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激光二极管可增加窄光束照明的强度

时间:2020-05-09 作者:Yoelit Hiebert 阅读:
半导体激光器在未来是否可用于一般照明呢?半导体激光器的能效是传统LED的100倍,甚至更高,因此能够以更小的裸片尺寸提供非常高的光输出。对物理尺寸有限的应用场景来说,半导体激光器的吸引力显而易见,但将其用于一般照明的缺点在于其发射腔非常窄。
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LED和半导体激光器(或激光LED)的工作方式基本相同,即,当电子与空穴聚合时发出光,其发射波长取决于所使用的材料。不同的是,LED光的光谱范围比较窄,而半导体激光器发出的光基本是单一波长。半导体激光器的发射波长范围可以从红外线到紫外线,且已广泛应用于光纤通信、条形码读取器、光盘阅读器和激光打印等领域。但截至目前为止,半导体激光器在常规照明中的应用则被证明是不切实际的。

和传统激光器一样,半导体激光器也需要谐振腔来放大。谐振腔由两个间隔几百微米的平行平面构成,这两个平面充当反射镜,将发射的光子反弹回空腔。在低功率水平下,半导体激光器的功能类似于传统LED。当功率足够大时(约4 kW / cm2),在两个“反射镜”之间弹射的光子开始刺激半导体材料发射更多的光子。当受激光子的产生抵消并超过内部损耗时,设备开始“发射激光”,即发射单一波长的相干光。

传统LED和半导体激光器之间也存在一些相似之处:两者都由AC-DC驱动器供电,并且在温度升高时,光输出都会下降。但与传统LED不同的是,半导体激光器似乎不受Droop效应的影响,Droop效应会增加驱动电流,从而导致功效降低(输出流明/输入瓦特)。对于照明产品应用,常规蓝光LED比半导体激光器具有更高的功效,但仅在较低的输入电流下如此。因此,考虑到所需的衬底面积,从常规蓝光LED中产生相同水平的光是不实际的。

尽管激光二极管在上世纪60年代就已经出现,但直到最近才具有足够高的能效,而被考虑用于照明应用,尤其是用于汽车的高端车灯中。宝马就提供了激光前照灯,并声称它比LED前照灯亮10倍,效率高30%。它通过使用精确放置的反射镜,在前照灯外壳内部反射蓝色半导体激光来产生白光光束,然后通过填充了荧光粉的透镜将其聚焦,从而产生高强度白光。

半导体激光器在未来是否可用于一般照明呢?荧光粉转换白光LED的理论能效极限约为350流明/瓦,而市售照明产品接近200流明/瓦。半导体激光器的能效是传统LED的100倍,甚至更高,因此能够以更小的裸片尺寸提供非常高的光输出。对物理尺寸有限的应用场景来说(例如汽车前照灯),半导体激光器的吸引力显而易见,但将其用于一般照明的缺点在于其发射腔非常窄(大约只有1-2度)。

目前到底有多少公司致力于将半导体激光器用于一般照明,我们还不清楚,但至少有一家公司已经提供了相关产品。SLD Laser公司早于2016年就推出了LaserLight表面贴装器件(SMD),该器件采用蓝光半导体激光器、荧光粉和高流明封装,在7×7 mm封装内可以发出约500流明的白光,而且对人眼没有伤害。其精密的光学器件实现了不超过2度的光束角。LaserLight SMD器件是全球第一款获得UL 8750安全认证的半导体激光器光源。

最有可能的情况是,激光半导体首先被应用到特殊建筑的照明产品中,这些应用场景需要窄且高强度的光束。例如,在博物馆、画廊、零售空间和其它一些特殊场所,只需照亮空间的一个角落,而无需照亮整个空间。这不仅是空间美学的需要,而且还简化了控制和维护。但由于半导体激光器传播的光束很窄,要开发经济可行的常规照明产品,可能还需要结合光纤或波导来引导和传输发射的光。

在Baja Designs公司提供的照明配件照片和视频中,我们可以看到越野车中采用的半导体激光照明。Baja Designs声称,他们的OnX6 Hybrid Laser/LED和XL Laser High Speed Spot聚光灯的照明距离是传统LED越野车照明产品的350%,非常适合夜间进行越野比赛。

(参考原文: Laser diodes add intensity to narrow-beam lighting

本文为《电子工程专辑》2020年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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