激光显示技术.ppt

激光显示技术 概要 激光基础知识激光显示器件 激光基础知识 激光 Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation Laser 激光技术简介光波的调制 只改变载波的振幅 强度 频率 相位 偏振等参数使之携带信息的过程 1 振幅调制 瞬时振幅 频率调制 瞬时频率 相位调制 电光调制 电光调制 电光效应指折射率因外加电场而发生变化的一种效应线性电光效应 普克效应二次电光效应 克尔效应折射率随外加电场平方成正比 声光调制 声波是一种纵向机械应力波 弹性波 若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化 使介质的折射率也发生相应的周期性变化 这样声光介质在超声场的作用下 就变成了一个等效的相位光栅 如果激光作用在该光栅上 就会产生衍射 衍射光的强度 频率和方向将随超声场而变化声光调制 就是利用衍射光的这些性质来实现光的调制和偏转的 声光调制 喇曼 奈斯衍射 布喇格衍射声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式行波 所形成的声光栅其栅面是在空间移动的 介质折射率的增大和减小是交替变化的 并且以超声波的速度Vs向前推进 超声驻波 在声光介质中 两列相向而行的超声波 其波长 相位和振幅均相同 产生叠加 在空间将形成超声驻波 声驻波形成的声光栅在空间是固定的 其相位变化与时间成正弦关系合成声波方程为 a z t a1 z t a2 z t 2Acos2 z s sin2 t Ts 声光调制 3声光调制器声光调制器是由声光介质 电声换能器 吸声 或反射 装置及驱动电源等组成 声光调制器 喇曼 奈斯型衍射或布喇格型衍射 都有两种工作方式 将零级光束作为输出 将1级衍射光束作为输出由于一个声波周期内 介质会出现两次疏密层结构 因此对于频率为fs的超声波 将产生一个频率为2fs的调制光 调Q技术 调Q技术 是为压缩激光器输出脉冲宽度和提高脉冲峰值功率而采取的一种特殊技术 这种技术的基础是一种特殊的关键元件 快速腔内光开关 一般称为激光调Q开关 或简称为Q开关 在一般的脉冲固体激光器的情况下 若不采用特殊的技术措施 脉冲激光在腔内的振荡持续时间 与光泵脉冲时间 毫秒量级左右 大致相同 因此输出激光的脉冲功率水平亦总是有限的 如果采用一种特殊的技术 使光泵脉冲开始后相当长一段时间内 有意降低共振腔的Q值而不产生激光振荡 则工作物质内的粒子数反转程度会不断通过光泵积累而增大 然后在某一特殊选定的时刻 突然快速增大共振腔的Q值 使腔内迅速发生激光振荡 积累到较高程度的反转粒子数能量会集中在很短的时间间隔内快速释放出来 从而可获得很窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出 调Q技术 最常用的方法是在共振腔内引入一个快速光开关 Q开关 它在光泵脉冲开始后的一段时间内处于 关闭 或 低Q 状态 此时腔内不能形成振荡而粒子数反转不断得到增强 在粒子数反转程度达到最大时 腔内Q开关突然处于 接通 或 高Q 状态 从而在腔内形成瞬时的强激光振荡 并产生所谓的调Q激光脉冲输出到腔外 调Q开关 转镜开关通常是将组成共振腔的一个全反射镜用一个快速马达带动进行高速旋转 只有当反射镜面旋转到与最佳起振位置重合时 腔内才形成一个损耗最低的往返振荡回路 从而产生瞬时强激光振荡 下图给出了转镜调Q激光器工作原理示意图 转镜调Q是人们最早发明的一种调Q方法 优点 开关装置坚固耐用缺点 机构比较复杂 调Q稳定性较差 调Q开关 电光开关利用某些压电晶体 如KDP LiNbO3等 的线性电光效应而制成偏振开关元件 使得其只有在瞬时施加 或去掉 外界控制电场情况才处于接通状态 从而可起到Q开关作用 优点 开关速度快 控制精度高 调Q开关 饱和吸收染料开关某些染料媒质具有突变的吸收饱和特点 亦即当波长处于其吸收峰附近入射光信号较弱时 染料媒质对入射光呈现出非常明显的吸收趋势 相当于处于 关闭 状态 当入射光信号增强到一定程度时 染料媒质对入射光突然呈现出明显的吸收饱和趋势 相当于近似透明的 接通 状态 利用该特点 可将它们置于共振腔内起到调Q开关的作用 在光泵脉冲开始后的一段时间内 工作物质的初始受激发射信号较弱 染料开关处于关闭状态 当工作物质粒子数反转程度达到最大 受激发射光强增大到足以使染料开关处于吸收饱和状态 或称为 漂白 状态 从而在腔内接通振荡回路并形成调Q激光输出 染料调Q开关的优点是装置简单 成本低 缺点是光化学稳定性较差 调Q重复性精度不高 锁模技术 锁模技术 指在激光器内不同振荡纵模之间实现位相锁定 以期获得规则的超短脉冲序列的专门技术 在不采用特殊的附加技术的一般情况下 在激光工作物质增益线宽内往往会产生多个或大量纵模的同时振荡 如果激光工作物质的增益带宽主要是由自发辐射过程的非均匀增宽机制所决定 则上述多个不同纵模的振荡可以彼此独立地发生 它们相互之间的位相关系对时间来说是随机变化的 彼此之间不能产生持续的相干作用 与此相应 输出激光实际上是由一系列不规则的宽度较宽而高度较低的杂乱脉冲组合而成 这是由于大量频率不同而位相关系随机改变的电磁场 拍频 作用的结果 图a 锁模技术 如果通过采取某种特殊的方法 使得在共振腔内不同的振荡纵模之间建立起确定的 锁定 的 相对位相关系 则它们之间的振荡就不再是彼此无关的 而必然伴随着一种多纵模间的相干作用效果 图b 众多纵模之间保持同步振荡和彼此之间相互 干涉 作用的结果 导致输出激光呈现为一系列规则的脉冲系列 该序列中每个单独光脉冲的时间宽度 由维持同步振荡的不同纵模的数目所决定 并且在数值上约等于相邻纵模频率间隔与上述振荡纵模数相乘积倒数 锁模技术 锁模技术 为实现激光纵模之间的位相锁定 可分别采用以下两种方法 主动锁模在腔内置入适当的损耗调制元件 如声光调制元件或电光调制元件 并使调制的频率v 正好等于由共振腔所决定的相邻纵模频率间隔 v 2L 为光速 L为腔长 被动锁模实验研究表明 将可饱和吸收染料媒质置于激光共振腔技术内 不但可起到调Q开关 见激光调Q技术 的作用 而且在一定的条件下 他们亦可起到锁模的作用 锁模技术 采用调Q技术 可使激光输出脉冲时间压缩到10 8 10 9秒量级 若进一步采用锁模技术 则可获得更精细的规则脉冲序列 其中每个单脉冲的持续时间可压缩到只有10 11 10 12秒量级或更短 选膜技术 激光的优点在于它具有良好的单色性 方向性和相干性 理想的激光器输出光束应该只有一个模式 但是对于实际的激光器 如果不采取模式选择 它们的工作状态往往是多模的 含有高阶模式横模的激光束光强分布不均匀 光束发散角大 含有多纵模及多横模的激光器单色性及相干性差 在激光准直 激光加工 非线性光学 激光远程测距等领域都需要基横模激光束 在精密干涉测量 光通讯及大面积全息照相等应用中更要求激光是单横模和单纵模光束 因此 设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是一个重要课题 纵模的选择 一般的谐振腔中 不同的纵模具有相同的损耗 因而进行模式鉴别和选择时应可以利用不同纵模的不同增益 同时 也可以引入人为的损耗差 腔内插入F P标准具法 调整F P标准具的参数 使得在增益线宽范围内 只有一个透射峰 同时在一个透射峰谱线宽度范围内只有一个模式起振 则可以实现单纵模工作 即选模条件为 1 选择合适的标准具光学长度 使标准具的自由光谱范围与激光器的增益线宽相当 使在增益线宽内 避免存在两个或多个标准具的透过峰 2 选择合适的标准具界面反射率 使得被选纵模的相邻纵模由于透过率低 损耗大而被抑制 横模的选择 在稳定腔中 基模的衍射损耗最小 随着横模阶次的增高 衍射损耗将迅速增加 为了提高模式的鉴别能力 应该尽量增大高阶模式和基模的衍射损耗比 同时 还应该尽量增大衍射损耗在总损耗中占有的比例 衍射损耗的大小及模鉴别能力的值与谐振腔的腔型及菲涅耳系数有关 稳频技术 一般而言 激光振荡频率的漂移式变化 是由于共振腔的等价腔长 光程长度 的漂移变化所引起的 因此 为稳定激光的振荡频率 首先应保证几何腔长和腔内各固定元件的机械稳定性 并同时保证器件运转环境和有关物理参量 特别是温度和腔内通光媒质的折射率 的稳定 稳频技术 误差信号监测装置 该装置的作用是监测输出激光频率变动并给出与偏移量成正比的光电误差信号 法布里 珀罗干涉仪 频谱分析仪 具有固定窄吸收峰的饱和吸收媒质以及具有稳频本机振荡器的光学外差接收器等装置 均可起到上述监测作用 误差信号反馈放大装置 通常为一组电子线路 其功能是将误差信号以电信号形式加以检测放大 然后反馈输入到自动校正装置 稳频技术 频率自动校正装置 激光振荡频率的严格数值是由共振腔光学长度所决定的 因此当实际振荡频率偏离预定的数值时 由反馈系统输入的误差信号可通过压电作用调整共振腔反射镜的前后位置以改变几何腔长 或者通过线性电光效应改变置于腔内的电光晶体的折射率 相当于改变腔的光程长度 使激光振荡频率向相反的方向发生变动 以抵消已产生的偏差影响 从而可保持实际激光振荡频率的自动稳定控制 激光的特性 1 高方向性 高定向性 和空间相干性激光器输出的平面发散角等于光束的衍射角q q 1 22l D立体发散角W W l D 2光束传播L距离后 光束直径将增加为WL L q 激光的特性 光的相干性 空间相干性和时间相干性空间相干性 横向相干性横向相干长度 D D2相干l q相干截面S相干 D相干测量激光定向性 打靶法 套孔法 光契法 圆环法 激光的特性 2 单色性和时间相干性 以激光辐射的谱线宽度表征单色性越高 相干时间越长 相干 1 相干长度 在相干时间 相干内传播的最大光程L相干 相干 c c 激光的特性 3 高亮度和光子简并度光源的单色亮度B B P S 立体角 射频宽度 光源的元面 光功率 单色亮度 激光的特性 光子简并度 处于同一光子态的光子数n P 2h 2 S n B 2h 2 常用激光器 1 气体激光器 原子气体激光器 没有电离的激光器 氦氖激光器分子气体激光器 CO2激光器 N2激光器 准分子激光器离子气体激光器 氩离子激光器 Ar 氦镉激光器 He Cd 常用激光器 气体激光器的特点 发射的谱线分布在一个很宽的波长范围内 紫外到远红外整个光谱范围 气体工作物质均匀性好 输出光束质量好很容易实现大功率 CO2可达万瓦级转换效率高应用 准直 导向 计算 材料加工 全息照相 医学 育种 固体激光器 将产生激光的粒子掺杂于固体基质中 工作物质的物理 化学性质主要取决于基质材料 光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定 半导体激光器 半导体激光器 以半导体为工作物质的激光器 常用的半导体激光器材料是CaAs 砷化镓 CdS 硫化镉 PbSnTe 碲锡铅 等 液体激光器 液体激光器 有机化合物液体 染料 激光器 染料激光器 若丹明6G 隐花青 豆花青1 调谐范围广2 可产生极短的超短脉冲 脉冲宽度可压缩到3x10 15s3 可获得窄的谱线宽度 线宽可达6x10 6nm连续染料激光可达10 6nm无机化合物液体激光器 化学激光器 基于化学反应来建立的粒子反转的 如氟化氢 HF 如氟化氘 DF 优点 能把化学能直接转换成激光能 不需要外加电源或光源作为泵浦源 在缺乏电源的地方能发挥其特长 自由电子激光 不是利用原子或分子受激辐射 而是利用电子运动的动能转换为激光辐射的 辐射波长可以在很宽的范围内调谐 转换效率高达50 激光显示器件 液晶和等离子显示的杀手激光显示原理 激光光源 照明系统 投影物镜 光阀 投影屏 激光投影显示原理 激光显示原理 三基色 1 红 绿 蓝三种波长的激光二极管2 采用非线性变频技术 腔内倍频 腔外倍频 自倍频 高功率全固态绿光激光器 KTP OPO BBO SHG KTP SHG 461nm 628nm 532nm 激光显示器的特点 体积小亮度高 颜色鲜艳制造工艺简单功耗低显示速度快视角范围广显示颜色丰富造型灵活影响激光显示质量的因素主要有 1 激光束的纯度和长度2 激光控制阀门和控制激光偏转的效率与速度 常用激光显示器件 激光背投电视机激光前投电影放映机激光空间成像投影机 激光背投电视机 原理与CRT显示相似 激光束从上到下 从左到右进行扫描水平偏转 行扫描 通过反映头中的一个多面旋转镜实现垂直偏转 帧扫描 通过一个倾斜镜实现 激光背投电视机 信号 放大 单色激光发射器 输入 驱动 激光发射控制器 激光阀门 屏幕 特点 激光功率足够大 亮度就可以很高激光束足够细 显示分辨率可以非常高提高控制阀门的控制速度 可以得到很高的刷新率 激光电视机 激光电视机的3种光线处理方式 1 激光扫描技术 扫描技术需要很精细的镜片加工和装配2 阵列激光技术 将 三色激光分别做成大规模的阵列 通过硅片加工技术将成本大幅度的降低3 激光光纤导入技术 通过光纤导入一个扩散器 使得激光的面积成百倍放大 重新适当聚焦后 投射到成像元件上成像输出 激光前投电影放映机 激光电影放映机 激光投影机都与普通的头技术类似 只是将汞灯泡换成激光器全色激光放映机 投影机是一种体积小 画面大 与 色彩还原能力相当的前投型显示器 红色信号 绿色信号 蓝色信号 放大 放大 放大 激光控制器 激光控制器 激光控制器 红色激光