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绚丽的色彩，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光色域，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、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等人首次提出用激光作为显示光源的设想，随后世界各国的研究人员纷纷投身于激光显示的研究大潮。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机遇。为了进一步促进中国的发展美国激光显示产业，20世纪80年代，我国提出了全彩色激光显示国家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，器件的功率和性能都有了很大的提高。作为激光显示的光源，更有竞争力。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，使用寿命更长；光源系统的体积更小，适合高集成度；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)根据人眼对波长的反应性选择人眼的敏感波长，以获得更高的视觉效率；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。对于波长大于600nm的红色激光，波长越短，视觉效率越高。波长越长，色域覆盖的范围越大。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。3 lm/w，此时色域可达161%；选择650nm红光时，色域高达211%，光视觉效率降为0。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，屏幕亮度等于环境亮度乘以屏幕面积除以屏幕的对比度。简单来说，红色半导体激光器的输出功率，对于A4纸大小的屏幕，要保证正常投影，大约是50mW。40英寸(101英寸.6cm)屏幕，输出功率至少500mW对于大屏，光通量在1000lm以上时，输出功率需要达到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，通过光束处理，功率水平可以满足激光显示的大部分应用要求。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三大类：激光线扫描、激光点扫描和激光投影。激光扫描的体积和效率介于激光投影和点扫描之间，该技术主要应用于显微投影领域。激光扫描效率高，体积小，整个系统成本低。然而，光束质量和调制系统

宽条纹结构是高功率激光器的常见设计，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，也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，同时可以将有源区产生的热量散发到周围的无源区，维持器件的热稳定性。

红色激光器的技术难点

1、缩短波长

红光有源区的主要材料是AlGaInP，衬底是GaAs。理论波长为580-680纳米。早期的波长大多在680nm左右。为了缩短波长，需要增加带隙宽度和Al含量。随着Al成分的增加，有源区的带隙宽度变大，缩短了器件的激光波长，但同时也减小了有源区和P区的能量差，加剧了有源区的载流子泄漏，提高了器件的阈值电流。在缩短AlGaInP的波长方面，主要是通过增加有源区Al的含量，采用量子阱结构和量子阱混合来实现的。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提高器件的输出功率。

影响激光器功率增长的主要因素是腔面灾难性光学损伤(COMD)。COMD主要发生在激光器的出射腔表面，其输出功率较高。

当AlGaInP激光器的腔功率密度达到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器的腔面上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自然超晶格的无序化，也增加了扩散区量子阱的能带宽度。而有源区外带隙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。