光反馈抑制半导体激光器散斑性能的研究

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　　摘   要：散斑是半导体激光器出光固有的特性，随着激光器应用领域的不断拓展，激光散斑成为光电子领域的重要研究课题。某些领域将散斑当成激光器的优势加以利用，在激光显示领域，散斑影响成像的画质，需要采取必要的措施进行抑制。文章首先探讨激光显示领域散斑产生的机理，其次介绍了当前激光显示领域普遍采用的消散手段，最后提出通过光反馈方法抑制散斑的设想，并详细介绍实验过程、散斑评价方法和数据分析结果。最终的结果表明，利用光反馈方法可以将激光散斑对比度抑制到0.04，也是人眼分辨散斑的视觉极限。
　　关键词：半导体激光器;激光显示;激光散斑;光反馈
　　三色激光显示以其高亮度、广色域、高饱和度和长寿命等优点被称为下一代显示技术，并已进入产业化阶段。三色激光显示使用的是半导体激光器，无法避免激光散斑对其画质造成的影响，因此散斑抑制成为三色激光显示行业技术发展的关键。
　　激光散斑是由于激光的高相干性而在激光光斑中出现高对比度但尺寸细微的颗粒状图样[1]。散斑实际上是干涉条纹，激光投影显示系统中的散斑是由屏幕表面和探测器（人眼或CCD）等散射的相干光相互干涉而形成的[2]。
　　不同課题组及公司已针对散斑问题进行了大量的研究和实验，并提出多种方法来消除散斑，基本可分为动态消散和静态消散两个种类。目前较为成熟的动态消散技术包括在光路中加入扫描漫射体[3]、旋转散射片[4-5]以及引入运动屏幕[6]等。而常用的静态消散斑技术包括利用偏振多样性、波长多样性、基于米式散射[7]以及在光路中引入衍射光学元件（Diffraction Optical Elements，DOE）[8]等方案。静态消散的方式无机械振动，有利于小型化以及系统的稳定，但消散能力有限;动态消散的方式虽然能够实现较好的消散效果，但是增加了系统结构的复杂度、成本以及不稳定性[9]。
　　理论和实验研究表明，光反馈可以压窄或展宽半导体激光器的光谱线宽，光反馈技术可以调谐半导体激光器的相干长度，依照这一理论，通过光反馈技术可以改变半导体激光器的时间相干性，进而改变散斑的状态。若此技术得到验证和应用，可从根本上改善散斑状态。文章将用实验验证光反馈技术改善散斑的效果，并对其机理进行分析和讨论。
　　1    光反馈试验装置和原理说明
　　1.1  散斑评价方法
　　散斑对比度C是定量分析散斑图样常用的方法，其表达式如（1）所示：
　　其中，σ1为光强的标准分布，为光强的平均值。当散斑对比度C小于0.04时，人眼将无法分辨出散斑，正确的测量散斑及获得散斑图样是计算对比度的基础。
　　采用如下方法测量和计算散斑对比度：首先，利用CCD相机拍摄匀场散斑图样，相机的参数设置要最大化地模拟人眼的特性。其次，运用Python脚本对图像进行空间滤波，以消除与散斑对比度无关的任何亮度变化，如图像边缘亮度翻转带来低空间频率变化所引起的亮度变化。最后，利用被过滤的图像进行散斑对比度计算，计算过程通过Matlab小程序实现，其原理是通过Matlab软件将图像中的强度信息转化成具体数值，求出图像区域中各个像素点光强度的平均值和标准分布，进而通过式（1）进行求解。
　　1.2 光反馈改善散斑试验原理
　　光反馈系统由激光器、激光准直透镜、半波片、偏振分光棱镜（Polarizing Beam Splitter，PBS）和一个反射镜组成，其中半波片的目的是改变激光的偏振方向。试验中使用的是638 nm的半导体激光器，其出射激光为线偏振光。假设出射光的偏振方向是PBS对应的S光，则当半波片的光轴与激光偏振方向的夹角为0°时，激光经PBS后将100%反射（暂时忽略激光通过光学元件时的损耗）。当半波片的光轴与激光偏振方向的夹角为θ时，激光通过半波片后，其偏振方向将发生2θ角的旋转，那么经PBS反射的光所占比例为cos（2θ），而经PBS透射成为反馈光的比例为[1- cos（2θ）]。
　　散斑显示和测量系统由汇聚透镜、扩散片1、匀光棒、扩散片2、屏幕和CCD相机组成，其中，汇聚透镜的作用是将激光束汇聚到匀光棒内，匀光棒和两个扩散片的作用是匀化激光，屏幕是为了显示不同光反馈强度下散斑的状态，而CCD相机是为了测量不同状态下的散斑对比度。
　　2    试验结果和原因分析
　　关于散斑改善状态的讨论，进一步探讨激光散斑产生的根源。
　　如果定义激光的相干长度为L，从光学教材中可以找到其表达式：
　　其中，λ是激光的波长，属于激光特有的属性，虽然会受温度等因素的影响发生波动，但波动的范围在几个纳米以内，不会对L造成明显影响。因此可以得出结论，激光的相干长度与其光谱宽度Δλ成反比的关系。同LED、氙灯以及白炽灯等光源相比，激光的光谱宽度要窄很多，因此激光具有较大的相干长度，是激光光源容易产生散斑的根本原因。合理的光反馈强度之所以能够改善散斑，是因为其能够展宽光谱，减弱激光自身的时间相干性。
　　光反馈调制光谱宽度机制主要是自混合干涉效应。随着光反馈强度的不断增强，激光输出状态由稳定态经历倍周期到达混沌态。混沌态也称相干塌陷态，处于此状态下的激光光谱急剧展宽变为多纵模模式。但是当反馈强度达到一定水平并继续增加时，激光输出又从混沌态转变为稳定态，激光器也由多纵模模式变为稳定的单模输出，光谱宽度随之收窄。
　　3    结语
　　散斑问题是制约激光显示发展的一个重大难题，对散斑抑制的研究意义重大。文章突破传统散斑抑制的思路，尝试采用光反馈的方式降低散斑对比度，并搭建实验平台进行测量和验证。最终的试验结果表明，合理的光反馈强度可以有效降低散斑对比度，甚至达到人眼可分辨的极限，为散斑的改善提供了一个新的途径。同时，试验结果也进一步表明，半导体激光器的散斑特性与其自身的相干性有着本质的关联，通过扩宽激光谱线宽度来减弱其相干特性，可能成为根本上改善散斑问题的一个重要突破口。 　　[参考文献]
　　[1]董磊.激光三维显示中散斑抑制及散斑测量[D].合肥：中国科学技术大学，2013.
　　[2]GOODMAN J W.Speckle phenomena in optics：theory and applications[M].Placerville：Roberts and Company Publishers，2007.
　　[3]CHEN X，SVENSEN ?，AKRAM M N.Speckle reduction in laser projection using a dynamic deformable mirror[J].Optics Express，2014（9）：11152-11166.
　　[4]劉红，王薇生，郑健.激光显示中消散斑方案研究[J].学与光电技术，2013（6）：33-37.
　　[5]孟祥翔，刘伟奇，魏忠伦，等.激光投影显示中新型散射体的散斑抑制[J].红外与激光工程，2015（2）：503-507.
　　[6]TU S Y，LIN H Y，LIN M C.Efficient speckle reduction for a laser illuminating on a micro-vibrated paper screen[J].Applied Optics，2014（22）：38-46.
　　[7]OUYANG G，TONG Z，AKRAM M N，et al.Speckle reduction using a motionless diffractive optical element[J].Optics Letters，2010（17）：2852-2854.
　　[8]马晓辉.激光显示中的关键技术及激光散斑衬比立体成像技术的研究[D].合肥：中国科学技术大学，2019.
　　[9]AGRAWAL，GOVIND P.Generalized rate equations and modulation characteristics of external-cavity semiconductor lasers[J].Journal of Applied Physics，1984（11）：3110.
　　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
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