激光顯示可以真實(shí)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(jiàn)的自然光色域相比,傳統(tǒng)顯示設(shè)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(shè)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(shí)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(jué)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(guó)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(guó)在顯示領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的契機(jī)．為了進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)激光顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,２０世紀(jì)８０年代,我國(guó)提出激光全色顯示的國(guó)家863計(jì)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(lái)了半導(dǎo)體激光器時(shí)代．進(jìn)入２１世紀(jì)后,半導(dǎo)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(jìng)爭(zhēng)力．半導(dǎo)體激光器可直接由電流激勵(lì),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(zhǎng);光源系統(tǒng)的體積更小,適合高度集成;利用半導(dǎo)體工藝規(guī)模化生產(chǎn),可使器件成本更低。

激光顯示對(duì)紅光光源的要求

激光顯示系統(tǒng)對(duì)于紅光光源的波長(zhǎng)選擇主要考慮兩個(gè)方面的因素:１)根據(jù)人眼對(duì)波長(zhǎng)的響應(yīng)度來(lái)選擇人眼敏感的波長(zhǎng),以獲得較高的光視效能;２)所選波長(zhǎng)能夠擴(kuò)大色域的覆蓋范圍,從而獲得更好的色彩體驗(yàn)．對(duì)于大于600nm 的紅色激光,波長(zhǎng)越短,則光視效能越高;波長(zhǎng)越長(zhǎng),則色域覆蓋的范圍越大．根據(jù)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(NTSC)的標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)選用620nm 紅光時(shí),光視效能為0．33lm/W,此時(shí)的色域可達(dá)161%;當(dāng)選用650nm 的紅光時(shí),色域高達(dá)211%,光視效能則降為0．141lm/W．所以,在實(shí)際應(yīng)用中,需要綜合考慮激光顯示應(yīng)用的場(chǎng)景和光源系統(tǒng)的性能,來(lái)選擇合適的激光波長(zhǎng)．目前,國(guó)際上用于激光顯示 的紅光波長(zhǎng)通常集中在630～650nm,其中638nm 紅光半導(dǎo)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(duì)比度．簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),A４紙大小的屏幕,為保證正常的投影需要,紅光半導(dǎo)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(dá)到500mW;而對(duì)于大尺寸屏幕,光通量在1000lm 以上時(shí),則輸出功率需要達(dá)到25W以上．隨著紅光半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的功率水平已達(dá)到瓦級(jí),通過(guò)光合束處理,功率水平可以滿足大部分激光顯示的應(yīng)用需求．激光顯示對(duì)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(diǎn)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(diǎn)掃描之間,該技術(shù)主要應(yīng)用在微投影領(lǐng)域;激光點(diǎn)掃描效率較高、體積小,整個(gè)系統(tǒng)的成本較低,但是對(duì)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(yīng)用．激光投影技術(shù)對(duì)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(lǐng)域．

紅光半導(dǎo)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(shè)計(jì),如圖b是常見(jiàn)的折射率導(dǎo)引結(jié)構(gòu)的芯片結(jié)構(gòu)。利用材料折射率差導(dǎo)引的結(jié)構(gòu)不僅對(duì)注入電流和載流子的側(cè)向擴(kuò)散有限制作用,還能夠限制光場(chǎng)的側(cè)向滲透．所以折射率導(dǎo)引機(jī)制能夠有效降低器件的閾值電流,同時(shí)有源區(qū)產(chǎn)生的熱量能夠向周圍的無(wú)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(diǎn)

1、縮短波長(zhǎng)

紅光有源區(qū)的主要材料是AlGaInP,襯底GaAs。理論波長(zhǎng)為580-680nm。早期的波長(zhǎng)大部分在680nm附近,要想縮短波長(zhǎng)就需要增加帶隙寬度,增加Al含量。當(dāng)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(zhǎng),但同時(shí)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(zhǎng)方面,主要通過(guò)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(shí)現(xiàn)．紅光半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)越短,制作難度越大、性能也越差,這些是限制短波長(zhǎng)紅光半導(dǎo)體激光器發(fā)展的主要原因,也是研究人員急需解決的問(wèn)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(zāi)變性光學(xué)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(shí),腔面的光功率密度增大,當(dāng) AlGaInP激光器的腔面功率密度達(dá)到１～５MW/cm２時(shí),激光器腔面處的缺陷數(shù)量就會(huì)不斷增加,并向內(nèi)部遷移,導(dǎo)致激光器發(fā)生 COMD,輸出功率急速下降．研究人員經(jīng)過(guò)大量的理論分析和實(shí)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(guò)快速退火的方式將 Zn作為雜質(zhì)擴(kuò)散到有源區(qū),Zn擴(kuò)散加強(qiáng)了 AlGaInP 自然超晶格的無(wú)序性,也增加了擴(kuò)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(wú)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(gè)發(fā)光區(qū)的溫度,有效抑制了 COMD現(xiàn)象．下圖為帶有窗口結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器．