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发光二极管:二极管激光器为照明提供强度

2022-7-25 21:47| 发布者: 光执事| 查看: 259| 评论: 0

摘要: 发光二极管 (LED) 照明的发展是我们这个时代的巨大成功故事。LED 几乎是理想的光源,已在很大程度上取代了其他照明技术,但在某些利基应用中除外。固态照明现在的发展方向是,即使是放电灯所服务的少数剩余区域,在 ...

磷泵浦二极管激光器系统可提供 LED 不足的应用所需的高通量和方向性、成本效益和寿命优势。


FAIZ RAHMAN,俄亥俄大学


  发光二极管 (LED) 照明的发展是我们这个时代的巨大成功故事。LED 几乎是理想的光源,已在很大程度上取代了其他照明技术,但在某些利基应用中除外。固态照明现在的发展方向是,即使是放电灯所服务的少数剩余区域,在未来几年也将在很大程度上适应基于半导体的光源。


在实践中,激光二极管照明系统需要透镜、反射镜、荧光粉和散热器的复杂组合,以及仔细的系统设计。虽然这使得激光驱动的照明系统比 LED 照明更复杂,但激光技术相对较高的输出通量可实现更引人注目和引人注目的效果,如著名的悉尼歌剧院的照明所示。由 istock.com/Saud Nessir 提供。


  大多数此类应用都需要在有限或扩展区域上提供非常高的照明强度。LED 不适合以非常高的输出通量为主要要求的应用。示例包括需要千瓦级照明系统的建筑物外墙、体育场和电影院屏幕的照明。即使将几个大功率 LED 组合成一个单元的 LED 光引擎也无法提供这些苛刻应用所需的照明强度。

  基于激光二极管的照明系统非常适合此类高亮度应用。在 LED 照明明显不足的地方,开发人员正在通过用新材料和系统填补空白来扩展技术范围。

  激光是众所周知的强光源。即使是来自小型手持激光器的光束也可以提供比正午太阳高得多的功率密度(以瓦特/平方厘米为单位)。

  但激光本身不适合照明。一个实用的激光驱动照明系统需要其他组件——例如透镜、镜子、荧光粉和散热器——以及带有电源和控制电子设备的仔细系统设计。这些额外的要求使得使用基于激光二极管的照明系统比使用简单的白光 LED 复杂得多。但是对于需要激光系统功率的应用来说,这是值得的。

冷却波长转换

  来自激光器的光是定向的、单色的和相干的。尽管这些属性中的每一个对于特定的照明应用都很有价值,但一般的高亮度照明需要白色或准白色的非相干光。一种波长转换荧光粉——一种发光材料——将单色激光变成广谱光,在人眼看来是白色的。白色”LED 也使用荧光粉,但激光以不同的方式实现它们。

  激光束的强度以两种方式将发光波长转换材料加热到非常高的温度。首先,转换为更长波长的光子会损失能量(斯托克斯损失),表现为热量。其次,被吸收的、未转换的光子的能量以热量的形式消散。由于热猝灭,这种热量使磷光体退化并降低了波长转换效率。

  高质量的散热器管理荧光粉温度。散热器可以被动或主动冷却,具体取决于热负载。此外,虽然 LED 通常使用粉末荧光粉,但单晶荧光粉——通常是铈掺杂的钇铝石榴石 (YAG:Ce)——可以更有效地散热。位于捷克共和国的 Crytur 生产用于大功率 LED 和激光二极管的 YAG:Ce 单晶(图 1)。


1.单晶荧光粉,由熔融生长的掺铈钇铝石榴石 (YAG:Ce) 切割而成。蚀刻粗糙的前表面增强了光提取。由 Crytur spol 提供。sro


  另一种较新的选择是复合单晶荧光粉,它结合了两种材料,一种用于波长转换,另一种(通常是氧化铝)用于高效导热(图 2)。与传统荧光粉相比,复合材料选项显着提高了导热性。此外,两种材料界面处的折射率差异通过最小化全内反射来改善光提取。实际上,每个界面都成为将光线从晶体内部引导到其表面的通道。这使得复合荧光粉选项特别适用于高通量激光束。


2.安装在铝散热器上的氧化铝-YAG:Ce 复合单晶(右)。复合磷光体的显微照片(左),显示 YAG:Ce 区域(浅灰色​​散布有氧化铝区域(深灰色)。由氧化物公司提供。


  已在多个系统中使用的另一种技术是旋转荧光盘。泵浦激光束在圆盘边缘附近入射(图 3)。由于圆盘旋转,加热区域在再次在激光束下旋转之前冷却。


3.一个旋转的荧光粉轮,将光子和热负载分布在大面积的荧光粉上。由法伊兹·拉赫曼提供。


  纺丝技术还减少了光子通量淬火。入射泵光子将磷光体中的发光原子激发到激发能态。被激发的原子因热振动而损失一些能量,然后去激发到初始能级(基态)。虽然这个过程很快(通常不到一纳秒),但原子不能吸收和转换处于激发态的光子。如果光子通量非常高,大量光子可能找不到可用于吸收光子进行波长转换的原子。结果,光子转换效率随着入射光子通量的增加而下降。旋转轮方法通过不断地向激光束下方的区域输送新鲜的、未激发的荧光粉来消除通量淬火。

二极管泵浦激光器的功率优势


  半导体激光二极管(图 4)是基于激光的磷光体转换光源的核心泵浦源。红色激光二极管在 30 年前问世,紫色和蓝色在 1990 年代问世,而发绿光的激光二极管则在几年前问世。


4.一个典型的封装激光二极管(下图)。由法伊兹·拉赫曼提供。


  以三种基色中的每一种发射的激光二极管的可用性使新的显示应用成为可能。图像显示受益于非常窄的激光发射光谱宽度,因为窄光谱线宽可以产生更多的复合颜色。然而,空间和物体照明需要宽光谱覆盖。因此,激光灯具总是使用二极管激光泵浦光的磷光体转换。

  使用合适的荧光粉,紫色 (~405 nm) 和蓝色 (~450 nm) 激光二极管均可用于荧光粉泵浦。紫色激光二极管最初是为蓝光光盘播放器开发的,后来又加入了用于可见光应用的蓝光激光二极管。蓝光发射器看起来比类似的紫光发射器更亮,因为与紫光相比,人眼对蓝光更敏感。这些激光器与用于制造白光 LED 的荧光粉兼容,白光 LED 也使用蓝色发光 LED 作为光源。

       Nichia OSRAM 等制造商一直在生产输出功率越来越高的蓝色激光二极管。这些设备直接有助于激光泵浦白光系统的发展。

  对于需要更高泵浦功率的应用,设计人员可以使用二向色镜或部分反射镜来组合多个激光二极管的输出。最近开发的多芯片激光二极管阵列还为基于激光的照明和投影应用提供高功率。

  在照明应用中,激光二极管相对于 LED 的一个重要优势是在设备操作中没有下降。即使驱动电流继续增加,LED 效率在达到峰值输出功率后也会降低。这为基于 LED 的灯具的亮度设定了一个实际上限。因此,我们可能永远不会看到非常亮的单个 LED,例如在光输出中相当于 100 W 钨丝灯泡的光源。

  激光二极管不会下垂。通过适当的设备和系统设计,从瓦到千瓦的极高输出光功率是可能的,这直接转化为大的照明功率。

激光照明应用

  现代基于 LED 的灯具可以很好地服务于绝大多数照明应用。然而,在某些领域,基于激光的照明系统可以更好地满足应用要求,而 LED 光源的性能则不会那么好或根本不会。激光束的强度和/或方向性在此类应用中至关重要。激光强度在需要极高亮度的应用中很有用。方向性在波束形成应用中很有用,在这些应用中,有限的、明确定义的区域需要照明,或者光束功率必须在远距离上保持不变。

  建筑照明是一种需要非常明亮的光源的应用。基于激光的磷光体转换灯非常适用于此。泵送合适的磷光体子系统的多激光模块提供电 力以照亮整个建筑立面。有了这样的光源,即使是大型建筑物的外部,几盏高强度的灯也​​可以照亮。

  另一个有时被忽视的应用是外科手术室的照明。高精度操作需要非常强的光线来最大化对比度。目前在手术室中使用的灯体积庞大,因为它们由一组高强度放电灯组成。使用激光驱动的照明系统可以大大简化这些组件。

  其他类似的应用包括飞机跑道照明和一些机器视觉照明应用。

  与 LED 泵浦系统相比,激光泵浦系统的另一个非常明显的优势是来自激光泵浦系统的光可以覆盖很宽的光谱范围。此功能改善了照明物体的显色性,这对于零售楼层、博物馆和艺术画廊的定向照明等应用至关重要。LED 灯使用蓝色 LED 作为荧光粉泵浦源。它们的光不包含比泵浦 LED 发出的波长更短的波长,泵浦 LED 通常发出峰值波长约为 450 nm 的辐射。相比之下,用 405 nm 二极管构建的激光二极管灯系统产生的光跨越整个可见光谱。全光谱辐射可以准确地再现被照明物体的颜色。

  来自激光器的非常高的定向光强度还使磷光体转换的光源能够在除了高强度之外还需要高方向性的应用中蓬勃发展。这些应用包括探照灯、汽车前照灯以及军事、消防和执法机构使用的救援灯。

  激光用于照明的最突出且现已确立的用途之一是电影放映。由于电影银幕如此之大,电影放映机需要非常强烈的灯。传统上,高压氙弧灯一直用作电影放映机的光源。这些灯体积庞大、易碎且耗电,并且在需要更换之前只能使用几百小时。它们的其他缺点包括在安装和拆卸过程中可能存在爆炸危险,以及需要大量冷却系统的非常高的热负荷。鉴于如此严重的缺点,难怪投影行业欢迎替代固态灯的出现,这些固态灯几乎在各个方面都优于氙气灯。

  有两大类基于激光的投影仪。一种使用单独的红、绿、蓝 (RGB) 激光二极管;另一种使用荧光粉将蓝色激光二极管光转换为白光,作为氙灯的直接替代品。RGB 激光投影仪——例如巴可 XDL-4K30,一款 30,000 流明 4K 分辨率的大型场地投影仪——由于激光二极管发出的光几乎是单色的,因此可以投射出明亮的广色域图像。激光荧光投影仪,例如 Barco F70-4K6(图 5),价格较低,并且使用激光激发的荧光产生明亮的白色低发散光,用于图像投影。随着小型家用投影仪也开始使用基于激光二极管的投影灯,该细分市场的主导地位将在未来几年进一步增强。


5.巴可 F70-4K6 激光荧光投影仪。由巴可公司提供。


激光灯具的前景

  激光二极管驱动的照明已在许多以高强度照明为主要要求的应用领域建立了稳固的地位。商业资源和系统现在可用于多种应用。激光激发灯具的设计和开发正在进行中,用于商业系统尚不可用但显然非常需要的应用,例如建筑照明系统和手术灯。

  系统优化将降低系统成本,从而开拓更大的市场。例如,只有少数汽车制造商,如宝马和奥迪,采用了基于激光二极管的前照灯。然而,随着成本的下降,越来越多的制造商将采用它们,就像过去十年从基于放电的前照灯过渡到 LED 供电的前照灯期间所发生的那样。

  总体而言,在未来三到五年内,半导体激光器将在我们周围的照明系统中变得更加突出。

认识作者

        Faiz Rahman 是俄亥俄大学电气工程系的副教授。他的研究兴趣是半导体发光和光检测器件。他是Optica和电气与电子工程师协会(IEEE)的高级会员,物理研究所的Fellow;电子邮件: rahmanf@ohio.edu

 

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