雷射二極體可望進軍照明市場?

作者: Yoelit Hiebert,EDN

半導體雷射在未來是否可用於一般照明呢?半導體雷射的能效是傳統LED的100倍,甚至更高,因此能夠以更小的裸片尺寸提供非常高的光輸出。對物理尺寸有限的應用來說,半導體雷射的吸引力顯而易見,但將其用於一般照明的缺點在於其發射腔非常窄…

LED和半導體雷射(或雷射LED)的工作方式基本相同,亦即當電子與空穴聚合時發出光,其發射波長取決於所使用的材料。不同的是,LED光的光譜範圍比較窄,而半導體雷射發出的光基本是單一波長。半導體雷射的發射波長範圍可以從紅外線到紫外線,且已廣泛應用於光纖通訊、條碼讀取器、光碟閱讀器和雷射列印等領域。但截至目前為止,半導體雷射在常規照明中的應用則被證明是不切實際的。

和傳統雷射一樣,半導體雷射也需要諧振腔來放大。諧振腔由兩個間隔幾百微米的平行平面構成,這兩個平面充當反射鏡,將發射的光子反彈回空腔。在低功率水準下,半導體雷射的功能類似於傳統LED。當功率夠大時(約4kW/cm2),在兩個「反射鏡」之間彈射的光子開始刺激半導體材料發射更多的光子。當受雷射子的產生抵消並超過內部損耗時,設備開始「發射雷射」,即發射單一波長的相干光。

傳統LED和半導體雷射之間也存在一些相似之處:兩者都由AC-DC驅動器供電,並且在溫度升高時,光輸出都會下降。但與傳統LED不同的是,半導體雷射似乎不受Droop效應的影響,Droop效應會增加驅動電流,從而導致功效降低(輸出流明/輸入瓦特)。對於照明產品應用,常規藍光LED比半導體雷射器具有更高的功效,但僅在較低的輸入電流下如此。因此,考慮到所需的基板面積,從常規藍光LED中產生相同水準的光是不實際的。

儘管雷射二極體在上世紀60年代就已經出現,但直到最近才具有足夠高的能效,而被考慮用於照明應用,尤其是用於汽車的高端車燈中。BMW就提供了雷射前照燈,並聲稱它比LED前照燈亮10倍,效率高30%。它透過使用精確放置的反射鏡,在前照燈外殼內部反射藍色半導體雷射來產生白光光束,然後利用填充了螢光粉的透鏡將其聚焦,從而產生高強度白光。

半導體雷射在未來是否可用於一般照明呢?螢光粉轉換白光LED的理論能效極限約為350流明/瓦,而市售照明產品接近200流明/瓦。半導體雷射的能效是傳統LED的100倍,甚至更高,因此能夠以更小的裸片尺寸提供非常高的光輸出。對物理尺寸有限的應用來說(例如汽車前照燈),半導體雷射的吸引力顯而易見,但將其用於一般照明的缺點在於其發射腔非常窄(大約只有1~2度)。

目前到底有多少公司致力於將半導體雷射用於一般照明,我們還不清楚,但至少有一家公司已經提供了相關產品。SLD Laser早於2016年就推出了LaserLight表面黏著(SMD)元件,該元件採用藍光半導體雷射、螢光粉和高流明封裝,在7×7mm封裝內可以發出約500流明的白光,而且對人眼沒有傷害,其精密的光學元件實現了不超過2度的光束角,LaserLight SMD元件是全球第一款獲得UL 8750安全認證的半導體雷射光源。

最有可能的情況是,雷射半導體首先被應用到特殊建築的照明產品中,這些應用需要窄且高強度的光束。例如,在博物館、畫廊、零售空間和其他一些特殊場所,只需照亮空間的一個角落,而無需照亮整個空間。這不僅是空間美學的需要,而且還簡化了控制和維護。但由於半導體雷射器傳播的光束很窄,要開發經濟可行的常規照明產品,可能還需要結合光纖或波導來引導和傳輸發射的光。

在Baja Designs提供的照明配件照片和視訊中,可以看到越野車中採用的半導體雷射照明。Baja Designs聲稱,他們的OnX6 Hybrid Laser/LED和XL Laser High Speed Spot聚光燈的照明距離是傳統LED越野車照明產品的350%,非常適合夜間進行越野比賽。

(參考原文:Laser diodes add intensity to narrow-beam lighting,by Yoelit Hiebert)

 

 

發表評論