Лазерные диоды или как делают мощные лазерные светильники

Лазерные диоды или как делают мощные лазерные светильники

Несколько десятилетий яркий лазерный свет украшал концерты, спортивные мероприятия и прочие шоу. Между тем за картинкой зрелищ всегда оставались технологические ограничения. Лазерный луч обладал способностями освещать только одну точку за момент времени и никогда в белом свете. Более того, световые узоры, созданные лазерным лучом, изобиловали постоянно меняющимся и несколько жутким феноменом интерференционной картинки. Однако технологии сделали своё дело. Недавние достижения в области полупроводниковых лазеров открыли более широкий спектр применения. Усовершенствованный лазерный диод теперь доступен и для точной подсветки фасадов зданий и для автомобильных фар дальнего света.

Лазерные диоды – суть и практика света

Лазерные диоды следует рассматривать «близкими родственниками» светоизлучающих диодов (LED – Light Emitting Diodes). Конструкция светодиодов содержит диоды или микросхемы, выполненные на основе двух терминальных полупроводниковых элементов.

Этими полупроводниками осуществляется преобразование потока электрической энергии в луч света и цвета определенной длины волны. Гамма цвета, в свою очередь, зависит от применяемого сочетания терминальных полупроводников.

Выпускаются белые светодиоды, где от чипа синего луч направляется на фосфорно-химическую основу. В результате поглощения синего света, прибор начинает излучать желтый свет.

Излучение желтого люминофора и синего светодиода объединяют и таким образом получают свет, воспринимаемый глазами человека как белый.

Возможности лазерного диода

Лазерные диоды оснащены двумя зеркалами на противоположных концах полупроводника. Одно из зеркал имеет частичную прозрачность, подобно двухстороннему зеркалу.

При низких уровнях мощности, лазерный диод работает аналогично тому, как работает обычный светодиод с очень малой эффективностью отдачи.

Схема лазерного светодиода
Упрощённая интерпретация структуры инновационного полупроводника: 1 — рассеивающий отражатель; 2 — чип с жёлтым люминофором; 3 — лазерный диод с двойным зеркальным отражением

Однако, как только электрическая мощность достигает порога плотности, равного примерно 4 кВт/см2, полупроводник излучает достаточно света для части длин волн, что отражаются между зеркалами. Эти условия позволяют лазерному диоду излучать значительно больше света, чем это делает обычный светодиод.

Кроме того, отражённый между зеркалами свет, проходит сквозь полупрозрачное зеркало, благодаря чему формируется узкий луч синего. Этот луч далее может быть направлен на люминофор для последующей генерации желтого света.

Стоит отметить интересную деталь: обычные синие светодиоды имеют высокую светоотдачу, регенерируя до 70% электрической мощности, проходящей через приборы при плотности потока 3 Вт/см2.

Это значительно более эффективно, чем в случае с лазерными диодами синего излучения, мощность конверсии которых не превышает 30%, когда плотность электроэнергии составляет не более 10 кВт/см2.

Но светодиоды способны достигать высокой эффективности при низких токовых уровнях. Поэтому эффективная отдача требует значительной массы дорогих полупроводников.

Усиление тока, пропускаемого через светодиоды, повышает яркость излучения. Но увеличение тока резко снижает эффективность светодиодов. Это явление известно как «спад». А вот эффективность лазерных диодов с увеличением тока не изменяется.

Таким образом, при плотности электроэнергии около 5 кВт/см2, светодиоды становятся менее эффективными по сравнению с диодными лазерами. Эта разница производительности увеличивается пропорционально с уровнем мощности.

Эффективность лазерных диодов

Исходящий лазерный луч формирует конус излучения всего лишь в 1º — 2º по сравнению с конусом светового излучения светодиода в 90º.

Излучение светодиодов и лазерных диодов
Форма излучения двух разных типов диодов. Слева обычные светодиоды, справа модификация с лазерным излучением. Разница в характеристике формы луча очевидна

Длина волны лазерного излучения падает в пределах 1 нм по сравнению с несколькими десятками нанометров для светодиодного освещения.

Эти различия указывают на особую ценность лазеров для отдельных случаев применения, где светодиоды значительно уступают.

Внутри диода лазер можно сфокусировать на крошечной точке люминофора для создания узкого интенсивного луча яркостью, в 20 раз превышающей яркость светодиода.

Новые технологии позволяют генерировать до 500 люменов светового потока из фокусного пятна, размерами всего в несколько сотен микрометров.

С помощью лазеров и оптики размером 25 мм, новые технологии позволяют выводить световой луч с конусом около 1º. Эти достижения можно считать революционными.

Реально открывается доступ к производству фонарей и автомобильных фар дальнего света, луч которых способен пробивать расстояние до 1 км!

Применение лазеров в автомобилестроении

Известный производитель авто под маркой «BMW» уже применяет (с 2015 года) лазерные фары в конструкциях автомобилей некоторых моделей.

Лазерные фары BMW
Сравнение систем света, применяемых на автомобилях BMW: А — светодиодный малой мощности. Дальность 100 м; Б — светодиодный высокой мощности. Дальность 300 м; В — светодиодный высокой мощности с лазерной подсветкой. Дальность 1000 м

Синий лазер, излучаемый с поверхности от 4 до 30 мкм, даёт столько же оптической мощности, сколько дают светодиоды, размещённые на площади 800 мкм.

Чтобы вписаться в максимально допустимый диапазон дальнего света, утверждённый нормами ЕС, компания «BMW» разработала подходящую автомобильную фару.

Автомобильная фара сочетает в конструкции широкоугольный светодиодный люминофор с узко-угольной дальнобойной лазерной подсветкой. Световая масса такой подсветки пробивает расстояние до 600 метров.

Компания «SoraaLaser» использует технологию устройства полуполярного галлий-нитридного лазера поверхностного монтажа для получения белого света. Готовый 7-миллиметровый квадратный модуль содержит:

  • синий лазерный диод,
  • квадратный люминофор (1х1 мм),
  • отражатель синего луча.

Отражатель синего лазера служит для временного транспорта перед смешением с жёлтым люминофором.

Технические возможности приспособления лазера

Светильники с лазерным источником, по своей сути должны иметь различные конструктивные вариации с учётом дизайна тех же светодиодных светильников.

Технологическая схема лазерного светильника 1
Схема технологическая №1: 1 — люминофорный диск желтого/зелёного; 2 — луч синего лазера; 3 — проекционная линза; 4 — цветовой диск; 5 — призма; 6 — система цифровой обработки света (DLP)

Лазерный диод и люминофор необходимо отделять достаточным пространством для лазерного луча, чтобы сфокусировать и защитить люминофор от перегрева.

В другом варианте люминофор может располагаться рядом или покрываться непосредственно светодиодами. В любом варианте специальное компьютерное программное обеспечение поможет дизайнерам модельной оптики разрабатывать уникальные лазерные светильники.

Существующие ныне продукты лазерного света компании «SoraaLaser» используют для вывода наружу белого светодиодного излучения синие лазеры, излучающие длину волны 450 нанометров, близкую к стандартной величине.

Таким образом, есть все предпосылки, чтобы использовать желтые люминофоры, используемые в светодиодах, чтобы создать белый свет.

Однако синий лазерный луч необходимо рассеять или отразить материалом, подобным матовому стеклу. Это необходимо для правильного смешения с излучением люминофора.

Использование уже опробованных технологий

Лазерное освещение также возможно организовать на базе проверенной временем технологии 405-нанометровых фиолетовых лазеров, которые разрабатывались для применения в конструкциях оптических дисков (Blu-Ray).

Технологическая схема лазерного светильника 2
Технологическая схема № 2: 1 — сумматор света; 2 — оптическое волокно; 3 — световод; 4 — чип цифровой обработки света; 5 — призма; 6 — проектные линзы; 7 — система против эффекта спекл

Здесь производство белого света требует добавления люминофоров для преобразования фиолетового света в синий свет при длине волны 450-460 нанометров, в дополнение к желтым люминофорам. Это чревато дополнительными энергетическими затратами, но обещает повысить эффективность лазерных диодов.

Люминофорные белые светодиоды преобладают на рынке полупроводниковых приборов освещения из-за их простоты. Совмещением света красного, зеленого, синего светодиодов производится белое свечение.

Другой вариант, с добавленной способностью модулировать цвет, на примере нескольких моделей светодиодных ламп, которые дополнены функционалом изменения цвета и  также присутствуют в продаже.

В принципе, лазерные технологии не исключают совмещения красного, зелёного, синего цветов для получения белого света, но это направление пока что остаётся на стадии научных исследований и разработок.

Безопасность и поиск модульных вариантов

Одной из проблем лазерного варианта c RGB смешением является необходимость контроля отражения лазерного света по соображениям безопасности. Другой проблемой является поиск подходящих источников RGB-лазера.

Лампы Hue Philips
При производстве лампы Hue Philips частично используются новые технологии, позволяющие получить белый свет из трёхцветного спектра

Так, компания «Philips» в технологии производства ламп «Hue» использует отдельные светодиоды в качестве источников RGB. Лампы отличаются преобладанием зеленых светодиодов, поскольку эти приборы менее эффективны и дают меньше оптической мощности, чем красные или синие светодиоды.

Разница производительности по убыванию для полупроводниковых лазеров:

  • синий (самый мощный цвет),
  • красный (менее мощный),
  • зеленый (самый слабый).

Популярные в обществе лазерные указки зелёного свечения генерируют свет опасно яркий, но этот свет исходит от кристаллических лазеров, не от полупроводников. Полупроводниковые же лазеры, излучающие каждую из 3 длин волны, невозможно интегрировать на один и тот же чип.

Одна деталь, всегда остающаяся незримой при работе лазерного светильника — это лазерный луч. Подобно солнцу, луч лазера, направленный напрямую в глаза, грозит сжечь сетчатку.

Поэтому продукты, где используются лазеры (те же приводы дисков Blu-Ray), оснащаются защитой — сконцентрированный лазерный луч закрыт экраном.

Между тем прямое отражение, например, от зеркала, действительно представляет опасность, но рассеянное отражение, к примеру, от покрашенной стены, не представляет никакой опасности. Оптические проектные решения, исключающие трансмиссивные люминофоры, также уменьшают риск.

Монолитная основа и спекл в лазерных светильниках

Спекл (дифракционное пятно) — нежелательный дефект в лазерном освещении. Дефект представляет собой зернистую (пятнистую) структуру, которая проявляется при малейших колебаниях воздуха.

Эффект спекл в лазерном свете
Примерно таким выглядит технологический дефект — эффект спекл (случайная интерференционная картина), от которого необходимо избавляться

Безвредный, но раздражающий зрение дефект, можно предотвратить путём рассеивания лазерного излучения с помощью матового или белого стекла.

Получить монолитную основу с размещением трёх цветов достаточно сложно. Тем не менее, исследования в этом направлении дают определённые результаты.

Группе китайских учёных, к примеру, удалось интегрировать в единую основу различные цветные лазерные диоды. При этом не применялись стандартные соединения — галлия, индия, азота, мышьяка.

Как известно, эти соединения используются в полупроводниковых лазерных диодах вместо семейства полупроводников, состоящих из кадмия, цинка, серы и селена.

Депонируя различные смеси элементов в тонких слоях, учёные получили монолитный прибор, где объединились разрозненные лазерные диоды.

Так получили синий, зеленый, светло-красный и темно-красный свет для производства белого света. Но китайская технология, опять же, пока что чисто экспериментальная.

Монолитная структура лазерного светодиода
Примерно по такой технологической схеме должна выстраиваться монолитная структура источника излучения

Группа английских исследователей применила другой подход к производству белого (цветного) перестраиваемого света лазеров. Инфракрасный свет можно смешать и получить видимый спектр.

Для этого требуется комбинация двух инфракрасных пучков в тонком микроструктурированном материале (титанил фосфат калия) с высоким нелинейным эффектом.

Материал титанил фосфат калия объединяет частоты инфракрасных пучков. Смешивание приводит к формированию лазерного выхода красной, зеленой, синей волн.

Применение лазерных светильников в архитектуре

Высокая интенсивность лазеров удачно работает в архитектурной прожекторной подсветке, где требуются узкие лучи света. Лазеры с малой оптикой обеспечивают подсвечивание точных областей при помощи широкоугольного, сверхкороткого потока.

Лазерное возбуждение люминофоров может создавать очень высокий контраст между светлыми и тёмными областями. При этом градиенты света более чем в 10 раз резче, чем в случае с обычными светодиодными источниками.

Точная подсветка зданий лазерным светом
Точная подсветка зданий лазерным светом позволяет создавать красочные картины экстерьера. Однако это всего лишь малая часть возможностей применения

Так, лазерный источник света способен равномерно освещать экстерьер пятиэтажного здания с использованием одного светильника, размещённого в области первого этажа.

Номинальная цветовая температура продуктов «SoraaLaser», предназначенных для наружного лазерного освещения, составляет 5700K, а цветопередача 70-80К.

Лазерный свет доступно сконцентрировать и направить внутрь оптических волокон или волноводов, что является несоизмеримо сложной задачей в случае с источниками на светодиодах.

Инженерами компании «SoraaLaser» разработана система переноса синего лазерного излучения на люминофоры посредством оптоволоконной связи.

Подобное решение позволяет размещать источники света в местах удалённых, защищённых от теплового и электромагнитного воздействия.

Согласно коммерческим планам «SoraaLaser», компания ожидает запуска первой волны коммерческих, статических осветительных приборов к началу 2019 года.

Уникальные разработки обещают улучшение цветопередачи, энергетическую эффективность, высокую производительность для конкретных проектов. Мощные управляемые прожекторы готовятся полностью вытеснить уже устаревшие светодиодные приборы.

Демонстрация работы лазерных фар на автомобиле BMW


По материалам: Architectmagazine


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *