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1、激光显示应用中的红光半导体激光器激光显示应用中的红光半导体激光器光电子技术和芯片知识导语：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,激光显示还可以实现图像几何、颜色的双高清和真三维显示,是实现高保真图像的最正确方式.因此,激光显示也被称为“人类视觉史上的革命.1966年度,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开展提供了新
2、的契机.为了进一步推动我国激光显示产业的开展,20世纪80年度代,我国提出激光全色显示的国家863方案,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开展,器件的功率和性能都有了大幅度的进步,作为激光显示的光源那么更具竞争力.半导体激光器可直接由电流鼓励,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,合适高度集成;利用工艺规模化消费,可使器件本钱更低。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
3、波长,以获得较高的光视效能;2)所选波长可以扩大色域的覆盖范围,进而获得更好的色彩体验.对于大于600nm的红色激光,波长越短,那么光视效能越高;波长越长,那么色域覆盖的范围越大.根据国家电视标准委员会(NTSC)的标准,中选用620nm红光时,光视效能为0.33lm/W,此时的色域可达161%;中选用650nm的红光时,色域高达211%,光视效能那么降为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,来选择适宜的激光波长.目前,国际上用于激光显示的红光波长通常集中在630650nm,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
4、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比照度.简单来讲,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,输出功率那么至少到达500mW;而对于大尺寸屏幕,光通量在1000lm以上时,那么输出功率需要到达25W以上.随着红光半导体激光器的开展,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程度已到达瓦级,通过光合束处理,功率程度可以知足大局部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:
5、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,整个系统的本钱较低,但是对光源的光束质量和调制系统的要求较高,亮度低,只能合适于小尺寸(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,人眼平安范围内允许的光通量较大,合适于大局部显示领域.红光半导体激光器的根本原理和构造宽条形构造是大功率激光器常用设计,如图b是常见的折射率导引构造的芯片构造。利用材料折射率差导引的构造不仅对注入电流和载流子的侧向扩散有限制作用,还可以限制光场的侧向浸透.所以折射率导引机制可以有效降低器件的阈值电流,同时有源区产
6、生的热量可以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。早期的波长大局部在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,进步了器件的阈值电流.在缩短AlGaInP波长方面,主要通过增加有源区中Al的含量、采用量子阱构造、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开展的主要原因,也是
7、研究人员急需解决的问题.2进步器件的输出功率影响激光器功率进步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到达15MW/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理论探究,发如今激光器腔面制作非吸收窗口构造可以有效抑制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.下列图为带有窗口构造的半导体激光器.0