基于RGB三基色半導(dǎo)體激光的高功率白激光光源

田景玉， 張 俊， 彭航宇， 王 威， 雷宇鑫， 王立軍

(1. 中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 吉林 長(zhǎng)春 130033； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

1 引 言

白激光光源作為一種高效和顏色穩(wěn)定的固體白色光源，在激光照明和激光顯示領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與LED光源相比，激光光源不存在嚴(yán)重的“效率驟降”[1-2]問(wèn)題，可獲得非常高的輸出功率[3-4]。同時(shí)具備體積小、工作壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、顯色性好等優(yōu)點(diǎn)[5-8]，是新一代的理想照明光源[9-10]和顯示光源[11-16]。

合成白色激光光源主要有以下3種方法：(1)紅、綠、藍(lán)(RGB)三基色激光混合合成；(2)短波長(zhǎng)激光激發(fā)RGB三原色熒光粉合成；(3)藍(lán)光激光激發(fā)黃色熒光粉合成。目前，多數(shù)采用第2種和第3種方法，主要是因?yàn)橥ㄟ^(guò)激光激發(fā)熒光粉合成白光光源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝容易實(shí)現(xiàn)。比如Abu-Ageel等使用405 nm/445 nm激光激發(fā)RGB三原色熒光劑獲得了無(wú)散斑的RGB三色光，并通過(guò)合束獲得白色激光[17];Ledru等采用藍(lán)光激光二極管激發(fā)遠(yuǎn)距離處熒光粉的方法實(shí)現(xiàn)了色溫為4 000 K、顯色指數(shù)接近95的白光輸出[18]。羅智田以450 nm半導(dǎo)體激光器激發(fā)YAG黃色熒光粉獲得光通量為139.5 1m、顯色指數(shù)為61.2、色溫為7 266 K的白光輸出[19]。但是這些方法都存在熒光粉產(chǎn)生的斯托克斯損耗，且由于其不是激光直接光源合成，顯色性較差。

基于RGB三基色激光合成白激光光源直接采用功率高、顏色純正的激光器件，通過(guò)合束方式實(shí)現(xiàn)白激光輸出，不存在熒光粉產(chǎn)生的斯托克斯損耗，電光轉(zhuǎn)換效率更高，且容易獲得高功率、高亮度的白光輸出[20]。更重要的是其繼承了激光器單色性穩(wěn)定的特點(diǎn)，顯色指數(shù)高，可以真實(shí)呈現(xiàn)客觀世界中豐富多彩的顏色，覆蓋顏色達(dá)90%以上[21-24]。顏博霞等采用紅綠藍(lán)三基色組成的激光光源進(jìn)行了顏色配比研究，并由光纖組束，獲得了色溫略低于理論值15%的激光輸出[23]，但其綠色光源采用的是固體倍頻綠光激光器，受限于這種類型激光器本身的特性，相干性太強(qiáng)，容易產(chǎn)生散斑[25-27]，因而影響照明或顯示效果。

本文基于RGB三基色半導(dǎo)體激光器件，通過(guò)空間合束、波長(zhǎng)合束等，三基色光耦合進(jìn)單光纖，光纖輸出合束光功率超過(guò)100 W，根據(jù)色度學(xué)原理進(jìn)行顏色功率配比，獲得了功率達(dá)63 W、色溫為5 710 K的白光輸出，與標(biāo)準(zhǔn)白光D65相比色溫偏差小于12.2%。在此基礎(chǔ)上，調(diào)整紅色激光輸出功率，獲得了功率為58.4 W、色溫為6 480 K的白光輸出，與標(biāo)準(zhǔn)白光D65相比色溫偏差小于3.08%。在本結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)調(diào)整激光功率配比實(shí)現(xiàn)不同的顯示效果。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 RGB三基色激光的特性

根據(jù)文獻(xiàn)[28-34]所述RGB激光波長(zhǎng)選取方法，采用商用TO封裝的紅、綠、藍(lán)三基色半導(dǎo)體激光單元器件，其功率及效率特性如圖1所示。圖1(a)為紅光激光單元輸出特性，在電流為0.9 A時(shí)，輸出功率達(dá)到0.88 W，效率為43.2%。圖1(b)為綠光激光單元輸出特性，在電流為1.6 A時(shí)，輸出功率達(dá)到1.13 W，效率為14.6%。圖1(c)為藍(lán)光激光單元輸出特性，在電流為1.0 A時(shí)，輸出功率達(dá)到1.4 W，效率為28.0%。

圖1 紅(a)、綠(b)、藍(lán)(c)三基色激光單元輸出功率效率曲線。

Fig.1 Output laser power efficiency of red(a)， green(b)， blue(c) laser beam, respectively.

基于RGB三基色激光單元合成白激光光源的結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)激光單元經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后，由反射鏡進(jìn)行光路折疊和重排，實(shí)現(xiàn)空間合束，將多個(gè)激光單元進(jìn)行空間拼接形成大的光斑，然后通過(guò)兩次波長(zhǎng)合束，將三基色光束合束成單束光，最后通過(guò)聚焦鏡耦合進(jìn)800 μm/0.22 NA光纖。采用被動(dòng)傳導(dǎo)水冷散熱，保持熱沉溫度為25 ℃，采用光功率計(jì)(FL400A-BB-50，Ophir，Israel)測(cè)量輸出功率，光譜分析儀(ANDO AQ6317，Yokogawa，Japan)分析出光光譜，色度計(jì)(CL-200A，Konica Minolta，Japan)測(cè)量色溫和色坐標(biāo)。色度測(cè)試在光照度小于1 lx的暗場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行，由于合束功率過(guò)高不能直接照射色度計(jì)的探頭，在此采用散射光照射的方式進(jìn)行測(cè)試。為了獲得高功率的合束激光和好的消散斑效果，紅光采用64個(gè)激光單元合束而成，綠光采用48個(gè)激光單元合束而成，藍(lán)光采用64個(gè)激光單元合束而成。

圖2 紅綠藍(lán)三基色激光合束結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 三色激光功率配比選擇

根據(jù)色度學(xué)原理，混合色的亮度和色品坐標(biāo)可以根據(jù)格拉斯曼顏色混合定律和CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)得到[23,28,35-36]，基于此，可以計(jì)算合成顏色所需的各基本色的功率值。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置目標(biāo)為獲得標(biāo)準(zhǔn)白光光源D65，其色溫為6 500 K。由三基色RGB激光配成一個(gè)單位的標(biāo)準(zhǔn)白光D65，需滿足的條件如公式(1)所示：

(1)

其中X、Y、Z為三刺激值，滿足X/(X+Y+Z)=x，Y/(X+Y+Z)=y，Z/(X+Y+Z)=z，x、y、z為色坐標(biāo)；LR、LG、LB為歸一化亮度，滿足LR+LG+LB=1。

本實(shí)驗(yàn)中，選用的638 nm紅光R、516 nm綠光G、450 nm藍(lán)光B、標(biāo)準(zhǔn)白光D65的色坐標(biāo)(x，y，z)與視見(jiàn)函數(shù)(νλ)如表1所示。

結(jié)合公式(1)可以計(jì)算出RGB三基色光的亮度比LR∶LG∶LB，再結(jié)合視見(jiàn)函數(shù)公式：

(2)

表1 RGB半導(dǎo)體激光及標(biāo)準(zhǔn)白光的色坐標(biāo)與視見(jiàn)函數(shù)

Tab.1 CIE coordinates and visual functions of RGB diode laser and D65white light

ColorxyzνλR0.717 160.282 810.000 030.21G0.045 330.819 390.135 280.821B0.156 640.017 710.825 650.064 7W0.312 80.329 20.358———

可計(jì)算出RGB三基色激光的功率比PR∶PG∶PB=0.445∶0.348∶0.197。通過(guò)調(diào)整激光驅(qū)動(dòng)電流、調(diào)節(jié)激光功率配比，使RGB三基色激光的功率比為0.445∶0.348∶0.197，以獲得色溫為6 500 K的白光光源D65。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)三基色光源分別進(jìn)行光功率和色溫監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果適時(shí)調(diào)整功率配比，實(shí)現(xiàn)高功率白色激光輸出。

3 結(jié)果與討論

光纖輸出紅光激光功率-效率曲線如圖3所示，在0.9 A電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，激光連續(xù)功率為36.6 W，計(jì)算出電光轉(zhuǎn)換效率為28.202%，采用色度計(jì)測(cè)得其色坐標(biāo)為(0.707 1，0.287 5)。

圖3 638 nm光纖耦合紅光激光合束功率-效率曲線

Fig.3 Output laser power efficiency curve of 638 nm fiber coupled red laser beam

光纖耦合綠光激光功率-效率曲線如圖4所示，在1.6 A電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，測(cè)得激光連續(xù)功率為33.53 W，計(jì)算電光轉(zhuǎn)換效率為9.491%，測(cè)得其色坐標(biāo)為(0.075 9，0.830 4)。

圖4 實(shí)測(cè)516 nm光纖耦合綠光激光合束功率-效率曲線

Fig.4 Output laser power efficiency curve of 516 nm fiber coupled green laser beam.

光纖耦合藍(lán)光激光功率-效率曲線如圖5所示，在1.2 A電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，測(cè)得激光連續(xù)功率為60.9 W，計(jì)算電光轉(zhuǎn)換效率為21.875%，并測(cè)得其色坐標(biāo)為(0.143 0，0.016 7)。

光纖耦合RGB三色激光的輸出激光光譜如圖6所示，3個(gè)主峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為藍(lán)光450.2 nm、綠光516.5 nm、紅光637.8 nm，各自的光譜寬度(FWHM)分別為4.8，7.7，1.0 nm。說(shuō)明功率配比依照RGB波長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算的有效性，且輸出光束繼承了半導(dǎo)體激光器單色性穩(wěn)定的特點(diǎn)。

圖5 實(shí)測(cè)450 nm光纖耦合藍(lán)光激光合束功率-效率曲線

Fig.5 Output laser power efficiency curve of 450 nm fiber coupled blue laser beam

圖6 光纖耦合RGB三色激光的輸出激光光譜

按PR∶PG∶PB=0.477∶0.334∶0.189進(jìn)行功率配比，測(cè)量光纖耦合RGB三基色半導(dǎo)體激光輸出光輸出功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，與標(biāo)準(zhǔn)白光色溫6 500 K相比，實(shí)驗(yàn)所得色溫下降了8.92%～16%。功率輸出最高達(dá)63 W，同時(shí)其色溫5 710 K，與標(biāo)準(zhǔn)白光色溫相比偏差小于12.2%。

表2 按計(jì)算功率配比光纖耦合RGB半導(dǎo)體激光輸出光的特性

適時(shí)調(diào)整功率配比，降低紅色激光功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，在PR=25.3 W、PG=21.2 W、PB=12 W時(shí)，即PR∶PG∶PB=0.432 5∶0.362 4∶0.205 1時(shí)，獲得了色溫為6 480 K的白光輸出，接近標(biāo)準(zhǔn)白光D65的色溫，結(jié)合RGB三基色激光各自的合束功率-效率曲線(圖3、圖4、圖5)，計(jì)算其綜合光電轉(zhuǎn)換效率為14.31%。從表3中同樣可以看出，在本光纖耦合輸出結(jié)構(gòu)中，通過(guò)調(diào)整單基色激光的功率可以實(shí)獲得不同的色溫，也就是說(shuō)，本結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)整激光功率配比，實(shí)現(xiàn)不同的顯示效果。

表3 降低紅色激光功率時(shí)光纖耦合RGB半導(dǎo)體激光輸出光的特性

在PR=25.3 W、PG=21.2 W、PB=12 W時(shí)，獲得的6 480 K白光及光斑如圖7所示，可以看出得到了較為理想的的白光輸出。

圖7 在PR=25.3 W、PG=21.2 W、PB=12 W時(shí)，獲得的6 480 K白光光斑。

Fig.7 White light spot at 6 480 K whilePR= 25.3 W，PG= 21.2 W，PB=12 W.

4 結(jié) 論

基于RGB三基色半導(dǎo)體激光器件，通過(guò)空間合束、波長(zhǎng)合束等，三基色光耦合進(jìn)單光纖，光纖輸出合束光功率超過(guò)100 W。根據(jù)色度學(xué)原理進(jìn)行顏色功率配比，獲得了功率達(dá)63 W、色溫為5 710 K的白光輸出，與標(biāo)準(zhǔn)白光D65相比色溫偏差小于12.2%。在此基礎(chǔ)上，調(diào)整紅色激光輸出功率，獲得了功率達(dá)58.4 W、色溫為6 480 K的白光輸出，與標(biāo)準(zhǔn)白光D65相比色溫偏差小于3.08%?；谠摴庠?，通過(guò)調(diào)整激光功率配比，可實(shí)現(xiàn)不同色溫及色坐標(biāo)合束激光輸出，在激光照明與顯示領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。