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激光顯示應用中的紅光半導體激光器

返回列表 發布日期:2022-04-24 17:20:35

  激光顯示可以真實地再現客觀世界豐富、艷麗的色彩,具有震撼的表現力,被稱為第四代顯示技術.與人眼所見的自然光色域相比,傳統顯示設備只能再現30%,而激光顯示可以覆蓋90%的色域,色彩飽和度是傳統顯示設備的100倍以上.此外,激光顯示還能夠實現圖像幾何、顏色的雙高清和真三維顯示,是實現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.激光顯示技術的出現,也為我國在顯示領域的發展提供了新的契機.為了進一步推動我國激光顯示產業的發展,20世紀80年代,我國提出激光全色顯示的國家863計劃,圍繞激光顯示技術成立了產業聯盟.激光顯示的光源歷經氣體激光器、固態激光器后,又迎來了半導體激光器時代.進入21世紀后,半導體激光器技術全面發展,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,比固態激光器的效率更高;工作物質衰減較慢,使用壽命更長;光源系統的體積更小,適合高度集成;利用半導體工藝規?;a,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。

激光顯示應用中的紅光半導體激光器

  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量的要求主要取決于所使用的激光顯示技術.目前,主流的激光顯示技術分為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,整個系統的成本較低,但是對光源的光束質量和調制系統的要求較高,亮度低,只能適合于小尺寸(小于A4紙)的顯示應用.激光投影技術對光源的光束質量要求不高,人眼安全范圍內允許的光通量較大,適合于大部分顯示領域.


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


  紅光激光器的技術難點


  1、縮短波長


  紅光有源區的主要材料是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和P區的能量差,加劇了有源區載流子的泄漏,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中Al的含量、采用量子阱結構、量子阱混雜等方式實現.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展的主要原因,也是研究人員急需解決的問題.


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  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量就會不斷增加,并向內部遷移,導致激光器發生COMD,輸出功率急速下降.研究人員經過大量的理論分析和實踐探索,發現在激光器腔面制作非吸收窗口結構可以有效抑制COMD現象。通過快速退火的方式將Zn作為雜質擴散到有源區,Zn擴散加強了AlGaInP自然超晶格的無序性,也增加了擴散區量子阱的能帶寬度.而有源區以外帶隙寬度較小的區域無法吸收振蕩的激光,稱為窗口區.非吸收窗口的出現大大降低了整個發光區的溫度,有效抑制了COMD現象.下圖為帶有窗口結構的半導體激光器.


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