激光显象管的初步研究

　　激光显象管的初步研究°bookmark0吴华夏，洪光烈（芜湖电真空研究所。芜湖市中图分类法：TN24：A现代大屏幕高清晰度电视的发展有两种方案可供选择：第一是等离子体显示（PDP），第二即大屏幕彩色投影显示就第二种方案而言，高清晰度和高亮度投影管的开发是关键之一，而作为投影管，激光显象管是很富有潜力的。该器件的研制在国内还处于起步阶段；在国夕卜，有关国家的研究也未进入实用化阶段2激光显象管的优点bookmark2电子束（1众所周知一般普通显象管其屏面是由荧光粉层组成，它通过电子束轰击荧光粉发光来实现图象显示。由于荧光粉颗粒之间的散射，发光的线宽要比激发它的电子束直径大（如）对高亮度的显象管一一投影管来说，则要求它具有很高的亮度因此电子束流较大，由于空间电荷效应，束径变粗，分辨率与亮度之间的矛盾即成主要矛盾（2）若把发光靶面改为晶体发光屏（如钇铝石榴石YAG晶体发光屏），即当电子枪发出的电子束轰击发光晶体时，那么上文提到的光斑扩散现象将大大弱化，发光的线宽基本与电子束直径相当，这正是晶体与由颗粒组成的松散结构的荧光粉层的重大区另1J.（3）以上两种情况下发出的光都是荧光，即在电子束激励下的自发辐射例如电子束轰击YAG晶体屏发光，其显着优点是光斑不会扩散，但是它的发光效率不高，影响和制约了荧光粉狭壳电子束轰击普通显象管荧光屏的示意图进一步提高亮度如果把显示屏改为激光屏（平板光谐振腔），那么当电子束轰击屏时，产生受激辐射（光放大），输出的是激光激光屏的量子效率比荧光屏高（理论上），因此激光显象亮度提高的潜力比普通显象管大同时由于激光的激发存在阀值，只有注入的电子束流的密度大于阀值才有激光输出。电子束斑的密度符合高斯分布，Jexp（-r2/2e），中心密度比边缘密度高，那么电子束斑外围由于密度小而不会引起受激发光，所以激光显象管的光斑直径小于泵浦电子束的直径，有利于缓解高亮度显象管中亮度与分辨率之间的矛盾3激光显象管的原理在高真空环境中，电子枪发出的电子流经过由电磁线圈聚焦形成细的强流电子束，轰击靶面电子的发射体阴极，采用大电流密度的钨海绵浸渍阴极，它能以较小的发射半径发射高密度的电子束流用作聚焦的电磁线圈采用大口径的（H35mm）磁线圈来聚焦电子束，这种磁线圈借鉴了电子显微镜聚焦线圈的类似结构阳极靶面即是半导体晶体屏（如GaAs或CdSSe等），阳极外接50kV或60kV的直流电压，电子枪产生的聚焦电子束经加速至高能量态（60keV），射向半导体晶体靶面晶体靶面采用光学谐振振腔，有介质材料制成的全反射镜和部分反射镜它们相互平行，靶面内壁镀银（Ag或Al）与阳极相连激光显象管实际上就是一种用电子束作为泵浦源的半导体激光器电子束轰击屏面形成非平衡载流子之后，大多数物理过程与电子注入式激光（激光二极管）相似来自电子枪的每一个高能电子撞击半导体活性材料时能产生许多电子-空穴对，如能量50keV的电子在GaAs中平均产生1C4个电子-空穴对，因此所需的电子束流比通过注入P-N结激光器（激光二极管）所需电流小得多，后者每个注入电子和空穴仅包含一对电子空穴对，然而高能电子束经经过很大的电位降，有很大的能量被浪费了，总体来说，电子束轰击型激光器比注入P-N结激光器效率低，理论上说，电子束泵浦半导体激光器的效率可达百分之三十几电子束轰击半导体靶产生电子空穴对的过程，即是激发价带电子跃迁到导带形成粒子反转的过程，为了得到有效的受激辐射，在光发射区内的电子和空穴浓度必须非常大，以致接近导带底的大多数态填满电子，而接近价带顶的大多数态是空的。其次，受射辐射超过自发辐射，这正是电子束激发激光存在阈值的原因。当粒子反转时，受发射的几率变得很大，甚至大于自发辐射或电子空穴对的非辐射复合几率，于是激光辐射的内量子效率约是荧光辐射的几倍。自发辐射荧光）大多数在非粒子数反转的体内传输，相比之下，受激辐射对光子的内部再吸收少得多。此外，激光器发射的光子比荧光屏发射的光子发散角更小，更可能在所要求的位置汇集更多的输出光正如激光二极管效率高于发光二极管一样，由于内部再吸收降低，光束准直性较好，以及内量子效率的加，使得激光显象管比普通显象管（荧光粉发光）发光效率明显提高。高能电子穿透半导体不会太深，大多数电子-空穴对在轰击表面的几个微米内产生，形成粒子数反转，例如GaAs中能量为50keV的电子束形成粒子反转层的厚度约为舻m，25keV约为1. 5m，100keV约为m，作为经验定则，直至几百千电子伏均可粗略地看作线性。

　　受激辐射在两个平行反射镜形成的谐振腔之间产生光振荡，电子束注入面的反射镜（面向电子枪）的反射率较高激光输出面的反射镜反射率稍低。只有某个纵模在两个反射镜间距离满足半波长整数倍才能形成驻波；同时，由于反射端面有方向选择性，发射的激光模的光子主要集中在垂直于端面的方向上，因此激光显象管单色性强发散角小。发光的颜色决定于半导体晶体材料的成份和厚度（谐振腔长度）阳极电压等因素。电子束经过偏转线圈的磁场作用，可以在整个靶面上扫描，使半导体晶体屏各象素先后发光，这一点与普通显象管完全相同电子束流加，输出激光强度也随着加；反之亦然这一点说明调制电子束流就可以使激光显象管实现图象显示（见）如果用红、绿蓝三只激光显象管将三幅图象投射到一起即可实现全彩色显示4我们实际研制的一种激光显象管的结构y）聚焦线圈内|aH35emm，它形成的轴对称磁场于使电子流会聚成细束偏转线圈用来扫描成象，偏转角为20* 25=消象散器用来减小象差。电磁校准线圈用来调整电子束与磁聚焦线圈及磁偏转线圈对中，满足旁轴条伟（3）半导体晶体屏材料为CdSSe，用分子束外延方法制作，其厚度25Mm，反射镜Ri=93%，反射镜R2= 97%，发光峰值波长为634.5nm（红光）金属薄膜（Ag或Al）与电子枪的阳极相连介质反射镜（Si2/Ti2）半导体材料（CdSSe）粘接层（环氧树脂）（5-匹配层蓝宝石基体半导体激光屏的结构示意图由于半导体晶体在较强电子束流轰击下会产生热量，导致温升，会烧伤晶体屏，使激光效率下降，因此，激光屏的基体采用导热性较好的蓝宝石（Aka），蓝宝石基体厚度d=直径H=并且采用液冷装置。

　　我们的试验结果为：工作束流1=Q 48mA，平均输出功率P= 1.2W，光电效率Z=在研制该显示器件的过程中，切实的工艺难度在以下几点：激光工作物质（晶体）的制作以及介质反射镜的制作难度都很大激光屏与显象管的管壳的封接也是有一定难度的。

　　激光屏上的活性物质（晶体）不能长时间处于高温度环境下，这给真空排气（需380 420*C高温）带来困难5激光显象管目前存在的缺点较强的电子束流轰击半导体靶，相当大一部分能量转化为热，使晶体屏温度明显上升，温升影响激光器工作的稳定性，因此，激光显象管需要复杂的冷却装置激光显象管实际的光效率只有百分之几，远小于理论估计的数值（百分之三十几），问题是工艺和材料两方面都需要进一步作努力。晶体制作的工艺难度大，介质反射镜也不易制作激光显象管的潜力没有发挥出来激光显象管工作电压很高50 60kV，X射线辐射不容忽视，需要加以屏蔽。

　　激光显象管的寿命需要提高。

　　6激光显象管进一步研究的方向为了在激光振荡时减缓温升，必须寻找高导热的材料，使用更高的电子能量（大于50kV）和更高的扫描速度。在同一光振荡功率下，效率提高数倍，振荡区温度也降低数倍。因此，采用吏效率显着提高的材料和结构是M任务应使用量泛效率高的材料并应有低的，://wv振荡阈值电子束形成的粒子反转层厚度为扣5m，而晶体厚度为25m，这个厚度会吸收损耗掉一部分光，减小谐振腔中非激活区的长度是必要的。同时，减小该区的吸收系数和衍射损耗，设法减小非可见光辐射（热辐射）性损失，提高电子束泵浦的粒子反转效率都是重要的提高益系数是主要的努力方向。在同样强度电子束轰击下的多层超晶格结构中，由于势垒层扩散的结果，量子阱中的载流子浓度大大升高，并可能超过反转阈值如果量子阱厚度与泵浦电子窗透的电离曲线匹配，在所有量子阱中都可达到同样的激发光场中的绝大部分光子都被用来激发辐射。因此，把激光显象管的激活区制成半导体超晶格量子阱结构是提高激光振荡的益系数的极有希望的方案此外，用量子阱结构作为激光屏，由于子能带之间存在禁带，因此当温度在一定范围内变化时，不可能引起载流子分布的扩展，有利于提高激光输出的稳定性由于超晶格中的子能带结构，使得允许带中单位能量间隔内的粒子密度较高，因而达到粒子数反转所需阈值电流就小然而在制作超晶格晶子结构过程中，各层间的晶格匹配是最难解决的问题（如GaAs/GaAlAs，ZnCdSe/ZnSe），进一步研究激光屏的结构和材料是激光显象管研究最值得关注的方向。

　　结束语：我们在俄罗斯科学家的帮助下，刚刚踏入激光显象管的研究领域，对它的研究和了解是很有限的，撰写此文是为了引起成像与显示领域有关专家的兴趣与关注，以达到抛砖引玉的效果。