當前位置: 首頁 >> 內燃機

激光白光照明及車用照明使用優點與缺陷分析

2019-09-11 0人讀過

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

  目前,激光光源基於半極性GaN激光二極管,並結合先進的熒光粉技術。由於激光集中於熒光粉上某個微小點發射光線並轉換成白光,光源能夠輸出安全且高度準直的白光。基於激光的方法,其屬性包括溫度的升高遠低於LED。激光泵浦也是實用的,因為在近紫外發射的裝置很容易取得,並且可以有效地起到這類作用。

  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,基於LED的燈具將依然是生成白光的主要手段。但是,基於激光二極管的固態照明係統已在高亮度照明運用中取得了應用,並且現在有幾家製造商已經生產了。

  激光二極管泵浦燈具發展的動力是避免LED效力下降。但是,這不是唯一的好處。除了Soraa和其他幾家外,其他LED源的製造商使用的芯片不包括短於約450nm的波長。因此,當采取這些峰值波長為nm的廉價LED用於磷光體泵浦時,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。這些裝備很便宜、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,而且顯色指數高於典型的LED泵浦白光源(參見圖1)。

  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. 05,y=0. 09),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,因此它們是建築照明、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發了汽車製造商的注意,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)。

  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。由於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,或者使用磷光體塗覆的積分球(參見圖 )。

  對於這兩種方法,隻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,這可以避免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並且用反射器準直所得到的輻射(參見圖 (a))。 但是,在光功率轉換方麵,使用熒光體塗覆的積分球更有效(參見圖 (b))。

  圖 . 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,可以采取其他方案。例如,小燈具可以使用光束擴大透鏡來泵浦全部熒光體板。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.用於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,通過凹光束擴大透鏡,擴展到右側的熒光體塗層玻璃板麵上,並入射到有機矽結合的熒光體層上。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。隻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。就像基於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,和剩餘的未轉換的激光。但是,使用激光,最大的區分就是內在的一致性,這會導致斑點 - 即出現在亮麵上的可見光及暗點。

  不能忽視斑點的缺點,除讓人分心以外,它對視覺感知有負麵影響,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%,下降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緣由。

  請注意,使用激光投影機時,通過一些手段來減少激光的相幹性,可以將斑點轉化為可接受的水平。但是使用激光照耀熒光體,斑點乃至可以降到更低的水平。在這種情況下,斑點太小,可以完全疏忽。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餘的激光表現出非常小的斑點,這是由於當它通過熒光體層時經曆屢次散射,其相幹性降低。磷光泵浦激光係統產生的光線強、色采豐富、無斑點,優於LED燈具產生的光。

  讚成者和反對者

  激光泵浦白光源的最大缺點與二極管相幹。首先,這款芯片的價格比LED要高很多。雖然在數據存儲運用中廣泛運用,但對等效的發光水平,激光二極管比LED要貴得多。由於成本高,激光泵浦磷光體係統價格昂貴,目前隻能部署在專門的、不那末在意成本的照明應用中。

  激光泵浦照明係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,這不利於係統的壽命。這是由於二極管壽命低於LED的壽命,特別是當它們在高驅動電流下工作時。為什麽二極管壽命低?這可以追溯到激光結構中微小的、預先存在的晶 錯。當器件以高功率電平驅動時,這些缺陷會大大增加。以這類方式運行會逐步形成廣泛的位錯絡,稱為暗線缺陷。它們作為非輻射複合的位點,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,並且由於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,由於這樣會減少界麵穿透位錯的數量,並增加激光二極管的壽命。

  采用基於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照明無疑在今天處於領先地位,但在隨後的幾年中,請留意激光係統。

二歲半寶寶不愛吃飯怎麽辦
孩子積食發燒怎麽辦
寶寶脾虛吃什麽