光反饋抑制半導(dǎo)體激光器散斑性能的研究

聶思永

摘 ? 要：散斑是半導(dǎo)體激光器出光固有的特性，隨著激光器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，激光散斑成為光電子領(lǐng)域的重要研究課題。某些領(lǐng)域?qū)⑸弋?dāng)成激光器的優(yōu)勢(shì)加以利用，在激光顯示領(lǐng)域，散斑影響成像的畫質(zhì)，需要采取必要的措施進(jìn)行抑制。文章首先探討激光顯示領(lǐng)域散斑產(chǎn)生的機(jī)理，其次介紹了當(dāng)前激光顯示領(lǐng)域普遍采用的消散手段，最后提出通過光反饋方法抑制散斑的設(shè)想，并詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)過程、散斑評(píng)價(jià)方法和數(shù)據(jù)分析結(jié)果。最終的結(jié)果表明，利用光反饋方法可以將激光散斑對(duì)比度抑制到0.04，也是人眼分辨散斑的視覺極限。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器;激光顯示;激光散斑;光反饋

三色激光顯示以其高亮度、廣色域、高飽和度和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)被稱為下一代顯示技術(shù)，并已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。三色激光顯示使用的是半導(dǎo)體激光器，無法避免激光散斑對(duì)其畫質(zhì)造成的影響，因此散斑抑制成為三色激光顯示行業(yè)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

激光散斑是由于激光的高相干性而在激光光斑中出現(xiàn)高對(duì)比度但尺寸細(xì)微的顆粒狀圖樣[1]。散斑實(shí)際上是干涉條紋，激光投影顯示系統(tǒng)中的散斑是由屏幕表面和探測(cè)器（人眼或CCD）等散射的相干光相互干涉而形成的[2]。

不同課題組及公司已針對(duì)散斑問題進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn)，并提出多種方法來消除散斑，基本可分為動(dòng)態(tài)消散和靜態(tài)消散兩個(gè)種類。目前較為成熟的動(dòng)態(tài)消散技術(shù)包括在光路中加入掃描漫射體[3]、旋轉(zhuǎn)散射片[4-5]以及引入運(yùn)動(dòng)屏幕[6]等。而常用的靜態(tài)消散斑技術(shù)包括利用偏振多樣性、波長(zhǎng)多樣性、基于米式散射[7]以及在光路中引入衍射光學(xué)元件（Diffraction Optical Elements，DOE）[8]等方案。靜態(tài)消散的方式無機(jī)械振動(dòng)，有利于小型化以及系統(tǒng)的穩(wěn)定，但消散能力有限;動(dòng)態(tài)消散的方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較好的消散效果，但是增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度、成本以及不穩(wěn)定性[9]。

理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，光反饋可以壓窄或展寬半導(dǎo)體激光器的光譜線寬，光反饋技術(shù)可以調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的相干長(zhǎng)度，依照這一理論，通過光反饋技術(shù)可以改變半導(dǎo)體激光器的時(shí)間相干性，進(jìn)而改變散斑的狀態(tài)。若此技術(shù)得到驗(yàn)證和應(yīng)用，可從根本上改善散斑狀態(tài)。文章將用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光反饋技術(shù)改善散斑的效果，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析和討論。

1 ? ?光反饋試驗(yàn)裝置和原理說明

1.1 ?散斑評(píng)價(jià)方法

散斑對(duì)比度C是定量分析散斑圖樣常用的方法，其表達(dá)式如（1）所示：

其中，σ1為光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)分布，為光強(qiáng)的平均值。當(dāng)散斑對(duì)比度C小于0.04時(shí)，人眼將無法分辨出散斑，正確的測(cè)量散斑及獲得散斑圖樣是計(jì)算對(duì)比度的基礎(chǔ)。

采用如下方法測(cè)量和計(jì)算散斑對(duì)比度：首先，利用CCD相機(jī)拍攝勻場(chǎng)散斑圖樣，相機(jī)的參數(shù)設(shè)置要最大化地模擬人眼的特性。其次，運(yùn)用Python腳本對(duì)圖像進(jìn)行空間濾波，以消除與散斑對(duì)比度無關(guān)的任何亮度變化，如圖像邊緣亮度翻轉(zhuǎn)帶來低空間頻率變化所引起的亮度變化。最后，利用被過濾的圖像進(jìn)行散斑對(duì)比度計(jì)算，計(jì)算過程通過Matlab小程序?qū)崿F(xiàn)，其原理是通過Matlab軟件將圖像中的強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)化成具體數(shù)值，求出圖像區(qū)域中各個(gè)像素點(diǎn)光強(qiáng)度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)分布，進(jìn)而通過式（1）進(jìn)行求解。

1.2 光反饋改善散斑試驗(yàn)原理

光反饋系統(tǒng)由激光器、激光準(zhǔn)直透鏡、半波片、偏振分光棱鏡（Polarizing Beam Splitter，PBS）和一個(gè)反射鏡組成，其中半波片的目的是改變激光的偏振方向。試驗(yàn)中使用的是638 nm的半導(dǎo)體激光器，其出射激光為線偏振光。假設(shè)出射光的偏振方向是PBS對(duì)應(yīng)的S光，則當(dāng)半波片的光軸與激光偏振方向的夾角為0°時(shí)，激光經(jīng)PBS后將100%反射（暫時(shí)忽略激光通過光學(xué)元件時(shí)的損耗）。當(dāng)半波片的光軸與激光偏振方向的夾角為θ時(shí)，激光通過半波片后，其偏振方向?qū)l(fā)生2θ角的旋轉(zhuǎn)，那么經(jīng)PBS反射的光所占比例為cos（2θ），而經(jīng)PBS透射成為反饋光的比例為[1- cos（2θ）]。

散斑顯示和測(cè)量系統(tǒng)由匯聚透鏡、擴(kuò)散片1、勻光棒、擴(kuò)散片2、屏幕和CCD相機(jī)組成，其中，匯聚透鏡的作用是將激光束匯聚到勻光棒內(nèi)，勻光棒和兩個(gè)擴(kuò)散片的作用是勻化激光，屏幕是為了顯示不同光反饋強(qiáng)度下散斑的狀態(tài)，而CCD相機(jī)是為了測(cè)量不同狀態(tài)下的散斑對(duì)比度。

2 ? ?試驗(yàn)結(jié)果和原因分析

關(guān)于散斑改善狀態(tài)的討論，進(jìn)一步探討激光散斑產(chǎn)生的根源。

如果定義激光的相干長(zhǎng)度為L(zhǎng)，從光學(xué)教材中可以找到其表達(dá)式：

其中，λ是激光的波長(zhǎng)，屬于激光特有的屬性，雖然會(huì)受溫度等因素的影響發(fā)生波動(dòng)，但波動(dòng)的范圍在幾個(gè)納米以內(nèi)，不會(huì)對(duì)L造成明顯影響。因此可以得出結(jié)論，激光的相干長(zhǎng)度與其光譜寬度Δλ成反比的關(guān)系。同LED、氙燈以及白熾燈等光源相比，激光的光譜寬度要窄很多，因此激光具有較大的相干長(zhǎng)度，是激光光源容易產(chǎn)生散斑的根本原因。合理的光反饋強(qiáng)度之所以能夠改善散斑，是因?yàn)槠淠軌蛘箤捁庾V，減弱激光自身的時(shí)間相干性。

光反饋調(diào)制光譜寬度機(jī)制主要是自混合干涉效應(yīng)。隨著光反饋強(qiáng)度的不斷增強(qiáng)，激光輸出狀態(tài)由穩(wěn)定態(tài)經(jīng)歷倍周期到達(dá)混沌態(tài)。混沌態(tài)也稱相干塌陷態(tài)，處于此狀態(tài)下的激光光譜急劇展寬變?yōu)槎嗫v模模式。但是當(dāng)反饋強(qiáng)度達(dá)到一定水平并繼續(xù)增加時(shí)，激光輸出又從混沌態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)，激光器也由多縱模模式變?yōu)榉€(wěn)定的單模輸出，光譜寬度隨之收窄。

3 ? ?結(jié)語

散斑問題是制約激光顯示發(fā)展的一個(gè)重大難題，對(duì)散斑抑制的研究意義重大。文章突破傳統(tǒng)散斑抑制的思路，嘗試采用光反饋的方式降低散斑對(duì)比度，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證。最終的試驗(yàn)結(jié)果表明，合理的光反饋強(qiáng)度可以有效降低散斑對(duì)比度，甚至達(dá)到人眼可分辨的極限，為散斑的改善提供了一個(gè)新的途徑。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步表明，半導(dǎo)體激光器的散斑特性與其自身的相干性有著本質(zhì)的關(guān)聯(lián)，通過擴(kuò)寬激光譜線寬度來減弱其相干特性，可能成為根本上改善散斑問題的一個(gè)重要突破口。

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Abstract：Speckle is the inherent characteristic of semiconductor lasers. With the development of laser applications， laser speckle has become an important research topic in the field of optoelectronics. In some areas， speckle is used as the advantage of laser. But in the field of laser display， speckle affects the image quality， and necessary measures are needed to suppress it. In this paper， the mechanism of speckle generation in laser display field is discussed firstly. Secondly， the methods to restrain the laser speckle commonly used in laser display field are introduced. Finally， the idea of speckle suppression by optical feedback method is proposed. The experimental process， speckle evaluation method and data analysis results are introduced in detail. The final results show that the contrast of laser speckle can be suppressed to 0.04 by using optical feedback method， which is also the visual limit for human eyes to distinguish speckle.

Key words：semiconductor lasers; laser display; laser speckle; optical feedback