直接輸出藍(lán)光和綠光的半導(dǎo)體激光器具備效率高、壽命長等諸多優(yōu)勢，其有望拓展可見光激光器的應(yīng)用領(lǐng)域，并將在新的應(yīng)用中贏得更多市場機(jī)會。

作者：Paul Rudy，美國Kaai公司業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁

直接輸出藍(lán)光和綠光的半導(dǎo)體激光器在商品化進(jìn)程中所取得的最新進(jìn)展，正在拓展著可見光激光器的應(yīng)用市場，并將在新的應(yīng)用中贏得更多增長機(jī)會。能夠直接輸出可見光的半導(dǎo)體激光器所具備的固有優(yōu)勢，使其有望取代國防、工業(yè)和醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域中的其他激光器產(chǎn)品，進(jìn)而在市場上獲得新的增長。此外，隨著過去的一些非激光器用戶（如使用專業(yè)燈具和LED的用戶）逐漸轉(zhuǎn)向采用半導(dǎo)體激光器做光源，半導(dǎo)體激光器還將在顯示和照明領(lǐng)域開辟出新的應(yīng)用天地。

 最初人們使用的可見光激光器主要是氦氖（He-Ne）激光器和氬離子氣體激光器，后來又出現(xiàn)了燈泵固體激光器、二極管泵浦固體激光器、紅外半導(dǎo)體激光器以及通過倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)可見光輸出的激光系統(tǒng)。雖然現(xiàn)有的一些倍頻激光系統(tǒng)能夠勝任專業(yè)的藍(lán)光和綠光激光應(yīng)用，但是這些倍頻激光系統(tǒng)的效率仍然過低，而且體積笨重、價(jià)格昂貴、對溫度非常敏感，因此并不適合在大批量應(yīng)用中廣泛部署。在可能的情況下，用戶還是會選用紅光半導(dǎo)體激光器，因?yàn)樗鼈凅w積小巧，并價(jià)格便宜。但是對于很多應(yīng)用來講，紅光并非是最佳的波長選擇，而是需要選用藍(lán)光或綠光。

 1995年，日本日亞公司（Nichia）的Shuji Nakamura等人展示了世界上第一臺氮化銦鎵（GaInN）可見半導(dǎo)體激光器，該半導(dǎo)體激光器在藍(lán)寶石上制作，輸出波長位于光譜的紫色區(qū)域。^[1]這次演示標(biāo)志著一個(gè)新級別的“直接二極管”可見光激光器的誕生——與過去的產(chǎn)品相比，該激光器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，更加牢固耐用，成本更加低廉，對溫度的敏感性更低，其不但能幫增加用戶的設(shè)計(jì)靈活性，而且還能提供更高的效率。自從InGaN激光器被首次演示后，其在紫光和藍(lán)光區(qū)域的效率和壽命又獲得了迅速提升。InGaN激光器可用于復(fù)印和藍(lán)光光盤等應(yīng)用領(lǐng)域。最近，得益于非極化和半極化GaN基底上的InGaN半導(dǎo)體激光器的創(chuàng)新性發(fā)展，人們已經(jīng)獲得了更高效率的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，并且將其連續(xù)輸出波長拓展到了520～525nm的綠光區(qū)域（見圖1）。^[2]

圖1：1995年，日本日亞公司（Nichia）的Shuji Nakamura等人首次展示了氮化銦鎵（GaInN）半導(dǎo)體激光器。此后，GaInN半導(dǎo)體激光器的輸出波長逐漸向綠光波段延伸。

與傳統(tǒng)的通過倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的藍(lán)光和綠光激光器相比，這些直接輸出藍(lán)光和綠光的激光器具有諸多優(yōu)勢。隨著直接輸出藍(lán)光和綠光的半導(dǎo)體激光器的廣泛上市，希望它們能夠在現(xiàn)有的應(yīng)用中獲得更加出色的表現(xiàn)，同時(shí)也能開辟出更多新的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)而推動可見光激光器市場的發(fā)展。

 國防與安全應(yīng)用

在戰(zhàn)場上和安全環(huán)境中，藍(lán)光和綠光可見光激光器有著廣泛的應(yīng)用。這些應(yīng)用包括指示、報(bào)警、威脅檢測、海底通信以及平視顯示器和投影顯示器。越來越多的國防和安全應(yīng)用，正在從大型集中的專業(yè)裝置向分散的便攜式地面單元、空中無人駕駛飛行器（UAV）以及超緊湊型的海洋設(shè)備轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)的倍頻產(chǎn)品相比，直接輸出藍(lán)光和綠光的半導(dǎo)體激光器所具有的優(yōu)勢，對保安人員和作戰(zhàn)人員是非常重要的。

例如，綠光半導(dǎo)體激光器是非致命威脅探測激光器廣泛部署的理想解決方案，其主要用于威脅評估、降低威脅強(qiáng)度、視覺警戒（visual warning）、激光炫目（laser dazzling）等。這些工具的最終用戶包括戰(zhàn)場上的士兵、國土安全人員、警察以及任何潛在敵對處境中的綜合安全維護(hù)人員。威脅探測不但為降低威脅強(qiáng)度提供了機(jī)會，與此同時(shí)還提供了一個(gè)強(qiáng)烈的視覺警戒功能，其能夠使接近的敵人因?yàn)殪拍康墓庹栈蛴纱艘�發(fā)的暫時(shí)失明而被迷惑，但這并不會對眼睛造成永久性損傷。

 正因?yàn)槿绱�，這些廣泛部署的激光器必須能夠滿足便攜性和耐用性的苛刻要求。 而且，輸出綠光的激光器是最佳選擇，因?yàn)槿搜蹖�綠光最為敏感。在這類應(yīng)用中，紅光半導(dǎo)體激光器是無法勝任的，因?yàn)樵谳敵龉β氏嗤�的情況下，人眼對綠光的敏感度通常要比對紅光的敏感度高出4倍以上（見圖2）。而如果用半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器（DPSS）激光器，其固有的效率較低、牢固耐用性差、對溫度過于敏感、波長固定在532nm等不足，將使應(yīng)用大受限制。相比之下，InGaN半導(dǎo)體激光器能夠從一個(gè)微型激光芯片中直接輸出綠光，并不存在DPSS系統(tǒng)所存在的上述缺點(diǎn)。

圖2：人眼的敏感度曲線顯示了為什么綠光激光器比紅光激光器能更有效地讓人產(chǎn)生“眩暈”。

直接半導(dǎo)體激光器解決方案的這些優(yōu)勢，消除了激光器在國防與安全領(lǐng)域廣泛部署的障礙，從而使大多數(shù)士兵、無人機(jī)、微型海洋設(shè)備能夠配備激光解決方案。

生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

目前，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用的藍(lán)光和綠光激光器主要是通過倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，隨著直接半導(dǎo)體激光器的不斷發(fā)展，預(yù)計(jì)這些應(yīng)用也將會逐漸轉(zhuǎn)向直接半導(dǎo)體激光器解決方案，從而推動半導(dǎo)體激光器市場的發(fā)展。目前，基于藍(lán)光和綠光激光器的生物儀器以及醫(yī)療應(yīng)用已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中獲得了相當(dāng)?shù)某晒�，但是這方面的便攜式分析設(shè)備并沒有獲得廣泛應(yīng)用，這主要是受限于目前倍頻固體激光系統(tǒng)體積龐大等固有的缺陷。而且，現(xiàn)有的激光解決方案也缺乏具有成本效益的波長設(shè)計(jì)的靈活性。相比之下，直接半導(dǎo)體激光器能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)和牢固耐用性，并且能夠提供不同的波長，如515nm、507nm或488nm。

 顯示應(yīng)用

2009年商用激光投影儀的問世，大大提升了激光顯示器流行。預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)，激光顯示市場將會獲得進(jìn)一步增長。微型投影儀能夠從手持設(shè)備中投射出大尺寸圖像（超過60英寸），可用于觀看電影、上網(wǎng)沖浪和視頻會議。為了開發(fā)激光顯示市場的發(fā)展?jié)摿�，投影儀的輸出亮度必須最大化，同時(shí)還要盡量降低功耗、尺寸及成本。

典型的激光投影儀包括一個(gè)光源（可以是激光器、LED或燈泡）、光學(xué)元件、顯示發(fā)生裝置（比如液晶或微鏡器件）、電子元件和電源。與激光器光源相比，LED和燈泡這些非激光器光源具有諸多缺點(diǎn)，如非偏振性導(dǎo)致過度的光學(xué)虧損；空間模式差，因此需要較大的LCOS或LCD芯片；因?yàn)楣饩�不能聚焦到一個(gè)很小的區(qū)域，故而與緊湊的掃描鏡設(shè)計(jì)不相匹配等。

當(dāng)然，采用倍頻激光器作為激光投影儀的光源并非不可能，但倍頻系統(tǒng)價(jià)格昂貴、體積笨重，很難實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，并且發(fā)射光譜很窄，會在圖像中引起斑點(diǎn)。

直接輸出藍(lán)光和綠光的半導(dǎo)體激光器是激光投影儀的理想選擇。它們能提供高度偏振的激光輸出，并且其空間模式能夠與掃描鏡設(shè)計(jì)相匹配。此外，它們能提供較寬的光譜帶寬，以減少圖像斑點(diǎn)，同時(shí)還具有較高的效率，能夠?qū)崿F(xiàn)高速調(diào)制，進(jìn)而與掃描鏡、LCOS或MEMS陣列顯示技術(shù)相匹配。

 即將來臨的3D應(yīng)用

3D娛樂的進(jìn)展，正在推動其受歡迎度大幅好轉(zhuǎn)。在此環(huán)境下，一些主要的電影制片廠、視頻游戲制造商以及體育賽事廣播機(jī)構(gòu)，都正在積極地制作3D內(nèi)容。目前傳輸和生產(chǎn)3D內(nèi)容的方法正在標(biāo)準(zhǔn)化，3D顯示器也正在開發(fā)和制造中，一些產(chǎn)品將很快會在手持設(shè)備、電視和家庭影院中出現(xiàn)。直接輸出藍(lán)光和綠色的半導(dǎo)體激光器，對于下一代微微投影儀來講至關(guān)重要。下一代微微投影儀能夠從微型手持設(shè)備中在任何表面上產(chǎn)生3D大屏幕圖像。

 雖然目前市場上存在著一些用于顯示和觀看3D內(nèi)容的技術(shù)。簡言之，觀看3D視頻就是利用人眼的視差原理，向觀看者的兩只眼睛播放不同的圖像，通過左右眼的視差產(chǎn)生深度感，從而達(dá)到立體視覺效果。例如，在微型便攜式微微投影儀中，可以非常方便地用不同的顏色顯示兩幅圖像，通過佩戴具有光譜濾波器的分頻眼鏡將圖像分開。這種眼鏡價(jià)格便宜，而且這種方法對于任何瀏覽表面都非常適用。

要實(shí)現(xiàn)這種3D顯示，需要兩個(gè)紅色光源、兩個(gè)綠色光源和兩個(gè)藍(lán)色光源。相同顏色的光源之間彼此稍有失諧，以致于陷波濾波器可以從觀察者的視覺中有選擇性地過濾掉一個(gè)光源。這種方法不依賴微顯示技術(shù)，并與LCOS、MEMS陣列和掃描微鏡相匹配。這種方法是對目前已經(jīng)商用的2D激光投影儀的一個(gè)自然拓展。預(yù)計(jì)未來直接輸出藍(lán)光和綠光的半導(dǎo)體激光器將在該領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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).

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附：綠光半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的通過倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)綠光輸出的激光系統(tǒng)相比，直接輸出綠光的半導(dǎo)體激光器具備諸多顯著優(yōu)勢。這些優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：

 效率：從半導(dǎo)體激光器和倍頻激光系統(tǒng)兩者的構(gòu)成結(jié)構(gòu)來看，半導(dǎo)體激光器本身就比倍頻激光系統(tǒng)具有更高的效率，因此其消耗的電能更少，產(chǎn)生的熱量也相對減少（否則必須要對熱量進(jìn)行管理并增加冷卻裝置）�？傮w而言，與倍頻系統(tǒng)相比，半導(dǎo)體激光器能在體積和重量方面減小了約10倍，同時(shí)也降低了成本。

耐用性：直接輸出半導(dǎo)體激光器的綠光是從芯片中產(chǎn)生的，因此不需要外部光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)來保持激射。這大大降低了制造成本，同時(shí)也消除了實(shí)際應(yīng)用中的現(xiàn)場故障排除情況，耐用性大大提升。

 工作溫度范圍：半導(dǎo)體激光器對溫度的小幅變化并不敏感，與倍頻激光系統(tǒng)相比，在不需要溫度控制或主動冷卻裝置的情況下，其工作溫度范圍是倍頻激光系統(tǒng)的5倍。這大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本、體積和重量，消除了很多故障機(jī)制。

 運(yùn)轉(zhuǎn)特性：半導(dǎo)體激光器的輸出線寬是倍頻激光系統(tǒng)的10倍（這能大幅減少圖像中的斑點(diǎn)），調(diào)制速度比倍頻激光系統(tǒng)提高了1000倍以上，從而能夠直接調(diào)制設(shè)備。此外，半導(dǎo)體激光器可以提供不同的輸出波長，如515nm、507nm或488nm。

 安全性：半導(dǎo)體激光器只輸出綠光，而并不像倍頻激光系統(tǒng)，還產(chǎn)生波長1064nm的紅外光。這消除了對斬波器的需求，從而降低了成本和復(fù)雜性。另外，因?yàn)闆]有1064nm的激光輸出，因此也沒有任何暴露在紅外光下的危險(xiǎn)。