ТВ проекторы на квантоскопах

Квантоскоп это лазерный кинескоп. В отличие от обычного в лазерном кинескопе вместо люминофорного экрана имеется полу­проводниковая монокристаллическая пластина, выращенная и об­работанная по особой технологии. При соответствующем выборе параметров электронного пучка и пластины в ней создаются усло­вия для генерирования и усиления света. В процессе сканирования пучком каждый участок пластины, излучающий свет, фактически представляет собой миниатюрный полупроводниковый лазер.

При воздействии на пластин}' быстрых электронов пучка, элек­троны валентной зоны атомов кристалла с энергией Е_в приобрета-

ют дополнительную энергию и переходят в зону проводимости Е_п, создавая в валентной зоне дырки. Через некоторое время, стремясь занять уровни с наименьшей энергией, эти электроны рекомбини-руют, возвращаясь в валентную зону и испуская при этом квант энергии. Подбирая полупроводники с различной шириной запре­щенной зоны АЕ = Е_п - Е_в, можно получить различную длину вол­ны излучаемого света. Например, некоторые кристаллы селенида кадмия светятся красным светом, сульфида кадмия - зеленым, се­ленида цинка - синим.

Пучок электронов имеет энергию несколько десятков кэВ. Взаимодействуя с атомами кристаллической решетки, он рассеива­ется. Глубина проникновения электронов в полупроводник < 10 мкм. Найдено, что для образования электронно-дырочной пары электрон должен обладать энергией, большей или равной ЗДЕ. Часть приобретенной кинетической энергии электрона (ДЕ) излуча­ется в виде кванта света, а остальное - потери энергии электронно­го пучка, связанные с нагревом полупроводника, с отражением и выходом электронов наружу. Более точные расчеты показывают, что максимальный КПД полупроводникового лазера с электронным возбуждением может достигать ~ 26%.

Для возбуждения лазерной генерации необходимо создать ус­ловие многократного прохождения светом усиливающей среды. С этой целью на противоположные стороны полупроводниковой пла­стины наносят отражающие покрытия, т.е. создают оптический ре­зонатор. При этом электронный пучок может подаваться в резона­тор как сквозь одно из зеркал (продольная накачка), так и через бо­ковую поверхность параллельно зеркалам (поперечная накачка).

При многократном прохождении усиленным светом резонатора происходит сужение частотного спектра излучения. Это связано с возникновением наибольшего числа фотонов на частоте оптическо­го излучения, которой соответствует максимальное усиление, что приводит к монохроматичности излучения. Так как одно из зеркал резонатора делается полупрозрачным, го через него будет выходить направленный монохроматический лазерный пучок.

Пороговая плотность тока пучка электронов, при которой вы­полняется условие генерации, для большинства лазерных полупро­водников составляет несколько ампер на квадратный сантиметр, а рабочая - 100... 150 А/см². При таких значениях плотности тока возникает сильный нагрев мишени. Это создает определенные трудности в практическом применении квантоскопа. Для исключе­ния перегрева и разрушения мишени ее необходимо активно охла­ждать, что достигается установкой лазерной пластины на сапфиро­вую подложку, охлаждаемую жидким азотом или полупроводнико­вым холодильником.

Основными элементами квантоскопа, как видно из рис.4.18, яв­ляются: катодный узел 1 с точечным источником электронов 2, электростатический модулятор интенсивности пучка 3, короткофо­кусная магнитная линза 4, электромагнитная отклоняющая система 5, холодильник 6, полупроводниковая лазерная мишень 7, анод 8, диафрагма 9. Все основные элементы квантоскопа размещены в ме­таллическом корпусе 10, который одновременно служит защитой от рентгеновского излучения.

При работе устройства в промежутке анод - катод происходит ускорение электронов ггучка, поступающих затем в зазор между пластинами электростатического модулятора 3. На пластины моду- -лятора подано регулируемое напряжение, вызывающее отклонение пучка электронов. При подаче на модулятор видеосигнала проис­ходит изменение величины электрического поля между пластина­ми, а следовательно, и величины отклонения. В результате пучок через отверстие диафрагмы 9 проходит частично или полностью, получая модуляцию по интенсивности. Далее пучок электронов фокусируется магнитной линзой 4 и отклоняется электромагнитной отклоняющей системой 5. Полученное на лазерной мишени ТВ изображение объективом 11 проецируется на экран большого раз­мера 12.

В одном из вариантов лазерного проектора на квантоскопе, раз­работанного в ФИАН, при изображении на полупроводниковой пла­стине размером 17 х 13 мм и использовании объектива «Гелиос - 22» максимальная площадь изображения на экране достигала 6 м². Разре­шение в центре экрана составляло 600, а на краях - 400 твл. Число воспроизводимых градаций яркости по 10-польному клину было рав­но 8. Средняя мощность светового излучения достигала 3 Вт при КПД преобразования (15...20)%.

Возможен вариант лазерного проектора на квантоскопе с одно­строчным сканированием при возбуждении мишени через боковую поверхность. В этом случае вертикальная развертка может осуществ­ляться с помощью механического устройства, например, вращающей­ся стеклянной призмой, а горизонтальная - с помощью электромаг­нитной отклоняющей системы квантоскопа.

Основные недостатки квантоскопа: необходимость применения высокого ускоряющего напряжения, вакуумной откачки и охлажде­ния лазерной мишени, наличие спекловой структуры в изображении.