренной проекционной системы ведутся работы по увеличению выходной мощности RGB лазеров и упрощению их конструкции. В работах [42, 43] представлены результаты по разработке мощного RGB лазерного источника на основе Yb:YAG тонкого диска, работающего в режиме пассивной синхронизации мод на длине волны X = 1030 нм и генерирующего импульсы излучения длительностью 705 фс с частотой повторения 57 МГц и средней мощностью 80 Вт. В данной установке удалось существенно увеличить мощность выходного излучения и упростить конструкцию за счет полного отказа от лазерных усилителей и упрощения схемы нелинейного преобразования. Так, например, в системе используются кристаллы с регулярной доменной структурой (LiTaO3), работающие при комнатной температуре. За счет очень высоких величин напряженности светового поля удалось полностью отказаться от резонаторов с синхронной накачкой при параметрических преобразованиях. Выходные параметры разработанного лазерного RGB источника: средняя выходная мощность на длинах волн PG = = 23 Вт (XG = 515 нм); PB = 10,1 Вт (XB = 450 нм); PR = 8 Вт (XR = 603 нм). Коэффициент преобразования инфракрасного излучения в видимый диапазон длин волн в данной системе составляет 51%. В настоящее время эта система является наиболее мощным полноцветным источником лазерного излучения.

Другой перспективной технологией по созданию лазерных телевизионных проекторов в настоящее время является технология, основанная на использовании RGB лазеров компании «Novalux» [44, 45]. В 2006 г. на выставке в Лас-Вегасе эта компания представила свою разработку полупроводниковых лазеров NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser). Это полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором и выводом излучения через боковую поверхность (VCSEL), в резонатор которых встроен нелинейный элемент с регулярной доменной структурой на основе MgO:LiNbO3, позволяющий производить эффективное внутрирезона-торное удвоение частоты основного излучения. Компании удалось разработать RGB лазеры, излучающие в квазинепрерывном режиме (/Ловт = 500 кГц, т0 = 200 нс) на длинах волн XG = 532 нм, XB = 465 нм, XR = 620-

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

635 нм. Средняя мощность излучения одного лазера составляет величину от 50 до 120 мВт при полном коэффициенте полезного действия 5-10%. Лазеры легко объединяются в линейки. Суммарная выходная мощность линеек из 14 отдельных лазеров может доходить до 1,5 Вт. Использование линеек, состоящих из большого количества независимых лазерных излучателей, позволяет существенно уменьшить контраст наблюдаемых спекловых структур в изображении.

В январе 2008 г. на выставке Consumer Electronics Show компания Mitsubishi Digital Electronics America официально представила первый в мире серийный лазерный телевизор с обратной проекцией (rear projection), в котором применяются лазеры компании «Novalux». В качестве модуляторов света в нем была использована матрица кремниевых микрозеркал DMD (Digital Micromirror Device) компании «Arasor» (Австралия), которая базируется на разработках корпорации Texas Instrument, создавшей новый тип формирователя изображения - цифровое микрозеркальное устройство DMD (Digital Micro-mirror Device). Матрица состоит из 1920x1080 кремниевых зеркал размером 4x4 мкм. Каждое зеркало управляется электрическим напряжением и имеет два устойчивых положения, поэтому мощность отраженного от зеркал света регулируется длительностью приложенного напряжения. В отличие от модуляторов на жидких кристаллах, которые также могут быть использованы в данном проекционном телевизоре, матрица микрозеркал, по мнению разработчиков, дает существенно более высокий контраст в изображении.

По нашему мнению, рассмотренная система формирования ТВ изображения не лишена недостатков. Время переключения микрозеркал из одного положения в другое составляет десятки микросекунд, поэтому динамический контраст изображения должен быть не очень большим. Возможен эффект зали-пания зеркал. При больших мощностях светового излучения будут возникать проблемы с отводом тепла от кристаллической матрицы. Наблюдаемый эффект изменения интенсивности света в изображении основан на физиологии человеческого зрения и носит накопительный характер, что ограничивает возможность применения этих проекторов в других задачах, например, в быстродействующих устройствах отображения и записи информации, работающих в реальном масштабе времени.

Наиболее перспективным модулятором для проекционных систем отображения ТВ информации с лазерами среднего уровня мощности, как импульсными, так и непрерывными, в настоящее время является линейный микромеханический модулятор, состоящий из электрически управляемой решетки микрозеркал, напыленных на подвижные микроподложки из нитрида кремния (SiN). Данная технология модуляторов называется GLV (Grating light valve), она впервые была предложена в 1992 г. [46] и получила дальнейшее развитие в работах [47, 48]. Модулятор может содержать 4096 независимо управляемых пикселов.

Каждый пиксел состоит из двух элементов размером (3,7x200 мкм), один из которых управляемый и может перемещаться под действием электрического потенциала в пределах четверти длины волны падающего света, а второй - неподвижный. При подаче напряжения на управляемый элемент он смещается в сторону подложки и происходит отклонение света в направлении проекционной оптики. Управление интенсивностью отраженного света может осуществляться как величиной приложенного напряжения, так и временем нахождения световых лучей в отклоненном состоянии. В отличие от матрицы время переключения одного дифракционного элемента в модуляторе вЬУ составляет всего 20 нс. Модулятор позволяет получить одномерную амплитудно-модули-рованную строку, состоящую из 4096 элементов. Развертку строк по кадру предполагается осуществлять при помощи электромагнитного гальванометра. Как утверждают разработчики вЬУ модулятора, при частоте строчной развертки 60 Гц можно получить телевизионный растр, число строк в котором 8192.

В настоящее время нельзя говорить о том, что найден универсальный метод и разработана технология создания устройств отображения и записи информации, удовлетворяющая решению большинства практических задач. В результате развития науки и технологии старые технические решения могут быть востребованы на новом уровне. Одним из таких решений, на наш взгляд, является импульсный метод формирования ТВ изображения.

Импульсный метод

формирования телевизионного изображения

На рис. 1 представлена оптическая схема, поясняющая принцип формирования изображения телевизионной строки при помощи импульсного лазера. Центральным элементом системы является акусто-оптический модулятор. В нем возбуждается бегущая упругая волна с частотой /, амплитуда которой про-модулирована телевизионным сигналом в полосе частот А/0.

Излучение от лазера при помощи цилиндрической линзы Л] падает в виде сходящегося по одной координате и параллельного по другой светового пучка на АОМ. Угол падения световой волны в плоскости ХОТ (плоскость рассеяния) на АОМ равен 8 (угол между нормалью к поверхности модулятора, совпадающей с осью Z, и проекцией волнового вектора света на плоскость ХОТ?).

Длина звукопровода Ь акустооптического модулятора выбирается такой, чтобы в нем разместилась вся телевизионная строка:

L = 7>,

(3)

где Тс - длительность строки, несущей информацию, V - скорость звука в материале АОМ.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Рис. 1. Оптическая схема формирования изображения телевизионной строки с импульсным лазером Fig. 1. The optical scheme of formation of the image of a television line with the pulse laser

В момент заполнения звукопровода модулятора звуковой волной лазер генерирует импульс света и происходит дифракция света на звуке. В первом порядке дифракции образуется спектр дифрагированных световых волн, соответствующий спектру модуляции телевизионного сигнала в строке. Объектив Л2 строит соответствующее этому спектру изображение строки на экране. Все лишние дифракционные порядки фильтруются диафрагмой Д, расположенной в Фурье-плоскости объектива Л2.

Телевизионный кадр формируется в результате последовательного отклонения строк при помощи дефлектора, который может быть расположен между объективом Л2 и экраном, непосредственно за диафрагмой Д в области перетяжки светового пучка по координате х. Таким образом, для каждой строки, несущей информацию, по одной координате (х) на экране формируется ее изображение, а по другой (у) - распределение света, соответствующее изображению перетяжки светового пучка в фокальной плоскости линзы Л1.

К достоинствам данного метода формирования изображения следует отнести:

а) отсутствие системы высокоскоростной механической развертки по строке;

б) высокую линейность формируемого изображения по длине строки, связанную с постоянством скорости звука в кристалле АОМ, при этом возможные искажения в изображении строки могут быть связаны только с аберрациями оптической системы;

в) возможность использования для создания изображений только твердотельных акустооптических модуляторов и дефлекторов;

г) простоту управления и ввода информации в систему;

д) высокое быстродействие системы;

е) возможность управления лазерными пучками большой мощности;

ж) малую чувствительность к внешним вибрациям;

з) простоту оптической системы формирования изображения;

и) возможность быстрой перестройки размеров формируемого изображения и его дальности до установки без потери числа разрешимых элементов;

к) отсутствие дискретности в изображении, обусловленное матричными модуляторами.

Для получения резкого изображения телевизионной строки на экране длительность светового импульса должна быть намного меньше времени перемещения одного разрешимого элемента изображения в модуляторе. Общее число разрешимых элементов в строке N без учета ограничений, связанных с дифракционными эффектами в модуляторе и оптической проекционной системе, приблизительно можно определить из (1).

Импульсные лазеры для системы

формирования телевизионного изображения

Газовые лазеры

Основными требованиями, которые должны учитываться при выборе лазеров для импульсной системы формирования телевизионного изображения, являются:

а) работа лазера в импульсном режиме с частотой повторения импульсов, равной частоте телевизионных строк;

б) короткая длительность импульсов лазерного излучения в соответствии с (1);

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

в) достаточно высокая средняя мощность лазерного излучения;

г) возможность создания полноцветного лазерного RGB источника света.

Исторически первыми лазерами, которые наиболее хорошо удовлетворяли этим условиям, были лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов [49], которые до настоящего времени остаются одними из самых мощных источников когерентного излучения в видимом диапазоне длин волн [50-52]. Генерация в этих лазерах носит импульсный характер, обусловленный тем, что инверсия населенностей в активной среде достигается на короткое время на переходах между первым резонансным и долгожи-вущим метастабильным уровнями. Возбуждение резонансного уровня происходит за счет электронного удара в газовом разряде. Характерная длительность генерации составляет 5-30 нс. Одной из основных особенностей лазеров данного типа является высокий предельный КПД перехода, достигающий десятков процентов.

Наиболее широко распространенной конструкцией лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов является лазер «саморазогревного» типа, в котором разогрев металла до температуры испарения и возбуждение атомов рабочего вещества происходит в результате продольного газового разряда в трубе, наполненной буферным газом (обычно Ne) при давлении от единиц до сотен миллиметров ртутного столба. Для создания разряда к трубе подводятся мощные электрические импульсы накачки. Средняя мощность подводимых импульсов обеспечивает разогрев буферного газа до температуры создания необходимой плотности паров металла, а длительность фронта импульса мощности должна быть су-

щественно меньше времени жизни атомов на резонансных уровнях. Предельная частота следования импульсов генерации определяется временем релаксации метастабильных уровней. Для конкретной газоразрядной трубы существует некоторая оптимальная частота следования импульсов, при которой мощность генерации максимальна [53, 54]. Оптимальная частота зависит от ряда параметров: давления буферного газа, его температуры, диаметра газоразрядной трубы, формы газоразрядного канала, а также наличия различных примесей других газов в трубе. Эти частоты обычно составляют величину 830 кГц, соответствующую частотам повторения телевизионных строк. В качестве коммутаторов энергии в лазерах данного типа преимущественно используются импульсные водородные тиратроны, характеристики которых в свою очередь зависят от целого ряда факторов, например, от напряжений смещения, накала и генератора водорода, амплитуды и длительности импульса поджига, коммутируемой мощности и частоты переключений. На эффективность накачки существенно влияет длительность фронта импульса мощности, приложенная к газоразрядной трубе в момент открывания тиратрона. На практике оптимизация работы лазеров данного типа решается экспериментально применительно к конкретной задаче.

К настоящему времени получена генерация и созданы лазеры на переходах атомов различных металлов, причем многие из генерируемых линий лежат в видимом диапазоне длин волн. В таблице представлены характеристики полученной генерации для некоторых лазеров на парах атомов металлов, представляющих наибольший интерес вследствие своего большого практического КПД.

Характеристики полученной генерации для некоторых лазеров на парах атомов металлов Characteristics of the received generation for some lasers on steams of atoms of metals

Атом X, нм P Вт 1 г. ср? 1Jl Рг. пик кВт т0, нс Упов^ кГЦ КПД Т, °С Литература

Cu 510,6 578,2 43,5 200 10 20 1,0 1500 [55]

Au 312,2 627,8 1,2 6 13 22 20 40 9,1 9,1 0,15 1700 [56] [57]

Pb 722,9 4,4 34 5 40 0,2 1000 [58]

Bi 472,2 0,017 - 8 6,25 - 790 [59]

Fe 452,9 - 1 6 1 - 1680 [60]

Ba 1499,9 1130,0 12,5 - 40 25 13,3 0,5 720 [61]

Mn 534,1 3,5 - 15 5 0,17 1100 [62]

Наилучшие энергетические характеристики имеет лазер на парах меди, в котором генерация происходит на двух длинах волн: ^ = 510,6 нм и Х2 = 578,2 нм. Времена жизни верхних рабочих уровней, соответствующих этим двум линиям, равны 770 и 370 нс. Эти величины являются достаточно большими для

известных лазеров на самоограниченных переходах, вследствие чего требования, предъявляемые к крутизне фронта импульса накачки для этих лазеров, невелики, что позволяет получать генерацию при достаточно больших длительностях импульсов тока через активный элемент (50-100 нс). Для лазера на

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

парах меди был получен наибольший практический КПД, определяемый как отношение мощности выходного излучения на двух линиях к мощности, потребляемой от сети, составивший величину 2,6% [63]. Получена максимальная средняя мощность генерации 105 Вт на частоте 6,5 кГц при КПД 1% [64]. Была достигнута максимальная частота повторения импульсов излучения 235 кГц при средней мощности излучения 0,02 Вт, причем на частоте 100 кГц была зафиксирована мощность 2,5 Вт [65]. Применение газоразрядных трубок с различными температурными зонами по длине канала позволило создать многоцветный лазер на смеси паров меди и золота [66], в котором генерация осуществляется одновременно на трех длинах волн, лежащих в видимом спектральном диапазоне: X] = 510,6 нм, Х2 = 578,2 нм, Х3 = 627,8 нм. Несмотря на то, что была получена генерация на парах висмута (X = 472,2 нм) [59] и железа (X = 452,9 нм) [60], вопрос о создании достаточно эффективного импульсного лазера на самоограниченных переходах на синей линии с выходными характеристиками, близкими к характеристикам лазеров на парах меди и золота, остается открытым. Одним из сдерживающих факторов в развитии этих лазеров является отсутствие источников накачки, позволяющих формировать мощные короткие импульсы возбуждения, длительность которых равнялась бы единицам наносекунд. Имеющиеся экспериментальные данные [67, 68] показывают, что при уменьшении длительности импульсов возбуждения в лазере на парах меди мощность генерации существенно возрастает, а длительность импульсов генерации уменьшается. В связи с этим требования, предъявляемые к системе питания этих лазеров, очень высоки. Можно сказать, что прогресс в развитии лазеров данного класса определяется успехами в разработке эффективных источников накачки. В настоящее время помимо применения традиционных схем накачки с использованием тиратронов, таситронов, мощных электронных ламп разработаны магнито-твердотельные формирователи импульсов, которые обладают большей надежностью, большим КПД и меньшими размерами.

Одной из особенностей лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов является высокий коэффициент усиления активной среды. Это свойство в настоящее время широко используется для создания мощных направленных пучков света, а также для усиления по яркости изображений микрообъектов [69]. С другой стороны, высокое усиление и малая длительность существования инверсии в активной среде приводят к трудностям при создании лазеров с высокой направленностью излучения, что необходимо, например, для их применения в проекционных системах отображения и записи информации. Уменьшение расходимости излучения вплоть до дифракционной может быть достигнуто при использовании в лазере неустойчивого резонатора с большим коэффициентом увеличения [70]. При этом уменьшение расходимости на порядок по сравнению

с расходимостью излучения с устойчивым резонатором приводит к уменьшению выходной мощности примерно на 30%. Большую выходную мощность при высокой направленности выходного излучения можно получить в системе задающий генератор -усилитель лазерного излучения [71]. Для эффективной работы системы необходимо обеспечить строгую синхронизацию импульсов накачки первого и второго лазеров. Это обусловлено тем, что импульс излучения от генератора должен попадать в усиливающую среду в момент, когда инверсия в ней максимальна на рабочей длине волны. Сильная зависимость выходной мощности от величины задержки между импульсами накачки генератора и усилителя предъявляет высокие требования к стабильности задержки (единицы наносекунд). С другой стороны, это свойство может быть использовано для управления выходной мощностью излучения в такой системе.

К сожалению, выбор достаточно мощных лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов для систем отображения информации в видимом диапазоне длин волн в настоящее время ограничен практически только лазерами на парах меди и золота. Остальные лазеры имеют либо низкую эффективность, либо излучают в инфракрасном диапазоне длин волн, где они не могут конкурировать с твердотельными лазерными системами. Лучший из этого класса лазеров - лазер на парах меди - при достаточно большой мощности и хорошем качестве выходного излучения имеет ограниченный ресурс работы активного элемента (2000 часов), большие размеры и низкий практический КПД по сравнению с твердотельными лазерами.

Твердотельные лазеры

В последнее время (конец 20 - начало 21 веков) происходит интенсивное развитие твердотельных импульсных лазеров и лазерных систем с нелинейным преобразованием инфракрасного излучения в видимый диапазон длин волн. Твердотельные лазеры с оптической накачкой лазерными диодами привлекают к себе внимание малыми размерами, большим сроком службы и высоким практическим КПД. Управляемый импульсный режим работы этих лазеров реализуется при внутрирезонаторной модуляции добротности с использованием электрооптических или акустооптических модуляторов добротности. Наиболее простым способом получения импульсного излучения в видимом диапазоне длин волн при этом является внутрирезонаторное преобразование частоты во вторую или в третью гармонику. В качестве примеров такого преобразования можно привести следующие публикации.

Разработана серия лазеров с акустооптической модуляцией добротности и внутрирезонаторным преобразованием излучения во вторую гармонику, в которых продольная оптическая накачка осуществляется диодами через волокно. В работе [72] получено внутрирезонаторное преобразование во вторую

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

гармонику излучения ШУУ04 лазера на длине волны 1342 нм. Для преобразования использовался нелинейный кристалл ВШ30б (ВВО). Получена средняя выходная мощность излучения 4,38 Вт на длине волны 671 нм при /повт = 70 кГц и т0 = 290 нс при КПД преобразования 9,5.

Получено внутрирезонаторное преобразование во вторую гармонику лазера с активным элементом на кристалле №:в^04 [73]. Для преобразования использовался нелинейный кристалл ЬВ0. Получена средняя выходная мощность излучения 6 Вт на длине волны 671 нм при /Ловт = 47 кГц и т0 = 97 нс при КПД преобразования 12,8. Коэффициент качества излучения М2 = 2,47. Флуктуация выходной мощности равнялась 5,8.

В результате внутрирезонаторного суммирования основного излучения и второй гармоники получено выходное излучение на длине волны 447 нм в №УА103 (№УАР) лазере с А/О модуляцией добротности [74]. Преобразование во вторую гармонику осуществлялось в кристалле ЬВ0, а суммирование происходило в кристалле КТР (КГЮР04). Средняя выходная мощность на длине волны 447 нм составила величины 4,46 Вт при /Ловт = 4,6 кГц и т0 = 190 нс. Флуктуация излучения равнялась 3 в течение 1 часа.

Наибольшая средняя мощность 138 Вт выходного излучения во второй гармонике (X = 532 нм) №УАв лазера с диодной накачкой, работающего в режиме модуляции добротности с частотой 10 кГц и длительностью импульсов излучения 70 нс, была получена в работе [75]. В этой работе внутрирезонатор-ное преобразование во вторую гармонику осуществлялось при помощи нелинейного кристалла ЬВ0. Эффективность преобразования излучения накачки лазерных диодов (X = 808 нм) в длину волны 532 нм составила 17,3 при общем КПД лазера 7,9. Плотность мощности лазерного излучения в перетяжке равнялась 434 МВт/см2 при коэффициенте качества пучка М2 = 11. Флуктуации мощности излучения составили величину 3 в течение 200 часов работы. В работе [76] произведено улучшение выходных характеристик этого лазера. Получена выходная мощность излучения в 120 Вт на частоте 10 кГц и длительности импульса излучения 80 нс при коэффициенте качества пучка М2 = 6,2.

Относительно большая длительность импульсов излучения данных лазеров определяется использованием в них для модуляции добротности АОМ. Более короткую длительность генерации можно получить при помощи ЭОМ. Так, например, в работе [77] сообщается об исследовании макета твердотельного лазера на кристалле №УУ04 с диодной накачкой, работающего в режиме модуляции добротности с частотой повторения /Ловт = 20 кГц и с внутрирезона-торным удвоением частоты во вторую гармонику на кристалле ЬВ0. В данной работе удалось получить длительность генерации т0 = 10 нс для выходных импульсов излучения благодаря применению в каче-

стве модулятора добротности электрооптического модулятора на кристалле Ьа30а58Юм (Ьв8). Средняя выходная мощность лазерного излучения Рвых на длине волны 532 нм составила величину 2,3 Вт при максимальном оптическом КПД преобразования 9,6%. Наилучшее качество излучения (М2 < 2) было получено при Рвых = 1,5 Вт, при этом флуктуация выходной мощности не превышала величины 1,4.

Более сложными системами преобразования инфракрасного излучения твердотельных лазеров являются системы с использованием нелинейного параметрического преобразования света. В работах [78, 79] источником основного излучения являлся твердотельный лазер с диодной накачкой (805 нм) на кристалле флюорита лития-иттрия, допированный неодимом (№:УЬ1Г4), который представлял собой систему задающий генератор, работающий в режиме модуляции добротности, и два каскада усиления на том же кристалле. Для модуляции добротности использовался АОМ. Выходное излучение основного источника удваивалось по частоте в нелинейном кристалле ЬВ0. Параметры полученного при этом излучения следующие: средняя выходная мощность Рвых = 30 Вт на длине волны 524 нм; частота повто-

СС

рения /повт = 22,5 кГц; длительность световых импульсов т0 = 35 нс; фактор качества светового пучка М2 < 1,2. Это излучение преобразовывалось далее в нелинейной оптической системе, состоящей из оптического параметрического генератора и двух удвоителей частоты на кристаллах ЬВ0. В результате на выходе такой системы формировалось лазерное излучение на трех длинах волн: 524 нм (Р = 5,8 Вт), 628 нм (Р = 6 Вт), 449 нм (Р = 3,5 Вт), которое могло быть использовано для полноцветного ТВ проектора со световым потоком 4000 лм. Вся лазерная система потребляла от розетки 365 Вт при полном КПД 11%.

По сравнению с газовыми лазерами на парах металлов твердотельные лазеры имеют малые размеры, высокий практический КПД и большой ресурс работы (до 10000 часов). Тем не менее, по отдельным характеристикам выходного излучения, имеющим большое значение для проекционных систем отображения информации с импульсными лазерами, они им в настоящее время уступают. К этим недостаткам можно отнести высокий уровень флуктуаций выходной мощности лазерного излучения, а также недостаточно малую длительность световых импульсов (~ 100 нс) для мощных твердотельных лазеров, работающих в режиме модуляции добротности.

Акустооптические устройства модуляции и отклонения лазерного светового пучка для систем отображения информации.

Выбор элементов для модуляции лазерного луча

Акустооптическим устройствам модуляции и отклонения световых пучков уделено достаточно много места в зарубежной [80-85] и отечественной [8689] научно-технической литературе. Работа этих уст-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

ройств основана на явлении дифракции света на периодических возмущениях показателя преломления среды, вызванных ультразвуковой волной, причем для целей модуляции и отклонения используется зависимость интенсивности и направления дифрагированного светового поля от амплитуды и частоты ультразвукового возмущения. Задачи, решаемые при помощи акустооптических устройств, чрезвычайно многообразны. К их числу можно отнести оптическую обработку информации [90-93], перестраиваемые оптические фильтры [94-97], акустооптические развертывающие устройства [98], отклонение и модуляцию лазерного излучения [86, 99, 100], широкополосные линии задержки [101], синхронизаторы мод [102] и т.д. В каждом конкретном случае конструкция ультразвуковой ячейки должна оптимальным образом соответствовать решаемой задаче.

Акустооптический модулятор

Акустооптический пространственный модулятор света для импульсной системы формирования изображения строки должен соответствовать ряду требований. Во-первых, длина звукопровода модулятора должна удовлетворять соотношению (3). Это требование, с одной стороны, ограничивает выбор материала звукопровода небольшой скоростью распространения ультразвука, с другой стороны, затухание ультразвуковых волн на длине Ь в выбранном частотном диапазоне не должно быть велико. Во-вторых, модулятор должен обладать достаточно высокой эффективностью управления световым пучком, что предполагает выбор материала звукопрово-да с высокими коэффициентами акустооптического качества М1 и М2 [88], а также малыми потерями света на поглощение рабочей длины волны. Для уменьшения потерь света на отражение необходимо иметь возможность нанесения интерференционных просветляющих покрытий на оптические окна модулятора, выдерживающих большую плотность мощности лазерного излучения. В-третьих, материал звуко-провода АОМ не должен обладать существенными фазовыми неоднородностями, приводящими к искажению волнового фронта световой волны, несущей информацию.

Анализ существующих в настоящее время сред для акустооптического взаимодействия показывает, что в наибольшей степени перечисленным требованиям в области частот ультразвука до 100-150 МГц удовлетворяет кристалл парателлурита (ТеО2). Этот прозрачный в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн оптически одноосный кристалл обладает целым рядом уникальных акустооптиче-ских свойств [103, 104]. Так, например, скорость медленной сдвиговой ультразвуковой волны вдоль кристаллографического направления [110] составляет 0,616103 м/с, что позволяет на длине 32 мм вдоль этого направления разместить модулированный ультразвуковой сигнал длительностью 52 мкс.

Использование медленной сдвиговой ультразвуковой волны для дифракции света на звуке возможно при анизотропной геометрии акустооптического взаимодействия. При анизотропной геометрии рассеяния, в отличие от изотропной, волновые векторы падающей и дифрагированной световых волн лежат на разных поверхностях волновых векторов кристалла. Дифракция света происходит с поворотом плоскости поляризации. Оптическая активность кристалла ТеО2 приводит к тому, что при распространении света вблизи оптической оси нормальными типами волн являются волны с эллиптической поляризацией. В результате анизотропного рассеяния изменяются эллиптичность, направление вращения и азимут эллипса поляризации световых волн. Для эффективного использования световой мощности при акустооп-тическом взаимодействии в данном кристалле необходимо согласовывать поляризацию падающего на кристалл света с требуемой для выбранной геометрии рассеяния.

Диаграмма рассеяния света в анизотропном кристалле Те02 может быть представлена в виде векторного треугольника (рис. 2), который отражает закон сохранения импульса при рассеянии света на звуке:

k d = k + k з

(4)

где к,, к^ и кзв - волновые векторы световых и звуковой волн.

Рис. 2. Векторная диаграмма для анизотропной геометрии рассеяния света в кристалле TeO2 Fig. 2. The vector diagramme for anisotropic geometry of dispersion of light in crystal TeO2

На этой диаграмме 0, и 0а - углы падения и дифракции световых волн внутри кристалла, отсчитываемые от кристаллографического направления [001], совпадающего с его оптической осью; п, и п^ -показатели преломления для падающей и дифрагированной волн соответственно. Углы будем считать положительными, если они отсчитываются от оптической оси по направлению часовой стрелки.

Из (4) можно получить условия для эффективной брэгговской дифракции света на звуке, при которой

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

обеспечивается максимальная интенсивность света в дифрагированном пучке. Эти условия определяются совместным решением следующих уравнений:

nd cos 0d - cos 0,. = 0 hsin 0d + nisin 0,. = 'kf!v

(5)

n. =

Sin

cos

ne2 n0 2(1 + S)2

sin

cos

По (1 -S)2

(6)

v =

C - C12) 1 2 pj

1/2

S =

An ~2n~

где л, и ле - показатели преломления обыкновенной и необыкновенной световых волн в кристалле; Ал -изменение показателей преломления, вызванное ги-ротропией, для световых волн, распространяющихся вдоль оптической оси кристалла Те02; X - длина волны света в вакууме; Сц, С^ - упругие постоянные кристалла ТеО2; р - плотность материала звуко-провода; / - частота акустических волн, V - скорость звука в материале звукопровода.

При дифракции вблизи оптической оси гиротроп-ного кристалла ввиду малости Ал и углов 0,, 0ё выражения для показателей преломления л, и лё можно упростить:

1

-,,d + c02d

где

a =

G33 n„

с = -

(n.2 - По2)

4n2

(7)

(8)

G33 - составляющая псевдотензора гирации в направлении [001] кристалла ТеО2.

Рис. 3. Угло-частотная зависимость при анизотропной брэгговской дифракции света на звуке в кристалле TeO2 вблизи его оптической оси Fig. 3. Angle-frequency dependence at anisotropic light diffractions on a sound in crystal TeO2 near to its optical axis

Задавая несущую частоту звука / и решая систему нелинейных уравнений (5), (7), можно найти углы 0, и 0ё, при которых происходит анизотропная дифракция. Для примера на рис. 3 представлены результаты расчета такой угло-частотной зависимости для кристалла Те02 при X = 510,6 нм, ле = 2,476, л, = 2,314, Озз = 3,745-10-5.

Выбирая в качестве углов падения углы 0, на пологом участке зависимости 0,(/), мы работаем в так называемом режиме широкополосной дифракции, при которой брэгговские условия дифракции выполняются в широкой полосе частот А/ при относительно небольшом диапазоне углов падения: А0, << А0ё. При выполнении брэгговских условий эффективность дифракции света в +1 дифракционный порядок определяется выражением

I =

I+

10 + I+1

= sin

{B^MPa ),

где /+1 - интенсивность света, дифрагированного в +1 порядок на частоте /; 10 - интенсивность недифраги-рованного света на выходе АОМ; В - постоянная величина, зависящая от длины волны света и разме-

ров звукового пучка; M2 =

П6 рэфф

- постоянная ве-

личина, характеризующая акустооптическое качество или добротность материала звукопровода; Ра -акустическая мощность.

Частота /В, при которой выполняются условия

ё 0,.

= 0,

df

= 0, называется частотой двухфонон-

ного взаимодействия или частотой вырождения. Из (5), (7) можно найти, что

fB = T~no4 {n0 + n2 )G3:

(10)

Для приведенного на рис. 3 графика / = 57,9 МГц.

На этой частоте выполняются условия для эффективной дифракции света на звуке во второй дифракционный порядок.

Геометрия акустооптического взаимодействия, имеющая место в реальном устройстве для АОМ из ТеО2, изображена на рис. 4. В этом случае вдоль направления [110] кристалла ТеО2, совпадающего с осью X оптической системы, распространяется медленная ультразвуковая волна, вектор поляризации которой

направлен по оси [110] и совпадает с осью У.

На модулятор падает параллельный в плоскости рассеяния (110) световой пучок. Угол между волновым вектором света к и его проекцией на плоскость (110) равен а, а угол между той же проекцией и осью 1 равен 0.

2

п , =

d

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Рис. 4. Геометрия акустооптического взаимодействия в кристалле ТеО2 Fig. 4. ТИе geometry of acousto-optical interaction in ТеО2 crystal

Кристалл ТеО2 отличается высокой степенью анизотропии упругих и оптических свойств по различным кристаллофизическим направлениям. Выбор оптимальных с точки зрения эффективности дифракции направлений распространения упругих и световых волн производился при помощи расчетов на ЭВМ. Расчеты показывают, что для плоскости рассеяния, совпадающей с плоскостью (110) кристалла ТеО2, для анизотропной дифракции света на медленной сдвиговой волне, распространяющейся в направлении [110] и направлениях волновых векторов света вблизи оптической оси, приведенные коэффициенты акустооптического качества М\ и М2 равняются, соответственно, 68 и 793 (для длины волны света 632,8 нм) [104]. Такая большая эффективность позволяет использовать для управления аку-стооптическими устройствами небольшие мощности ультразвука (1 Вт и менее). С другой стороны, высокая анизотропия упругих свойств кристалла ТеО2 приводит к необходимости строгой ориентации граней звукопровода. Так, разориентация грани, на которой размещен пьезопреобразователь, возбуждающий медленную сдвиговую волну, на 0,5 градуса относительно оси [110] в плоскости (001) кристалла ТеО2 приводит к отклонению потока энергии упругой волны в готовом устройстве на 25 градусов в указанной плоскости, являющейся плоскостью оптической апертуры АОМ. Последнее приводит к тому, что при малых отношениях И/Ь, где И - высота пье-зопреобразователя, Ь - длина звукопровода, акусто-оптическое взаимодействие будет осуществляться только с частью светового потока, падающего на модулятор. К аналогичным результатам может приводить и клиновидность промежуточных связующих слоев между звукопроводом и пьезопреобразовате-лем. В связи с этим конструкция акустооптического пространственного модулятора на кристалле ТеО2

для большой длины кристалла, а также технология его изготовления нуждаются в усовершенствовании.

Затухание медленной звуковой волны на длине звукопровода 35 мм при частоте 80 МГц составляет приблизительно 6-6,5 дБ. Несмотря на то, что затухание для этого типа ультразвуковой волны достаточно велико (290 дБ/см-ГГц2), естественная гиро-тропия кристалла позволяет эффективно использовать широкополосную анизотропную геометрию рассеяния света на частотах 100 МГц и ниже.

Технология роста кристалла ТеО2 высокого качества в настоящее время хорошо освоена в ряде лабораторий мира. Длина выращиваемой були кристалла вдоль кристаллографического направления [110] может достигать 60-100 мм при диаметре 50 мм. Рассеяния внутри кристалла практически не наблюдается. Другие типы рассеяния, связанные с обработкой поверхности оптических окон или с паразитными отражениями внутри кристалла, могут быть сведены к минимуму. Достигнутое в настоящее время качество просветляющих покрытий позволяет добиться коэффициента пропускания АОМ из ТеО2 99,5% для видимого диапазона длин волн.

Исследования по оптической стойкости кристаллов ТеО2 показывают, что кристаллы выдерживают периодический режим работы с частотой 1-3 Гц при плотностях мощности лазерного излучения до 1 МВт/см2 [105]. Совершенствование технологии изготовления и конструкции модуляторов из ТеО2 [85] позволило добиться высокой стойкости к внешним воздействиям в виде механических вибраций, ударов по корпусу, ускорений и т.д. При правильной эксплуатации срок службы АОМ исчисляется годами.

Конструктивно акустооптический модулятор содержит звукопровод из кристалла парателлурита, у которого две грани полированы для света и просветлены для длин волн лазерного излучения. К торцу кристаллической ячейки методом термокомпрессионной сварки прикреплен пьезопреобразователь из ниобата лития Ы№03, Х-среза, возбуждающий упругие колебания, а к противоположной - поглотитель упругих волн из алюминия. Толщина пьезопреобразователя сошлифована до 25 мкм. На него напылены электроды из алюминия. Форма верхнего электрода пьезоэлектрического преобразователя сделана в виде вытянутого шестиугольника для подавления боковых акустических лепестков. Ячейка помещена в держатель, в котором также расположены устройство, согласующее выход генератора с пьезопреобразователем, и коаксиальный разъем для подвода электрического сигнала.

На рис. 5 изображен звукопровод АОМ из кристалла ТеО2 с приваренным пьезопреобразователем и напыленными электродами. На рис. 6 представлена фотография смонтированного в корпус акустоопти-ческого модулятора для лазерного телевизионного проектора.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

[110]

[Ï10]

Рис. 5. Фотография звукопровода АОМ из кристалла ТеО2 c приваренным пьезопреобразователем и напыленными электродами

Fig. 5. A photo of acousto-optic cell from ТеО2 crystal with piezo-electric transducer and evaporated electrodes

Рис. 6. Акустооптический модулятор для лазерной телевизионной установки в корпусе Fig. 6. The acousto-optic modulator for laser television installation in the case

Устройства кадровой развертки светового луча

Выбор устройства отклонения светового луча по кадру зависит от требований, предъявляемых ко всей системе отображения информации. К параметрам, определяющим работу такого устройства, можно отнести число разрешимых элементов, линейность отклонения, эффективность, возможность совмещения изображения на разных длинах волн. Число разрешимых элементов любого дефлектора при сканировании определяется выражением

К =

АФск

(11)

где Дфск - угол сканирования; ДТ0 - расходимость светового пучка на выходе из дефлектора.

Для электромеханических дефлекторов (зеркальные гальванометры, вращающиеся многогранные зеркальные барабаны) углы сканирования могут достигать нескольких десятков градусов. При расходимости светового пучка, близкой к дифракционной, число разрешимых элементов в кадре может доходить до нескольких тысяч. Если требуемое разреше-

ние не столь велико, как, например, в телевизионном стандарте с 625 строками в кадре, можно использовать световые пучки с расходимостью, существенно превышающей дифракционный предел. При использовании зеркальных электромагнитных гальванометров помимо обеспечения высокой линейности и стабильности прямого хода развертки необходимо обеспечить быстрый возврат зеркала в исходное состояние за время гасящего кадрового импульса (1,6 мс и менее). В настоящее время имеется большой выбор электромагнитных гальванометров с приемлемыми для отклонения лазерного излучения характеристиками (фирмы Cambridge Technology Inc., General Scanning Inc., GSI Lumonics).

Применение акустооптических дефлекторов (АОД) для отклонения светового пучка по кадру удобно из-за отсутствия механически перемещающихся деталей и узлов, чувствительных к механическим вибрациям и перепадам давления, а также возможности быстрого электронного управления параметрами развертки. Большим преимуществом АОД по сравнению с электромагнитными гальванометрами является существенно меньшее время обратного хода светового луча. Для АОД это время определяется временем пробега звуковой волны через длину звукопровода и равняется всего нескольким десяткам микросекунд. Угол сканирования акустооптического дефлектора не превышает нескольких градусов, поэтому при работе с АОД необходимо стремиться к минимальной расходимости лазерного пучка и учитывать все механизмы, приводящие к уширению диаграммы направленности лазерного излучения по координате Y. Определенным недостатком АОД является толщина звукопровода, которую нужно учитывать при расчетах оптической системы.

Для фиксированного угла Дфск максимальное число разрешимых элементов на выходе из АОД получается при дифракционной расходимости падающего на дефлектор лазерного излучения и однородном распределении дифрагированного поля на прямоугольной выходной апертуре:

К =

DAф К

(12)

где Х0 - длина волны света в вакууме; Б - величина апертуры дефлектора в плоскости рассеяния.

В случае если распределение поля в выходном пучке дефлектора неоднородно, например, вследствие уменьшения эффективности дифракции за счет затухания упругой волны, то, как показано, например, в [106], предельное разрешение уменьшается.

Величину угла сканирования можно определить путем решения системы уравнений, выражающей закон сохранения энергии и импульса для взаимодействующих световых и звуковых волн в кристалле [29]. Для геометрической интерпретации этого решения удобно пользоваться векторными диаграммами рассеяния, аналогичными диаграмме на рис. 2,

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

для выбранной плоскости рассеяния. Каждая векторная диаграмма соответствует предельному случаю дифракционной теории, при котором выполняются условия Брэгга для падающей и дифрагированной световых волн. Из векторной диаграммы рассеяния вытекают соотношения между амплитудами волновых векторов падающего к1 = (2л/Х0) л , и дифрагированного кЛ = (2л/Х0) лЛ света в кристалле, углами падения 0, и дифракции 0ё, а также волновым вектором упругой волны кзв = (2л/^) г , где г - направление ее распространения. Изменение одной из величин, входящих в векторный треугольник, влечет за собой изменение других.

Для АОД обычно используется такой режим работы, при котором направление и величина волнового вектора падающего света к остается постоянной, а изменение направления дифрагированного светового пучка достигается путем изменения частоты и направления распространения ультразвуковой волны. Требуемое изменение направления распространения ультразвуковой волны наиболее просто достигнуть на низких частотах за счет дифракционной расходимости звукового пучка. Обычно для отклонения света по кадру на АОД подается ультразвуковой сигнал, частота которого изменяется по линейному закону (ЛЧМ сигнал).

Исследованию особенностей геометрии акусто-оптического взаимодействия в кристаллах различных классов посвящено много работ, в частности [107, 108]. Во всех этих работах отмечается, что дефлекторы, использующие анизотропную дифракцию света, обладают определенным преимуществом перед дефлекторами с изотропной дифракцией. Это преимущество выражается в том, что при работе вблизи

частоты /' = (/ X 0

2 2 П.- n\

необходимый диапа-

ТеО2, в которых плоскость рассеяния повернута на угол ф = 6° относительно плоскости (110). При этом частота двухфононного взаимодействия оказывается лежащей вне полосы рабочих частот, и провал в амплитудно-частотной характеристике дефлектора отсутствует. В таком устройстве [112] эффективность дифракции составила величину 92% при полосе управляющих частот 50 МГц и подводимой электрической мощности 210 мВт.

Предельное число разрешимых элементов в этом дефлекторе можно определить из соотношения

= A/D/v,

(13)

зон углов отклонения может быть достигнут при меньшей расходимости ультразвука, а следовательно, и при меньших энергозатратах. Из анизотропных дефлекторов многие авторы [109, 110] выделяют дефлектор на кристалле ТеО2, для которого частота /в = /в небольшая (57,9 МГц при X = 510,6 нм). Широкополосная геометрия рассеяния может быть осуществлена на довольно низких частотах ультразвука в полосе от 50 до 100 МГц при высокой эффективности дифракции (70-80%). Как правило, диапазон управляемых звуковых частот не превышает одной октавы, чтобы устранить попадание в область сканирования второго дифракционного порядка.

При работе в широкой полосе частот в анизотропном дефлекторе из ТеО2 возможна перекачка энергии дифрагированного света во второй дифракционный порядок. Наиболее сильно это проявляется при большой эффективности дифракции на частотах ультразвука вблизи , что приводит к провалу на амплитудно-частотной характеристике дефлектора. Для устранения этого эффекта в работе [111] предложено использовать неаксиальные срезы кристалла

где Б - размер оптической апертуры дефлектора по координате У.

Для дефлектора с параметрами Б = 15 мм, А/ = 50 МГц и V = 0,65-103 м/с получаем N = 1154 по критерию Рэлея, что вполне применимо для систем отображения информации, работающих в стандарте повышенной четкости.

Для эффективной работы АОД к параметрам светового пучка предъявляются определенные требования. Так, в плоскости отклонения по кадру пучок света, падающий на дефлектор, должен быть параллельным и иметь размеры, соответствующие размерам звукового поля в кристалле АОД, а поляризация падающего света должна соответствовать требуемой для выбранной геометрии акустооптического взаимодействия. Для дефлектора на ТеО2 с 6° срезом поляризация падающего света должна быть близка к линейной с осью поляризации, лежащей в плоскости рассеяния дефлектора (плоскость (110)). Если после АОМ дифрагированный свет имеет поляризацию, близкую к круговой, то для эффективного отклонения света по кадру при помощи АОД указанного типа ее нужно преобразовать в линейную при помощи, например, четвертьволновой пластинки.

Большое значение при конструировании АОД имеет однородность и ширина звукового поля в пределах рабочей апертуры дефлектора. Для неискаженного воспроизведения изображения на экране дефлектор должен одинаково эффективно отклонять световые пучки, относящиеся к дифракционным составляющим, из которых формируется это изображение. Рабочая апертура АОД, определяемая шириной звукового столба в дефлекторе, является фильтром пространственных частот и определяет полосу пропускания системы формирования ТВ изображения.

Варианты построения оптической системы для устройств формирования телевизионного изображения с импульсным лазером

Оптическая схема акустооптического устройства отображения телевизионной информации на основе импульсного лазера должна выполнять следующие функции:

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

1. Согласование размеров лазерного пучка по двум координатам с размерами ультразвукового пучка в акустооптическом модуляторе.

2. Проекция изображения строки с выходной плоскости АОМ на экран по координатам X и У с коэффициентами увеличения Мх и Му.

3. Согласование размеров светового пучка на выходе из АОМ с размерами отклоняющего элемента в случае электромеханической системы отклонения по кадру или с размерами звукового поля в акустооптическом дефлекторе.

4. Согласование поляризации светового пучка, падающего на модулятор и дефлектор, с требуемой для эффективного акустооптического взаимодействия.

5. Согласование по двум координатам размеров телевизионного растра на экране в соответствии с принятым стандартом.

На рис. 7 представлен один из вариантов оптической схемы устройства отображения ТВ информации с конфигурацией размеров светового пучка в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Рис. 7. Возможный вариант оптической схемы устройства отображения ТВ информации с конфигурацией размеров светового пучка в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях Fig. 7. A possible variant of the TV display optical scheme with the configuration of a light beam in two mutual-perpendicular planes

В этой схеме излучение от импульсного лазера поступает на телескопическую систему, состоящую из линз Л1 и Л2, после которой диаметр светового пучка соответствует длине акустооптического модулятора. Цилиндрическая линза Л3 создает перетяжку пучка света, вблизи которой размещается модулятор (АОМ). При таком положении модулятора для эффективного управления лазерным излучением достаточно сформировать звуковой пучок, имеющий небольшие поперечные размеры. В то же время такая конфигурация позволяет выбрать участок на апертуре модулятора с малыми фазовыми искажениями и однородным распределением звукового поля. Выходная апертура модулятора является предметной плоскостью объектива Л4, формирующего изображение строки на экране. Выбор фокусного расстояния

объектива Л4, примерно совпадающим с расстоянием между Л4 и АОМ, позволяет образовать по одной координате параллельный пучок света, который падает на акустооптический дефлектор (АОД). При этом по другой координате дефлектор размещается вблизи «фурье» плоскости линзы Л4. При таком расположении дефлектора его поперечные размеры получаются минимальными. Поперечные размеры звукового столба в дефлекторе должны быть такими, чтобы отклонить весь спектр пространственных частот от модулированного светового сигнала, который формируется объективом Л4. Дефлектор выступает в роли фильтра пространственных частот, который отклоняет только необходимые для формирования изображения спектральные дифракционные порядки. Неиспользуемые световые порядки поглощаются диафрагмой Дь Цилиндрический объектив Л5 служит для фокусировки светового пучка по одной координате на экран, а также для согласования угловых размеров телевизионного растра в соответствии со стандартом. Кроме перечисленных элементов данная схема может содержать оптические компоненты, изменяющие поляризацию светового пучка, а также диафрагмы, поворотные зеркала, призмы и т.д., кроме того, она может изменяться в зависимости от размеров формируемого изображения, расстояния до экрана и формы растра.

о С: аз о.

О возможности создания многоцветного проекционного устройства с лазерами на парах металлов

е

Цветное проекционное лазерное устройство можно построить путем объединения трех систем, рассмотренных выше, источниками излучения в которых являются лазеры на парах меди (Хзел = 510,6 нм), золота (Хкр = 627,8 нм) и, например, второй гармонике от лазера на титан-сапфире (Хсин = 450 нм). В каждой из этих трех систем формируется ТВ изображение на своей длине волны, а смешение осуществляется их одновременным наложением на общем экране.

С другой стороны, как было сказано выше (3), в лазерах на смеси паров металлов возможно получение одновременной генерации на нескольких длинах волн на одном активном элементе. Например, на смеси паров меди и золота имеем источник лазерного излучения на трех длинах волн Хзел = 510,6 нм, Хжелт = 578,2 нм, Хкр = 627,8 нм. При этом смешанное изображение можно получить при помощи одного акустооптического модулятора по строке. Для этого в АОМ должны возбуждаться три звуковые волны. Частоты этих волн, а также углы падения света на звукопровод должны выбираться в соответствии с оптимальными условиями акустооптического взаимодействия одновременно для всех световых длин волн. Так как звуковые пучки пространственно сов-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

падают, то легко обеспечить пространственное совмещение телевизионных строк на экране. Для упрощения оптической системы после АОМ несущие частоты ультразвука и углы падения световых волн нужно выбирать таким образом, чтобы углы дифракции для разных несущих ультразвуковых частот совпадали. Расчеты показывают, что для лазера на смеси паров меди и золота для выполнения этого условия в АОМ из ТеО2 можно выбрать следующие углы падения и несущие частоты ультразвука для разных длин волн: е;ел = 0,0218 рад (углы падения отсчитываются в плоскости рассеяния от оси [001] внутри кристалла ТеО2), /зел = 80 МГц; е,желт = 0,0196 рад, /желт = 64,2 МГц; е/Р = 0,0184 рад, /р = 56 МГц. Падающие на звукопровод световые пучки для этих длин волн должны быть предварительно разделены, так чтобы их углы падения е,- внутри кристалла принимали указанные выше значения.

При широкой полосе акустооптического взаимодействия каждая из падающих световых волн может дифрагировать на всех трех несущих звуковых частотах, а при модуляции широкополосным сигналом, соответственно, на всех трех полосах. При одновременном возбуждении трех ультразвуковых волн в кристалле АОМ для неискаженного отображения информации полосы модулирующих частот не должны перекрываться. Так, для отображения информации одновременно на красной и зеленой линиях при указанных выше частотах полоса модулирующего сигнала А/0 для этих линий не должна превышать величины А/1 - (/ел - /кр)/2 - 12 МГц. Если в световом пучке присутствует синяя линия, например с Лсин = 450 нм, то, кроме того, должно выполняться соотношение Д^ < (^ - .4л У2 . «Паразитные» дифракционные порядки должны быть отфильтрованы диафрагмой, расположенной в плоскости пространственных частот строящего изображение объектива. Для увеличения полосы рабочих частот при одновременном отображении информации на нескольких длинах волн при помощи одного АОМ нужно переходить в область более высоких несущих частот ультразвука. Если поднесущие звуковые частоты заполняют АОМ поочередно, то, естественно, никакого ограничения на полосу модулирующих частот не возникает.

Отображение ТВ информации на большом экране

Для демонстрации работы лазерной проекционной установки на большом экране в 1994 г. была создана переносная система на основе лазера на парах меди с активным элементом ГЛ-201 («Кристалл»), состоящая из излучателя и оптической системы формирования изображения. При полной световой мощности 22 Вт на двух линиях и при частоте следования импульсов 15,625 кГц средняя мощность в пучках с хорошей расходимостью АТ — 1,6-10-4 рад

составляла 12 Вт (Рзел/^желт — 1/1). Дифракционная эффективность АОМ на низких модулирующих частотах составляла величину — 40. Для увеличения яркости формируемого на проекционном экране изображения использовались одновременно две длины волны лазера. Для формирования изображения на удаленном экране в качестве проекционного объектива Л7 использовался ахроматизированный для ^ и А2 объектив с фокусным расстоянием +30 см и рабочей световой апертурой 60 см. Отклонение ампли-тудно-модулированных строк по кадру осуществлялось при помощи электромагнитного гальванометра с размером отклоняющего зеркала 30x15x1 мм, углом отклонения светового луча ±5° и граничной частотой 800 Гц.

На рис. 8 представлены фотографии, отображающие работу акустооптической проекционной установки с лазером на парах меди. На рис. 8, а, Ь показана работа установки на площади Льва Толстого в Санкт-Петербурге в 1995 г. Расстояние от установки до экрана составляло 80 м. Размер экрана, состоящего из поворотных алюминиевых призм с нанесенной на их поверхность отражающей пленкой, был равен 5x4 м. При помощи данной системы можно было отображать рекламные ролики, предварительно записанные на видеокассету, или изображение, поступающее непосредственно с телевизионного приемника.

На рис. 8, с, ё показана работа установки в большом концертном зале «Октябрьский». В данном случае расстояние до экрана составляло 40 м при размере изображения 4x3 м. Лазерный проектор заменял кинопроекционное оборудование при проекции на большой экран фильмов с видеомагнитофона.

d

Рис. 8. Работа лазерной проекционной установки: а, b - установка на пл. Л.Толстого (Санкт-Петербург); c, d- в концертном зале «Октябрьский» Fig. 8. The work of laser projection display: a, b - installation on the L.Tolstoy Sq. (St. Petersburg); c, d - the concert hall "Octyabr'skiy"

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

c

На рис. 9 и 10 показана работа лазерной проекционной установки в лабораторных условиях. Для формирования изображения использовалась только одна длина волны = 510,6 нм с выходной мощностью 15 Вт.

Экран располагался на расстоянии 8 м от проекционного объектива с фокусным расстоянием 125 мм. Коэффициент увеличения изображения строки Ы\ равнялся 80. На рис. 9 представлены фотографии экрана, при отображении контрольного растра в виде пачек коротких импульсов длительностью 50 нс (по 8 импульсов в пачке). Как видно из фотографий, отдельные импульсы полностью разрешаются с высоким контрастом по всей длине строки (всего 576 импульсов или 1152 темных и светлых полос).

Рис. 9. Фотографии изображения контрольного растра Fig. 9. The photos of control raster image

Рис. 10. Фотографии изображения телевизионной передачи Fig. 10. The photos of TV-broadcast

Изображение пачек модулирующих импульсов можно было наблюдать с уменьшенным контрастом при смещении экрана относительно положения наиболее резкого изображения в пределах ±4 м. Большая глубина резкого изображения по координате X связана с тем, что при формировании изображения строки взаимодействие света со звуковой волной, модулированной видеосигналом, происходит в объеме кристалла при достаточно большой длине взаимодействия Ь = 4 мм.

Глубина резкого изображения амплитудно-моду-лированного сигнала должна составлять А2Х — АЬМ12, где АЬ - размер звукового пучка по координате 2, в пределах которого формируется изображение строки на экране.

С другой стороны, продольный размер фокального пятна, отвечающего за резкое изображение по координате У, равняется А1 = ± 2Х (Р/а0 )2, где ^ - фокусное расстояние цилиндрической линзы Л5 (см рис. 7), а0 - диаметр светового пучка по координате У. При ^ = 40 см, а0 = 2 см глубина резкого изобра-

жения перетяжки равняется AZ2 — ALM22 — 2,6 м. Большая глубина резкого изображения по двум координатам позволяет использовать для подавления спекловой структуры вибрирующие экраны, экраны с неровной поверхностью, а также расположить экран под малым углом к системе формирования изображения и тем самым уменьшить поперечные размеры ТВ системы. Возникающие при этом трапецеидальные искажения растра и нелинейность развертки по кадру можно компенсировать электронными способами. На рис. 10 представлены фотографии телевизионного изображения, снятые с экрана лазерного ТВ проектора.

Варианты создания цветной акустооптической системы с импульсными лазерами, работающей в стандарте HDTV

Одной из важнейших задач при формировании ТВ изображения, приближающегося по качеству к фотографическому, является обеспечение возможности работы лазерной проекционной системы в стандарте высокой четкости, например HDTV. Для этого стандарта число разрешимых элементов в кадре равно 1080x1920 (формат 9:16). Частота смены кадров определяется возможностью системы отображения и должна составлять 70-100 полей в секунду.

Остановимся, например, на наиболее простом для реализации чересстрочном стандарте разложения телевизионного изображения с частотой изменения полей f = 70 Гц. Длительность полукадра при этом составляет Тпк = 1#ж = 14,286 мс, = Тп + Тох, где Тт -длительность рабочей части полукадра; Тох - длительность обратного хода кадровой развертки. Тm = 540f + + n/f, где f - частота строчных синхроимпульсов; n -целое число строк, размещающихся на Тох.

Длительность обратного хода кадровой развертки определяется быстродействием используемого в системе электромагнитного гальванометра. Выберем n = 46, тогда f = 41,02 кГц, а Тох = 1,1214 мс, что соответствует быстродействию, например, гальванометра фирмы Cambridge Technology Inc., модель 6800/СВ6588. Длительность строки равняется Тс = = 1/f = 24,378 мкс. При импульсном методе формирования изображения строки обратный ход строчной развертки отсутствует, поэтому всю длительность строки можно использовать для отображения информации на экране, что также повышает разрешение. Это можно сделать при помощи цифрового процессора, преобразующего приходящий полный ТВ сигнал повышенной четкости в отдельные сигналы, необходимые для функционирования данной системы.

Будем считать, что информационная длительность строки равна Тс = 24 мкс. Количество элементов в строке по критерию разрешения Рэлея равняется Nc = Тс/ (т0 + тэ), где тэ - длительность одного элемента по уровню 0,5; т0 - длительность светового импульса. Если считать, что 1920 элементов в телевизи-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

онном стандарте соответствуют 960 элементам по критерию Рэлея, то т0 + тэ = 25 нс. Таким образом, при полосе частот модулирующего сигнала А/0 = 50 МГц тэ = 1/А/0 = 20 нс, следовательно, длительность светового импульса лазера не должна превышать 5 нс.

При полосе частот модулирующего сигнала А/0 = = 50 МГц для амплитудной модуляции необходимо использовать АОМ с полосой акустооптического взаимодействия А/ = 2 А/0 = 100 МГц. При Тс = 24 мкс такую полосу можно обеспечить в АОМ из ТеО2, работающем в полосе частот от 100 до 200 МГц с длиной звукопровода = 14,8 мм, вырезанного вдоль направления распространения медленной сдвиговой волны [110]. Эффективность дифракции в таком АОМ будет не более 30%.

Для получения высокой эффективности дифракции при такой полосе акустооптического взаимодействия, по-видимому, необходимо либо использовать АОМ с многоэлементным пьезопреобразователем, в котором осуществлялась бы подстройка угла Брэгга (что сложно реализовать на практике), либо найти способ приспособить для формирования изображения строки модулятор из ТеО2 с использованием косых (5-6°) срезов. В последнем случае затруднение вызывает то, что волновой вектор и направление потока энергии упругой волны в звукопроводе составляют между собой большой угол. При использовании обычной проекционной оптической системы изображения начала и конца строки будут находиться на разном расстоянии от объектива и иметь разное увеличение. Использование АОМ из других мате-

риалов для эффективной модуляции сигнала такой длительности и полосы является проблематичным.

В связи со всем вышесказанным представляется перспективным следующий вариант создания акусто-оптической системы отображения телевизионной информации повышенной четкости. Лазер работает с частотой повторения в два раза меньшей, чем в предыдущем случае (= 20,5 кГц) и за один световой импульс длительностью 10 нс проецирует на экран одновременно две строки. В системе имеется процессор, осуществляющий преобразование строк по длительности в два раза, с 24 до 48 мкс, с сохранением их информационной емкости. При этом полоса частот А/0 должна уменьшиться с 50 до 25 МГц, а полоса аку-стооптического взаимодействия переместиться в область наиболее эффективного для ТеО2 широкополосного взаимодействия в диапазоне частот 50-100 МГц.

В системе должен осуществляться одновременный ввод двух строк в два параллельно расположенных модулятора (один над другим) со скоростью в два раза меньшей, чем в предыдущем случае. Можно использовать также двухканальный АОМ из ТеО2. Такая система формирования изображения строк позволит сохранить большое число разрешимых элементов при относительно невысоких требованиях к АОМ и длительности лазерного импульса. Возможным недостатком такого способа отображения двух и более строк за один импульс излучения лазера является снижение частоты повторения полей при кадровой развертке, что может негативно сказаться на восприятии изображения глазом.

Рис. 11. Возможная схема формирования изображения строки в стандарте HDTV в двух взаимно ортогональных плоскостях (а) и (b) с использованием трех акустооптических модуляторов в каждом цветовом канале Fig. 11. The possible scheme of formation of the image of a line in standard HDTV in two mutually orthogonal planes (a) and (b) with use of three acousto-optical modulators in each colour channel

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Другим вариантом акустооптической проекционной установки с импульсным лазером может быть система, в которой изображение строки строится при помощи двух и более акустооптических модуляторов, расположенных последовательно. На рис. 11 дана возможная схема формирования строки в двух взаимно ортогональных плоскостях с использованием трех акустооптических модуляторов в каждом цветовом канале: а - плоскость сканирования по кадру; b - плоскость формирования изображения строки.

В данном случае длина звукопровода каждого модулятора равняется 24 мкс, а число разрешимых каждым модулятором элементов уменьшено в 3 раза (320 по критерию Рэлея). Электронный цифровой процессор 1 разбивает видеосигнал на 3 части, которые одновременно вводятся в модуляторы, расположенные последовательно друг за другом. После того, как все звукопроводы заполнятся амплитудно-модулированным ультразвуковым сигналом, лазер генерирует короткий импульс света. При помощи системы линз Л1, Л2 и диафрагм Д изображение от каждого модулятора переносится в промежуточную плоскость, где происходит сложение изображений. Далее при помощи общего объектива Л3 суммарное изображение переносится на экран Э. В этом случае полоса акустооптического взаимодействия АОМ может быть не более 40 МГц при длительности светового импульса 20 нс.

Каналы красного R и синего В цветов можно расположить сверху и снизу от основного зеленого канала G. А смешение цветов производить при помощи дихроичных зеркал М1 и М2. Отклонение строк по кадру производится при помощи общего гальванометра М3. Всего, таким образом, в данной системе для формирования полноцветного широкоформатного ТВ изображения должно использоваться 9 акусто-оптических модуляторов с длиной звукопровода 15 мм. Как уже было сказано выше, при использовании АОД для отклонения света по кадру необходимо использовать отдельные АОД в каждом из RGB каналов с последующим сведением растров на экране при помощи системы дихроичных зеркал.

Данную схему формирования можно взять за основу при проектировании сверхширокополосных акустооптических систем формирования ТВ изображения, при котором можно получить телевизионную строку с очень большим числом разрешимых элементов.

Список литературы

1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н. и др. Пространственные модуляторы света. М.: Радио и связь, 1987.

2. Мухин И.А. Развитие жидкокристаллических мониторов. 1-я часть // BROADCASTING Телевидение и радиовещание. 2005. Т. 46, № 2. С. 55-56.

3. Мухин И.А. Развитие жидкокристаллических мониторов. 2-я часть // BROADCASTING Телевидение и радиовещание. 2005. Т. 48, № 4. С. 71-73.

4. Мухин И.А. Принципы развертки изображения и модуляции яркости свечения ячейки плазменной панели // Труды учебных заведений связи. СПбГУТ. 2002. № 168. С. 134-140.

5. Friend R.H., Gymer R.W., Holmes A. B. et al. Electroluminescence in conjugated polymers // Nature. 1999. Vol. 397. P. 121-128.

6. Майская В. Органические светодиоды // Электроника: НТБ. 2007. № 5. С. 39-46.

7. Синицын Н.И., Гуляев Ю.В., Глухова О.В. и др. Исследование возможностей построения новых вакуумных индикаторов и дисплеев на основе углеродных нанотрубных и нанокластерных автокатодов // Радиотехника. 2005. № 4. С. 35-40.

8. Canon, Toshiba Bring SED Panels to Reality // Display Devices Fall. 2004. P. 35.

9. Уласюк В.Н. Квантоскопы. М.: Радио и связь, 1988.

10. Мокиенко О.М. Лазерные кинескопы нового поколения // Электроника: НТБ. 2000. № 6. С. 54-56.

11. Robinson D.M. The supersonic light controls end its application to television with special reference to the Scophony television receiver // Proceedings of the IRE. 1939. Vol. 27, No. 8. P. 483-487.

12. Wikkenhauser G. Synchronization of Scophony television receiver // Proceedings of the IRE. 1939. Vol. 27, No. 8. P. 492-496.

13. Korpel A., Adler R., Desmares P. et al. A television display using acoustic deflection and modulation of coherent light // Proceedings of the IEEE. 1966. Vol. 54, No. 10. P. 1429-1437.

14. Ямамото М., Танеда Т. Лазерные устройства отображения // Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений, т.2: Пер. с анг. / Под ред. Б.Кейзана. М.: Мир, 1979.

15. Gordon E.I. A review of acousto-optical deflection and modulation devices // Proceedings of the IEEE. 1966. Vol. 54, No. 10. P. 1391-1401.

16. Аксенов Е.Т., Бухарин Н.А., Игнатов А.Б. и др. Применение широкополосных акустооптических элементов при лазерной визуализации телевизионного изображения // Квантовая электроника. Труды ЛПИ. 1974. № 366. С. 69-74.

17. Taneda T. et al. High quality laser television display // Journal of the SMPTE. 1973, № 6.

18. Gorod J., Knox J.D., Goedertier P.V. A television- rate laser scanner // RCA Review. 1972. Vol. 33, No. 12. P. 623-674.

19. Geoffrey G.F. An experimental laser- photo chromic display system // The Radio and Electronic Engineer. 1970. Vol. 39, No. 3. P. 123-129.

20. Бенедичук И.В., Обозненко Ю.Л., Смирнов Е. И. и др. Оптическое устройство воспроизведения ТВ сигналов на основе акустооптического дефлектора // Техника кино и телевидения. 1978, № 6. С. 3-10.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

21. Watson W.N., Korpel A. Equalization of acoustooptic deflection cells in a laser color TV system // Appl. Opt. 1970. Vol.9, No. 5. P. 1176- 1179.

22. Klima M. Trichromaticy akustoopticy deflector laseroveho svazku a ieho aplikace v televizni technice // Slaboproudy obzor. 1979. Vol. 40, No. 9. P. 415-421.

23. Yamada Y., Yamamoto M., Nomura S. Large screen laser color TV projector // Proc. Int. Quantum Electron., 6th, Kyoto. 1970. P. 242-243.

24. Yamamoto M. A 1125 - scanning - line laser color TV display // Hitachi Rew. 1975. No. 24. P. 89-94.

25. Nowicki T. A-O and E-O modulators, basics and comparisons // Electro-Opt. Syst. Design. 1974. Vol. 6, No. 2. P. 23- 28.

26. Okolicsanyi F. The wave-slot an optical television system // Wireless Eng. 1937. Vol. 14. P. 527-536.

27. Bergmann L. Ultrasonics. New-York: J.Wiley. 1938. P. 58-63.

28. U.S. Patent, №3818129. Laser imaging device / M. Ymamoto. June 18, 1974.

29. Дамон Р., Мэлони В., Мак-Магон Д. Взаимодействие света с ультразвуком: явление и его применение // Физическая акустика. Т. 7: Пер. с англ. / Под ред. У.Мэзона и Р.Терстона. М.: Мир. 1974. С. 311-426.

30. Lowry J.B., Welford W.T., Humphries M.R. Pulsed Scophony laser projection system // Optics and

§ Laser Technology. 1988. Vol. 20, No. 5. P. 255-258.

31. Кузин А.Г., Мокрушин Ю.М., Николаев В.М., Окунев Р.И. Устройство отображения информации на основе лазера на парах меди. Тез. докл. 4-й Всесоюзной конф. «Оптика лазеров». Л.: ГОИ, 1984. С. 352.

32. Mokrushin Yu. M., Shakin O.V. Acousto-optical system for imaging TV information by using a copper vapor laser // Journal of Russian Laser Research. New-York. 1996. Vol. 17, No.4. Р. 381-393.

33. Васильев Ю.П., Казарян М.А., Мокрушин Ю.М., Прохоров А.М., Шакин О.В. Лазерные оптические системы для проекции изображений // Светотехника. 1998. № 5. С. 7-10.

34. Martinsen R.J., Aylward R.P. Photonics shows off - in a big way // Photonics Spectra. 1996. № 11. P. 109-114.

35. Martinsen R.J., Karakawa M., McDowell S.R. Pulsed RGB laser for large screen video displays // SPIE Proc. 3000-30. P. 150-160.

36. Laser Focous World, may 1999, p. 13.

37. Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.

38. Hu X.P. High-power red-green-blue laser light source based on intermittent oscillating dual-wavelength Nd:YAG laser with a cascaded LiTaO3 superlattice // Optics Letters. 2008.Vol. 33, No. 4. P. 408-410.

39. U.S. Patent, No 5,828,424. Process and apparatus for generation at least three laser beams of different wavelength for the display of color video pictures / R. Wallenstein R. 1998.

40. Nebel A., Ruffing B., Wallenstein R. A 19 W RGB solid-state laser source for large frame

laserprojection displays // Laser and Electro-Optics Society Annual Meeting. LEOS IEEE. 1998. P. 395-396.

41. Nebel A., Ruffing B., Wallenstein R. Diode pumping sharpens large laser displays // Laser Focus World. 1999. P. 263-266.

42. Brunner F., E. Innerhofer E., Marchese S.V. at al. Powerful red-green-blue laser source pumped with a mode-locked thin disk laser // Optics Letters. 2004. Vol. 29, No. 16. P. 1921-1923.

43. Innerhofer E., Brunner F., Marchese S.V. et al. Analysis of nonlinear wavelength conversion system for a red-green-blue laser-projection source // J. Opt. Soc. Am B. Vol. 23, No. 2. P. 265-274.

44. Watson J.P. et al. Laser sources at 460 nm based on intracavity doubling of extended-cavity surface-emitting lasers // Proc. SPIE. 2004. Vol. 5364. P. 116.

45. Shchegrov A.V. 532-nm laser sources based on intracavity frequency doubling of extended-cavity sur-faceemitting diode lasers // Proc. SPIE. 2004. Vol. 5332. P. 151.

46. Solgaard O., Sandejas F.S.A., Bloom D.M. Deformable Grating Optical Modulator // Optics Letters. 1992. Vol. 17, No. 9. P. 688-690.

47. Bloom D.M. The Grating Light Valve: Revolutionizing display technology // Proc. SPIE, Projection Displays III. 1997. Vol. 3013. P. 165-171.

48. Trisnadi J.I., Carlisle C.B., Monteverde R. Overviewand Applications of Grating Light Valve Based Optical WriteEngines for High-Speed Digital Imaging // Proc. Micromachining and Microfabrication Symp., Photonics West. San Jose, CA, Jan. 26, 2004.

49. Петраш Г.Г. Импульсные газоразрядные лазеры // Успехи физ. наук. 1971. Т. 105, вып. 4. С. 645-676.

50. Little C.E. Metal Vapour Laser: Physics, Engineering and Applications. Chichester (UK): J.Wiley and Sons, 1999.

51. Лябин Н.А., Чурсин А. Д., Угольников С. А. и др. Лазеры на парах металлов: разработка, производство и применение // Квантовая электроника. 2001. Т. 31, № 3. С. 192-202.

52. Григорьянц А.Г., Казарян М.А., Лябин Н.А. Лазеры на парах меди: конструкция, характеристики и применения М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005.

53. Бохан П.А., Силантьев В.И., Соломонов В.И. О механизме ограничения частоты следования импульсов генерации в лазере на парах меди // Квантовая электроника. 1980. Т. 7, № 6. С. 1264-1269.

54. Исаев А. А., Кнайпп Х., Ренч М. О роли частоты следования импульсов генерации в лазере на парах меди // Квантовая электроника. 1983. Т. 10, № 6. С. 1183-1189.

55. Исаев А.А., Леммерман Г.Ю. Исследование импульсного лазера на парах меди при повышенных мощностях // Квантовая электроника. 1977. Т. 4, № 7. С. 1413-1417.

56. Маркова С.В., Петраш Г.Г., Черезов В.М. УФ лазер на парах золота // Квантовая электроника. 1978. Т. 5, № 7. С. 1585-1587.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

57. Маркова С.В., Черезов В.М. Исследование импульсной генерации на парах золота // Квантовая электроника. 1977. Т. 4, № 3. С. 614-619.

5S. Divin V.D., Isakov V.K. Investigation of a pulsed lead vapor laser operating at high excitation pulse repetition frequencies // Sov. J. Quantum Electron. 19S6. Vol. 16, No. S. P. 10S1-10S5.

59. Маркова С.В., Петраш Г.Г., Черезов В.М. Импульсная генерация на линии 472,2 нм атома висмута // Квантовая электроника. 1977. Т. 4, № 5. С. 11541155.

60. Linevsky M.J., Karrus T.W. An iron-vapor laser // Appl. Phys. Lett. 197S. Vol. 33, No. S. P. 720-721.

61. Исаев A.A., Леммерман Г.Ю., Маркова С.В. и др. Импульсный лазер на парах бария // Труды Ф^Н. 19S7. Т. 1S1. С. 3-17.

62. Исаев A.A., Казарян МА., Петраш Г.Г. и др. Исследование импульсного лазера на парах марганца // Квантовая электроника. 1976. Т. 3, № S. С. 1S02-1S05.

63. Бохан ПА., Герасимов ВА. Оптимизация условий возбуждения в лазере на парах меди // Квантовая электроника. 1979. Т. 6, № 3. С. 451-455.

64. Lewis R.R., Naylor G.A., Kearsley A.J. Copper vapor lasers reach high power // Laser focus. 19SS. Vol. 24, No. 4. P. 92, 94-96.

65. Солдатов A.K, Федоров В.Ф. Лазер на парах меди с частотой следования импульсов до 230 кГц // Изв. Вузов. Физика. 19S3. № 9. С. S0.

66. Калугин М.М., Потапов С.Е., Тютчев М.В. Многоцветный лазер на переходах атомов меди и золота с излучением в УФ, зеленой, желтой и красной областях спектра // Письма в ЖТФ. 19S0. Т. 6, № 5. С. 2S0-2S3.

67. Исаев A.A., Казарян МА. Исследование импульсного лазера на парах меди // Квантовая электроника. 1977. Т. 4, № 2. С. 451-453.

6S. Зубов В .В., Лябин НА., Мишин В.И. и др. Исследование лазера на парах меди с большим ресурсом и улучшенными параметрами импульса возбуждения // Квантовая электроника. 19S3. Т. 10, № 9. С. 190S-1910.

69. Земсков К.И., Исаев A.A., Казарян МА. и др. Исследования основных характеристик лазерного проекционного микроскопа // Квантовая электроника. 1976. Т. 3, № 1. С. 35-43.

70. Земсков К.И., Исаев A.A., Казарян МА. и др. Применение неустойчивых резонаторов для получения дифракционной расходимости излучения импульсных газоразрядных лазеров с большим усилением // Квантовая электроника. 1974. Т. 1, № 4. С. S63-S69.

71. Беляев В.П., Зубов В.В., Комальдинов НА. и др. Эффективный излучатель на парах меди // Электронная промышленность. 19S4. Т. 10, вып. 13S. С. 2S-30.

72. Du C., Ruan S., Yu Y., Wang Z. High-power intracavity second-harmonic generation of 1.34 ^m in BiB3O6 crystal // Optics express. 2005. Vol. 13, No. 21. P. S591-S595.

73. Du C., Ruan S., Yu Y., Zeng F. 6-W diode-end-pumped Nd:GdVO4 LBO quasi-continuous-wave red laser at 671 nm // Optics express. 2005. Vol. 13, No. 6. P. 2013-2018.

74. Haiyong Z., Ge1 Z., Chenghui1 H. et al. Multiwatt power blue light generation by intracavity sum-frequency-mixing in KTiOPO4 crystal // Optics express. 2008. Vol. 16, No. 5. P. 2989-2994.

75. Konno S., Kojima T., Fujikawa S. et al. High-brightness 138-W green laser based on an intracavity-frequency-doubled diode-side-pumped Q-switched Nd:YAG laser // Optics Letters. 2000. Vol. 25, No. 2. P. 105-107.

76. Bo Y., Geng A., Bi Y. et al. High-power and high-quality, green-beam generation by employing a thermally near-unstable resonator design // Applied Optics. 2006. Vol. 45, No. 11. P. 2499-2503.

77. Tang H., Xiaolei Z., Junqing M. at al. 20-kHz watt-level green laser with LGS crystal electro-optic Q-switch // Chinese Optics Letters. 2009. Vol. 7, No. 9. P. 812-814.

78. Lee D., Moulton P.F. High-efficiency, highpower, OPO-based RGB source // Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2001. Vol. 56 of OS A Trends in Optics and Photonics Series (Optical Society of America, 2001), paper CThJ2, p. 424.

79. Moulton P.F., Snell K.J., Lee D. at al. Highpower RGB Laser Source for displays // Presented at the IMAGE 2002 Conference Scottsdale. Arizona 8-12 July. 2002.

80. Dixon R.W. Acoustic diffraction of light in anisotropic media // IEEE J. Quantum. Electron. 1967. Vol. QE-3, No.2. P. 85-93.

81. Korpel A. Acousto-optics // Applied Solid State Science, Advances in Materials and Device Research. 1972. Vol. 3, No.2. P. 71-80.

82. Jieping X., Stroud R. Acousto-Optic Devices: Principles, Design and Applications. John Wiley & Sons, Inc., 1992.

с

83. Gordon E.I. A review of acousto-optical deflection and modulation devices // Proc. IEEE. 1966. Vol. 54, No. 10. P. 1391-1401.

84. Chang I.C. Acousto-optic devices and applications // IEEE Trans. Son. Ultrason. 1976. Vol. SU-23, № 1. P. 2-22.

85. Goutzoulis A., Pape D., Kulakov S. Design and fabrication of acoustooptic devices. Marcel Dekker Inc.: N.York, 1994.

86. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970.

87. Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. М.: Советское радио, 1977.

88. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптиче-ские устройства и их применение. Там же, 1978.

89. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

90. Кулаков С.В. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа сигналов. Л.: Наука, 1978.

91. Родес У.Т. Акустооптическая обработка сигналов. Свертка и корреляция // ТИИЭР. 1981. Т. 69, № 1. С. 74-91.

92. Родес У.Т., Гилфойл П.С. Архитектура аку-стооптических алгебраических процессоров // ТИИЭР. 1984. Т. 72, № 7. С. 80-91.

93. Псалтис Д. Двумерная оптическая обработка сигналов с использованием одномерных входных устройств // ТИИЭР. 1984. Т. 72, № 7. С. 240-255.

94. Harris S.E., Wallace R.W. Acousto-optic tunable filters // J. Opt. Soc. Amer. 1969. Vol. 59, № 6. P. 744-747.

95. Chang I.C. Tunable acousto-optic filtering // Proc. SPIE. 1976. Vol. 90. P. 12-22.

96. Yano T., Watanabe A. Acoustooptic Те02 tunable filter using far-of-axis anisotropic Bragg diffraction // J. Appl. Optics. 1976. Vol. 15, № 9. P. 2250-2258.

97. Voloshinov V.B., Parygin V.N., Molchanov V.Ya. Tunable acousto-optic filters and their applications in laser technology, optical communications and processing of images // Proc. SPIE. 2001. Vol. 4353. P. 17-22.

98. Балакший В.И., Галанова И.Ю., Парыгин В.Н. Сканирование изображений // Квантовая электроника. 1979. Т. 6, № 5. С. 965-971.

99. Warner A.W., White D.L., Bonner W.A. Acousto-optic deflectors using activity in paratellurite // J. Appl. Phys. Letts. 1972. Vol. 43, № 11. P. 4489- 449.

100. Yano T., Kawabuichi M., Fukumoto A. et. al. Te02 anisotropic Bragg light deflector without midlband degeneracy // J. Appl. Phys. Letts. 1975. Vol. 26, № 12. P. 689-691.

101. Клудзин В.В., Пресленев Л.Н. Когерентное запоминание радиоимпульсов в акустооптических линиях задержки // Акустооптические методы и техника обработки информации. Межвузовский сборник. Вып.142. Л.: ЛЭТИ, 1980. С. 75-81.

102. Бакиновский К.И., Рай Г.И., Шакин О.В., Шаронов Г.В. Универсальный прибор для получения и контроля режима синхронизации мод в непрерывных лазерах // Приборы и техника эксперимента. 1986. № 3. С. 247.

103. Акустические кристаллы. Справочник / Под ред. М.П.Шаскольской. М.: Наука, 1982.

104. Uchida N., Ohmachi Y. Elastic and photoelastic properties of Te02 single crystal // J. Appl. Phys. 1969. Vol. 40, No. 12. P. 4692-4695.

105. Проклов В.В. Исследование дифракции мощного лазерного излучения на звуке в ТеО2 // Радиотехника и электроника. 1980. Т. 25, №7. С. 1543-1545.

106. Молоток В.В., Разживин Б.П. Влияние затухания акустических волн на характеристики акусто-оптических анализаторов спектра // Акустооптиче-ские методы и техника обработки информации. Межвузовский сборник, вып.142. Л.: ЛЭТИ, 1980. С. 10-15.

107. Леманов В.В., Шакин О.В. Рассеяние света на упругих волнах в одноосных кристаллах // Физика твердого тела. 1972. Т. 14, № 1. С. 229-236.

108. Писаревский Ю.В., Сильвестрова И.М. Рассеяние света на упругих волнах в оптически двуос-ных кристаллах // Кристаллография. 1973. Т. 19, № 5. С. 1003-1013.

109. Uchida N., Ohmachi P. Acoustooptical light deflector using TeO2 single crystal // Japan. J. Appl. Phys. 1970. Vol. 9, No. 1. P. 155-156.

110. Богданов С.В., Большева Т. А. Расчет основных параметров акустооптического дефлектора на ТеО2 // Автометрия. 1985. № 5. С. 34-41.

111. Антипин М.В., Голод И.С., Горбенко В.М., Косарский Ю.С., Кузин А.Г., Мокрушин Ю.М., Мос-тепаненко В.М., Шакин О.В. Пути решения задачи записи ТВ изображения на цветную кинопленку методом кратковременного экспонирования целой строки // Труды ЛИКИ. Ленинград. 1980. С. 106-114.

112. Yano T., Kawabuichi M., Fukumoto A., Watanabe A. TeO2 anisotropic Bragg light deflector without midband degeneracy // J. Appl. Phys. Lett. 1975. Vol. 26, No. 12. P. 689-691.

113. Warner A.W., White D.L., Bonner W.A. Acousto-optic deflectors using activity in paratellurite // J. Appl. Phys. Lett. 1972. Vol. 43, No. 11. P. 4489-4495.

114. Патент РФ № 2104617. Лазерная проекционная система отображения телевизионной информации (варианты) / Ю.М. Мокрушин, О.В. Шакин // Опубл. в Б. М. 1995. № 28.

115. Казарян М.А., Кружалов С.В., Лябин Н.А., Мокрушин Ю.М., Парфенов В.А., Прохоров А.М., Шакин О.В. Многофотонная цветная лазерная система для разделения изотопов // III Всерос. научн. конф. «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул»: Сб. докл. Звенигород, Россия, 59 октября 1998. С. 44-45.

116. Казарян М.А., Кружалов С.В., Лябин Н.А., Мокрушин Ю.М., Парфенов В.А., Прохоров А.М., Шакин О. В. Получение цветного телевизионного изображения на большом экране с использованием импульсных лазеров на парах металлов // Изв. АН. Сер. физич. 1999. Т. 63, № 6. С. 1190-1191.

117. Gulyaev Yu.V, Kazarian M.A., Mokrushin Yu.M., Prochorow A.M., Shakin O.V. Acoustooptical TV projection system with pulsed lasers // Laser Physics. 2002. Vol. 12, No. 8. P. 6-18.

118. Мокрушин Ю.М. Дифракция света на звуке вблизи оптической оси гиротропного кристалла // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2011. № 2. С. 93-105.

119. Мокрушин Ю.М. Формирование изображения строки в акустооптической системе с импульсным источником когерентного света // Там же. № 3. C.99-109.

120. Мокрушин Ю. М. О влиянии нелинейности акустооптического взаимодействия в модуляторе из ТеО2 на формирование изображения гармонических сигналов // Там же. № 4. C. 118-129.

гхп

- TATA —

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013