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SK6812:激光白光照明及車用照明使用優點與缺陷分析

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SK6812:激光白光照明及車用照明使用優點與缺陷分析

發布日期:2018-03-14 作者:LED在線 點擊:

美國俄亥俄大學的FAIZ RAHMAN認為,對于熒光粉泵浦的白光源,從LED燈珠轉換到激光可提高效率、延長使用壽命并產生高度準直的光束。

目前,激光光源基于半極性GaN激光二極管,并結合先進的熒光粉技術。由于激光集中于熒光粉上某個微小點發射光線并轉換成白光,光源能夠輸出安全且高度準直的白光。基于激光的方法,其屬性包括溫度的升高遠低于LED。激光泵浦也是實用的,因為在近紫外發射的裝置很容易獲得,并且可以有效地起到這種作用。

從LED轉到激光的過程不會一夜之間發生。相反,在可預見的未來,基于LED的燈具將仍然是生成白光的主要手段。但是,基于激光二極管的固態照明系統已經在高亮度照明應用中獲得了應用,并且現在有幾家制造商已經生產了。

激光二極管泵浦燈具發展的動力是避免LED效率下降。但是,這不是唯一的好處。除了Soraa和其他幾家外,其他LED源的制造商使用的芯片不包含短于約450nm的波長。因此,當采用這些峰值波長為450-460nm的廉價LED用于磷光體泵浦時,得到的光源在光譜的紫色部分會不足。

使用405nm紫外發光激光二極管的白光燈可以避免這種情況。這些設備很便宜、高效,而且在市場上也有。使用短波長磷光體泵浦,光譜輸出更豐富,光譜覆蓋率更大,而且顯色指數高于典型的LED泵浦白光源(參見圖1)。5050燈珠


圖1.來自激光二極管泵浦白光燈的光的色度點幾乎是中性的(x=0.3305,y=0.3309),證明了光源的光譜豐富度。圖中的黑線是普朗克軌跡。

在許多情況下,比白光質量更重要的是數量。以這種方式判斷,激光二極管泵浦發出的光線很強,因此它們是建筑照明、探照燈和汽車前燈理想的高強度光源。激光源的另一個屬性是發出的光光束發散性極小,幾乎接近平行。

激光泵浦光源的優點引起了汽車制造商的注意,它們正在積極為高端車型安裝上激光頭燈。就像LED照明在汽車行業的滲透一樣,高端車型引領潮流,其中就包括寶馬的一些車型(見圖2)。2835燈珠


圖2.寶馬的激光前照燈具有單獨的激光二極管、光束組合器、熒光體靶和反射器組件。

激光泵浦結構

與LED不同,當使用激光二極管來泵浦熒光體時,需要不同的安排。由于激光輻射的定向特性及其高強度,不可能簡單地就把磷光體沉積在泵裝置的頂部。相反,需要更多的光學布置,例如磷光體板和反射器的組合,或者使用磷光體涂覆的積分球(參見圖3)。SK6812

對于這兩種方法,只要使用合適的技術來組合多個激光束,就可以使用一個或兩個以上的二極管進行泵浦。這意味著激光泵浦光模塊的光功率沒有上限。使用遠程泵浦結構的另外一個優點是磷光體不在熱部件上,這可以防止熒光體在操作期間加熱,大大延長其使用壽命。

激光泵浦的一個相對簡單的方法是將激光器引導到熒光體板并且用反射器準直所得到的輻射(參見圖3(a))。 然而,在光功率轉換方面,使用熒光體涂覆的積分球更有效(參見圖3(b))。


圖3. 激光二極管泵浦的典型光學設置

根據是否需要低功率或高功率光源,可以采用其他方案。例如,小燈具可以使用光束擴張透鏡來泵浦整個熒光體板。這種方法如圖4所示,描繪了單個直通燈的光線跟蹤仿真。

圖4.用于小型激光泵浦燈的一種高效泵浦裝置。泵浦光(紅色光束)從左側進入,通過凹光束擴張透鏡,擴展到右側的熒光體涂層玻璃板面上,并入射到有機硅結合的熒光體層上。下轉換光顯示為藍光。在圖中,熒光板顯示為不透明,與綠色反射鏡分離,目的是可以看到反射器外殼內的光線的軌跡。在實際的燈中,熒光板(允許光線向外逸出的透明玻璃片)被密封到反射器邊上。只有很少的光線反向反射回左側的激光模塊(未示出)。

雖然激光泵浦產生的白光源有很多的優點,但是也必須要考慮其局限性。就像基于LED的燈一樣,發射的光線包含兩個不同的組成部分:來自磷光體的下轉換光,以及剩余的未轉換的激光。但是,使用激光,最大的區別就是內在的一致性,這會導致斑點 - 即出現在亮面上的可見光及暗點。

不能忽視斑點的缺點,除了讓人分心之外,它對視覺感知有負面影響,妨礙了檢測照明物體的空間細節。測試表明,斑點將視力敏度降低了40%,降低了感知高低空間頻率的能力。這些問題是直接激光照明未能流行的一部分原因。

請注意,使用激光投影機時,通過一些手段來減少激光的相干性,可以將斑點轉化為可接受的水平。但是使用激光照射熒光體,斑點甚至可以降到更低的水平。在這種情況下,斑點太小,可以完全忽略。這主要是因為好的燈設計確保了大多數激光被轉換成不發出斑點的較長波長。另外的一個好處就是剩余的激光表現出非常小的斑點,這是由于當它通過熒光體層時經歷多次散射,其相干性降低。磷光泵浦激光系統產生的光線強、色彩豐富、無斑點,優于LED燈具產生的光。

贊成者和反對者

激光泵浦白光源的最大缺點與二極管相關。首先,這款芯片的價格比LED要高很多。盡管在數據存儲應用中廣泛應用,但對于等效的發光水平,激光二極管比LED要貴得多。由于成本高,激光泵浦磷光體系統價格昂貴,目前只能部署在專門的、不那么在乎成本的照明應用中。

激光泵浦照明系統的一個優點是可以覆蓋廣泛的輸出功率。商用激光二極管的功率額定值從幾毫瓦到幾瓦,通過組合幾個激光器的輸出可以形成更強大的源。但是,這不利于系統的壽命。這是因為二極管壽命低于LED的壽命,特別是當它們在高驅動電流下工作時。為何二極管壽命低?這可以追溯到激光結構中微小的、預先存在的晶體位錯。當器件以高功率電平驅動時,這些缺陷會大大增加。以這種方式運行會逐漸形成廣泛的位錯網絡,稱為暗線缺陷。它們作為非輻射復合的位點,減少了設備的光輸出。二極管的亮度隨著時間的推移而減少,并且由于泵浦的光源輸出下降,亮度太低直到燈滅。

令人鼓舞的是,隨著激光二極管的成熟度增加,這個問題的嚴重程度已經減弱了,但還沒有消除。幫助解決這個問題的是為了外延生長而轉變為原生GaN襯底,因為這樣會減少界面穿透位錯的數量,并增加激光二極管的壽命。

采用基于激光的白光照明的另一個突破點是通過規模經濟降低高成本。這將為紫外線和近紫外激光二極管開辟新市場。雖然LED照明無疑在今天處于領先地位,但在隨后的幾年中,請留心激光系統。


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