紅光半導體激光器在激光顯示中的應用

本文介紹一下紅光半導體激光器在激光顯示中的應用。

激光顯示可以真實地再現(xiàn)客觀世界豐富、艷麗的色彩，具有震撼的表現(xiàn)力，被稱為第四代顯示技術(shù)。與人眼所見的自然光色域相比，傳統(tǒng)顯示設備只能再現(xiàn)30％，而激光顯示可以覆蓋90％的色域，色彩飽和度是傳統(tǒng)顯示設備的100倍以上。此外，激光顯示還能夠?qū)崿F(xiàn)圖像幾何、顏色的雙高清和真三維顯示，是實現(xiàn)高保真圖像的最佳方式。因此，激光顯示也被稱為“人類視覺史上的革命”。

1966年，Korpel等首次提出將激光作為顯示光源的想法，隨后各國研究人員紛紛投入到激光顯示的研究大潮中。激光顯示技術(shù)的出現(xiàn)，也為我國在顯示領域的發(fā)展提供了新的契機。為了進一步推動我國激光顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，２０世紀８０年代，我國提出激光全色顯示的國家863計劃，圍繞激光顯示技術(shù)成立了產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。激光顯示的光源歷經(jīng)氣體激光器、固態(tài)激光器后，又迎來了半導體激光器時代。

進入２１世紀后，半導體激光器技術(shù)全面發(fā)展，器件的功率和性能都有了大幅度的提高，作為激光顯示的光源則更具競爭力。半導體激光器可直接由電流激勵，比固態(tài)激光器的效率更高;工作物質(zhì)衰減較慢，使用壽命更長;光源系統(tǒng)的體積更小，適合高度集成;利用半導體工藝規(guī)?；a(chǎn)，可使器件成本更低。

激光顯示對紅光光源的要求

激光顯示系統(tǒng)對于紅光光源的波長選擇主要考慮兩個方面的因素：１）根據(jù)人眼對波長的響應度來選擇人眼敏感的波長，以獲得較高的光視效能;２）所選波長能夠擴大色域的覆蓋范圍，從而獲得更好的色彩體驗。對于大于600nm 的紅色激光，波長越短，則光視效能越高;波長越長，則色域覆蓋的范圍越大。根據(jù)國家電視標準委員會（NTSC）的標準，當選用620nm 紅光時，光視效能為0。33lm/W，此時的色域可達161％;當選用650nm 的紅光時，色域高達211％，光視效能則降為0。141lm/W。所以，在實際應用中，需要綜合考慮激光顯示應用的場景和光源系統(tǒng)的性能，來選擇合適的激光波長。目前，國際上用于激光顯示 的紅光波長通常集中在630~650nm，其中638nm 紅光半導體激光器的綜合性能最好。

激光顯示所需的光源功率等于屏幕亮度除以激光光源的光視效能，而屏幕亮度等于環(huán)境亮度乘以屏幕面積再除以屏幕的對比度。簡單來說，A４紙大小的屏幕，為保證正常的投影需要，紅光半導體激光器的輸出功率約為50mW;40inch（101。6cm）的屏幕，輸出功率則至少達到500mW;而對于大尺寸屏幕，光通量在1000lm 以上時，則輸出功率需要達到25W以上。

隨著紅光半導體激光器的發(fā)展， 器件的輸出功率已有了大幅度的提升，目前商用的638nm紅光半導體激光器的功率水平已達到瓦級，通過光合束處理，功率水平可以滿足大部分激光顯示的應用需求。激光顯示對于光源光束質(zhì)量的要求主要取決于所使用的激光顯示技術(shù)。目前，主流的激光顯示技術(shù)分為３類：激光線掃描、激光點掃描和激光投影。激光線掃描體積和效率介于激光投影和點掃描之間，該技術(shù)主要應用在微投影領域;激光點掃描效率較高、體積小，整個系統(tǒng)的成本較低，但是對光 源 的 光 束 質(zhì) 量 和 調(diào) 制 系 統(tǒng) 的 要 求 較高，亮度低，只能適合于小尺寸（小于 A４紙）的顯示應用。激光投影技術(shù)對光源的光束質(zhì)量要求不高，人眼安全范圍內(nèi)允許的光通量較大，適合于大部分顯示領域。

紅光半導體激光器的基本原理和結(jié)構(gòu)

寬條形結(jié)構(gòu)是大功率激光器常用設計，如圖b是常見的折射率導引結(jié)構(gòu)的芯片結(jié)構(gòu)。利用材料折射率差導引的結(jié)構(gòu)不僅對注入電流和載流子的側(cè)向擴散有限制作用，還能夠限制光場的側(cè)向滲透。所以折射率導引機制能夠有效降低器件的閾值電流，同時有源區(qū)產(chǎn)生的熱量能夠向周圍的無源區(qū)散失，保持器件的熱穩(wěn)定性。

紅光激光器的技術(shù)難點

1、縮短波長

紅光有源區(qū)的主要材料是AlGaInP，襯底GaAs。理論波長為580-680nm。早期的波長大部分在680nm附近，要想縮短波長就需要增加帶隙寬度，增加Al含量。當增加 Al組分之后，有源區(qū)的帶隙寬度變大，縮短了器件的激射波長，但同時也減小了有源區(qū)和P區(qū)的能量差，加劇了有源區(qū)載流子的泄漏，提高了器件的閾值電流。 在縮短 AlGaInP 波長方面，主要通過增加有源區(qū)中 Al的含量、采用量子阱結(jié)構(gòu)、量子阱混雜等方式實現(xiàn)。紅光半導體激光器的波長越短，制作難度越大、性能也越差，這些是限制短波長紅光半導體激光器發(fā)展的主要原因，也是研究人員急需解決的問題。

２ 提高器件的輸出功率

影響激光器功率提高的主要因素是腔面災變性光學損傷（COMD）。COMD 主要發(fā)生在激光器的出光腔面上，在輸出功率較大

時，腔面的光功率密度增大，當 AlGaInP激光器的腔面功率密度達到１~５MW/cm２時，激光器腔面處的缺陷數(shù)量就會不斷增加，并向內(nèi)部遷移，導致激光器發(fā)生 COMD，輸出功率急速下降。研究人員經(jīng)過大量的理論分析和實踐探索，發(fā)現(xiàn)在激光器腔面制作非吸收窗口結(jié)構(gòu)可以有效抑制 COMD現(xiàn)象。通過快速退火的方式將 Zn作為雜質(zhì)擴散到有源區(qū)，Zn擴散加強了 AlGaInP 自然超晶格的無序性，也增加了擴散區(qū)量子阱的能帶寬度。而有源區(qū)以外帶隙寬度較小的區(qū)域無法吸收振蕩的激光，稱為窗口區(qū)。非吸收窗口的出現(xiàn)大大降低了整個發(fā)光區(qū)的溫度，有效抑制了 COMD現(xiàn)象。

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