基于RGB三基色半導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. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所， 吉林 長春 130033； 2. 中國科學院大學， 北京 100049)

1 引 言

白激光光源作為一種高效和顏色穩定的固體白色光源，在激光照明和激光顯示領域具有廣闊的應用前景。與LED光源相比，激光光源不存在嚴重的“效率驟降”[1-2]問題，可獲得非常高的輸出功率[3-4]。同時具備體積小、工作壽命長、性能穩定、顯色性好等優點[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(RGB)三基色激光混合合成；(2)短波長激光激發RGB三原色熒光粉合成；(3)藍光激光激發黃色熒光粉合成。目前，多數采用第2種和第3種方法，主要是因為通過激光激發熒光粉合成白光光源的結構簡單，工藝容易實現。比如Abu-Ageel等使用405 nm/445 nm激光激發RGB三原色熒光劑獲得了無散斑的RGB三色光，并通過合束獲得白色激光[17];Ledru等采用藍光激光二極管激發遠距離處熒光粉的方法實現了色溫為4 000 K、顯色指數接近95的白光輸出[18]。羅智田以450 nm半導體激光器激發YAG黃色熒光粉獲得光通量為139.5 1m、顯色指數為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，通過合束方式實現白激光輸出，不存在熒光粉產生的斯托克斯損耗，電光轉換效率更高，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定的特點，顯色指數高，可以真實呈現客觀世界中豐富多彩的顏色，覆蓋顏色達90%以上[21-24]。顏博霞等采用紅綠藍三基色組成的激光光源進行了顏色配比研究，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，容易產生散斑[25-27]，因而影響照明或顯示效果。

本文基于RGB三基色半導體激光器件，通過空間合束、波長合束等，三基色光耦合進單光纖，光纖輸出合束光功率超過100 W，根據色度學原理進行顏色功率配比，獲得了功率達63 W、色溫為5 710 K的白光輸出，與標準白光D65相比色溫偏差小于12.2%。在此基礎上，調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，與標準白光D65相比色溫偏差小于3.08%。在本結構中，可以通過調整激光功率配比實現不同的顯示效果。

2 實 驗

2.1 RGB三基色激光的特性

根據文獻[28-34]所述RGB激光波長選取方法，采用商用TO封裝的紅、綠、藍三基色半導體激光單元器件，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，輸出功率達到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，輸出功率達到1.13 W，效率為14.6%。圖1(c)為藍光激光單元輸出特性，在電流為1.0 A時，輸出功率達到1.4 W，效率為28.0%。

圖1 紅(a)、綠(b)、藍(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構如圖2所示。每個激光單元經過準直后，由反射鏡進行光路折疊和重排，實現空間合束，將多個激光單元進行空間拼接形成大的光斑，然后通過兩次波長合束，將三基色光束合束成單束光，最后通過聚焦鏡耦合進800 μm/0.22 NA光纖。采用被動傳導水冷散熱，保持熱沉溫度為25 ℃，采用光功率計(FL400A-BB-50，Ophir，Israel)測量輸出功率，光譜分析儀(ANDO AQ6317，Yokogawa，Japan)分析出光光譜，色度計(CL-200A，Konica Minolta，Japan)測量色溫和色坐標。色度測試在光照度小于1 lx的暗場環境下進行，由于合束功率過高不能直接照射色度計的探頭，在此采用散射光照射的方式進行測試。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個激光單元合束而成，綠光采用48個激光單元合束而成，藍光采用64個激光單元合束而成。

圖2 紅綠藍三基色激光合束結構示意圖

2.2 三色激光功率配比選擇

根據色度學原理，混合色的亮度和色品坐標可以根據格拉斯曼顏色混合定律和CIE1931標準色度系統得到[23,28,35-36]，基于此，可以計算合成顏色所需的各基本色的功率值。

本實驗設置目標為獲得標準白光光源D65，其色溫為6 500 K。由三基色RGB激光配成一個單位的標準白光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；LR、LG、LB為歸一化亮度，滿足LR+LG+LB=1。

本實驗中，選用的638 nm紅光R、516 nm綠光G、450 nm藍光B、標準白光D65的色坐標(x，y，z)與視見函數(νλ)如表1所示。

結合公式(1)可以計算出RGB三基色光的亮度比LR∶LG∶LB，再結合視見函數公式：

(2)

表1 RGB半導體激光及標準白光的色坐標與視見函數

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———

可計算出RGB三基色激光的功率比PR∶PG∶PB=0.445∶0.348∶0.197。通過調整激光驅動電流、調節激光功率配比，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。在實驗過程中，對三基色光源分別進行光功率和色溫監測，根據監測結果適時調整功率配比，實現高功率白色激光輸出。

3 結果與討論

光纖輸出紅光激光功率-效率曲線如圖3所示，在0.9 A電流驅動時，激光連續功率為36.6 W，計算出電光轉換效率為28.202%，采用色度計測得其色坐標為(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電流驅動時，測得激光連續功率為33.53 W，計算電光轉換效率為9.491%，測得其色坐標為(0.075 9，0.830 4)。

圖4 實測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.

光纖耦合藍光激光功率-效率曲線如圖5所示，在1.2 A電流驅動時，測得激光連續功率為60.9 W，計算電光轉換效率為21.875%，并測得其色坐標為(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個主峰對應的波長分別為藍光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。說明功率配比依照RGB波長進行計算的有效性，且輸出光束繼承了半導體激光器單色性穩定的特點。

圖5 實測450 nm光纖耦合藍光激光合束功率-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進行功率配比，測量光纖耦合RGB三基色半導體激光輸出光輸出功率，實驗結果如表2所示，與標準白光色溫6 500 K相比，實驗所得色溫下降了8.92%～16%。功率輸出最高達63 W，同時其色溫5 710 K，與標準白光色溫相比偏差小于12.2%。

表2 按計算功率配比光纖耦合RGB半導體激光輸出光的特性

適時調整功率配比，降低紅色激光功率，實驗結果如表3所示，在PR=25.3 W、PG=21.2 W、PB=12 W時，即PR∶PG∶PB=0.432 5∶0.362 4∶0.205 1時，獲得了色溫為6 480 K的白光輸出，接近標準白光D65的色溫，結合RGB三基色激光各自的合束功率-效率曲線(圖3、圖4、圖5)，計算其綜合光電轉換效率為14.31%。從表3中同樣可以看出，在本光纖耦合輸出結構中，通過調整單基色激光的功率可以實獲得不同的色溫，也就是說，本結構可以通過調整激光功率配比，實現不同的顯示效果。

表3 降低紅色激光功率時光纖耦合RGB半導體激光輸出光的特性

在PR=25.3 W、PG=21.2 W、PB=12 W時，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，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 論

基于RGB三基色半導體激光器件，通過空間合束、波長合束等，三基色光耦合進單光纖，光纖輸出合束光功率超過100 W。根據色度學原理進行顏色功率配比，獲得了功率達63 W、色溫為5 710 K的白光輸出，與標準白光D65相比色溫偏差小于12.2%。在此基礎上，調整紅色激光輸出功率，獲得了功率達58.4 W、色溫為6 480 K的白光輸出，與標準白光D65相比色溫偏差小于3.08%?；谠摴庠?，通過調整激光功率配比，可實現不同色溫及色坐標合束激光輸出，在激光照明與顯示領域具有良好的應用前景。