激光顯示可以真實地再現(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．與人眼所見的自然光色域相比,傳統(tǒng)顯示設備只能再現(xiàn)30%,而激光顯示可以覆蓋90%的色域,色彩飽和度是傳統(tǒng)顯示設備的100倍以上．此外,激光顯示還能夠實現(xiàn)圖像幾何、顏色的雙高清和真三維顯示,是實現(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(xiàn),也為我國在顯示領域的發(fā)展提供了新的契機．為了進一步推動我國激光顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(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(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爭力．半導體激光器可直接由電流激勵,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;光源系統(tǒng)的體積更小,適合高度集成;利用半導體工藝規(guī)模化生產(chǎn),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(tǒng)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(jù)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(jù)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(tǒng)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(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(zhì)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(tǒng)的成本較低,但是對光 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)的顯示應用．激光投影技術對光源的光束質(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域．

紅光半導體激光器的基本原理和結構

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(qū)產(chǎn)生的熱量能夠向周圍的無源區(qū)散失,保持器件的熱穩(wěn)定性。

紅光激光器的技術難點

1、縮短波長

紅光有源區(qū)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(qū)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(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 波長方面,主要通過增加有源區(qū)中 Al的含量、采用量子阱結構、量子阱混雜等方式實現(xiàn)．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(fā)展的主要原因,也是研究人員急需解決的問題．

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變性光學損傷(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,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(shù)量就會不斷增加,并向內(nèi)部遷移,導致激光器發(fā)生 COMD,輸出功率急速下降．研究人員經(jīng)過大量的理論分析和實踐探索,發(fā)現(xiàn)在激光器腔面制作非吸收窗口結構可以有效抑制 COMD現(xiàn)象。通過快速退火的方式將 Zn作為雜質(zhì)擴散到有源區(qū),Zn擴散加強了 AlGaInP 自然超晶格的無序性,也增加了擴散區(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．下圖為帶有窗口結構的半導體激光器．