Содержание
Введение 6
Глава 1 Методы создания лазерного проекционного изображения. Развитие систем формирования лазерных телевизионных изображений на основе акустооптических элементов управления....................................................... 19
1.1. Развитие лазерных телевизионных устройств отображения информации....................................................... 19
1.2. Импульсный метод формирования телевизионного изображения ........................................................... 35
1.3. Импульсные лазеры для системы формирования телевизионного изображения............................................... 38
1.3.1. Газовые лазеры............................................ 38
1.3.2. Твердотельные лазеры...................................... 43
1.4. Акустооитические устройства модуляции и отклонения лазерного светового пучка. Выбор элементов для модуляции лазерного луча................................................... 46
1.4.1. Акустооптический модулятор............................... 46
1.4.2. Устройства кадровой развертки светового луча............. 56
1.5. Лазерная спекл-картина и методы ее устранения............... 60
1.6. Варианты построения оптической системы для устройств формирования телевизионного изображения с импульсным лазером.......................................................... 65
Глава 2. Теоретическое рассмотрение процесса формирования изображения в акустооптической системе с импульсным когерентным источником света............................................ 69
2.1. Дифракция плоской световой волны на ультразвуке в гиро-
тропном кристалле Те02....................................... 69
2
2.1.1. Постановка задачи и вывод интегрального уравнения для
поля....................................................... 70
2.1.2. Решение интегрального уравнения............................. 78
2.1.3. Анизотропная дифракция света на медленной сдвиговой волне в кристалле ТсОг при постоянной амплитуде ультразвукового возмущения............................................ 80
2.1.4. Анизотропная дифракция при амплитудной модуляции ультразвукового сигнала............................................ 91
2.2. Формирование изображения строки в акустооптической системе с импульсным источником когерентного света.................... 95
2.3. Частотно-контрастная характеристика и предельное число разрешимых элементов системы по кадру............................. 108
2.3.1. Случай малой эффективности акустооптического взаимодействия ................................................... 108
2.3.2. Влияние нелинейности акустооптического взаимодействия на качество формируемого изображения. Приближение третьего порядка взаимодействия. Границы применимости первого порядка взаимодействия........................... 117
2.3.3. Приближение пятого порядка взаимодействия. Границы применимости приближения третьего порядка взаимодействия ........................................................ 128
Глава 3. Разработка и экспериментальное исследование отдельных узлов и элементов акустооптической системы формирования телевизионного изображения.................................... 136
3.1. Оптимизация параметров излучения лазера на парах меди применительно к проекционной системе отображения информации ......................................................... 136
3.1.1. Лазер на парах меди с внутрирезонаторным акустоопти-ческим управлением его спектральными и временными
3
характеристиками........................................ 149
3.1.2. Исследование возможности управления параметрами светового пучка в системе генератор - усилитель лазерного излучения................................................. 155
3.1.3. Исследование характеристик излучения системы из двух лазеров на парах меди с инжекцией светового пучка в мощный лазер................................................... 157
3.2. Исследование возможности получения синей линии в лазере на титан - сапфире с накачкой от лазера на парах меди и преобразованием излучения во вторую гармонику.................... 162
3.3. Разработка конструкции акустооптических модуляторов и дефлекторов для импульсной системы отображения информации ........................................................... 170
3.4. Особенности работы электронных устройств управления акустооптической системой отображения телевизионной информацией...................................................... 185
3.5. Оптимизация оптической схемы для системы отображения информации с импульсным лазером на парах меди.................... 196
Глава 4. Экспериментальное исследование акустооптической системы отображения и записи информации с лазером на парах меди............................................................ 204
4.1. Исследование амплитудных передаточных характеристик и нелинейных искажений при формировании изображения строки........................................................... 204
4.2. Экспериментальное исследование характеристик акустооптической системы отображения телевизионной информации
на проекционном экране..................................... 212
4.2.1. Оптическая схема установки............................. 213
4.2.2. Экспериментальные результаты............................. 216
4
4.2.3. О возможности создания многоцветного проекционного
устройства с лазерами на парах металлов.................. 223
4.3. Применение акустооптической системы с импульсным лазером на парах меди для записи информации................ 225
4.3.1. Запись информации на ПВМС "ПРИЗ".......................... 225
4.3.2. Запись телевизионной информации на фотопленку 231
4.3.3. Отображение ТВ информации на большом экране 234
4.4. Перспективы создания акустооптической системы отображения ТВ информации в стандарте высокой четкости с импульсными лазерами................................................ 240
4.4.1. Исследование работы акустооптической системы ото-
бражения телевизионной информации в стандарте повышенной четкости.......................................... 240
4.4.2. Варианты создания цветной акустооптической системы с
импульсными лазерами, работающей в стандарте НОТУ .. 246
Заключение 251
Приложение А Выражения для средней по времени интенсивности
света в пятом и четвертом порядках взаимодействия 260
Приложение Б Конструкция лазера на парах меди (лазерный генератор), разработанная для системы отображения информации на большом экране................................................ 265
Приложение В Лазерная система генератор-усилитель на парах меди для подсветки архитектурных сооружений и формирования векторно-графических изображений................................. 278
Литература 290
5
ВВЕДЕНИЕ.
Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию акустооптического взаимодействия излучения импульсных лазеров с ультразвуком, происходящего в кристаллическом звукопроводе аку-стооптических модуляторов из парателлурита (ТеСЬ), обладающего гиротроп-ными свойствами.
Актуальность проблемы. Создание устройств, способных отображать большой объем информации при высоком качестве воспроизводимого изображения представляет практический интерес в таких областях науки и техники, как оптическая обработка информации, запись информации на различные виды носителей, воспроизведение телевизионных изображений, связь и других, где мы имеем дело с большими потоками информации в реальном масштабе времени.
В настоящее время большие усилия ведущих электронных компаний мира направлены на создание телевизионных систем отображения информации с использованием лазерных источников света. Лазеры обеспечивают высокую яркость и недостижимый для ламп и люминофоров цветовой контраст в изображении. Среди лазерных источников выделяются импульсные лазеры, позволяющие осуществлять эффективное нелинейное преобразование излучения в другие участки видимого спектра и, таким образом, охватить весь существующий для зрительного восприятия диапазон длин волн. Одним из перспективных методов формирования изображения в реальном масштабе времени для этих лазеров является метод импульсной проекции изображения ампли-тудно-модулированной ультразвуковой строки, которая заполняет апертуру акустооптического модулятора.
В рассматриваемом способе модуляции отсутствует высокоскоростная развертка по строке, а также, в отличие от существующих методов, которые используют матричные модуляторы, нет дискретной структуры в изображе-
6
нии. Оно формируется в реальном времени без задержки и лучше согласуется с последовательным способом передачи информации по каналу связи. Размеры изображения при этом могут легко трансформироваться без изменения самих устройств модуляции. При записи информации на различные виды носителей имеется возможность осуществления когерентной оптической обработки этой информации. Возможность использования полностью акустооптических устройств управления для рассматриваемой системы позволяет для целого ряда задач отказаться от таких механических устройств управления, как зеркальные сканаторы, многогранные вращающиеся призмы, матрицы и линейки микрозеркал. Кроме того, используемые в системе кристаллические среды для модуляторов могут выдерживать большие средние и импульсные мощности лазерного излучения, что позволяет использовать рассматриваемые системы в технологических целях.
Несмотря на то, что импульсной метод формирования изображения давно известен, существует много нерешенных вопросов, связанных с эффективностью и качеством формирования изображения при помощи наиболее эффективных в настоящее время акустооптических модуляторов (АОМ) на кристалле парателлурита (ТеСЬ) при амплитудной модуляции ультразвука. Сложность задачи заключается в том, что акустооптическую дифракцию необходимо рассматривать для анизотропной гиротропной среды, которой является кристалл Те02, и для промежуточного режима дифракции света на звуке. Неясен вопрос о перспективах практического применения данного метода для отображения полноцветной телевизионной информации на больших экранах в стандарте высокой четкости.
Необходимо также рассмотреть вопрос об оптимизации выходных параметров лазера для целей формирования изображения импульсным методом. В диссертационной работе в качестве такого источника выбран лазер на парах меди, который остается одним из самых мощных источников светового излучения в видимой области спектра и по своим выходным характеристикам дос-
7
таточно хорошо согласуется с требованиями, предъявляемыми к импульсной системе формирования изображения. В России продолжаются работы по совершенствованию этих лазеров в направлении повышения эффективности накачки и практического коэффициента полезного действия.
Настоящая диссертация является завершающей по циклу работ, проводившихся на кафедре "Квантовая электроника" СПбГТУ, связанных с теоретическим рассмотрением процесса дифракции света на звуке методом интегрального уравнения, а также с работами по практическому созданию лазеров на парах меди и акустооптических устройств управления лазерным излучением для систем отображения и записи информации.
Цели и задачи диссертационной работы.
Целью работы является развитие теории акустооптического взаимодействия для анизотропных кристаллических сред, обладающих гиротропными свойствами, и на ее основе разработка методики расчета пространственного распределения интенсивности светового излучения на проекционном экране при дифракции импульсного лазерного излучения на амплитудно-модулированном ультразвуковом сигнале в кристалле парателлурита (ТеС>2).
Для достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи.
1. Разработка методики численного расчета амплитуд дифрагированных световых волн при анизотропной дифракции света на медленной сдвиговой упругой волне, распространяющейся в кристалле Те02 вблизи его оптической оси в промежуточном режиме и при больших амплитудах ультразвукового возмущения.
2. Определение закономерностей формирования светового изображения в акустооптической системе с импульсным лазером при дифракции света на ам-плитудно-модулированной ультразвуковой волне.
3. Разработка методики расчета эффективность дифракции в зависимости от амплитуды и частоты модуляции, а также определение границ применимо-
8
сти математических методов для расчета интенсивности световых полей.
4. Создание и исследование работы прототипа лазерной проекционной системы отображения и записи ТВ информации, в которой используется импульсный лазер на парах меди в качестве основного излучения или излучения накачки и акустооптический модулятор на парателлурите.
5. Исследование возможности создания цветной акустооптической системы отображения информации с импульсными лазерами, работающей в стандарте высокой четкости.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые:
1. Развита теория дифракции света на звуке в гиротропном кристалле па-рателлурита для анизотропной широкополосной геометрии рассеяния вблизи оптической оси кристалла в промежуточном режиме дифракции.
2. На основе решения интегрального уравнения, полученного путем введения эквивалентных токов и разложения искомого поля по плоским волнам в среде взаимодействия, предложена методика расчета амплитуд дифрагированных световых полей для выбранного дифракционного порядка в приближении высоких порядков взаимодействия.
3. Предложена методика расчета двумерного распределения интенсивности светового поля в +1 дифракционном порядке для сходящегося светового пучка в фокальной плоскости входной цилиндрической линзы, а также среднего по времени распределения интенсивности света от импульсного когерентного источника в плоскости изображения.
4. Для акустооптической системы формирования изображения строки с импульсным лазером на парах меди и АОМ из ТеСЬ теоретически рассчитаны: - контраст в изображении модулированного по гармоническому закону ультразвукового сигнала для различных частот модуляции, длительностей светового импульса, несущих частот ультразвука, длины акустооптического взаимодействия, а также конуса углов падения света на АОМ в плоскости, ортого-
9
нальной плоскости рассеяния
- нелинейные искажения в сигнале изображения и эффективность дифракции в зависимости от индекса и частоты модуляции, а также определены границы применимости приближения первого и третьего порядков взаимодействия при их расчетах.
5. Сформулированы требования, предъявляемые к источнику лазерного излучения, оптической системе, характеристикам акустооптического модулятора и параметрам управляющих сигналов, позволяющие формировать при помощи рассматриваемой системы изображение высокого качества.
6. Результаты теории экспериментально подтверждены при исследовании характеристик акустооптических систем для проекции изображений и записи информации с импульсными лазерами на парах меди для основного и преобразованного в другой диапазон длин волн (синяя линия) излучения на частотах повторения, соответствующих строчной частоте ТВ системы.
7. Предложены экспериментальные установки для реализации многоцветных систем отображения и записи информации, работающие по принципу формирования строки за один импульс излучения лазера в стандарте повышенной четкости изображения.
Практическая ценность результатов работы заключается в том, что результаты теоретического исследования носят общий характер и могут быть использованы для нахождения дифрагированных световых полей в промежуточном режиме для произвольных геометрий акустооптического взаимодействия для акустических кристаллов, обладающих, в том числе, и гиротропными свойствами. Эти результаты позволяют рассчитать дифрагированные световые поля в промежуточном режиме дифракции для сложного частотного спектра ультразвукового сигнала и при его амплитудном распределении по двум координатам в звукопроводе.
Результаты теоретического рассмотрения дифракции света на амплтудно-модулированном ультразвуковом сигнале также справедливы для непрерывно-
10
го лазера и лазера, работающего в режиме синхронизации мод с гшкосекунд-ной длительностью световых импульсов. Это распространяет результаты исследования на другие лазерные проекционные системы, в которых используются акустооптические модуляторы на парателлурите.
Исследование характеристик акустооптической системы с импульсным методом формирования строки для отображения и записи информации с использованием лазеров на парах меди позволяет распространить результаты диссертационной работы на системы с использованием полноцветных импульсных твердотельных лазеров, которые в настоящее время бурно развиваются.
Реализация результатов работ. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан ряд акустооптических устройств и лазерных систем, защищенных авторскими свидетельствами и патентом России, в том числе:
акустооптические модуляторы и дефлекторы на кристалле ТеС>2 с преобразованием типов упругих мод на боковой грани звукопровода, позволяющие производить коррекцию направления распространения ультразвуковой волны на конечной стадии изготовления после приварки пъезопрсобразователя;
прототип акустооптической системы отображения телевизионной информации с лазером на парах меди;
магнитный генератор импульсов накачки лазера на парах меди, лазеры на парах меди с внутрирезонаторным акустооитическим управлением спектральными, амплитудными и временными характеристиками выходного излучения.
Апробация работы. Результаты исследований и разработок автора докладывались на национальных и международных конференциях, симпозиумах и семинарах в Австралии, США, Канаде, Финляндии и России. В частности, на конференции «Физпром-96» лазерная проекционная система была отмечена как лучшая разработка. Материалы диссертации докладывались и обсуждались
11
на 4-ой Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", г. Ленинград, 1984 г.; Всесоюзной научно-техн. конф. "Развитие и совершенствование телевизионной техники", г. Львов, 1984 г.; 2-й Всесоюзной конф. "Формирование оптического изображения и методы его обработки", г. Кишинев, 1985 г.; 6-ой Всесоюзной школе-семинаре по оптической обработке информации, г. Фрунзе, 1986 г.; Всесоюзных семинарах "Лазеры на парах металлов и их применение", г. Новороссийск, 1982, 1985 г.г.; 3-ей Всесоюзной конф. "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации", г. Таллинн, 1987 г.; 3-ей Всероссийской научи, конф. "Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул", г. Звенигород, 1998 г.; Всероссийских симпозиумах "Лазеры на парах металлов", г. Ростов на Дону, 2000, 2004, 2006, 2008 г.г.; Gordon Conference, USA. Denver, Colorado, 1995 г.; International Conference. "Physprom 96", Moskva (Golizino), 1996 г.; Second International Confcrcnccon Optical Information Processing, St.Petersburg, Russia, 1996 г.; XX International Quantum Electronics Conference, Sydney, Australia, 1996 г.; Int. Conf. on Advances in Acousto-Optics, St.Petersburg, Russia, 1997 г.; Int. Conf. on Diflractiv Optics, Savonlinna, Finland, 1997 г.; Int. Conf. on LASER'98 MG.9-Tucson, Arizona. USA, 1998 г.; Int. Conf. on LASER499, Quebec, Canada, 1999 г.; XI Conference on Laser Optics, St.Petersburg, Russia, 2003 г.; 7th Int. Conf. Atomic and molecular pulsed laser, Tomsk, 2005 г.; Photorefractive fiber and crystal devices: Materials, Optical properties, and Applications: XII, San Diego, California, USA, 2006, 2007 г.г..
Материалы диссертации докладывались на научных семинарах кафедры квантовой электроники в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете, в лаборатории квантовой радиоэлектроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе, в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения, в оптической лаборатории ФИАП им. II.H. Лебедева.
Публикации. Основные научные результаты изложены в 61 научных ра-
12
ботах, из которых 19 работ было опубликовано в зарубежных рецензируемых журналах и журналах из списка ВАК. Список основных работ приведен в конце диссертации.
Личный вклад автора
Все представленные в диссертационной работе результаты были получены автором лично, либо под его непосредственным руководством в период с 1980 по 2011 г. В начале работы постановка задач и выбор теоретических методов исследований осуществлялись совместно с проф. В.Ю. Петрунькиным и проф. И.А. Водоватовым. Работы по созданию экспериментальной базы исследований и проведению первых экспериментов проводились совместно с кандидатами технических наук А.Г. Кузиным и Р.И. Окуневым. Акустооптические модуляторы из парателлурита изготавливались в разные промежутки времени Л.Н. Аснис (ГОИ), А.Г. Кузиным (ЛИАП) и О.В. Шакиным (ФТИ). Разработка электронных устройств для лазеров и систем управления производилась совместно с Ю.Г. Градобосвым. Эксперименты по преобразованию излучения лазера на парах меди в друг ой диапазон длин волн проводились вместе с доцентами С.В. Кружаловым и В.А. Парфеновым.
На защиту выносятся.
1. Теория дифракции света на звуке в гиротропном кристалле парателлурита для анизотропной широкополосной геометрии рассеяния вблизи оптической оси кристалла в промежуточном режиме дифракции.
2. Методика расчета амплитуд дифрагированных световых полей для выбранного дифракционного порядка в приближении высоких порядков взаимодействия.
3. Методика расчета двумерного распределения интенсивности светового поля в +1 дифракционном порядке для сходящегося светового пучка в фокальной плоскости входной цилиндрической линзы, а также среднего по времени распределения интенсивности света от импульсного когерентного источника в
13
плоскости изображения.
4. Расчет эффективности дифракции в зависимости от индекса и частоты модуляции, а также границ применимости приближения первого и третьего порядков взаимодействия.
5. Методика расчета контраста и нелинейных искажений в изображении при больших амплитудах входного гармонического сигнала для акустооптиче-ской системы формирования изображения строки с импульсным лазером и ЛОМ из Те02 для различных частот модуляции, длительностей светового импульса, несущих частот ультразвука, длины акустооптического взаимодействия, а также конуса углов падения света на АОМ в плоскости, ортогональной плоскости рассеяния.
4. Общая схема построения акустооптической системы отображения информации с импульсным лазером на парах меди, а также примеры практической реализации и исследования отдельных узлов и элементов этой системы:
- лазера на парах меди с внутрирезонаторным акустооптическим управлением его спектральными и временными характеристиками,
- системы из двух лазеров на парах меди с управляемыми спектральными и временными характеристиками и с инжекцией светового пучка в мощный лазер,
- конструкции акустооптических модуляторов и дефлекторов,
- широкополосных электронных устройств управления,
- оптической схемы проекционного устройства отображения информации, позволяющей эффективно совместить изображения на разных длинах волн излучения лазера, а также уменьшить плотность мощности светового излучения в кристалле ЛОМ.
5. Результаты экспериментального исследования получения синей линии (450 нм) в лазере на титан-сапфире с накачкой от лазера на парах меди и преобразованием излучения во вторую гармонику.
6. Результаты экспериментального исследования выходных характеристик
14
и нелинейных искажений акустооптической проекционной системы отображения телевизионной информации с лазером на парах меди.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, 4-х приложений и списка использованных источников. Общий объем диссертации - 312 страниц, 81 рисунок в основной части и 26 рисунков в приложении, 4 таблицы, библиография содержит 234 наименования.
Во введении обоснована актуальность, выбор направления и постановка задач исследования их практическая значимость, сформулирована цель исследований и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дается анализ современного состояния работ в области создания устройств отображения телевизионной информации с использованием лазеров. Особое внимание уделено системам прямого действия, в которых осуществляется формирование изображения на экране в результате модуляции и отклонения световых лазерных пучков. Показано, что широкое использование существующих систем с непрерывными лазерами ограничивается низкой эффективностью используемых непрерывных лазеров, а также сложностью реализации высокоскоростной строчной развертки. С другой стороны, имеющиеся в настоящее время международные успехи в области создания импульсных твердотельных 1ШВ лазеров, а также в области технологии изготовления акустооптических модуляторов на основе высокоэффективных акустооптиче-ских кристаллов позволяют надеяться на возможность построения проекционных телевизионных систем, основанных на импульсной проекции всей строки за один импульс излучения лазера. В главе приводится обзор современного состояния импульсных лазеров и акустооптических устройств отклонения и модуляции лазерного, которые могут быть использованы для реализации данной системы отображения информации. В конце главы предлагается конкретный вариант построения оптической схемы устройства отображения информации с использованием импульсного лазера и акустооптическим модулятором на ос-
15
нове кристалла парателлурита (Те02), которая може т быть взята за основу при теоретическом рассмотрении процесса формирования изображения на проекционном экране.
Вторая глава посвящена теоретическому рассмотрению процесса формирования изображения строки при дифракции света на звуке в акустооптиче-ском модуляторе на кристалле Те02. В результате решения интегрального уравнения для электромагнитного поля, полученного с помощью введения эквивалентных токов и разложения искомого поля по плоским волнам, методом последовательных приближений найдено общее выражение для дифрагированного на ультразвуке светового поля, справедливое для анизотропной немагнитной среды, обладающей гиротропными свойствами. Па основании общего решения в приближении до пятого порядка взаимодействия включительно рассмотрена задача о дифракции плоской световой волны на ультразвуке в кристалле Те02 для геометрии рассеяния, соответствующей широкополосной анизотропной дифракции света на медленной сдвиговой упругой волне, распространяющейся в направлении [110] кристалла вблизи его оптической оси.
В результате представления светового поля на входной апертуре акусто-оптического модулятора в виде суперпозиции плоских волн и учета вкладов от рассеяния этих волн в суммарное дифракционное поле получено выражение для средней по времени интенсивности света в сигнале изображения строки при амплитудной модуляции ультразвука гармоническим сигналом. Полученное выражение представляет собой двумерную функцию от координат х и у. Оно используется в дальнейшем для расчета частотно-контрастной характеристики акустооитической системы при малой эффективности дифракции, а также для нахождения поперечного распределения интенсивности светового поля в строке.
Далее проведено исследование нелинейных искажений в сигнале изображения строки при ее модуляции входным гармоническим сигналом. Выявлен характер нелинейных искажений в изображении гармонического сигнала в за-
16
висимости от его амплитуды и частоты. Рассчитаны амплитудные и амплитудно-частотные характеристики акустооптической системы формирования изображений при различных значениях длительности светового импульса и разных длинах акусгооптического взаимодействия. Определены границы применимости приближения малой эффективности дифракции и третьего порядка взаимодействия.
В результате проведенного теоретического исследования сформулированы требования, которые должны предъявляться к импульсному источнику лазерного излучения, оптической системе и характеристикам акустооптического модулятора, позволяющие получать изображение амгшитудно-модулированного сигнала с малыми искажениями и большим числом разрешимых элементов в кадре.
Третья глава посвящена практическим вопросам создания отдельных элементов акустооптической системы формирования телевизионного изображения с импульсным методом формирования строки. В этой главе приводятся результаты работ по созданию лазеров на парах меди с параметрами выходного излучения, удовлетворяющими сформулированным в главе 2 требованиям. Приведены результаты исследования работы лазера на парах меди с внутрире-зонаторным акустооптическим управлением его спектральными и временными характеристиками, а также системы генератор - усилитель со связанными резонаторами. Исследована возможность получения синей линии в лазере на титан - сапфире с накачкой от лазера на парах меди и преобразованием излучения во вторую гармонику. Рассмотрена конструкция и характеристики акусто-оптических модуляторов и дефлекторов из Те02 с преобразованием упругих мод на отражающей ультразвук грани кристалла, использованных в экспериментах по формированию телевизионных изображений. Рассмотрена работа и принципы построения электронных устройств управления акустооптической системой отображения информации, а также предложены оптические схемы, позволяющие эффективно совместить изображения на разных длинах волн из-
17
лучения лазера и уменьшить плотность мощности светового излучения в кристалле АОМ.
В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований акустооптической системы отображения и записи информации с лазером на парах меди. Исследованы амплитудные передаточные характеристики системы, а также нелинейные искажения, возникающие при формировании изображения строки. Рассмотрена работа и определены основные характеристики прототипа лазерного проектора. Приведены результаты исследований по применению разработанной системы для записи информации на фотопленку и ПВМС "ПРИЗ". Представлены результаты практического применения созданной лазерной установки для проекции телевизионных изображений на большой экран. Рассмотрены варианты создания полноцветной системы отображения ТВ информации повышенной четкости с импульсными лазерами.
В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертационной работе.
В приложении А приведены выражения для средней по времени интенсивности света в пятом и четвертом порядках взаимодействия.
В приложении Б представлена конструкция лазера на парах меди (лазерный генератор), разработанная для системы отображения информации на большом экране.
В приложении В описана конструкция разработанной автором лазерной системы генератор-усилитель на парах меди для подсветки архитектурных сооружений и формирования векторно-графических изображений, представлены фотографии работающей установки.
18
Глава 1
Методы создания лазерного проекционного изображения. Развитие систем формирования лазерных телевизионных изображений на основе акустооптических элементов управления
1.1 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 электроннолучевых кинескопов, долгое время являвшихся основными элементами телевизионных отображающих устройств. Другим 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, кото-
19
рые отличаются друг от друга способами создания светового излучения и методами его модуляции. Их работа достаточно подробно освещена в литературе [I]. Для создания светового изображения в современных матричных телевизорах используются жидкокристаллические [2,3] и плазменные панели [4J. 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 катодолюминесцентных 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 высокояркостных люминофорных электронно-лучевых трубок с диагональю экрана 300 мм и с магнитной фокусировкой
20
электронного пучка. Изображение с экрана трубки проецируется с помощью линзового или зеркально-линзового объектива на проекционный экран. Каждая из трех КОВ 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 пол проводника, 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. Достоинствами этих приборов является сравнительно низкая потребляемая мощность (1-5-1,5 Вт/лм) при достаточно высоком уровне выходного светового потока (до 3000 лм). Несмотря на довольно высокую монохроматичность излучения, пузволяющую получать высокий цветовой контраст, в изображении отсутствует "спекловая" 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 высокая разрешающая способность (до 1600 ТВ-линий) и быстродействие, присущие электронно-лучевым приборам. Основными недостатками квантоскопов 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
21
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 "ЭсорЬопу" [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 звукопро-вода выбиралась равной произведению скорости звука в жидкости на длительность 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 па 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 но 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 х 3,6 м2. 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, неэффек-
22
тивное использование энергии светового излучения, присутствие механически управляемых элементов отклонения света, - создание данной системы явилось большим техническим достижением для своего времени, получившее 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 "Бсо-рйопу". В качестве светового пучка использовалось непрерывное излучение Не-Ие 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. Акустооп-тические 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 (\\= 476,5 нм, Х2= 514,5 нм, 488,0 нм) и криптоне (Х^= 647,1 нм), которые могли давать одномодовое выходное излучение мощностью в несколько ватт. Расчеты показывают [14], что при использовании смешанного излучения этих лазеров на длинах волн Х2 и Х4 с выходными
23
мощностями излучения, находящимися соответственно в отношении 1,16; 1; 2,667 , можно получить ноток 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 (Тс02, РЬМо04, а-Ш03( Нё2С12 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 [17,18,19,20] модулятором. Отклоняется последовательно по строке и кадру при помощи акустоонтических дефлекторов (АОД) [16, 19,20,21,22] или систем оптикомеханических 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
24
(< 10 МГц) акустооптические модуляторы (АОМ) превосходят по своим параметрам элсктрооптические модуляторы (ЭОМ) [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. Акустооптическис 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 м . 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 полез-
25
ного 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. Скорости 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 акустооптиче-ских 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-ых годов сотрудниками фирмы "БсорЬопу" 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 модуля-
26
тора в виде светового пятна, перемещающегося со скоростью распространения звука в материале ячейки. В результате повторной дифракции света на ампли-тудно-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 звукопровода на время, соответствующее длительности телевизионной строки. При этом каждый световой импульс после дифракции fia 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 равной времени перемещения одного разрешимого элемента изображения в модуляторе. Для такой системы общее число разрешимых элементов в строке приблизительно можно определить выражением:
с г + г0 1 + г0-Д/0 ’
где Гс - длительность строки, несущей информацию; Т - длительность
одного разрешимого элемента, г0- длительность светового импульса, /Sf0-
нолоса частот модулирующего сигнала.
Из выражения (1.1) видно, что для получения 300 разрешимых элементов
в строке при Тс = 60 мке, Af0 = 6 МГ ц необходимо, чтобы Г0 ^ 30 не. Частота повторения световых импульсов должна равняться частоте строчной развертки (15,625 кГц для системы SECAM) при высокой средней мощности и направ-
27
ленности излучения. Такие параметры излучения нельзя получить с использованием некогерентных ламповых источников света.
В 1974 году было предложено реализовать акустоопгическую систему с импульсной проекцией телевизионного изображения на основе лазера [28]. Предлагалось использовать ЫсБУАО 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 а-ШОз, имеющий скорость распространения ультразвука 2,44x105 см/сек, 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 ЛС,Л3,ДК в соответствующих мощностных пропорциях, можно построить цветное, воспроизводящее ТВ изображение устройство, используя один акусгооптический пространственный модулятор света. Для этого нужно возбудить в модуляторе 3 ультразвуковые волны на частотах /С>Л>/К, удовлетворяющих условию:
= = Як*/к =2-$\пОБ , (1.2)
где - 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 закже отсутствие подходящих акустооптических кристаллов, - не позволили ее реализовать. Так Ыс1:УАО лазер работал с частотой 300 Гц и из-
28
лучал 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 видимого 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 (Те02, Hg2Cl2) и размерами, позволяющими разместить в звукопроводе стандартную телевизионную строку (Гс= 52 мкс).
Хорошие результаты по созданию одноцветной телевизионной системы с импульсным лазером на парах меди были достигнуты в Англии [30] и России 1184, 195]. Прототип лазерной установки [195] 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 [31,32] описывается система, работающая по тому же принципу, что и [30, 184, 195] , 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 мощностью этого лазера на длине волны Я,= 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 (Я,= 532 нм , Р|=16 Вт). Для получения красного цвета применялся лазер на красителе с накачкой от второго YAG:Nd лазера с удвоением частоты (Я2= 615 нм, Р2= 15 Вт). Синий цвет был получен в лазере на
29
- Киев+380960830922