文 | James
來(lái)源 | CNLED網(wǎng)
美國俄亥俄大學(xué)的Faiz Rahman認為，對于熒光粉泵浦的白光源，從LED轉換到激光可提高效率、延長(cháng)使用壽命并產(chǎn)生高度準直的光束。
目前，激光光源基于半極性GaN激光二極管，并結合先進(jìn)的熒光粉技術(shù)。由于激光集中于熒光粉上某個(gè)微小點(diǎn)發(fā)射光線(xiàn)并轉換成白光，光源能夠輸出安全且高度準直的白光?；诩す獾姆椒?，其屬性包括溫度的升高遠低于LED。激光泵浦也是實(shí)用的，因為在近紫外發(fā)射的裝置很容易獲得，并且可以有效地起到這種作用。
從LED轉到激光不會(huì )是一夜之間的事情。相反，在可預見(jiàn)的未來(lái)，基于LED的燈具將仍然是生成白光的主要手段。但是，基于激光二極管的固態(tài)照明系統已經(jīng)在高亮度照明應用中獲得了應用，并且現在有幾家制造商已經(jīng)生產(chǎn)了。
激光二極管泵浦燈具發(fā)展的動(dòng)力是避免LED效率下降。但是，這不是唯一的好處。除了Soraa和其他幾家外，其他LED源的制造商使用的芯片不包含短于約450nm的波長(cháng)。因此，當采用這些峰值波長(cháng)為450-460nm的廉價(jià)LED用于磷光體泵浦時(shí)，得到的光源在光譜的紫色部分會(huì )不足。
使用405nm紫外發(fā)光激光二極管的白光燈可以避免這種情況。這些設備很便宜、高效，而且在市場(chǎng)上也有。使用短波長(cháng)磷光體泵浦，光譜輸出更豐富，光譜覆蓋率更大，而且顯色指數高于典型的LED泵浦白光源（參見(jiàn)圖1）。
圖1
來(lái)自激光二極管泵浦白光燈的光的色度點(diǎn)幾乎是中性的（x=0.3305，y=0.3309），證明了光源的光譜豐富度。圖中的黑線(xiàn)是普朗克軌跡
在許多情況下，比白光質(zhì)量更重要的是數量。以這種方式判斷，激光二極管泵浦發(fā)出的光線(xiàn)很強，因此它們是建筑照明、探照燈和汽車(chē)前燈理想的高強度光源。激光源的另一個(gè)屬性是發(fā)出的光光束發(fā)散性極小，幾乎接近平行。
激光泵浦光源的優(yōu)點(diǎn)引起了汽車(chē)制造商的注意，它們正在積極為高端車(chē)型安裝上激光頭燈。就像LED照明在汽車(chē)行業(yè)的滲透一樣，高端車(chē)型引領(lǐng)潮流，其中就包括寶馬的一些車(chē)型（見(jiàn)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。
與LED不同，當使用激光二極管來(lái)泵浦熒光體時(shí)，需要不同的安排。由于激光輻射的定向特性及其高強度，不可能簡(jiǎn)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(xué)布置，例如磷光體板和反射器的組合，或者使用磷光體涂覆的積分球（參見(jiàn)圖3）。
對于這兩種方法，只要使用合適的技術(shù)來(lái)組合多個(gè)激光束，就可以使用一個(gè)或兩個(gè)以上的二極管進(jìn)行泵浦。這意味著(zhù)激光泵浦光模塊的光功率沒(méi)有上限。使用遠程泵浦結構的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是磷光體不在熱部件上，這可以防止熒光體在操作期間加熱，大大延長(cháng)其使用壽命。
激光泵浦的一個(gè)相對簡(jiǎn)單的方法是將激光器引導到熒光體板并且用反射器準直所得到的輻射（參見(jiàn)圖3（a））。 然而，在光功率轉換方面，使用熒光體涂覆的積分球更有效（參見(jiàn)圖3（b））。
圖3 激光二極管泵浦的典型光學(xué)設置
根據是否需要低功率或高功率光源，可以采用其他方案。例如，小燈具可以使用光束擴張透鏡來(lái)泵浦整個(gè)熒光體板。這種方法如圖4所示，描繪了單個(gè)直通燈的光線(xiàn)跟蹤仿真。
圖4
用于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(jìn)入，通過(guò)凹光束擴張透鏡，擴展到右側的熒光體涂層玻璃板面上，并入射到有機硅結合的熒光體層上。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(xiàn)的軌跡。在實(shí)際的燈中，熒光板（允許光線(xiàn)向外逸出的透明玻璃片）被密封到反射器邊上。只有很少的光線(xiàn)反向反射回左側的激光模塊（未示出）。
雖然激光泵浦產(chǎn)生的白光源有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是也必須要考慮其局限性。就像基于LED的燈一樣，發(fā)射的光線(xiàn)包含兩個(gè)不同的組成部分：來(lái)自磷光體的下轉換光，以及剩余的未轉換的激光。但是，使用激光，最大的區別就是內在的一致性，這會(huì )導致斑點(diǎn)，即出現在亮面上的可見(jiàn)光及暗點(diǎn)。
斑點(diǎn)的缺點(diǎn)不容忽視，除了讓人分心之外，它對視覺(jué)感知也有負面影響，它會(huì )妨礙檢測照明物體的空間細節。測試表明，斑點(diǎn)將視力敏度降低了40％，并且降低了感知高低空間頻率的能力。這些問(wèn)題是導致激光照明未能流行的一部分原因。
請注意，使用激光投影機時(shí)，通過(guò)一些手段來(lái)減少激光的相干性，可以將斑點(diǎn)轉化為可接受的水平。但是使用激光照射熒光體，斑點(diǎn)甚至可以降到更低的水平。在這種情況下，斑點(diǎn)小到可以完全忽略。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(fā)出斑點(diǎn)的較長(cháng)波長(cháng)。
另外的一個(gè)好處就是剩余的激光表現出非常小的斑點(diǎn)，這是由于當它通過(guò)熒光體層時(shí)經(jīng)歷多次散射，其相干性降低。磷光泵浦激光系統產(chǎn)生的光線(xiàn)強、色彩豐富、無(wú)斑點(diǎn)，優(yōu)于LED燈具產(chǎn)生的光。
激光泵浦白光源的最大缺點(diǎn)與二極管相關(guān)。首先，這款芯片的價(jià)格比LED要高很多。盡管在數據存儲應用中廣泛應用，但對于等效的發(fā)光水平，激光二極管比LED要貴得多。由于成本高，激光泵浦磷光體系統價(jià)格昂貴，目前只能部署在專(zhuān)門(mén)的、不那么在乎成本的照明應用中。
激光泵浦照明系統的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(guò)組合幾個(gè)激光器的輸出可以形成更強大的源。但是，這不利于系統的壽命。這是因為二極管壽命低于LED的壽命，特別是當它們在高驅動(dòng)電流下工作時(shí)。
為何二極管壽命低？這可以追溯到激光結構中微小的、預先存在的晶體位錯。當器件以高功率電平驅動(dòng)時(shí)，這些缺陷會(huì )大大增加。以這種方式運行會(huì )逐漸形成廣泛的位錯網(wǎng)絡(luò )，稱(chēng)為暗線(xiàn)缺陷。它們作為非輻射復合的位點(diǎn)，減少了設備的光輸出。二極管的亮度隨著(zhù)時(shí)間的推移而減少，并且由于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(zhù)激光二極管的成熟度增加，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)沒(méi)有那么嚴重了，但還是有待進(jìn)一步解決。轉而使用有利于外延生長(cháng)的原生GaN襯底也許是個(gè)辦法，因為這樣會(huì )減少界面穿透位錯的數量，并增加激光二極管的壽命。
采用基于激光的白光照明的另一個(gè)突破點(diǎn)是通過(guò)規模經(jīng)濟降低高成本。這將為紫外線(xiàn)和近紫外激光二極管開(kāi)辟新市場(chǎng)。雖然LED照明無(wú)疑在今天處于領(lǐng)先地位，但在隨后的幾年中，請留心激光系統。
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