1. Лазерні діоди - суть і практика світла
2. Можливості лазерного діода
3. Ефективність лазерних діодів
4. Застосування лазерів в автомобілебудуванні
5. Технічні можливості пристосування лазера
6. Використання вже випробуваних технологій
7. Безпека і пошук модульних варіантів
8. Монолітна основа і спекл в лазерних світильниках
9. Застосування лазерних світильників в архітектурі
10. Демонстрація роботи лазерних фар на автомобілі BMW

Кілька десятиліть яскравий лазерний світло прикрашав концерти, спортивні заходи та інші шоу. Тим часом за картинкою видовищ завжди залишалися технологічні обмеження. Лазерний промінь мав здібностями висвітлювати тільки одну точку за момент часу і ніколи в білому світі. Більш того, світлові візерунки, створені лазерним променем, рясніли постійно мінливих і кілька моторошним феноменом інтерференційної картинки. Однак технології зробили свою справу. Недавні досягнення в області напівпровідникових лазерів відкрили більш широкий спектр застосування. Вдосконалений лазерний діод тепер доступний і для точної підсвічування фасадів будівель і для автомобільних фар дальнього світла.

вміст публікації

Лазерні діоди - суть і практика світла

Лазерні діоди слід розглядати «близькими родичами» світловипромінювальних діодів (LED - Light Emitting Diodes). Конструкція світлодіодів містить діоди або мікросхеми, виконані на основі двох термінальних напівпровідникових елементів.

Цими напівпровідниками здійснюється перетворення потоку електричної енергії в промінь світла і кольору певної довжини хвилі. Гамма кольору, в свою чергу, залежить від застосовуваного поєднання термінальних напівпровідників.

Випускаються білі світлодіоди, де від чіпа синього промінь прямує на фосфорно-хімічну основу. В результаті поглинання синього світла, прилад починає випромінювати жовте світло. Випромінювання жовтого люмінофора і синього світлодіода об'єднують і таким чином отримують світло, що сприймається очима людини як білий.

Можливості лазерного діода

Лазерні діоди оснащені двома дзеркалами на протилежних кінцях напівпровідника. Одне з дзеркал має часткову прозорість, подібно двосторонньому дзеркала.

При низьких рівнях потужності, лазерний діод працює аналогічно тому, як працює звичайний світлодіод з дуже малою ефективністю віддачі.

Спрощена інтерпретація структури інноваційного напівпровідника: 1 - розсіює відбивач; 2 - чіп з жовтим люмінофором; 3 - лазерний діод з подвійним дзеркальним відображенням

Однак, як тільки електрична потужність досягає порогу щільності, рівного приблизно 4 кВт / см2, напівпровідник випромінює достатньо світла для частини довжин хвиль, що відбиваються між дзеркалами. Ці умови дозволяють лазерному діоду випромінювати значно більше світла, ніж це робить звичайний світлодіод.

Крім того, відбитий між дзеркалами світло, проходить крізь напівпрозоре дзеркало, завдяки чому формується вузький промінь синього. Цей промінь далі може бути спрямований на люмінофор для наступної генерації жовтого світла.

Варто відзначити цікаву деталь: звичайні сині світлодіоди мають високу світловіддачу, регенеруючи до 70% електричної потужності, що проходить через прилади при щільності потоку 3 Вт / см2.

Це значно ефективніше, ніж у випадку з лазерними діодами синього випромінювання, потужність конверсії яких не перевищує 30%, коли щільність електроенергії становить не більше 10 кВт / см2.

Але світлодіоди здатні досягати високої ефективності при низьких струмових рівнях. Тому ефективна віддача потребує значної маси дорогих напівпровідників.

Посилення струму, що пропускається через світлодіоди, підвищує яскравість випромінювання. Але збільшення струму різко знижує ефективність світлодіодів. Це явище відоме як «спад». А ось ефективність лазерних діодів зі збільшенням струму не змінюється.

Таким чином, при щільності електроенергії близько 5 кВт / см2, світлодіоди стають менш ефективними в порівнянні з діодними лазерами. Ця різниця продуктивності збільшується пропорційно з рівнем потужності.

Ефективність лазерних діодів

Вихідний лазерний промінь формує конус випромінювання всього лише в 1º - 2º в порівнянні з конусом світлового випромінювання світлодіода в 90º.

Форма випромінювання двох різних типів діодів. Зліва звичайні світлодіоди, праворуч модифікація з лазерним випромінюванням. Різниця в характеристиці форми променя очевидна

Довжина хвилі лазерного випромінювання падає в межах 1 нм у порівнянні з кількома десятками нанометрів для світлодіодного освітлення. Ці відмінності вказують на особливу цінність лазерів для окремих випадків застосування, де світлодіоди значно поступаються. Усередині діода лазер можна сфокусувати на крихітній точці люмінофора для створення вузького інтенсивного променя яскравістю, в 20 разів перевищує яскравість світлодіода.

Нові технології дозволяють генерувати до 500 люменів світлового потоку з фокусної плями, розмірами всього в декілька сотень мікрометрів. За допомогою лазерів і оптики розміром 25 мм, нові технології дозволяють виводити світловий промінь з конусом близько 1º. Ці досягнення можна вважати революційними. Реально відкривається доступ до виробництва ліхтарів і автомобільних фар дальнього світла, промінь яких здатний пробивати відстань до 1 км!

Застосування лазерів в автомобілебудуванні

Відомий виробник авто під маркою «BMW» вже застосовує (з 2015 року) лазерні фари в конструкціях автомобілів деяких моделей.

Порівняння систем світла, що застосовуються на автомобілях BMW: А - світлодіодний малої потужності. Дальність 100 м; Б - світлодіодний високої потужності. Дальність 300 м; В - світлодіодний високої потужності з лазерним підсвічуванням. Дальність 1000 м

Синій лазер, що випромінюється з поверхні від 4 до 30 мкм, дає стільки ж оптичної потужності, скільки дають світлодіоди, розміщені на площі 800 мкм.

Щоб вписатися в максимально допустимий діапазон дальнього світла, затверджений нормами ЄС, компанія «BMW» розробила відповідну автомобільну фару.

Автомобільна фара поєднує в конструкції ширококутний світлодіодний люмінофор з вузько-вугільної далекобійної лазерним підсвічуванням. Світлова маса такого підсвічування пробиває відстань до 600 метрів.

Компанія «SoraaLaser» використовує технологію пристрою полуполярного галій-нітрідная лазера поверхневого монтажу для отримання білого світла. Готовий 7-міліметровий квадратний модуль містить:

• синій лазерний діод,
• квадратний люмінофор (1х1 мм),
• відбивач синього променя.

Відбивач синього лазера служить для тимчасового транспорту перед змішанням з жовтим люмінофором.

Технічні можливості пристосування лазера

Світильники з лазерним джерелом, за своєю суттю повинні мати різні конструктивні варіації з урахуванням дизайну тих же світлодіодних світильників.

Схема технологічна №1: 1 - люмінофорний диск жовтого / зеленого; 2 - промінь синього лазера; 3 - проекційна лінза; 4 - колірний диск; 5 - призма; 6 - система цифрової обробки світла (DLP)

Лазерний діод і люмінофор необхідно відокремлювати достатнім простором для лазерного променя, щоб сфокусувати і захистити люмінофор від перегріву.

В іншому варіанті люмінофор може розташовуватися поруч або покриватися безпосередньо світлодіодами. У будь-якому варіанті спеціальне комп'ютерне програмне забезпечення допоможе дизайнерам модельної оптики розробляти унікальні лазерні світильники.

існуючі нині продукти лазерного світла компанії «SoraaLaser» використовують для виведення назовні білого світлодіодного випромінювання сині лазери, що випромінюють довжину хвилі 450 нанометрів, близьку до стандартної величиною.

Таким чином, є всі передумови, щоб використовувати жовті люмінофори, які використовуються в світлодіодах, щоб створити білий світ.

Однак синій лазерний промінь необхідно розсіяти або відобразити матеріалом, подібним матовому склу. Це необхідно для правильного змішування з випромінюванням люмінофора.

Використання вже випробуваних технологій

Лазерне освітлення також можливо організувати на базі перевіреної часом технології 405-нанометрових фіолетових лазерів, які розроблялися для застосування в конструкціях оптичних дисків (Blu-Ray).

Технологічна схема № 2: 1 - суматор світла; 2 - оптичне волокно; 3 - світловод; 4 - чіп цифрової обробки світла; 5 - призма; 6 - проектні лінзи; 7 - система проти ефекту спекл

Тут виробництво білого світла вимагає додавання люмінофорів для перетворення фіолетового світла в синє світло при довжині хвилі 450-460 нанометрів, на додаток до жовтим люмінофором. Це загрожує додатковими енергетичними витратами, але обіцяє підвищити ефективність лазерних діодів.

Люмінофорні білі світлодіоди переважають на ринку напівпровідникових приладів освітлення через їх простоти. Поєднанням світла червоного, зеленого, синього світлодіодів проводиться біле світіння.

Інший варіант, з доданою здатністю модулювати колір, на прикладі декількох моделей світлодіодних ламп, які доповнені функціоналом зміни кольору і також присутні в продажу.

В принципі, лазерні технології не виключають поєднання червоного, зеленого, синього кольорів для отримання білого світла, але цей напрямок поки що залишається на стадії наукових досліджень і розробок.

Безпека і пошук модульних варіантів

Однією з проблем лазерного варіанту c RGB змішанням є необхідність контролю відображення лазерного світла з міркувань безпеки. Іншою проблемою є пошук відповідних джерел RGB-лазера.

При виробництві лампи Hue Philips частково використовуються нові технології, що дозволяють отримати біле світло з триколірного спектра

Так, компанія «Philips» в технології виробництва ламп «Hue» використовує окремі світлодіоди в якості джерел RGB. Лампи відрізняються переважанням зелених світлодіодів, оскільки ці прилади менш ефективні і дають менше оптичної потужності, ніж червоні або сині світлодіоди.

Різниця продуктивності по спадаючій для напівпровідникових лазерів:

• синій (найпотужніший колір),
• червоний (менш потужний),
• зелений (найслабший).

Популярні в суспільстві лазерні указки зеленого світіння генерують світло небезпечно яскравий, але цей світ виходить від кристалічних лазерів, що не від напівпровідників. Напівпровідникові ж лазери, що випромінюють кожну з 3 довжин хвилі, неможливо інтегрувати на один і той же чіп.

Одна деталь, завжди залишається незримою при роботі лазерного світильника - це лазерний промінь. Подібно сонцю, промінь лазера, спрямований безпосередньо в очі, загрожує спалити сітківку.

Тому продукти, де використовуються лазери (ті ж Приводи Blu-Ray), оснащуються захистом - сконцентрований лазерний промінь закритий екраном.

Тим часом пряме відображення, наприклад, від дзеркала, дійсно становить небезпеку, але розсіяне відбиття, наприклад, від пофарбованої стіни, не представляє ніякої небезпеки. Оптичні проектні рішення, що виключають трансмісивні люмінофори, також зменшують ризик.

Монолітна основа і спекл в лазерних світильниках

Спекл (дифракційне пляма) - небажаний дефект в лазерному висвітленні. Дефект є зернисту (плямисту) структуру, яка проявляється при найменших коливаннях повітря.

Приблизно таким виглядає технологічний дефект - ефект спекл (випадкова інтерференційна картина), від якого необхідно позбуватися

Нешкідливий, але дратівливий зір дефект, можна запобігти шляхом розсіювання лазерного випромінювання за допомогою матового або білого скла.

Отримати монолітну основу з розміщенням трьох кольорів досить складно. Проте, дослідження в цьому напрямку дають певні результати.

Групі китайських вчених, наприклад, вдалося інтегрувати в єдину основу різні кольорові лазерні діоди. При цьому не застосовувалися стандартні з'єднання - галію, індію, азоту, миш'яку.

Як відомо, ці сполуки використовуються в напівпровідникових лазерних діодів замість сімейства напівпровідників, що складаються з кадмію, цинку, сірки і селену.

Депонуючи різні суміші елементів в тонких шарах, вчені отримали монолітний прилад, де об'єдналися розрізнені лазерні діоди.

Так отримали синій, зелений, світло-червоний і темно-червоне світло для виробництва білого світла. Але китайська технологія, знову ж таки, поки що чисто експериментальна.

Приблизно за такою технологічною схемою повинна вибудовуватися монолітна структура джерела випромінювання

Група англійських дослідників застосувала інший підхід до виробництва білого (кольорового) перебудовується світла лазерів. Інфрачервоне світло можна змішати і отримати видимий спектр.

Для цього потрібно комбінація двох інфрачервоних пучків в тонкому мікроструктурованих матеріалі (титанів фосфат калію) з високим нелінійним ефектом.

Матеріал титанів фосфат калію об'єднує частоти інфрачервоних пучків. Змішування призводить до формування лазерного виходу червоною, зеленою, синьою хвиль.

Застосування лазерних світильників в архітектурі

Висока інтенсивність лазерів вдало працює в архітектурній прожекторної підсвічуванні, де потрібні вузькі промені світла. Лазери з малої оптикою забезпечують підсвічування точних областей за допомогою ширококутного, сверхкороткого потоку.

Лазерне збудження люмінофорів може створювати дуже високий контраст між світлими і темними областями. При цьому градієнти світла більш ніж в 10 разів більшим, ніж у випадку зі звичайними світлодіодними джерелами.

Точна підсвічування будівель лазерним світлом дозволяє створювати барвисті картини екстер'єру. Однак це всього лише мала частина можливостей застосування

Так, лазерний джерело світла здатний рівномірно висвітлювати екстер'єр п'ятиповерхової будівлі з використанням одного світильника, розміщеного в області першого поверху.

Номінальна колірна температура продуктів «SoraaLaser», призначених для зовнішнього лазерного освітлення, становить 5700K, а передача кольору 70-80К.

Лазерний світло є сконцентрувати і направити всередину оптичних волокон або хвилеводів, що є незрівнянно складним завданням у випадку з джерелами на світлодіодах.

Інженерами компанії «SoraaLaser» розроблена система перенесення синього лазерного випромінювання на люмінофори за допомогою оптоволоконного зв'язку.

Подібне рішення дозволяє розміщувати джерела світла в місцях віддалених, захищених від теплового та електромагнітного впливу.

Згідно комерційним планам «SoraaLaser», компанія очікує запуску першої хвилі комерційних, статичних освітлювальних приладів до початку 2019 року.

Унікальні розробки обіцяють поліпшення передачі кольору, енергетичну ефективність, високу продуктивність для конкретних проектів. Потужні керовані прожектори готуються повністю витіснити вже застарілі світлодіодні прилади.

Демонстрація роботи лазерних фар на автомобілі BMW

За матеріалами: Architectmagazine