[发明专利]一种用于激光显示的激光源

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，更具体地，涉及一种用于激光显示的激光源。

背景技术

激光具有高亮度，因此激光显示更易达到人眼几何分辨极限的大屏幕显示；激光是线谱，如激光的谱宽为5nm，而现有显示器光谱宽度为40nm，那么激光显示所能呈现的颜色数比现有显示器提高约500倍，因此激光显示能够实现双高清；同时激光具有更高的色饱和度，通过选择接近色度三角形顶角的三基色波长可使形成的色度三角形面积尽可能大，显示自然界更真实、更丰富的色彩，通过激光全息技术可以实现真三维显示。因此，激光显示是未来显示技术的发展方向。

激光显示是用红、绿、蓝(RGB)三基色激光器作为光源的显示技术。由于激光的发射线宽非常窄、光谱非常纯，使得激光显示具有大色彩覆盖率、商饱和度、高颜色数、高效率、长寿命、全固态、小型化、成本低廉等优点，因此，红、绿、蓝三基LD模块是未来激光显示产业化的最佳光源。采用的激光器多是半导体激光器或者半导体泵浦的固态激光器，其寿命一般在20000小时以上，远高于普通照明灯泡(典型值为3000-5000小时)，而且可连续运转无衰减；激光光谱纯，线宽只有几个纳米，可达到非常高的色饱和度；激光光源的色彩饱和度好，可实现更大的色彩覆盖率；理论上，采用激光作为光源，其色域覆盖率可达到90％的人眼可见范围，是NTSC标准的2倍以上；而现阶段采用灯泡的显示技术，其色域覆盖率只有人眼范围的30％左右；因此激光显示可实现更大色域的显示，色彩鲜艳，颜色真实性高，更加符合人们的审美；激光发散角小，亮度高，使得激光显示非常适合做高亮度的显示设备，而且亮度随传输距离的衰减小，使用便利；激光具有非常高的电光转换效率，其作为显示光源，光谱利用率极高，没有杂散光，功耗低，节能环保；随着可见光半导体激光器技术的不断进步，激光显示的成本具有非常大的下降空间。

基于以上诸多原因，激光显示被认为是新一代显示技术，成为当前研究的热点。显然，三基色激光器光源是激光显示的关键技术，目前，蓝光半导体激光器和红光半导体激光器已经有成熟的产品，基本达到产业化水平，但是绿光半导体激光器仍然没有可以应用的产品，成为限制激光显示发展的瓶颈。目前获得绿光激光器的方案主要有以下几种:(1)边发射半导体激光器(Eage-Emitting Laser，EEL)，它具有可直接调制的优点，日本的Nicliia公司和德国的Osram公司报道了515nm的青色半导体激光器，但是其功率只有50mW，电光效率极低，不能满足实用化的要求；另外边发射半导体激光器有很大的发散角，这为光束整形、耦合、合成白光带来了极大的难度；(2)垂直腔面发射半导体激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，它有望同时实现高功率和高光束质量的激光输出，它光束质量非常好，光斑一般为圆形，但单个VCSEL功率较低，美国Novalux公司采用多点发射的VCSELs三基色激光，三基色波长分别是615nm，532nm，465nm，单点发射功率为100mW，其RGB激光模块，绿光和蓝光输出功率3W，红光功率为4W；可VCSELs激光器的其电光效率低，只有不到5％，严重限制了其应用，亟待进一步提高；(3)光泵半导体激光器(Optical Pumping Semiconductor Laser，OPSL)，它同样有望实现高功率、高光束质量同时输出的可见激光，但OPSL激光器一般结构较复杂，使得激光器的体积较大；德国的Osram公司开发了小型紧凑化的OPSL，其获得了电光效率10％-20％的50-100mW绿光激光器和150-300mW的红光激光器口，但是其功率还是相对较低，有待进一步提高；(4)半导体泵浦的全固态激光器(Diode Pump Solid State Laser，DPSSL)，通过半导体激光器泵浦激光晶体，采用非线性光学晶体进行腔内或者腔外倍频，可得到高功率的绿光输出，是现阶段获得高功率绿光行之有效的方法；颜博霞、毕勇等人利用周期极化铌酸锂(Periocally Poled LiNbO₃，PPLN)腔内倍频掺钕钒酸钇晶体(Nd:YVO₄)方案，获得了3.8W绿光，其光光转换效率达到了56％，可以看到，非线性晶体材料是绿光DPSSL激光器的关键器件，是影响其激光输出特性的主要因素，目前用于倍频产生绿光的非线性晶体主要有三硼酸锂((LiB₃O₅，LBO)、磯酸铁氧钾(KTiOPO₄，KTP)，PPLN。LBO具有高的抗光损伤阈值，可实现高功率倍频绿光输出；但是LBO生长周期较长、非线性系数小、所需晶体尺寸大，使得其成本高；易潮解，对环境要求苛刻，稳定性得不到保证。KTP非线性系数大，但是也面临着生长周期长、成本高等缺点，不能满足激光显示的要求。PPLN具有己知的最高的非线性系数，具有生长工艺简单、成本低、具有小型化前景的优点，但是整个激光系统复杂。