红光半导体激光器在激光显示中的应用情况_红光半导体激光器在激光显示中的应用

本文介绍了红色半导体激光器在激光显示中的应用。

激光显示能够真实再现客观世界丰富多彩的色彩，具有震撼的表现力，被称为第四代显示技术。相比人眼看到的自然色域，传统显示设备只能再现30%，而激光显示可以覆盖90%的色域，色彩饱和度是传统显示设备的100多倍。此外，激光显示还可以实现图像几何和色彩的双高清和真三维显示，是实现高保真图像的最佳方式。因此，激光显示也被称为“人类视觉史上的革命”。

1966年，Korpel等人首先提出了用激光作为显示光源的设想，随后世界各国的研究人员投身于激光显示的研究大潮中。激光显示技术的出现也为中国显示领域的发展提供了新的契机。为了进一步推动我国激光显示产业的发展，20世纪80年代，我国提出了激光全彩显示国家863计划，并围绕激光显示技术建立了产业联盟。继气体激光和固体激光之后，激光显示的光源迎来了半导体激光时代。

进入21世纪后，半导体激光技术全面发展，器件功率和性能大幅提升，作为激光显示的光源更具竞争力。半导体激光器可以直接用电流激发，比固态激光器效率高。工质衰减慢，使用寿命较长；光源系统尺寸更小，适合高集成度；使用半导体技术的大规模生产可以使器件成本更低。

激光显示对红色光源的要求

激光显示系统中红色光源的波长选择主要考虑两个因素：1)根据人眼对波长的响应度选择人眼敏感的波长，以获得较高的视觉效率；2)选择的波长可以扩大色域的覆盖范围，从而获得更好的色彩体验。对于600nm以上的红色激光，波长越短，光效率越高；波长越长，色域覆盖越广。根据美国国家电视标准委员会(NTSC)标准，选择620nm红光时，视觉效率为0。33lm/W，色域可达161%；当选择650nm的红光时，色域高达211%，光效率降为零。宽141毫米.因此，在实际应用中，需要综合考虑激光显示应用的场景和光源系统的性能来选择合适的激光波长。目前国际上用于激光显示的红光波长通常集中在630~650nm，其中638nm红色半导体激光器的综合性能最好。

激光显示所需的光源功率等于屏幕亮度除以激光光源的光学效率，而屏幕亮度等于环境亮度乘以屏幕面积除以屏幕对比度。简单来说，对于A4纸大小的屏幕，红色半导体激光器的输出功率约为50mW。40英寸(101英寸.6cm)屏幕，输出功率至少500mW对于大屏幕来说，光通量在1000lm以上时，输出功率需要在25 W以上.

随着红色半导体激光器的发展，器件的输出功率有了很大的提高。目前商用的638nm红色半导体激光器的功率水平已经达到了瓦级，通过分束可以满足大部分激光显示的应用要求。激光显示对光源光束质量的要求主要取决于所采用的激光显示技术。目前主流的激光显示技术分为激光线扫描、激光点扫描和激光投影三大类。激光线扫描的体积和效率介于激光投影和点扫描之间，该技术主要应用于微投影领域。激光点扫描效率高，体积小，整个系统成本低，但对光源的光束质量和调制系统要求高，亮度低，只能适用于小尺寸显示应用(小于A4纸)。激光投影技术对光束质量要求不高

红色半导体激光器的基本原理和结构

宽条形结构是高功率激光器的一种常见设计，如图B所示，是一种常见的带折射率引导结构的芯片结构。材料折射率差引导的结构不仅限制了注入电流和载流子的横向扩散，还限制了光场的横向穿透。因此，折射率引导机制可以有效降低器件的阈值电流，同时有源区产生的热量可以散发到周围的无源区，从而保持器件的热稳定性。

红色激光器的技术难点

1、缩短波长

红色有源区的主要材料是AlGaInP和GaAs衬底。理论波长为580-680纳米。早期的波长大多在680纳米左右。为了缩短波长，需要增加带隙宽度和Al含量。添加Al组分时，有源区的带隙宽度变大，缩短了器件的激射波长，但同时减小了有源区和P区的能量差，加剧了有源区载流子的泄漏，提高了器件的阈值电流。在缩短AlGaInP波长方面，主要是通过增加有源区的Al含量、采用量子阱结构和量子阱混合来实现。红色半导体激光器的波长越短，制造难度越大，性能越差。这些是限制短波长红色半导体激光器发展的主要原因，也是研究人员急需解决的问题。

2提高设备的输出功率

影响激光功率提高的主要因素是灾难性光学损伤(COMD)。COMD主要发生在激光器的出射腔表面，输出功率较高。

当AlGaInP激光器腔面的功率密度达到1 ~ 5 MW/cm2时，激光器腔面的缺陷数会不断增加并向内部迁移，导致激光器COMD，输出功率急剧下降。经过大量的理论分析和实践探索，研究人员发现在激光腔表面制作非吸收窗口结构可以有效抑制COMD现象。通过快速退火，Zn作为杂质扩散到有源区中。Zn扩散加强了AlGaInP自然超晶格的无序，增加了扩散区量子阱的能带宽度。有源区外禁带宽度较小的区域不能吸收振荡激光，称为窗口区。非吸收窗的出现大大降低了整个发光区域的温度，有效抑制了COMD现象。