激光显示应用中的红光半导体激光器

激光显示可以真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩,具有震撼的表现力,被称为第四代显示技术．与人眼所见的自然光色域相比,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倍以上．此外,激光显示还能够实现图像几何、颜色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等首次提出将激光作为显示光源的想法,随后各国研究人员纷纷投入到激光显示的研究大潮中．激光显示技术的出现,也为我国在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,我国提出激光全色显示的国家863计划,围绕激光显示技术成立了产业联盟．激光显示的光源历经气体激光器、固态激光器后,又迎来了半导体激光器时代．进入２１世纪后,半导体激光器技术全面发展,器件的功率和性能都有了大幅度的提高,作为激光显示的光源则更具竞争力．半导体激光器可直接由电流激励,比固态激光器的效率更高;工作物质衰减较慢,使用寿命更长;光源系统的体积更小,适合高度集成;利用半导体工艺规模化生产,可使器件成本更低。

激光显示对红光光源的要求

激光显示系统对于红光光源的波长选择主要考虑两个方面的因素:１)根据人眼对波长的响应度来选择人眼敏感的波长,以获得较高的光视效能;２)所选波长能够扩大色域的覆盖范围,从而获得更好的色彩体验．对于大于600nm 的红色激光,波长越短,则光视效能越高;波长越长,则色域覆盖的范围越大．根据国家电视标准委员会(NTSC)的标准,当选用620nm 红光时,光视效能为0．33lm/W,此时的色域可达161%;当选用650nm 的红光时,色域高达211%,光视效能则降为0．141lm/W．所以,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 红光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视效能,而屏幕亮度等于环境亮度乘以屏幕面积再除以屏幕的对比度．简单来说,A４纸大小的屏幕,为保证正常的投影需要,红光半导体激光器的输出功率约为50mW;40inch(101．6cm)的屏幕,输出功率则至少达到500mW;而对于大尺寸屏幕,光通量在1000lm 以上时,则输出功率需要达到25W以上．随着红光半导体激光器的发展, 器件的输出功率已有了大幅度的提升,目前商用的638nm红光半导体激光器的功率水平已达到瓦级,通过光合束处理,功率水平可以满足大部分激光显示的应用需求．激光显示对于光源光束质量的要求主要取决于所使用的激光显示技术．目前,主流的激光显示技术分为３类:激光线扫描、激光点扫描和激光投影．激光线扫描体积和效率介于激光投影和点扫描之间,该技术主要应用在微投影领域;激光点扫描效率较高、体积小,整个系统的成本较低,但是对光 源 的 光 束 质 量 和 调 制 系 统 的 要 求 较高,亮度低,只能适合于小尺寸(小于 A４纸)的显示应用．激光投影技术对光源的光束质量要求不高,人眼安全范围内允许的光通量较大,适合于大部分显示领域．

红光半导体激光器的基本原理和结构

宽条形结构是大功率激光器常用设计,如图b是常见的折射率导引结构的芯片结构。利用材料折射率差导引的结构不仅对注入电流和载流子的侧向扩散有限制作用,还能够限制光场的侧向渗透．所以折射率导引机制能够有效降低器件的阈值电流,同时有源区产生的热量能够向周围的无源区散失,保持器件的热稳定性。

红光激光器的技术难点

1、缩短波长

红光有源区的主要材料是AlGaInP,衬底GaAs。理论波长为580-680nm。早期的波长大部分在680nm附近,要想缩短波长就需要增加带隙宽度,增加Al含量。当增加 Al组分之后,有源区的带隙宽度变大,缩短了器件的激射波长,但同时也减小了有源区和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,主要通过增加有源区中 Al的含量、采用量子阱结构、量子阱混杂等方式实现．红光半导体激光器的波长越短,制作难度越大、性能也越差,这些是限制短波长红光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 提高器件的输出功率

影响激光器功率提高的主要因素是腔面灾变性光学损伤(COMD)．COMD 主要发生在激光器的出光腔面上,在输出功率较大时,腔面的光功率密度增大,当 AlGaInP激光器的腔面功率密度达到１～５MW/cm２时,激光器腔面处的缺陷数量就会不断增加,并向内部迁移,导致激光器发生 COMD,输出功率急速下降．研究人员经过大量的理论分析和实践探索,发现在激光器腔面制作非吸收窗口结构可以有效抑制 COMD现象。通过快速退火的方式将 Zn作为杂质扩散到有源区,Zn扩散加强了 AlGaInP 自然超晶格的无序性,也增加了扩散区量子阱的能带宽度．而有源区以外带隙宽度较小的区域无法吸收振荡的激光,称为窗口区．非吸收窗口的出现大大降低了整个发光区的温度,有效抑制了 COMD现象．下图为带有窗口结构的半导体激光器．