激光白光照明及车用照明使用优点与缺陷分析

美国俄亥俄大学的FAIZ RAHMAN认为,对于荧光粉泵浦的白光源,从LED转换到激光可提高效率、延长使用寿命并产生高度准直的光束。

目前,激光光源基于半极性GaN激光二极管,并结合先进的荧光粉技术。由于激光集中于荧光粉上某个微小点发射光线并转换成白光,光源能够输出安全且高度准直的白光。基于激光的方法,其属性包括温度的升高远低于LED。激光泵浦也是实用的,因为在近紫外发射的装置很容易获得,并且可以有效地起到这种作用。

从LED转到激光的过程不会一夜之间发生。相反,在可预见的未来,基于LED的灯具将仍然是生成白光的主要手段。但是,基于激光二极管的固态照明系统已经在高亮度照明应用中获得了应用,并且现在有几家制造商已经生产了。

激光二极管泵浦灯具发展的动力是避免LED效率下降。但是,这不是唯一的好处。除了Soraa和其他几家外,其他LED源的制造商使用的芯片不包含短于约450nm的波长。因此,当采用这些峰值波长为450-460nm的廉价LED用于磷光体泵浦时,得到的光源在光谱的紫色部分会不足。

使用405nm紫外发光激光二极管的白光灯可以避免这种情况。这些设备很便宜、高效,而且在市场上也有。使用短波长磷光体泵浦,光谱输出更丰富,光谱覆盖率更大,而且显色指数高于典型的LED泵浦白光源(参见图1)。


图1.来自激光二极管泵浦白光灯的光的色度点几乎是中性的(x=0.3305,y=0.3309),证明了光源的光谱丰富度。图中的黑线是普朗克轨迹。

在许多情况下,比白光质量更重要的是数量。以这种方式判断,激光二极管泵浦发出的光线很强,因此它们是建筑照明、探照灯和汽车前灯理想的高强度光源。激光源的另一个属性是发出的光光束发散性极小,几乎接近平行。

激光泵浦光源的优点引起了汽车制造商的注意,它们正在积极为高端车型安装上激光头灯。就像LED照明在汽车行业的渗透一样,高端车型引领潮流,其中就包括宝马的一些车型(见图2)。


图2.宝马的激光前照灯具有单独的激光二极管、光束组合器、荧光体靶和反射器组件。

激光泵浦结构

与LED不同,当使用激光二极管来泵浦荧光体时,需要不同的安排。由于激光辐射的定向特性及其高强度,不可能简单地就把磷光体沉积在泵装置的顶部。相反,需要更多的光学布置,例如磷光体板和反射器的组合,或者使用磷光体涂覆的积分球(参见图3)。

对于这两种方法,只要使用合适的技术来组合多个激光束,就可以使用一个或两个以上的二极管进行泵浦。这意味着激光泵浦光模块的光功率没有上限。使用远程泵浦结构的另外一个优点是磷光体不在热部件上,这可以防止荧光体在操作期间加热,大大延长其使用寿命。

激光泵浦的一个相对简单的方法是将激光器引导到荧光体板并且用反射器准直所得到的辐射(参见图3(a))。 然而,在光功率转换方面,使用荧光体涂覆的积分球更有效(参见图3(b))。


图3. 激光二极管泵浦的典型光学设置

根据是否需要低功率或高功率光源,可以采用其他方案。例如,小灯具可以使用光束扩张透镜来泵浦整个荧光体板。这种方法如图4所示,描绘了单个直通灯的光线跟踪仿真。

图4.用于小型激光泵浦灯的一种高效泵浦装置。泵浦光(红色光束)从左侧进入,通过凹光束扩张透镜,扩展到右侧的荧光体涂层玻璃板面上,并入射到有机硅结合的荧光体层上。下转换光显示为蓝光。在图中,荧光板显示为不透明,与绿色反射镜分离,目的是可以看到反射器外壳内的光线的轨迹。在实际的灯中,荧光板(允许光线向外逸出的透明玻璃片)被密封到反射器边上。只有很少的光线反向反射回左侧的激光模块(未示出)。

虽然激光泵浦产生的白光源有很多的优点,但是也必须要考虑其局限性。就像基于LED的灯一样,发射的光线包含两个不同的组成部分:来自磷光体的下转换光,以及剩余的未转换的激光。但是,使用激光,最大的区别就是内在的一致性,这会导致斑点 - 即出现在亮面上的可见光及暗点。

不能忽视斑点的缺点,除了让人分心之外,它对视觉感知有负面影响,妨碍了检测照明物体的空间细节。测试表明,斑点将视力敏度降低了40%,降低了感知高低空间频率的能力。这些问题是直接激光照明未能流行的一部分原因。

请注意,使用激光投影机时,通过一些手段来减少激光的相干性,可以将斑点转化为可接受的水平。但是使用激光照射荧光体,斑点甚至可以降到更低的水平。在这种情况下,斑点太小,可以完全忽略。这主要是因为好的灯设计确保了大多数激光被转换成不发出斑点的较长波长。另外的一个好处就是剩余的激光表现出非常小的斑点,这是由于当它通过荧光体层时经历多次散射,其相干性降低。磷光泵浦激光系统产生的光线强、色彩丰富、无斑点,优于LED灯具产生的光。

赞成者和反对者

激光泵浦白光源的最大缺点与二极管相关。首先,这款芯片的价格比LED要高很多。尽管在数据存储应用中广泛应用,但对于等效的发光水平,激光二极管比LED要贵得多。由于成本高,激光泵浦磷光体系统价格昂贵,目前只能部署在专门的、不那么在乎成本的照明应用中。

激光泵浦照明系统的一个优点是可以覆盖广泛的输出功率。商用激光二极管的功率额定值从几毫瓦到几瓦,通过组合几个激光器的输出可以形成更强大的源。但是,这不利于系统的寿命。这是因为二极管寿命低于LED的寿命,特别是当它们在高驱动电流下工作时。为何二极管寿命低?这可以追溯到激光结构中微小的、预先存在的晶体位错。当器件以高功率电平驱动时,这些缺陷会大大增加。以这种方式运行会逐渐形成广泛的位错网络,称为暗线缺陷。它们作为非辐射复合的位点,减少了设备的光输出。二极管的亮度随着时间的推移而减少,并且由于泵浦的光源输出下降,亮度太低直到灯灭。

令人鼓舞的是,随着激光二极管的成熟度增加,这个问题的严重程度已经减弱了,但还没有消除。帮助解决这个问题的是为了外延生长而转变为原生GaN衬底,因为这样会减少界面穿透位错的数量,并增加激光二极管的寿命。

采用基于激光的白光照明的另一个突破点是通过规模经济降低高成本。这将为紫外线和近紫外激光二极管开辟新市场。虽然LED照明无疑在今天处于领先地位,但在随后的几年中,请留心激光系统。




来源:LED网

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