CN110265870A - 用于激光显示的激光光源 - Google Patents

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Abstract

一种用于激光显示的激光光源，包括：FP谐振腔区，包括平行的第一端和第二端；第一谐振腔区，包括以后腔面和FP谐振腔区的第一端形成的带切口的第一圆形区域；第二谐振腔区，包括以出光面和FP谐振腔区的第二端形成的带切口的第二圆形区域。本发明通过带切口的两个圆形谐振腔区作为产生混沌模式的谐振腔，通过改变带切口的两个圆形谐振腔的参数来调控腔中的混沌模式数量以及光的出射方向，FP谐振腔区用于衔接两个具有不同切口的圆型谐振腔，以及调控和放大腔中的混沌模式，实现多模激射以降低激光显示中出现的散斑问题，且可以改善用于激光显示的多模激光器的方向性差的问题。

Description

用于激光显示的激光光源
技术领域
本发明涉及半导体激光器以及激光显示技术领域，特别涉及一种应用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源。
背景技术
以红、绿、蓝(RGB)三基色激光光源为核心技术的激光显示作为新一代最热门的显示技术，继承了液晶显示的优点，带来令人震撼的显示效果以及其他优点。由于激光具有发射线宽非常窄、光谱非常纯，具有高色域覆盖率、高饱和度、长寿命等特点，显示色彩真实现客观艳丽。色域可覆盖达到人眼能识别色彩空间的90％以上，被称为“人类视觉史上的革命”。
激光显示采用半导体激光光源，具有以下特点：半导体激光器芯片寿命达两万小时以上，而且连续工作没有衰减；光谱宽度窄，仅有几个纳米，可以获得极高色彩饱和度；色域覆盖度高，可达人眼可见范围的90％以上，激光显示色域远远高于其他光源显示技术；电光转换率高，光谱宽度窄因而利用率高，能源损耗低，环保节能。
但是半导体激光器同其他激光器一样，存在一些对激光显示致命性的影响，包括：高的相干性带来的散斑，半导体激光器的出光方向性问题。为了提高激光投影显示的图像质量，目前的思路是设计合适的成像系统来消除半导体激光光源带来的散斑和方向性差问题。这都大大的提高了成本，增大了显示系统的体积，严重阻碍了激光显示的发展。消除半导体激光器作为光源在显示中存在的问题，最关键还是从光源上出发解决用于显示的半导体激光器的相干性和方向性。但是之前的研究只能顾及其一，低的相干性带来低的方向性，而高的方向性带来高的相干性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述问题，本发明的主要目的在于设计了一种工艺简单、易集成、电注入的低相干性、高方向性的半导体激光光源，从而解决激光显示中散斑图样问题以及低相干性半导体激光光源的方向性差问题。
(二)技术方案
本发明实施例提供了一种用于激光显示的激光光源，包括：
FP谐振腔区，包括平行的第一端和第二端；
第一谐振腔区，包括以后腔面和FP谐振腔区的第一端形成的带切口的第一圆形区域；
第二谐振腔区，包括以出光面和FP谐振腔区的第二端形成的带切口的第二圆形区域。
在本发明的一些实施例中，第一谐振腔区和第二谐振腔区，通过回音壁模式的破缺演化为混沌模式，在经过FP谐振腔区时发生部分干涉，降低混沌模式数来提高激光的出射方向性。
在本发明的一些实施例中，所述第一圆形区域的第一圆心到所述后腔面的距离为d3，所述第二圆形区域的第二圆心到所述出光面的距离为d4，所述第一圆心到所述第一端的距离为d1，所述第二圆心到所述第二端的距离为d2，所述第一圆形区域的第一半径为R1，所述第二圆形区域的第二半径为R2，R1≠R2、d1≠d2、且d3≠d4。
在本发明的一些实施例中，所述后腔面和出光面通过解理形成。
在本发明的一些实施例中，所述第一谐振腔区、第二谐振腔区以及FP谐振腔区的刻蚀深度超过有源区。
在本发明的一些实施例中，所述FP谐振腔区上设置有波长量级的随机空气孔。
在本发明的一些实施例中，所述激光光源采用电注入模式，电极设置在所述第一谐振腔区、第二谐振腔区和FP谐振腔区的上方。
在本发明的一些实施例中，所述后腔面镀有高反膜，所述出光面镀有高透膜。
在本发明的一些实施例中，所述有源区为多量子阱或者单量子阱。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的原理及效果：
1、通过改变带有不同切口的两个圆形谐振腔(第一谐振腔区或者第二谐振腔区)的d1、d2、d3和d4参数以及两个圆的半径R1、R2的大小和FP谐振腔区的长度L，可以使得本发明的激光在不同波长范围的激光实现混沌模式的输出且在出光面处激光有高的方向性。
2、本发明的带有不同切口的两个圆形谐振腔和FP谐振腔区的刻蚀深度要大于有源层从而得到足够的折射率限制来满足腔内混沌模式的谐振。
3、本发明的左右两边带切口的圆形谐振腔通过回音壁模式的破缺演化为混沌模式，在经过中间FP谐振腔区时发生部分干涉，混沌模式数有一定程度降低，但确保方向性相对其他混沌模式激光器来说大大改善；另外，模式演化过程中发生的部分干涉可以通过破除FP两边切口圆形谐振腔相对FP的对称性降低，如两边切口圆形谐振腔取不同的结构参数(R1≠R2、d1≠d2、d3≠d4)，或两腔具有不同温度等等，从而降低激光相干性；混沌模式通过放大区域进行功率放大，得到大功率输出。采取半径差异大的两个圆型谐振腔腔结构及长度合适的FP区域可以在腔内获得更多的混沌模式和大功率输出以及高的出射方向性，出光面还可以通过镀一层高透膜，后腔面可以镀高反膜进一步增大输出光功率。
附图说明
图1为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源的结构俯视示意图；
图2为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源的立体结构示意图；
图3为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源用时域有限差分方法模拟的中心波长635nm，两个圆形谐振区半径R1＝R2时的模场分布示意图；
图4为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源用时域有限差分方法模拟的中心波长635nm，两个圆形谐振区半径R1≠R2时的模场分布示意图；
图5为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源用时域有限差分方法模拟的中心波长635nm，两个圆形谐振区半径R1＝R2时的共振谱图；
图6为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源用有限时域差分方法模拟的中心波长635nm，两个圆形光学谐振区半径R1≠R2时的共振谱图。
图7(1)为在图3中在位置X＝30um时截取的光强分布图；
图7(2)为在图3中在位置X＝40um时截取的光强分布图；
图8(1)为在图4中在位置X＝30um时截取的光强分布图；
图8(2)为在图4中在位置X＝40um时截取的光强分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源的立体图，图2为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源的立体结构示意图，该激光光源包括：FP谐振腔区102，包括平行的第一端106和第二端107；
第一谐振腔区101，包括以后腔面104和FP谐振腔区102的第一端106形成的带切口的第一圆形区域；
第二谐振腔区103，包括以出光面105和FP谐振腔区102的第二端107形成的带切口的第二圆形区域。
在本发明的一些实施例中，第一谐振腔区101、第二谐振腔区103和FP谐振腔区102的刻蚀深度超过有源区，这样能够产生足够的折射率差来使得混沌模式限制在腔内。
本发明通过带切口的两个圆形谐振腔(第一谐振腔区101和第二谐振腔区102)作为产生混沌模式的谐振腔，通过改变出光面105和后腔面104的大小来调控混沌模式数以及光的出射方向，第一谐振腔区101和第二谐振腔区103，通过回音壁模式的破缺演化为混沌模式，在经过FP谐振腔区102时发生部分干涉，混沌模式数有一定的降低，中间的FP谐振腔区102用于衔接两个具有不同切口的圆型谐振腔，以及调控和放大腔中的混沌模式。可以实现多模输出以降低激光显示中出现的散斑问题，且可以改善用于激光显示的多模激光器的方向性问题。
左右两边带切口的第一谐振腔区101和第二谐振腔区103通过回音壁模式的破缺演化为混沌模式，在经过中间FP谐振腔时发生部分干涉，混沌模式数有一定程度降低，但确保方向性相对其他混沌模式激光器来说大大改善；另外，模式演化过程中发生的部分干涉可以通过破除FP两边的切口圆形谐振腔相对FP的对称性，如两边切口圆形谐振腔取不同的结构参数(R1≠R2、d1≠d2、d3≠d4)，或两腔具有不同温度等等，从而降低激光相干性；混沌模式通过FP谐振区进行功率放大，得到大功率输出。其中，第一圆形区域的第一圆心到所述后腔面104的距离为d3，所述第二圆形区域的第二圆心到所述出光面105的距离为d4，所述第一圆心到所述第一端106的距离为d1，所述第二圆心到所述第二端107的距离为d2，所述第一圆形区域的第一半径为R1，所述第二圆形区域的第二半径为R2。
第一谐振腔区101由参数R1、d1和d3决定；第二谐振腔区103由参数R2、d2和d4决定。FP谐振腔区102由参数L决定。本发明的后腔面104和出光面105均由解离形成，且可以在后腔面104镀上一层高反膜，以及在出光面105镀上一层高透膜来增加出射光的功率。
带有不同切口的两个圆形谐振腔101，103的半径是可以改变的，本发明使用两半径大小相等(R1＝R2)的结构和两半径大小不相等(R1≠R2)的结构。模拟时，两半径大小相等(R1＝R2)的结构的圆的半径R1、R2均为10微米；两半径大小不相等(R1≠R2)的结构中，小圆的半径R1是10微米，大圆的半径R2是16微米。实验上，器件的整体结构是建立在以AlGaAs/GaAs材料作为有源区的外延材料上。所述的激光器结构采用多量子阱或单量子阱作为有源区，对有源材料没有具体限制。所述带有不同切口的两个的圆形谐振腔区101，103、和FP谐振腔区102对有源区材料没有严格的限定。
在本发明的一些实施例中，所述FP谐振腔区102上设置有波长量级的随机空气孔，以进一步增加腔内的混沌模式数。
所述圆形切口区域的结构参数d1＝0.7R1，d3＝0.5R1；圆形切口区域的结构参数d2＝0.895R2，d4＝0.5R2；FP谐振腔区102域的长度L根据两个圆的半径(R1、R2)大小而定。
本发明的激光器采用电注入输入模式，电极制作在带有不同切口的两个的圆形谐振腔、和FP谐振腔区102域的上表面，该激光器的工作波长范围可以从可见光到近红外。
图3为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源用时域有限差分方法模拟的中心波长635nm，两个圆形谐振区半径R1＝R2时的模场分布示意图，由图3可见，当R1＝R2时，在整个器件结构区域内的模场均匀分布，可以在腔内得到混沌模式，且出光面激光出射的方向性较好，相比传统D型腔和双切口圆形谐振腔来说得到了改善。
图4为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源用时域有限差分方法模拟的中心波长635nm，两个圆形谐振区半径R1≠R2时的模场分布示意图，由图4可见，当R1≠R2时，在整个器件结构区域内的模场仍然均匀分布，在腔内仍然可以得到混沌模式，出光面激光出射的方向性相比R1＝R2时大大改善。
图5为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源用时域有限差分方法模拟的中心波长635nm，两个圆形谐振区半径R1＝R2时的共振谱图，由图5可见，当结构参数R1＝R2时，光谱的半高宽达到12nm左右，完全可以达到低相干性的要求。
图6为本发明实施例的用于激光显示的低相干性、高方向性的激光光源用有限时域差分方法模拟的中心波长635nm，两个圆形光学谐振区半径R1≠R2时的共振谱图，由图6可见，当结构参数R1≠R2时，光谱的半高宽达到10nm左右，比结构参数为R1＝R2的光谱的半高宽略有减小，说明混沌模式数有所下降，但仍然可以达到降低激光相干性的要求。
图7(1)为在图3中在位置X＝30um时截取的光强分布图，图7(2)为在图3中在位置X＝40um时截取的光强分布图，图8(1)为在图4中在位置X＝30um时截取的光强分布图，图8(2)为在图4中在位置X＝40um时截取的光强分布图，其中，图7(1)和图7(2)的强度曲线相似度较好，图8(1)和图8(2)中的强度曲线相似度最好，说明R1≠R2时的激光方向性比R1＝R2确实得到了改善。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案、和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于激光显示的激光光源，包括：
FP谐振腔区，包括平行的第一端和第二端；
第一谐振腔区，包括以后腔面和FP谐振腔区的第一端形成的带切口的第一圆形区域；
第二谐振腔区，包括以出光面和FP谐振腔区的第二端形成的带切口的第二圆形区域。
2.根据权利要求1所述的用于激光显示的激光光源，其特征在于，第一谐振腔区和第二谐振腔区，通过回音壁模式的破缺演化为混沌模式，在经过FP谐振腔区时发生部分干涉，降低混沌模式数来提高激光的出射方向性。
3.根据权利要求1所述的用于激光显示的激光光源，其特征在于，所述第一圆形区域的第一圆心到所述后腔面的距离为d3，所述第二圆形区域的第二圆心到所述出光面的距离为d4，所述第一圆心到所述第一端的距离为d1，所述第二圆心到所述第二端的距离为d2，所述第一圆形区域的第一半径为R1，所述第二圆形区域的第二半径为R2，R1≠R2、d1≠d2、且d3≠d4。
4.根据权利要求1所述的用于激光显示的激光光源，其特征在于，所述后腔面和出光面通过解理形成。
5.根据权利要求1所述的用于激光显示的激光光源，其特征在于，所述第一谐振腔区、第二谐振腔区以及FP谐振腔区的刻蚀深度超过有源区。
6.根据权利要求1所述的用于激光显示的激光光源，其特征在于，所述FP谐振腔区上设置有波长量级的随机空气孔。
7.根据权利要求1所述的用于激光显示的激光光源，其特征在于，所述激光光源采用电注入模式，电极设置在所述第一谐振腔区、第二谐振腔区和FP谐振腔区的上方。
8.根据权利要求1所述的用于激光显示的激光光源，其特征在于，所述后腔面镀有高反膜，所述出光面镀有高透膜。
9.根据权利要求6所述的用于激光显示的激光光源，其特征在于，所述有源区为多量子阱或者单量子阱。
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