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可见光半导体激光器
可见光半导体激光器开创更多应用机会
材料来源:激光世界           录入时间:2010-8-9 17:49:05

直接输出蓝光和绿光的半导体激光器具备效率高、寿命长等诸多优势,其有望拓展可见光激光器的应用领域,并将在新的应用中赢得更多市场机会。

作者:Paul Rudy,美国Kaai公司业务开发副总裁

直接输出蓝光和绿光的半导体激光器在商品化进程中所取得的最新进展,正在拓展着可见光激光器的应用市场,并将在新的应用中赢得更多增长机会。能够直接输出可见光的半导体激光器所具备的固有优势,使其有望取代国防、工业和医疗等应用领域中的其他激光器产品,进而在市场上获得新的增长。此外,随着过去的一些非激光器用户(如使用专业灯具和LED的用户)逐渐转向采用半导体激光器做光源,半导体激光器还将在显示和照明领域开辟出新的应用天地。

 最初人们使用的可见光激光器主要是氦氖(He-Ne)激光器和氩离子气体激光器,后来又出现了灯泵固体激光器、二极管泵浦固体激光器、红外半导体激光器以及通过倍频技术实现可见光输出的激光系统。虽然现有的一些倍频激光系统能够胜任专业的蓝光和绿光激光应用,但是这些倍频激光系统的效率仍然过低,而且体积笨重、价格昂贵、对温度非常敏感,因此并不适合在大批量应用中广泛部署。在可能的情况下,用户还是会选用红光半导体激光器,因为它们体积小巧,并价格便宜。但是对于很多应用来讲,红光并非是最佳的波长选择,而是需要选用蓝光或绿光。

 1995年,日本日亚公司(Nichia)的Shuji Nakamura等人展示了世界上第一台氮化铟镓(GaInN)可见半导体激光器,该半导体激光器在蓝宝石上制作,输出波长位于光谱的紫色区域。[1]这次演示标志着一个新级别的“直接二极管”可见光激光器的诞生——与过去的产品相比,该激光器的结构更加紧凑,更加牢固耐用,成本更加低廉,对温度的敏感性更低,其不但能帮增加用户的设计灵活性,而且还能提供更高的效率。自从InGaN激光器被首次演示后,其在紫光和蓝光区域的效率和寿命又获得了迅速提升。InGaN激光器可用于复印和蓝光光盘等应用领域。最近,得益于非极化和半极化GaN基底上的InGaN半导体激光器的创新性发展,人们已经获得了更高效率的蓝光半导体激光器,并且将其连续输出波长拓展到了520525nm的绿光区域(见图1)。[2]

 

11995年,日本日亚公司(Nichia)的Shuji Nakamura等人首次展示了氮化铟镓(GaInN)半导体激光器。此后,GaInN半导体激光器的输出波长逐渐向绿光波段延伸。

与传统的通过倍频技术实现的蓝光和绿光激光器相比,这些直接输出蓝光和绿光的激光器具有诸多优势。随着直接输出蓝光和绿光的半导体激光器的广泛上市,希望它们能够在现有的应用中获得更加出色的表现,同时也能开辟出更多新的应用领域,进而推动可见光激光器市场的发展。

 国防与安全应用

在战场上和安全环境中,蓝光和绿光可见光激光器有着广泛的应用。这些应用包括指示、报警、威胁检测、海底通信以及平视显示器和投影显示器。越来越多的国防和安全应用,正在从大型集中的专业装置向分散的便携式地面单元、空中无人驾驶飞行器(UAV)以及超紧凑型的海洋设备转变。与传统的倍频产品相比,直接输出蓝光和绿光的半导体激光器所具有的优势,对保安人员和作战人员是非常重要的。

 

例如,绿光半导体激光器是非致命威胁探测激光器广泛部署的理想解决方案,其主要用于威胁评估、降低威胁强度、视觉警戒(visual warning)、激光炫目(laser dazzling)等。这些工具的最终用户包括战场上的士兵、国土安全人员、警察以及任何潜在敌对处境中的综合安全维护人员。威胁探测不但为降低威胁强度提供了机会,与此同时还提供了一个强烈的视觉警戒功能,其能够使接近的敌人因为炫目的光照或由此引发的暂时失明而被迷惑,但这并不会对眼睛造成永久性损伤。

 正因为如此,这些广泛部署的激光器必须能够满足便携性和耐用性的苛刻要求。 而且,输出绿光的激光器是最佳选择,因为人眼对绿光最为敏感。在这类应用中,红光半导体激光器是无法胜任的,因为在输出功率相同的情况下,人眼对绿光的敏感度通常要比对红光的敏感度高出4倍以上(见图2)。而如果用半导体激光器泵浦的固体激光器(DPSS)激光器,其固有的效率较低、牢固耐用性差、对温度过于敏感、波长固定在532nm等不足,将使应用大受限制。相比之下,InGaN半导体激光器能够从一个微型激光芯片中直接输出绿光,并不存在DPSS系统所存在的上述缺点。

  

2:人眼的敏感度曲线显示了为什么绿光激光器比红光激光器能更有效地让人产生“眩晕”。

直接半导体激光器解决方案的这些优势,消除了激光器在国防与安全领域广泛部署的障碍,从而使大多数士兵、无人机、微型海洋设备能够配备激光解决方案。

生物医学应用

目前,生物医学领域使用的蓝光和绿光激光器主要是通过倍频技术实现的,随着直接半导体激光器的不断发展,预计这些应用也将会逐渐转向直接半导体激光器解决方案,从而推动半导体激光器市场的发展。目前,基于蓝光和绿光激光器的生物仪器以及医疗应用已经在实验室中获得了相当的成功,但是这方面的便携式分析设备并没有获得广泛应用,这主要是受限于目前倍频固体激光系统体积庞大等固有的缺陷。而且,现有的激光解决方案也缺乏具有成本效益的波长设计的灵活性。相比之下,直接半导体激光器能够实现紧凑的结构和牢固耐用性,并且能够提供不同的波长,如515nm507nm488nm

 显示应用

2009年商用激光投影仪的问世,大大提升了激光显示器流行。预计在未来几年内,激光显示市场将会获得进一步增长。微型投影仪能够从手持设备中投射出大尺寸图像(超过60英寸),可用于观看电影、上网冲浪和视频会议。为了开发激光显示市场的发展潜力,投影仪的输出亮度必须最大化,同时还要尽量降低功耗、尺寸及成本。

典型的激光投影仪包括一个光源(可以是激光器、LED或灯泡)、光学元件、显示发生装置(比如液晶或微镜器件)、电子元件和电源。与激光器光源相比,LED和灯泡这些非激光器光源具有诸多缺点,如非偏振性导致过度的光学亏损;空间模式差,因此需要较大的LCOSLCD芯片;因为光线不能聚焦到一个很小的区域,故而与紧凑的扫描镜设计不相匹配等。

当然,采用倍频激光器作为激光投影仪的光源并非不可能,但倍频系统价格昂贵、体积笨重,很难实现高速调制,并且发射光谱很窄,会在图像中引起斑点。

直接输出蓝光和绿光的半导体激光器是激光投影仪的理想选择。它们能提供高度偏振的激光输出,并且其空间模式能够与扫描镜设计相匹配。此外,它们能提供较宽的光谱带宽,以减少图像斑点,同时还具有较高的效率,能够实现高速调制,进而与扫描镜、LCOSMEMS阵列显示技术相匹配。

 即将来临的3D应用

3D娱乐的进展,正在推动其受欢迎度大幅好转。在此环境下,一些主要的电影制片厂、视频游戏制造商以及体育赛事广播机构,都正在积极地制作3D内容。目前传输和生产3D内容的方法正在标准化,3D显示器也正在开发和制造中,一些产品将很快会在手持设备、电视和家庭影院中出现。直接输出蓝光和绿色的半导体激光器,对于下一代微微投影仪来讲至关重要。下一代微微投影仪能够从微型手持设备中在任何表面上产生3D大屏幕图像。

 虽然目前市场上存在着一些用于显示和观看3D内容的技术。简言之,观看3D视频就是利用人眼的视差原理,向观看者的两只眼睛播放不同的图像,通过左右眼的视差产生深度感,从而达到立体视觉效果。例如,在微型便携式微微投影仪中,可以非常方便地用不同的颜色显示两幅图像,通过佩戴具有光谱滤波器的分频眼镜将图像分开。这种眼镜价格便宜,而且这种方法对于任何浏览表面都非常适用。

要实现这种3D显示,需要两个红色光源、两个绿色光源和两个蓝色光源。相同颜色的光源之间彼此稍有失谐,以致于陷波滤波器可以从观察者的视觉中有选择性地过滤掉一个光源。这种方法不依赖微显示技术,并与LCOS、MEMS阵列和扫描微镜相匹配。这种方法是对目前已经商用的2D激光投影仪的一个自然拓展。预计未来直接输出蓝光和绿光的半导体激光器将在该领域获得广泛应用。

参考文献

  1. S.Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku, and Y. Sugimoto, "InGaN Based Multi-Quantum-Well-Structure Laser Diodes," Jpn. J. Appl. Phys. 35, 74–76 (1996).
  2. J. Raring, E. Hall, M. Schmidt, C. Poblenz, B. Li, N. Pfister, D. Feezell, R. Craig, J. Speck, S. DenBaars, S. Nakamura, "High-power high-efficiency continuous-wave InGaN laser diodes in the violet, blue, and green wavelength regimes," SPIE Defense and Security Symposium, Paper Number 7686-18 (2010).

________________________________________

附:绿光半导体激光器的优点

与传统的通过倍频技术实现绿光输出的激光系统相比,直接输出绿光的半导体激光器具备诸多显著优势。这些优势主要表现在:

 效率:从半导体激光器和倍频激光系统两者的构成结构来看,半导体激光器本身就比倍频激光系统具有更高的效率,因此其消耗的电能更少,产生的热量也相对减少(否则必须要对热量进行管理并增加冷却装置)。总体而言,与倍频系统相比,半导体激光器能在体积和重量方面减小了约10倍,同时也降低了成本。

耐用性:直接输出半导体激光器的绿光是从芯片中产生的,因此不需要外部光学准直系统来保持激射。这大大降低了制造成本,同时也消除了实际应用中的现场故障排除情况,耐用性大大提升。

 工作温度范围:半导体激光器对温度的小幅变化并不敏感,与倍频激光系统相比,在不需要温度控制或主动冷却装置的情况下,其工作温度范围是倍频激光系统的5倍。这大大降低了系统的复杂性、成本、体积和重量,消除了很多故障机制。

 运转特性:半导体激光器的输出线宽是倍频激光系统的10倍(这能大幅减少图像中的斑点),调制速度比倍频激光系统提高了1000倍以上,从而能够直接调制设备。此外,半导体激光器可以提供不同的输出波长,如515nm507nm488nm

 安全性:半导体激光器只输出绿光,而并不像倍频激光系统,还产生波长1064nm的红外光。这消除了对斩波器的需求,从而降低了成本和复杂性。另外,因为没有1064nm的激光输出,因此也没有任何暴露在红外光下的危险。


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