目前,激光光源基于半極性GaN激光二極管,并結(jié)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)射光線并轉(zhuǎn)換成白光,光源能夠輸出安全且高度準(zhǔn)直的白光?;诩す獾姆椒?,其屬性包括溫度的升高遠(yuǎn)低于LED。激光泵浦也是實(shí)用的,因?yàn)樵诮贤獍l(fā)射的裝置很容易獲得,并且可以有效地起到這種作用?;诩す舛O管的固態(tài)照明系統(tǒng)已經(jīng)在高亮度照明應(yīng)用中獲得了應(yīng)用,并且現(xiàn)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)力之一是避免LED效率下降。目前,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。因此,當(dāng)采用這些峰值波長為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。使用短波長磷光體泵浦,光譜輸出更豐富,光譜覆蓋率更大,而且顯色指數(shù)高于典型的LED泵浦白光源(參見圖1)。
圖1.來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。圖中的黑線是普朗克軌跡。
在許多情況下,比白光質(zhì)量更重要的是數(shù)量。以這種方式判斷,激光二極管泵浦發(fā)出的光線很強(qiáng),因此它們是建筑照明、探照燈和汽車前燈理想的高強(qiáng)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)引起了汽車制造商的注意,它們正在積極為高端車型安裝上激光頭燈。*像LED照明在汽車行業(yè)的滲透一樣,高端車型*潮流,其中*包括寶馬的一些車型(見圖2)。
圖2.寶馬的激光前照燈具有單獨(dú)的激光二極管、光束組合器、熒光體靶和反射器組件
激光泵浦結(jié)構(gòu)
與LED不同,當(dāng)使用激光二極管來泵浦熒光體時(shí),需要不同的結(jié)構(gòu)。由于激光輻射的定向特性及其高強(qiáng)度,不可能簡單地*把磷光體沉積在泵裝置的頂部。相反,需要更多的光學(xué)設(shè)計(jì),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(參見圖3)。對于這兩種方法,只要使用合適的技術(shù)來組合多個(gè)激光束,*可以使用一個(gè)或兩個(gè)以上的二極管進(jìn)行泵浦。這意味著激光泵浦光模塊的光功率沒有上限。使用遠(yuǎn)程泵浦結(jié)構(gòu)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,大大延長其使用壽命。激光泵浦的一個(gè)相對簡單的方法是將激光器引導(dǎo)到熒光體板并且用反射器準(zhǔn)直所得到的輻射(參見圖3(a))。然而,在光功率轉(zhuǎn)換方面,使用熒光體涂覆的積分球更有效(參見圖3(b))。
圖3.激光二極管泵浦的典型光學(xué)設(shè)置
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。*像基于LED的燈一樣,發(fā)射的光線包含兩個(gè)不同的組成部分:來自磷光體的下轉(zhuǎn)換光,以及剩余的未轉(zhuǎn)換的激光。不同的是,使用激光*的區(qū)別*是內(nèi)在的一致性,這會(huì)導(dǎo)致斑點(diǎn),即在亮面上出現(xiàn)可見光及暗點(diǎn)。這些斑點(diǎn)是不能忽視的,斑點(diǎn)不僅讓人分心,還對視覺感知有負(fù)面影響,妨礙了檢測照明物體的空間細(xì)節(jié)。測試表明,斑點(diǎn)將視力敏度降低了40%,降低了感知高低空間頻率的能力。這些問題是直接激光照明未能流行的一部分原因。請注意,使用激光投影機(jī)時(shí),通過一些手段來減少激光的相干性,可以將斑點(diǎn)轉(zhuǎn)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)很小,可以完全忽略。*的光學(xué)設(shè)計(jì)可以確保大多數(shù)激光被轉(zhuǎn)換成不發(fā)出斑點(diǎn)的較長波長,同時(shí)剩余的激光表現(xiàn)出非常小的斑點(diǎn),這是由于當(dāng)它通過熒光體層時(shí)經(jīng)歷多次散射,其相干性降低。磷光泵浦激光系統(tǒng)產(chǎn)生的光線強(qiáng)、色彩豐富、無斑點(diǎn),優(yōu)于LED燈具產(chǎn)生的光。
關(guān)于激光泵浦白光源的討論
激光泵浦白光源的*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(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中廣泛應(yīng)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(tǒng)價(jià)格昂貴,目前只能部署在專門的、不那么在乎成本的照明應(yīng)用中。
激光泵浦照明系統(tǒng)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,通過組合幾個(gè)激光器的輸出可以形成更強(qiáng)大的源。但是,這不利于系統(tǒng)的壽命。這是因?yàn)槎O管壽命低于LED的壽命,特別是當(dāng)它們在高驅(qū)動(dòng)電流下工作時(shí)。壽命短的原因可以追溯到激光結(jié)構(gòu)中微小的、預(yù)先存在的晶體位錯(cuò)。當(dāng)器件以高功率驅(qū)動(dòng)時(shí),這些缺陷會(huì)隨之增大。以這種方式運(yùn)行會(huì)逐漸形成廣泛的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò),稱為暗線缺陷。它們作為非輻射復(fù)合的位點(diǎn),減少了設(shè)備的光輸出。二極管的亮度會(huì)隨著時(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。但是,隨著激光二極管的成熟度增加,以上這些問題的嚴(yán)重程度會(huì)減弱,直至消除。
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