光电显示技术_激光显示技术

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1、目 录 1. 绪论 2. 阴极射线管(CRT)显示技术 3. 液晶显示器件 4. 发光二极管(LED)显示技术 5. 等离子显示器件 6. 激光显示技术 7. 新型光电显示技术 8. 大屏幕显示技术 光 电 显 示 技 术 光 电 显 示 技 术 第6章 激光显示技术 (Laser projection display LPD) 6.1 激光基本知识 6.1.1 激光技术简介 6.1.2 激光的特性 6.1.3 常用激光器 6.2 激光显示器件 6.2.1 激光显示原理 6.2.2 常用激光显示器件 6.2.3 激光显示技术展望 l习题六 6.1 激光基本知识 6.1.1 激光技术简介 激光译

2、自英语Laser。即为光的辐射放大。激光 辐射具有一系列与普通光不同的特点，直观地观察 ，激光具有高定向性、高单色性或高相干性特点。 用辐射光度学的术语描述，激光具有高亮度特点； 用统计物理学的术语描述，激光则具有高光子简并 度特点；从电磁波谱的角度来描述，激光是极强的 紫外线、可见光或红外线相干辐射，且具有波长可 调谐（连续变频）等特点。 第6章 激光显示技术 1. 光波的调制 所谓光波调制，是指改变载波（光波）的振幅、强 度、频率、相位、偏振等参数使之携带信息的过程。 光频载波调制和无线电载波调制在本质上是一样的， 但在调制与解调方式上有所不同。 在光频区域多用于强度调制和解调，而在无线电

3、频段 则很少使用这种调制和解调方式。 在光频段还常使用偏振调制，并且很容易实现，而在 无线电频段，这种调制几乎不可能实现。 因此，光频调制有其特殊性。它在光通信、 光信息处理、光学测量以及光脉冲发生与控制等许多 方面有越来越多的应用。 第6章 激光显示技术 实现光调制的方法：按其调制机理的不同可划分为激 励功率调制、吸收调制、声光调制和电光调制等，见 表6.1。 调制方式 调制方法调制机理 内腔调制电光调制电光效应（普科尔、克尔效应） 外腔调制 声光调制声光效应（拉曼、布拉格衍射效应 磁光调制 磁光效应（法拉第、电磁场移位效应 ） 其它调制机械振子、运动（调制盘）等 直接调制电源调制用激励功率

4、改变激光输出功率 表6.1 光调制分类 第6章 激光显示技术 2. 电光调制 电光调制的物理基础是电光效 应。电光效应是指物质的折射率因外加电 场而发生变化的一种效应，常用的电光效 应有线性电光效应和二次电光效应两种。 线性电光效应又称普克尔（Pockel）效应 ，它表现为折射率随外加电场呈线性变化 ；二次电光效应又称科尔（Kerr）效应， 它表现为折射率随外加电场平方成比例变 化。 第6章 激光显示技术 3. 声光调制 超声波是一种弹性波，超声波在介 质中传播时，将引起介质密度呈疏密交替地变 化，其折射率也将发生相应的变化。这样对于 入射光波来讲，存在超声波场的介质可以视作 一个超声光栅，光

5、栅常数等于声波波长。入射 光将被光栅衍射，衍射光的强度、频率和方向 都随超声场而变化，声光调制器就是利用衍射 光的这些性质来实现光的调制和偏转的。 第6章 激光显示技术 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 超声光栅在空间是移动的，介质折射率的增大和减小是交替 变化的，并以声速向前推进。折射率的瞬时空间变化可以用 式（6-1）表示，即 (z,t)=sin(st-ksz) （ 6-1） 式6-1 s中为声波的角频率； ks为声波的波数。 驻波形成的位相光栅是固定在空间的，可以认为是两个相向 行波叠加的结果，介质折射率随时间变化的规律为 (z,t)=2sinstsinksz （6

6、-2） 在一个声波周期内，介质出现两次疏密层结构。在波节处介 质密度保持不变，在波腹处折射率每半个声波周期变化一 次。作为超声光栅，它将以频率2f，即声波频率的2倍交替 出现。 第6章 激光显示技术 4. 调Q技术 调Q技术的目的是获得窄的巨脉冲。 5. 锁模技术 调Q技术所能获得的最窄脉宽约为10-9 s量级 ，而在非线性光学、受控核聚变、等离子体诊断、高精 度测量等领域中，往往需要宽度更窄的脉冲（ 10-15 10-12 s）。锁模技术就是获得超短脉冲的一种技术。 6. 选模技术 激光器通常是多模振荡，包括多纵模和多横 模。前者按频率区分模数，后者按空间区分模数。尽管 谐振腔对纵模和横模都

7、有限制作用，但是在有些场合， 如要求提高相干长度时，仍然是不够的。这就需要进一 步选模，即选择特定的模式允许振荡，按频率和空间区 分的模数同时尽可能减小。极限情况下，则要求单波型 ，即单一频率、单一空间波型振荡。 第6章 激光显示技术 7. 稳频技术 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变 化。 激光的特点之一是单色性好,即其线宽与频率 的比值/很小。但由于各种不稳定因素的影响,实际 激光频率的漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测 量、光频标、光通信、激光陀螺及精密光谱研究等应 用领域中,要求激光器所发出的激光有较高的频率稳定 性. 频率漂移激光器通过选模获得单频率振荡后,由于 内部和外界

8、条件的变化,谐振频率仍然在整个线型宽度 内移动的现象。 第6章 激光显示技术 6.1.2 激光的特性 第6章 激光显示技术 2. 单色性和时间相干性 3. 高亮度和光子简并度 1. 高方向性（高定向性）和空间相干性 6.1.3 常用激光器 激光按其产生的工作物质的不同可分为 气体激光器、固体激光器、半导体激光器、液体 激光器、化学激光器和自由电子激光器等。 1. 气体激光器 气体激光器又可分为原子、分子、离子气 体激光器3大类。原子气体激光器中，产生激光作 用的是没有电离的气体原子，其典型代表是氦氖 激光器。分子气体激光器中，产生激光作用的是 没有电离的气体分子，分子激光器的典型代表是 CO2

9、激光器、氦分子（N2）激光器和准分子激光 器。离子激光器的典型代表是氩离子（Ar+）和氦 镉（He-Cd）离子激光器。 第6章 激光显示技术 气体激光器有以下特点： （1）发射的谱线分布在一个很宽的波长范围内，已经观测 到的激光谱线不下万余条，波长几乎遍布了从紫外到远红 外整个光谱区。 （2）气体工作物质均匀性较好，使得输出光束的质量较 高。 （3）气体激光器很容易实现大功率连续输出，如CO2激光 器目前可达万瓦级。 （4）气体激光器还具有转换效率高、工作物质丰富、结构 简单和器件成本低等特点。由于气体原子（分子）的浓度 低，一般不利于做成小尺寸大能量的脉冲激光器。 由于气体激光器具有以上优点

10、，已经被广泛 应用于准直、导向、计量、材料加工、全息照相以及医 学、育种等领域。 第6章 激光显示技术 2固体激光器 固体激光器是将产生激光的粒子掺于固体 基质中。工作物质的物理、化学性能主要取决于基 质材料，而它的光谱特性则主要由发光粒子的能级 结构决定，但发光粒子受基质材料的影响，其光谱 特性将有所变化。固体工作物质中，发光粒子（激 活离子）都是金属离子。 第6章 激光显示技术 固体激光器的突出特点是：产生激光的 粒子掺于固体物质中，浓度比气体大， 因而可获得大的激光能量输出，单个脉 冲输出能量可达上万焦耳，脉冲峰值功 率可达10131014 W/cm2，因固体热效应 严重，连续输出功率不

11、如气体高。但是 固体激光器具有能量大、峰值功率高、 结构紧凑、牢固耐用等优点，已广泛应 用于工业、国防、医疗、科研等方面。 第6章 激光显示技术 3半导体激光器 半导体激光器是以半导体为工 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。半导体激光 器有超小型、高效率、结构简单、价格 便宜等一系列特点。在光纤通信、激光 唱片、光盘、数显等领域有广泛应用。 第6章 激光显示技术 4液体激光器 液体激光器可分为两类：有机化合 物液体（染料）激光器（简称染料激光器） 和无机化合物液体激光器（简称无机液体激 光器）。虽然都是液体，但它们的受激

12、发光 机理和应用场合却有着很大的差别。染料激 光器已获得了广泛的应用，已发现有实用价 值的染料约有上百种，最常用的有若丹明6G 、隐花青、豆花素等。 第6章 激光显示技术 染料激光器的特点如下： （1）激光波长可调谐且调谐范围宽广，它的辐 射波长已覆盖了从紫外321 nm至近红外1.3 m 谱线范围，一些染料激光波长连续可调范围达 上百纳米。 （2）可产生极短的超短脉冲，脉冲宽度可压缩 到31015s 。 （3）可获得窄的谱线宽度，线宽可达6105 nm ，连续染料激光可达106 nm。 第6章 激光显示技术 5化学激光器 化学激光器是基于化学反应来建立粒子反转 的，如氟化氢（HF）、氟化氘（

13、DF）等化学激光器。化 学激光器的主要优点是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。在某些化学反应中可获得很大的能量， 因此可得到高功率的激光输出。这种激光器可以作为激 光武器用于军事领域。 6自由电子激光器 自由电子激光器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，因此它的 辐射波长可以在很宽的范围内（从毫米波直到X光）连续 调谐，而且转换效率可达50。 第6章 激光显示技术 光 电 显 示 技 术 图6.2 激光波长覆盖范围 图6.2表示出了各类激光器的波长覆盖范围 6.2 激光显示器件 图6.3 显示技术的4

14、个发展时代 在北京第29届奥林匹克运动会开幕式中，有一段激光背景表演，以 蓝色为主色调，并有红、黄色激光穿插其间，激光还在背景台上打出了游 动的鲸鱼，缶声阵阵加上闪烁的激光，瞬间将鸟巢变为璀璨的银河， 激光显示技术向中国和世界呈现了一场美轮美奂的激光舞台艺术魅力。 第6章 激光显示技术 光 电 显 示 技 术 l激光具有单色性好、方向性好和亮度高等优点，用于显 示具有以下优势。 （1）激光发射光谱为线谱，色彩分辨率高，色饱和度高 ，能够显示非常鲜艳而且清晰的颜色。 （2）激光方向性好，易实现高分辨显示。（3）激光强 度高，可实现高亮度、大屏幕显示。 （4）激光可供选择的谱线（波长）很丰富，可构

15、成大色 域色度三角形，能够用来显示丰富的色彩。 u可以说激光显示是当今保真度最高的显示技术，可显示 色彩最丰富、最鲜艳、清晰度最高的视频图像。 第6章 激光显示技术 图6.4 显示技术可以显示的色彩空间 现有显示器的色彩重现能力 低，其显色范围仅能覆盖人 眼所能观察到的色彩空间的 33，而其它67的色彩空 问是数字显示技术和现在已 有的显示技术都无法重现的 ，如图6.4所示。 激光显示作为新一代 显示技术，在继承了 数字显示技术所有优 点的基础上，以高饱 和度的红、绿、蓝三 基色激光作为显示光 源，解决了显示技术 领域长期难以解决的 大色域色彩再现难题 ，其色域可覆盖接近 90人眼可识别色彩

16、，从而最完美地再现 自然色彩。 第6章 激光显示技术 现 代 显 示 技 术 第6章 激光显示技术 现 代 显 示 技 术 现 代 显 示 技 术 现 代 显 示 技 术 6.2.1 激光显示原理 激光投影显示系统包含红、绿、蓝3色的激 光光源、照明系统、光阀、投影物镜和投影屏。 如 图6.5所示，由激光出射的光束，经照明系统，均匀照 明光阀。被均匀照明的光阀经投影物镜，将光阀上的 图像，成像至投影屏上供人们观赏。人眼接收投影屏 上散射后的光束，并在视网膜上形成投影屏的图像， 这个图像才是观众观察到的图像。 图6.5 激光投影显示原理 第6章 激光显示技术 实现显示3基色激光的方案有多种，如每个激光显示器件 采用三种波长的激光二极管（Laser diodes，LD）以发出红、 绿和蓝色波长的激光，采用非线性频率变换技术的LD全固态 激光器通过腔内倍频、腔外倍频或自倍频