基于RGB三基色半导体激光的高功率白激光光源

田景玉， 张 俊， 彭航宇， 王 威， 雷宇鑫， 王立军

(1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033； 2. 中国科学院大学， 北京 100049)

1 引 言

白激光光源作为一种高效和颜色稳定的固体白色光源，在激光照明和激光显示领域具有广阔的应用前景。与LED光源相比，激光光源不存在严重的“效率骤降”[1-2]问题，可获得非常高的输出功率[3-4]。同时具备体积小、工作寿命长、性能稳定、显色性好等优点[5-8]，是新一代的理想照明光源[9-10]和显示光源[11-16]。

合成白色激光光源主要有以下3种方法：(1)红、绿、蓝(RGB)三基色激光混合合成；(2)短波长激光激发RGB三原色荧光粉合成；(3)蓝光激光激发黄色荧光粉合成。目前，多数采用第2种和第3种方法，主要是因为通过激光激发荧光粉合成白光光源的结构简单，工艺容易实现。比如Abu-Ageel等使用405 nm/445 nm激光激发RGB三原色荧光剂获得了无散斑的RGB三色光，并通过合束获得白色激光[17];Ledru等采用蓝光激光二极管激发远距离处荧光粉的方法实现了色温为4 000 K、显色指数接近95的白光输出[18]。罗智田以450 nm半导体激光器激发YAG黄色荧光粉获得光通量为139.5 1m、显色指数为61.2、色温为7 266 K的白光输出[19]。但是这些方法都存在荧光粉产生的斯托克斯损耗，且由于其不是激光直接光源合成，显色性较差。

基于RGB三基色激光合成白激光光源直接采用功率高、颜色纯正的激光器件，通过合束方式实现白激光输出，不存在荧光粉产生的斯托克斯损耗，电光转换效率更高，且容易获得高功率、高亮度的白光输出[20]。更重要的是其继承了激光器单色性稳定的特点，显色指数高，可以真实呈现客观世界中丰富多彩的颜色，覆盖颜色达90%以上[21-24]。颜博霞等采用红绿蓝三基色组成的激光光源进行了颜色配比研究，并由光纤组束，获得了色温略低于理论值15%的激光输出[23]，但其绿色光源采用的是固体倍频绿光激光器，受限于这种类型激光器本身的特性，相干性太强，容易产生散斑[25-27]，因而影响照明或显示效果。

本文基于RGB三基色半导体激光器件，通过空间合束、波长合束等，三基色光耦合进单光纤，光纤输出合束光功率超过100 W，根据色度学原理进行颜色功率配比，获得了功率达63 W、色温为5 710 K的白光输出，与标准白光D65相比色温偏差小于12.2%。在此基础上，调整红色激光输出功率，获得了功率为58.4 W、色温为6 480 K的白光输出，与标准白光D65相比色温偏差小于3.08%。在本结构中，可以通过调整激光功率配比实现不同的显示效果。

2 实 验

2.1 RGB三基色激光的特性

根据文献[28-34]所述RGB激光波长选取方法，采用商用TO封装的红、绿、蓝三基色半导体激光单元器件，其功率及效率特性如图1所示。图1(a)为红光激光单元输出特性，在电流为0.9 A时，输出功率达到0.88 W，效率为43.2%。图1(b)为绿光激光单元输出特性，在电流为1.6 A时，输出功率达到1.13 W，效率为14.6%。图1(c)为蓝光激光单元输出特性，在电流为1.0 A时，输出功率达到1.4 W，效率为28.0%。

图1 红(a)、绿(b)、蓝(c)三基色激光单元输出功率效率曲线。

Fig.1 Output laser power efficiency of red(a)， green(b)， blue(c) laser beam, respectively.

基于RGB三基色激光单元合成白激光光源的结构如图2所示。每个激光单元经过准直后，由反射镜进行光路折叠和重排，实现空间合束，将多个激光单元进行空间拼接形成大的光斑，然后通过两次波长合束，将三基色光束合束成单束光，最后通过聚焦镜耦合进800 μm/0.22 NA光纤。采用被动传导水冷散热，保持热沉温度为25 ℃，采用光功率计(FL400A-BB-50，Ophir，Israel)测量输出功率，光谱分析仪(ANDO AQ6317，Yokogawa，Japan)分析出光光谱，色度计(CL-200A，Konica Minolta，Japan)测量色温和色坐标。色度测试在光照度小于1 lx的暗场环境下进行，由于合束功率过高不能直接照射色度计的探头，在此采用散射光照射的方式进行测试。为了获得高功率的合束激光和好的消散斑效果，红光采用64个激光单元合束而成，绿光采用48个激光单元合束而成，蓝光采用64个激光单元合束而成。

图2 红绿蓝三基色激光合束结构示意图

2.2 三色激光功率配比选择

根据色度学原理，混合色的亮度和色品坐标可以根据格拉斯曼颜色混合定律和CIE1931标准色度系统得到[23,28,35-36]，基于此，可以计算合成颜色所需的各基本色的功率值。

本实验设置目标为获得标准白光光源D65，其色温为6 500 K。由三基色RGB激光配成一个单位的标准白光D65，需满足的条件如公式(1)所示：

(1)

其中X、Y、Z为三刺激值，满足X/(X+Y+Z)=x，Y/(X+Y+Z)=y，Z/(X+Y+Z)=z，x、y、z为色坐标；LR、LG、LB为归一化亮度，满足LR+LG+LB=1。

本实验中，选用的638 nm红光R、516 nm绿光G、450 nm蓝光B、标准白光D65的色坐标(x，y，z)与视见函数(νλ)如表1所示。

结合公式(1)可以计算出RGB三基色光的亮度比LR∶LG∶LB，再结合视见函数公式：

(2)

表1 RGB半导体激光及标准白光的色坐标与视见函数

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———

可计算出RGB三基色激光的功率比PR∶PG∶PB=0.445∶0.348∶0.197。通过调整激光驱动电流、调节激光功率配比，使RGB三基色激光的功率比为0.445∶0.348∶0.197，以获得色温为6 500 K的白光光源D65。在实验过程中，对三基色光源分别进行光功率和色温监测，根据监测结果适时调整功率配比，实现高功率白色激光输出。

3 结果与讨论

光纤输出红光激光功率-效率曲线如图3所示，在0.9 A电流驱动时，激光连续功率为36.6 W，计算出电光转换效率为28.202%，采用色度计测得其色坐标为(0.707 1，0.287 5)。

图3 638 nm光纤耦合红光激光合束功率-效率曲线

Fig.3 Output laser power efficiency curve of 638 nm fiber coupled red laser beam

光纤耦合绿光激光功率-效率曲线如图4所示，在1.6 A电流驱动时，测得激光连续功率为33.53 W，计算电光转换效率为9.491%，测得其色坐标为(0.075 9，0.830 4)。

图4 实测516 nm光纤耦合绿光激光合束功率-效率曲线

Fig.4 Output laser power efficiency curve of 516 nm fiber coupled green laser beam.

光纤耦合蓝光激光功率-效率曲线如图5所示，在1.2 A电流驱动时，测得激光连续功率为60.9 W，计算电光转换效率为21.875%，并测得其色坐标为(0.143 0，0.016 7)。

光纤耦合RGB三色激光的输出激光光谱如图6所示，3个主峰对应的波长分别为蓝光450.2 nm、绿光516.5 nm、红光637.8 nm，各自的光谱宽度(FWHM)分别为4.8，7.7，1.0 nm。说明功率配比依照RGB波长进行计算的有效性，且输出光束继承了半导体激光器单色性稳定的特点。

图5 实测450 nm光纤耦合蓝光激光合束功率-效率曲线

Fig.5 Output laser power efficiency curve of 450 nm fiber coupled blue laser beam

图6 光纤耦合RGB三色激光的输出激光光谱

按PR∶PG∶PB=0.477∶0.334∶0.189进行功率配比，测量光纤耦合RGB三基色半导体激光输出光输出功率，实验结果如表2所示，与标准白光色温6 500 K相比，实验所得色温下降了8.92%～16%。功率输出最高达63 W，同时其色温5 710 K，与标准白光色温相比偏差小于12.2%。

表2 按计算功率配比光纤耦合RGB半导体激光输出光的特性

适时调整功率配比，降低红色激光功率，实验结果如表3所示，在PR=25.3 W、PG=21.2 W、PB=12 W时，即PR∶PG∶PB=0.432 5∶0.362 4∶0.205 1时，获得了色温为6 480 K的白光输出，接近标准白光D65的色温，结合RGB三基色激光各自的合束功率-效率曲线(图3、图4、图5)，计算其综合光电转换效率为14.31%。从表3中同样可以看出，在本光纤耦合输出结构中，通过调整单基色激光的功率可以实获得不同的色温，也就是说，本结构可以通过调整激光功率配比，实现不同的显示效果。

表3 降低红色激光功率时光纤耦合RGB半导体激光输出光的特性

在PR=25.3 W、PG=21.2 W、PB=12 W时，获得的6 480 K白光及光斑如图7所示，可以看出得到了较为理想的的白光输出。

图7 在PR=25.3 W、PG=21.2 W、PB=12 W时，获得的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 结 论

基于RGB三基色半导体激光器件，通过空间合束、波长合束等，三基色光耦合进单光纤，光纤输出合束光功率超过100 W。根据色度学原理进行颜色功率配比，获得了功率达63 W、色温为5 710 K的白光输出，与标准白光D65相比色温偏差小于12.2%。在此基础上，调整红色激光输出功率，获得了功率达58.4 W、色温为6 480 K的白光输出，与标准白光D65相比色温偏差小于3.08%。基于该光源，通过调整激光功率配比，可实现不同色温及色坐标合束激光输出，在激光照明与显示领域具有良好的应用前景。