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1、2016年度秦皇岛市科学技术进步奖推荐项目公示项目名称：基于PPLN光学芯片微型绿光泵浦的多芯合束相干集成的高功率光纤激光器推荐单位：燕山大学项目简介：激光显示技术远优于现有的液晶和等离子体显示技术，凭借其高亮度、小体积、大屏幕、以及低成本和低能耗等优势，取代液晶和等离子体显示器而成为新一代显示器的主流。蓝绿光激光器有很多方面的应用，例如海底通信、生物医学仪器、环境监测等，专注于大屏幕背投电视（4070英寸）、前投影仪（大于70英寸）、液晶显示电视的背光源，以及便携手持电子设备的微型投影显示器这一巨大市场。与等离子体、液晶等其它现有的显示技术相比，激光显示技术在亮度和色域方面有着无可比拟的优越
2、性，然而激光显示器的推广和应用需要体积小，成本低的红绿蓝（RGB）激光器。现今，市场上虽然已有微型低成本的红光和蓝光半导体激光器，但是绿光半导体激光器却不存在。绿光需通过高效率的非线性光学芯片或者晶体，把由红光半导体激光器激发固体激光物质所发出的近红外光进行倍频转换而获得，即二极管泵浦固体（以下简称为DPSS）激光器技术。作为非线性光学芯片，要求它可以把泵浦光高效率地转换为绿光，并且无光损伤以及光、热的损耗。现今用于绝大多数DPSS激光器都是基于由KTP（磷酸氧钛钾晶体）和LBO（三硼酸锂）制成的非线性光学晶体。然而，缘于其低效率、低输出功率以及伴随的热问题，基于KTP和LBO的绿光激光器非常
3、昂贵且体积太大，无法满足激光显示的要求。采用周期性极化同成分掺氧化镁铌酸锂光学芯片（以下简称为PPLN光学芯片）以实现低成本的小型蓝、绿光激光器。这些光学芯片可以克服KTP和LBO晶体的固有缺陷，实现更好的性价比，从而使激光显示器在从大屏幕背投激光电视到袖珍个人便携式投影仪等领域的广泛应用成为可能。目前在世界激光学术界普遍认为基于PPLN光学芯片的绿光激光器是解决小型低成本绿光显示光源难题的唯一技术方案。如何得到超低成本PPLN光学芯片成为关键问题，以及已开发的基于PPLN光学芯片的微型/小型蓝、绿光激光器技术，迅速展开100毫瓦-3瓦蓝、绿光激光器的生产。基于同成分掺氧化镁铌酸锂的PPLN化
4、光学芯片是制造低成本高性能绿光激光器的最佳选择。PPLN 光学芯片具有很高的转换效率，这意味着它们只需要低泵浦功率。这一特性解决了困扰DPSS激光器的散热和能耗问题。而且已经通过实验证明我们的PPLN 光学芯片在所有公布的数据中具有最佳的性能，高均匀度的极化已经取得其效率为理论极限值，即4 % /Wcm。同时，该PPLN 光学芯片不会产生光损伤，这对于基于KTP晶体的芯片来说正是一个关键性的障碍。以此作为泵浦源，基于多芯微结构光纤特有的对光控制特性，利用相干合束的集成办法，实现高功率高光束质量绿光输出，实现更好的性价比，从而使激光显示器在从大屏幕背投激光电视到袖珍个人便携式投影仪等领域的广泛应
5、用成为可能。主要完成单位及创新推广贡献：以燕山大学河北省特种光纤实验室为依托，完成了多芯光纤的集成拉制和检测；以燕山大学材料学院纳米材料国家实验室为依托，完成PPLN晶体生长前的主要工艺测试；以燕山大学信息与工程学院为依托，完成激光器测试、光纤焊接和激光器热处理的研发工作。此项目的核心工作基本都是在燕山大学及燕山大学科技园完成，综上所述，燕山大学作为第一完成单位当之无愧。燕山大学与鞍山山大激光科技有限公司合作初始阶段，为了快速建立核心技术生产线，集中资金于具有技术优势的核心生产流程，尽快将产品投放市场，专注于PPLN光学芯片的极化和微型/小型绿光激光器的封装。对晶体极化和封装以外的标准流程将采
6、取外包的方式进行加工生产。将积极研发微型/小型绿光激光器的核心技术，并逐步开展PPLN光学芯片的加工工艺以适应大规模批量生产。同时还要升级发展3英寸、4英寸的晶圆加工工艺，最终达到6英寸晶圆的加工工艺水平。基于多芯微结构光纤特有的对光控制特性，利用相干合束的集成办法，实现高功率高光束质量绿光输出，实现更好的性价比，此激光器及其成套加工设备的研发生产，推动民族装备制造业水平提升，让高性能的激光显示系统服务于国家建设。预计培养专业熟练工、流水线人员、电脑操作员、技工、部分管理人员和应届大学生实习等。培养人才的前提下提高员工素质，为社会增加正能量的输入。推广应用及经济社会效益情况：与等离子体、液晶等
7、其它现有的显示技术相比，激光显示技术在亮度和色域方面有着无可比拟的优越性，然而激光显示器的推广和应用需要体积小，成本低的红绿蓝（RGB）激光器。现今，市场上虽然已有微型低成本的红光和蓝光半导体激光器，但是绿光半导体激光器却不存在。绿光需通过高效率的非线性光学芯片或者晶体，把由红光半导体激光器激发固体激光物质所发出的近红外光进行倍频转换而获得，即二极管泵浦固体（以下简称为DPSS）激光器技术。作为非线性光学芯片，要求它可以把泵浦光高效率地转换为绿光，并且无光损伤以及光、热的损耗。现今用于绝大多数DPSS激光器都是基于由KTP（磷酸氧钛钾晶体）和LBO（三硼酸锂）制成的非线性光学晶体。然而，缘于其
8、低效率、低输出功率以及伴随的热问题，基于KTP和LBO的绿光激光器非常昂贵且体积太大，无法满足激光显示的要求。目前在世界激光学术界普遍认为基于周期性极化铌酸锂光学芯片（即PPLN）光学芯片的绿光激光器是解决小型低成本绿光显示光源难题的唯一技术方案。这些光学芯片可以克服KTP和LBO晶体的固有缺陷，实现更好的性价比，从而使激光显示器在从大屏幕背投激光电视到袖珍个人便携式投影仪等领域的广泛应用成为可能。而我们的PPLN光学芯片由周期性极化同成分掺氧化镁铌酸锂制成，较竞争对手相比，能够以非常低廉的成本价格生产高性能的PPLN光学芯片，并基于该PPLN光学芯片可开发出低成本的微型/小型绿光激光器。目与
9、鞍山山大激光科技有限公司合作开发了功率为0.1-1瓦的绿光激光器样机，具体如图1所示，已经完成100毫瓦-3瓦绿光激光器和0.1-1瓦的蓝光激光器的开发，分别应用于微型投影仪和激光背投电视。图1：基于PPLN光学芯片的0.1瓦和1瓦的绿光激光器原型首先，完成小型绿光激光器产品化，并建立一条具有自主知识产权的绿光激光器生产线，迅速生产100毫瓦、1-3瓦这几个级别的低成本小型蓝、绿光激光器，以及完成0.1瓦、0.5瓦和1瓦蓝光激光器的开发和定型，分别瞄准个人手机投影、便携式投影仪和激光电视市场。并凭借核心专利技术优势，积极扩大生产规模，以大量高性能低成本产品，迅速扩大激光显示器市场份额，进一步成
10、为激光显示器领域中蓝绿光激光器的主要供应商。下一步，将基于蓝绿光激光器的核心技术，进行激光电视等激光显示器产品的技术整合和生产开发，最终实现激光显示器产业链的全面发展。鞍山山大激光科技有限公司为了快速完成产品开发，集中资金于具有技术优势的核心生产流程，尽快将产品投放市场，我们将专注于小型蓝绿光激光器的封装，对封装以外的标准流程将采取外包的方式进行加工生产。工程机将于2011年投入市场，在2012年小批量产品上市，在2013年实现大规模的产品批量生产。公司在项目第一阶段的主要产品是小型化100毫瓦、1瓦和3瓦绿光激光器以及0.1瓦-1瓦的蓝光激光器。100毫瓦绿光激光器：100毫瓦绿光激光器将在
11、项目启动后4个月内推出样机产品，911个月内完成生产线的建立，并开始产品的小批量生产，1723个月内实现产品的中批量生产；最终在项目启动的3036（即第3年）实现产品的大批量生产。3瓦绿光激光器：3瓦绿光激光器将在项目启动后的5个月内推出产品样机，1113个月内完成生产线的建立，并实现小批量生产，2025个月内实现中批量生产，3338个月内实现大批量生产。销售作为激光显示器核心部分的绿光激光器，其高昂的生产成本成为限制商业生产和应用的瓶颈，从而造成了现有激光显示终端电子消费产品的市场空白。虽然目前国内外市场上出现了基于KTP/LBO晶体的绿光激光器，但技术上的落后和性能上的缺陷将严格限制在电子
12、消费商品上的应用；所以即将被基于PPLN芯片技术的产品所淘汰。通过我们所拥有的PPLN核心芯片设计技术，突破了长期的固有瓶颈，能够迅速推动世界范围的激光显示器产品的商业生产和应用；市场前景无限。在个人手机投影仪领域，韩国三星在CES2009展会上推出的基于LED光源的投影仪手机受到广泛注目，并已开始在全球销售；它标示了手机发展的方向，即突破手机固有的屏幕尺寸限制进入投影仪时代。而通过我们生产的微型绿光激光器产品，将首次真正实现手机投影仪的广泛使用。目前国内外投影仪和手机厂商急需我们的微型绿光激光器产品。我们已经与他们进行商业洽谈，最终结成商业合作伙伴。在激光电视领域，三菱已于2008年12月在
13、美国推出了激光电视样机，代表了下一代显示器发展的最终趋势。但目前高昂的绿光激光器生产成本限制了商业生产和应用。事实上正因为这个瓶颈，造成了三菱在美国只限于激光电视样机的销售，未达到小批量生产水平。通过我们的0.1-3瓦绿光激光器和0.1-1瓦的蓝光激光器的推出，凭借成本的巨大优势，迅速实现激光电视的商业生产和应用。综上所述，核心技术的专利和产品成本的巨大优势将为我们带来巨大商机，我们的产品将迅速弥补现有市场的空白。事实上，目前产品的需求量远远超过我们的产能。在目标市场中确定了一些潜在客户并与之进行了接触。如表1所示，这些客户可以大致分为2类，具体如下：（1）面向终端用户的系统制造商:这些公司包
14、括了全球领先的电子消费产品生产商如三菱（日本）、索尼（日本）、三星（日本）和海信（中国）；以及显示器厂商如爱普生（日本）（参见表1）这些公司大部份是纵向型的，拥有着跨越从组件到子系统及系统的价值链，注重于给终端用户提供最佳解决方案。对于这些公司来说，山大公司可以看作是战略伙伴和核心组件的提供者。继2008年三菱公司的激光背投电视的公布于世以来，预计更多的电子消费品厂商如索尼、日立、夏普、三星及松下等公司都会在2009年推出各自的相关产品。此外，中国的电子消费品制造商，如海信在中国具有很强的品牌知名度和市场份额。虽然作为技术的追随者与国际同行相比缺少纵向一体化，他们也会挤入激光显示这以一巨大市场
15、，因为他们与日本和韩国的技术领先的公司相比在成本上拥有显著的优势。目前，我们已与日本的三菱公司密切合作共同开发用于大屏幕背投影电视的核心PPLN光学芯片。此外与中国的海信公司、美国的康宁公司也进行了讨论。表1: 潜在客户公 司 名 称商 业 领 域产 品特 征三菱（日本）电子消费品背投影电视拥有领先科技索尼（日本）电子消费品背投影电视拥有领先科技夏普（日本）电子消费品背投影电视和液晶显示器日立（日本）电子消费品背投影电视和液晶显示器三星（韩国）电子消费品液晶显示器海信电子消费品背投影电视低成本制造商Microvisio（美国）显示器微型投影仪用于手机和PDA的集成投影仪爱普生（日本）显示器微型
16、投影仪Explay（以色列）显示器微型投影仪（2） 新兴的投影仪和系统制造商：目前存在众多的新兴制造商，特别是在激光显示器领域，希望通过创新的技术和产品来争取新的市场机遇。这一类的公司举例如下：v MICROVISION（美国）：应用激光技术开发和展示了微型激光投影仪。正在寻求低成本微型绿光激光器以抢占手机激光投影仪市场。v Explay（以色列）：运用激光和LED显示器技术，开发和展示了微型高性能Nano投影仪；针对独立分体式和集成一体式投影仪推广其应用。由于缺乏低成本微型/小型绿光激光器，在Explay的第一代Nano投影仪中，只好暂时用绿光LED代替绿光激光器。首先，充分运用PPLN光学芯片和微型/小型绿光激光器的核心生产技术，建立一条具有自主知识产权的光学芯片及微型/小型绿光激光器生
