Лазерное освещение: ✅ Лазерное освещение лучше светодиодного? | Завод Светорезерв — производство светотехники, электротехники и металлоконструкций

Источник высокого качества Лазерное Освещение производителя и Лазерное Освещение на Alibaba.com

О продукте и поставщиках:

Придайте сияние своим сценам и сделайте так, чтобы на ваших вечеринках не было света, с помощью невероятно мощного и мощного. лазерное освещение на Alibaba.com. Эти. лазерное освещение уникальны по своей природе с захватывающими функциями, такими как звуковая активация, гидроизоляция и другими опциями, которые составляют их оплот в отрасли. Неважно, насколько велика ваша сцена, эти. лазерное освещение идеально подходят для сцены любого размера и имеют разную мощность. 
лазерное освещение помогают организовать сценическое шоу самым красивым образом, а свет делает его еще более привлекательным для публики. Файл. лазерное освещение, представленные здесь, представляют собой движущиеся огни, которые питаются от ярких, мощных светодиодов, которые ярко светятся, равномерно распределяя свет повсюду.  Вы можете использовать их. лазерное освещение для любых свадебных мероприятий, вечеринок, светских мероприятий, показов мод и многих других мероприятий, чтобы сделать эти мероприятия эстетически привлекательными. 
Каждый из них. лазерное освещение на Alibaba.com доступны в различных формах, с индивидуальной мощностью и мощностью освещения. Эти. лазерное освещение покрыты прочными металлическими кожухами и корпусами, чтобы светодиодные лампы не пострадали от внешних помех. Срок службы этих. лазерное освещение может варьироваться в зависимости от продукта, но в среднем около 10 000 часов. Самое приятное то, что эти фонари доступны в разных цветах, а некоторые продукты имеют многоцветную подсветку. 
Alibaba.com позволяет получить доступ к широкому спектру доменов. лазерное освещение варианты, чтобы вы могли синхронизировать с вашим бюджетом. Эти продукты сертифицированы BV, ISO, RoHS и не требуют серьезных затрат на обслуживание.  Доступны заказы OEM, и вы также можете использовать индивидуальную упаковку для оптовых заказов.

Лазерное освещение и новая бесподложечная технология изготовления светодиодных структур

Юрий Шретер, д.ф-м.н., профессор, главный научный сотрудник, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, Генеральный директор, АО «ТРИНИТРИ»

Владислав Вороненков, к.ф-м.н., научный сотрудник, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, заместитель Генерального директора, АО «ТРИНИТРИ»

 

Для корреспонденций: E-mail: [email protected]

 

Новая революция в твердотельной электронике началась с разработки и демонстрации С. Накамурой первых голубых светодиодов и лазеров на нитриде галлия GaN в 1994 г.
В первые же 10 лет в мире было запущено более 500 заводов по производству светодиодов и светильников на их основе — создана новая отрасль светотехнической промышленности ‒ твердотельное освещение (Solid State Lighting, SSL).

В последующие пять лет на основе технологии выращивания слоев нитрида галлия, разработанной Исаму Акасаки (Isamu Akasaki), Хироси Амано (Hiroshi Amano) и Сюдзи Накамурой (Shuji Nakamura), успешно развиваются мощная СВЧ- и силовая электроника, оптоэлектроника с выходом на терагерцовый и ультрафиолетовый диапазоны спектра электромагнитных волн.

Признанием исключительной важности новой технологической революции стало присуждение Нобелевской премии по физике 2014 г. японским исследователям И. Акасаки, Х. Амано и С. Накамуре.

 

В ближайшем будущем ожидается прорыв нитридо-галлиевой технологии в область цифровой техники, который определяется постепенной заменой кремниевых подложек (Si) на подложки нитрида галлия (GaN). Сначала эти изменения произойдут в изготовлении логических элементов для ЦАП, АЦП и интегральных схем (ИС), а затем коснутся и процессоров для компьютеров. Такая замена приведет к возможности перехода на более плотную упаковку ИС (5-нм технология) и увеличению быстродействия компьютеров в 1000 раз. Причина столь бурного развития нитридной электроники в уникальных свойствах нитрида галлия (GaN) — высоких пробивных напряжениях, хорошей теплопроводности и большой вероятности спонтанного излучения, что позволяет легко интегрировать оптические устройства (лазеры типа VCSEL) с электрическими, например, с мощными СВЧ-транзисторами для накачки VCSELs.

 

В статье показано, что высококачественные подложки нитрида галлия будут играть ключевую роль не только при переходе на новые мобильные радары с дальностью до 600 км и новые терагерцовые цифровые схемы и компьютеры, но и уже определяют стратегию развития светодиодного и лазерного освещения.

 

Светодиодное освещение

В последние годы светодиодное освещение получило широкое распространение во многих регионах, особенно с жарким климатом. Например, в США за период 2012‒2014 гг. продажи светодиодных ламп увеличились в шесть раз ‒ с 13 до 78 млн. шт.  Следует заметить, что в районах с жарким климатом население получает двойную прибыль, как за счет экономии на освещении, так и из-за снижения мощности кондиционеров и холодильников. Именно поэтому светодиодное освещение активно внедряется в южных странах.

Для северных районов РФ было бы целесообразно, прежде всего, разработать твердотельные лампы со спектром, близким к спектру солнца, что позволит сохранить здоровье людей, работающих в условиях полярной ночи. Стоимость таких светильников будет выше обычных, но здоровье дороже!  

Однако в то же время произошло падение цены светодиодов, и многие компании, теряя прибыли, ищут на светодиодном рынке новые ниши, к которым относятся сегменты младшего (Low End) и старшего уровней и (High End).

Особенно перспективен сегмент недорогих светодиодов, используемых в т.н. филаментных лампах. Эти источники света можно изготавливать на основе дешевых подложек и далее переносить на дешевые ленты (филаменты) по 28 шт. Обычно используют четыре ленты в лампе, что практически устраняет проблему с драйвером ‒ лампу можно питать от сети с помощью простого выпрямителя.

Другое перспективное направление ‒ светодиоды премиум-класса на дорогих подложках SiC (компания Cree) и GaN (компания Soraa).

Рис. 1. Зависимость нормализованной эффективности светодиодов, изготовленных
 на различных подложках, от рабочего тока (т.н. droop effect).

Источник: Bulk GaN Substrate Market 2017, Yole Development

 

По вертикали: Нормализованная эффективность светодиодов, %

По горизонтали: Плотность тока, А/см²

Sapphire/SiC LED Operating Regime – Рабочий режим светодиодов на сапфировой или SiC-подложках

Conventional LEDs ‒ Стандартные светодиоды

GaN on GaN LEDs – Светодиоды GaN-на-GaN

Sapphire/SiC Unreliable Operation – Область нестабильного режима светодиодов на сапфировой или SiC-подложках

 

На рисунке 1 иллюстрируется слабая зависимость эффективности светодиодов со структурами GaInN на GaN-подложках, а также технология GaN-на-GaN от увеличения рабочего тока. Такие светодиоды позволяют использовать в 100 раз меньшую площадь кристалла, создавая тот же световой поток. Например, светодиод GaN-on-GaN с площадью 0,3×0,3 мм² и стандартный светодиод площадью 0,3×0,3 мм² генерируют одинаковые световые потоки.

Существует только «одна» причина значительного падения эффективности светодиодов с током ‒ плохая конструкция, т.е. неправильный выбор подложки, примеси и структурные дефекты в самих структурах, недостатки в дизайне структур и конструировании диода, в т.ч. оптимизация вывода света, выбор люминофора и его размещение.

Начнем с правильного выбора подложки ‒ это, безусловно должен быть  GaN, чтобы обеспечить гомоэпитаксию активных слоев и низкую плотность дислокаций в приборных структурах. Но подложки GaN очень дороги ‒ 2-дюймовая подложка для светодиодов стоит 2000 долл. и 5000 долл. для лазеров (плотность дислокаций меньше 10000 на см²).

 

Подложки из нитрида галлия

Одной из главных проблем в производстве приборов на основе структур GaN является низкое качество приборных слоев, вызванное использованием чужеродных подложек, таких как карбид кремния (SiC), сапфир (Al₂O₃) и кремний (Si).

Существенное рассогласование кристаллических решеток подложки и эпитаксиального слоя приводит к возникновению в активных слоях приборной структуры дислокаций, плотность которых достигает 10⁶‒10⁸ см^-2.
 Это приводит к ухудшению параметров эпитаксиальных слоев:

— дислокации провоцируют возникновение макродефектов и неоднородностей состава квантово-размерных слоев;

— уменьшается теплопроводность, что затрудняет отвод тепла от активной структуры;

— уменьшается подвижность носителей в т.ч. в HEMT-структурах;

— увеличиваются токи утечки барьеров Шоттки и p-n-переходов;

— компенсированных полуизолирующих слоев;

— уменьшается напряжение пробоя;

— ускоряется деградация приборных структур.

Помимо высокой плотности дислокаций в приборных структурах использование чужеродных подложек приводит к изгибу и растрескиванию пластин вследствие разницы в температурных коэффициентах расширения материалов эпитаксиального слоя и материала подложки.

Кроме того, наиболее распространенные чужеродные подложки сапфира и кремния обладают существенно худшей теплопроводностью по сравнению с GaN. При использовании чужеродных подложек с высокой теплопроводностью (SiC и алмаз) отвод тепла ограничивается дефектным интерфейсным слоем между подложкой и приборной структурой. Выращивание приборной структуры на чужеродной подложке сложный и ресурсоемкий процесс, включающий нанесение буферных слоев, а также дислокационные фильтры-сверхрешетки, латеральное эпитаксиальное разращивание и т.д.

Использование подложки из объемного бездефектного кристалла GaN позволяет решить все перечисленные выше проблемы:

— плотность дислокаций в эпитаксиальном слое на подложке GaN не превышает плотностдислокаций в подложке;

— отсутствуют проблемы, связанные с изгибом, растрескиванием и вызванные несоответствием

коэффициентов теплового расширения;

-теплопроводность подложки GaN сравнима с теплопроводностью карбида кремния, при этом отсутствует интерфейсный слой между эпитаксиальным слоем и подложкой, затрудняющий отвод тепла;

— упрощается процесс эпитаксии приборной структуры.

В целом, это позволяет создавать структуры устройств, которые превосходят по своим параметрам приборы, выращенные на чужеродных подложках.

Подложки из объемного GaN пока не вытеснили с рынка чужеродные подложки, главным образом, из-за высокой стоимости, обусловленной сложностью выращивания объемных кристаллов нитрида галлия. Типичное для технологии объемных кристаллов выращивание из расплава практически неосуществимо для GaN из-за крайне высокого давления в точке плавления.

Основные промышленные методы получения объемного GaN: хлорид-гидридная газофазная эпитаксия HVPE (Sumitomo Electric, Mitsubishi Chemical, Nanowin, Saint-Gobain), аммонотермальный метод (Ammono), а также из раствора (Na-Ga-N, Na Flux LPE, Toyoda Gosei).

Объем рынка подложек GaN стремительно растет – согласно оценкам Yole Development и IndustryARC, к 2020 г. он превысит 1 млрд долл. Следует заметить, что большинство выпускаемых подложек не попадает на свободный рынок, а используется компаниями-производителями для создания конечных устройств. Кроме того, в отношении GaN-подложек действуют строгие экспортные ограничения, запрещающие поставки в Россию качественных подложек из нитрида галлия.

Существенно снизить себестоимость можно, если перейти от использования объемных кристаллов в качестве подложек к тонким GaN-пленкам, изготовленным из объемных кристаллов и сохраняющих их кристаллическую структуру. Такой подход был реализован совместно компаниями Soitес и Sumitomo Electric.

В основе технологии находится известный метод отделения тонких приповерхностных слоев кристалла путем облучения быстрыми протонами – SmartCut. Толщина отделяемого слоя определяется глубиной проникновения протонов в процессе облучения и составляет около 0,5 мкм; плотность дислокаций не превышает плотности дислокаций в подложке, однако в процессе облучения появляется большое количество точечных дефектов. Тонкая пленка GaN, отделенная от объемного кристалла, переносится на особую подложку и используется для выращивания на ней приборных структур, а объемный кристалл после переполировки применяется для отделения очередной тонкой пленки (см. рисунок 2). Таким образом, из одного объемного кристалла изготавливается значительное количество подложек.Авторами настоящей работы был предложен метод отделения тонкой пленки от объемного кристалла GaN с помощью лазера и основанная на этом методе технология клонирования подложек. Все составляющие технологии были испытаны, в процессе чего были изготовлены работоспособные приборы.

Рис. 2. Отделение поверхностного слоя подложки GaN методом Smart Cut. Совместная разработка Soitec и Sumitomo Electric

 

 

Поскольку подложки GaN необходимы и для лазерного освещения, рассмотрим предложенный нами бесподложечный метод выращивания активных структур с использованием лазерного слайсинга и клонирования подложки.

Схема предлагаемого технологического процесса представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Бесподложечная технология «Тринитри»: клонирование подложек и слайсинг.

Патенты РФ 2469433, 2546858

 

Основными отличиями предложенного нами процесса от SmartCut являются: диапазон возможных отделяемых толщин, регулируемый в диапазоне от 2 мкм до единиц мм, а также возможность отделять тонкие слои с уже выращенной эпитаксиальной приборной структурой. Это возможно благодаря тому, что лазерный пучок, в отличие от пучка протонов, не вносит повреждений в структуру кристалла. Кроме того, метод позволяет отделять от подложки приборную структуру с нанесенными металлическими контактами и пассивирующими диэлектрическими слоями. Для этого используется конфигурация облучения лазером с тыльной стороны подложки.

Компания «Тринитри» запатентовала технологии лазерного отделения (Laser Stealth Slicing, LSS) и многократного использования GaN подложек – технологию клонирования (Cloning Technology, CT). Эти технологии позволяют изготавливать композитные подложки в виде тонких пленок (~3–50 мкм), перенесенных на теплоотводящую ленту, например из поликристаллического AlN. Такие подложки совмещают кристаллическое совершенство исходной материнской подложки с высокой теплопроводностью AlN, что позволяет повысить мощность GaN-приборов и удешевить процесс их производства.

В дальнейшем технология может быть использована для изготовления специализированных композитных подложек с уже имеющейся эпитаксиальной структурой: например, со структурой светодиода, лазера, HEMT-транзистора или любого другого прибора.

Предлагаемые технологии успешно продемонстрированы компанией «Тринитри» на примере светодиодной структуры и их уровень соответствует мировым требованиям.

 

Лазерное освещение на основе GaN—on—GaNтехнологии

Лазерное освещение было предложено сразу же после изобретения лазеров, но практическая реализация этой идеи стала возможна только к настоящему времени. Лазеры можно активно использовать не только в общем освещении, но и для подключения к интернету, совмещая их с освещением помещений. Эта технология получила название LiFi, когда вместо радиоволн для связи с Wi-Fi-маршрутизатором стал применяться лазерный свет (LiFi). Благодаря высокой частоте света имеется возможность одновременно подключать до тысячи пользователей, т.е. использовать LiFi в общественных местах, поездах, вокзалах, метро и т.д. Интересное применение — лазерные радары — лидары в автомобилях и связь между автомобилями/водителями в процессе движения.  Лазеры уже нашли применение в проекторах, пикопроекторах в смартфонах и дисплеях большой площади. Огромный рынок открывается и в сегменте автомобильной промышленности.

Рис. 4. Использование лазеров в освещении: а) смешение лазерных лучей; б) активация люминофора лазером

 

Лазерное освещение имеет следующий ряд преимуществ по сравнению со светодиодным:

— малое падение эффективности (droop effect) лазерных диодов с увеличением тока;

-высокая выходная мощность и яркость;

— высокое оптическое усиление;

— высокое дифференциальное усиление, что позволяет реализовать LiFi и обеспечить частоту модуляции более 5 ГГц.

В лазерном освещении применяются два основных подхода ‒ смешение лучей трех или большего числа лазеров, если требуется обеспечить спектр, близкий к солнечному, или использование люминофоров, которые активируются лазером (см. рисунок 4). В обоих случаях когерентность лазерного пучка света нарушается специальным рассеятелем или люминофором.

Подобную конструкцию запатентовали С.Накамура с сотрудниками.

Рис. 5. а) конструкция лампы с лазерным филаментом ‒ набором дисковых лазеров, собранных в стопку; б) стеклянная трубка с люминофором. Патент компании «Тринитри»

 

 

Нами предложена конструкция лампы для обычного освещения с лазерным филаментом ‒ набором дисковых лазеров, собранных в стопку (см. рисунок 5). Недостаток этих лазеров для обычных целей состоит в том, что их излучение распространяется во всех направлениях в плоскости диска. Однако в рассматриваемом случае этот факт является преимуществом — лазерный свет равномерно возбуждает люминофор. Для этого, один или несколько лазеров помещаются в прозрачную трубку, покрытую изнутри люминофором. Длина волны, на которой работает лазер, подбирается для оптимального возбуждения люминофора со спектром, близким к спектру солнца. Детальная конструкция этого лазера для обычного освещения находится в стадии разработки.

Для освещения стадионов, скоростных шоссе и уличного освещения требуются источники света мощностью более 1 кВт. Для этих целей мы предлагаем использовать дисковые лазеры с накачкой светодиодами, работающими в режиме с максимальным КПД. Конструкция такого лазерного светильника находится в стадии патентования. Организации, заинтересованные в производстве лазерных светильников, приглашаются к сотрудничеству.

 

Заключение.

 

 

Предлагаемая технология позволяет создавать сверхъяркие и эффективные источники света на основе GaN-on-GaN лазеров и твердотельных люминофоров. Прожекторы, автомобильные фары, уличные светильники — вот неполный список областей применений таких лазерных источников света. Нет сомнения, что лазерное освещение имеет блестящее будущее.

Будущее за лазерным освещением: ammo1 — LiveJournal

Недавно в Лас-Вегасе завершилась выставка потребительской электроники CES. Журналисты наперебой рассказывали о сворачивающемся в трубочку OLED-телевизоре LG и прототипе китайского телефона со складывающимся пополам экраном, но упустили одну революционную новинку.

Изобретатель синего светодиода Shuji Nakamura, получивший в 2014 году за своё изобретение Нобелевскую премию, и его компания SLD Laser представили первые промышленные образцы лазерных источников света LaserLight.

Принцип работы аналогичен белому светодиоду — свет синего лазера преобразуется в белый с помощью люминофора.

Утверждается, что лазерный источник света в сто раз ярче обычного светодиода. Он даёт 500 лм с одного квадратного миллиметра. К сожалению, пока разработчики ничего не говорят об эффективности, лишь заявляя о малом энергопотреблением и долгом сроке службы.

По словам представителей компании, фары с лазерными источниками света начнут устанавливаться на автомобили класса премиум уже в этом году. LaserLight может быть использован в фонариках (при этом видимость луча достигает 1 км), а также в беспилотных летательных аппаратах, устройствах для поисково-спасательных операций.

На сайте компании есть несколько видеороликов об испытаниях LaserLight. Вот один их них

https://www.youtube.com/watch?v=LXaeVr0dhaM

Одним из преимуществ LaserLight называется очень узкий угол освещения <2°. Это хорошо для фонарей и прожекторов и плохо для обычного освещения, впрочем узкий пучок можно рассеять.

Вполне возможно, что Shuji Nakamura, совершивший революцию в освещении (благодаря его изобретению весь мир теперь освещается светодиодами), совершит вторую революцию и через несколько лет даже в обычных квартирах будет использоваться лазерное освещение.

© 2019, Алексей Надёжин

---

Основная тема моего блога — техника в жизни человека. Я пишу обзоры, делюсь опытом, рассказываю о всяких интересных штуках. А ещё я делаю репортажи из интересных мест и рассказываю об интересных событиях.
Добавьте меня в друзья здесь. Запомните короткие адреса моего блога: Блог1.рф и Blog1rf.ru.

Второй мой проект — lamptest.ru. Я тестирую светодиодные лампы и помогаю разобраться, какие из них хорошие, а какие не очень.

Лазерный Osram — Авторевю

 Дождался темноты, выехал на суперкаре Audi R8 LMX на загородные немецкие дорожки подальше от Ингольштадта, пропустил всех встречных, врубил дальний — и. .. где же обещанный лазерный свет? Он срабатывает только после 60 км/ч, и освещенная зона удлиняется почти вдвое — до шестисот метров! Только светит при этом… не совсем лазер.

Были автомобильные фары масляные, потом ацетиленовые, затем с лампами накаливания, потом газоразрядные и светодиодные. А теперь еще и лазерные! Они появились практически одновременно на BMW i8 и на Audi R8 LMX. Литеры LMX — в честь Ле-Мана. Ведь в этом году победные болиды Audi были впервые оснащены «лазерной» головной оптикой, а теперь ее серийный вариант ставится на дорожный R8 в «ле-мановской» версии.

В продажу пойдет лишь 99 таких ­купе, которые отличаются от серийной версии V10 plus (АР №19, 2013) форсированным двигателем (570 л.с. вместо 550 л.с.), углепластиковыми деталями кузова (спойлеры, антикрыло, корпуса зеркал и т.д.), спортивными атрибутами в салоне и особой синей окраской. В Германии Audi R8 LMX продается за 210 тысяч евро — на 35 тысяч дороже исходной версии V10 plus. И примерно половина этой доплаты — как раз за «лазерный» свет!

Сравнение световых пучков фар Audi R8 LMX

Почему в кавычках?

Что такое лазер? Если коротко, то это квантовый генератор, вырабатывающий излучение оптического диапазона с недостижимой для других источников света монохроматичностью и когерентностью.

Монохроматичность, то есть постоянство цвета луча, — это следствие фиксированной длины волны. То есть лазерный луч может быть или красным, или синим, или… Но никак не белым, ­поскольку белый свет, который и нужен для освещения дороги, — ахроматичес­кий. У белого света нет собственной длины волны, и получается он в результате смешения как минимум трех монохроматических излучений (например, красного, зеленого и синего — как в кинескопах телевизоров).

А когерентность — это синхронность колебаний волн в разных точках пространства и в разное время. Вспомните лазерные указки, работающие от обычных батареек. Мощность такого лазера — не более 5 милливатт, но луч бьет на пару-тройку километров, при этом на «прицельной» поверхности видно лишь небольшое освещенное пятно.

Но для автомобильных фар, наоборот, нужен источник рассеянного света, чтобы освещать большое пространствопередмашиной!

При этом даже дешевые лазерные указки опасны для глаз: сконцентрированный в одной точке луч бесповоротно повреждает клетки сетчатки. А с ростом мощности в «группу риска» попадают и кожа, и даже неорганические материалы.

Так каким образом инженерам немецкой компании Osram, которая разрабатывала новые фары и для Audi, и для BMW, удалось приспособить лазер для освещения дороги?

Косвенно. Лазеры в фарах Audi R8 LMX есть, но их лучи не выходят за пределы корпусов!

Видите секцию «лазерного» света? А она есть! Дуло лазерно-люминофорной «пушки» (показано стрелкой) — диаметром всего 2 см и прикрыто миниатюрными жалюзи, которые открываются по команде электронного блока при включении

Во-первых, головная оптика здесь прежде всего светодиодная: полупроводниковые источники света отвечают и за ближний свет, и за дальний. Но вдобавок в каждой фаре есть и четыре миниатюрных лазерных диода мощностью 1,6 Вт каждый (в фарах BMW i8 таких диода три — и это единственное принципиальное отличие от Audi). Лазеры генерируют тонкие, с волос, лучи синего цвета (длина волны — 450 Нм). С помощью линз эти лучи собираются в один и… попадают на люминофор — желтую фосфорную пластину площадью всего 0,5х0,5 мм. Это и есть истинный источник света! Поглощая энергию лазерного излучения, он испускает пучок практически белого света (цветовая температура — 5500 К), который через систему отражателей падает на дорогу.

От выхода «чистых» лазерных лучей наружу предохраняет многоступенчатая система безопасности, отрубающая питание при малейшем повреждении или «подозрении» на нештатную ситуацию. Жалюзи в фарах — тоже часть этой системы.

То есть лазер здесь — лишь источник энергии, и корректнее называть такие фары лазерно-люминофорными. А если учесть, что «лазерная» секция автоматически подключается к светодиодной только после 60 км/ч, то… О стыд, Osram? Но кого нынче интересует техническая корректность? Не будешь же называть эти фары «светодиодно-лазерно-люминофорными». Длинно и малопонятно. А скажешь «лазерные» — и вау-эффект обеспечен!

А какая технология лучше?

— На сегодняшний день — матричная, — без тени сомнения отвечает Штефан Берлитц, главный специалист Audi по головному свету.

Герр Берлитц имеет в виду светодиодную оптику Audi Matrix LED, которая устанавливается, к примеру, на Audi A8 (АР №21, 2013): 25 мощных светодиодов с компьютерным управлением автоматически регулируют форму светового пучка, избегая ослепления встречных водителей. Лазерно-люминофорная оптика этого не умеет. Зато бьет на 500-600 метров! А у штатных светодиодных фар Audi R8 заявленная дальнобойность — всего около 300 м.

Но светодиодные матричные фары на обновленном Мерседесе CLS (АР №15-16, 2014) «по паспорту» светят на 485 м, лишь немного уступая лазерным фарам Audi.

— И мы, и наши коллеги из Мерседеса уже научились делать хорошие светодиодные фары, — объясняет Штефан Берлитц. — А «лазерный» свет пока может похвастать лишь дальнобойностью и миниатюрными размерами. Но мы только начали работу над ним, дальше будет интереснее!

Не сомневаюсь. Ведь и ксеноновые фары сперва были крайне дорогими, а теперь это вчерашний день. А будущее — или светодиодное, или люминофорное. И однозначно — яркое.

Устройство фары

Аэрогель превратил лазер в светильник

Schütt et al. / Nature Communications, 2020

Ученые создали источник белого света на основе лазера при помощи аэрогеля. Лазерные светильники эффективнее других, но сейчас в них используется люминофор, который недолговечен и снижает КПД. Новая конструкция позволит создавать надежные, экономичные и компактные источники яркого света. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Лазер — очень эффективный источник света, его КПД может достигать 70 процентов, и инженеры еще не подошли к теоретическому пределу. Но в чистом виде лазеры непригодны для освещения по двум причинам: во-первых, они излучают в очень узком диапазоне частот (один цвет), во-вторых, их пучок узконаправлен.

Для того, чтобы обойти эти ограничения, в существующих лазерных светильниках лазер направляют на фосфор (так в обиходе называют любой люминофор), который от этого светится другим цветом. Если, например, лазер синий, а фосфор светится желтым, то в итоге их сумма дает требуемый белый свет.

Схема работы лазерного светильника на основе фосфора

Schütt et al. / Nature Communications, 2020

Проблема в том, что фосфор со временем деградирует, у него есть предел яркости и, кроме того, при люминесценции теряется около двадцати процентов мощности.

Фабиан Шютт (Fabian Schütt) из Кильского университета и его коллеги решили исключить фосфор из конструкции. Для этого они создали аэрогель из нитрида бора, 99,99 процентов объема которого занимает воздух, а оставшийся объем занимают разнонаправленные нанотрубки.

Аэрогель под микроскопом

Schütt et al. / Nature Communications, 2020

Эти нанотрубки работают как оптоволокно, проводя свет и практически его не поглощая. В результате, из миллиарда таких трубок образуется, по выражению самих изобретателей, «твердый искусственный туман», который эффективно рассеивает освещение. Если на этот «туман» посветить одновременно красным, зеленым и синим лазером, их цвета внутри смешиваются, и в итоге аэрогель светится нейтральным белым светом во все стороны, суммируя яркость трех лучей почти без потерь. Освещение можно сделать цветным, изменяя интенсивность каждого лазера.

Schütt et al. / Nature Communications, 2020

Основными преимуществами этой схемы перед распространенными светодиодными лампами являются долговечность и удельная яркость. Одна десятая квадратного миллиметра лазера производит столько же света, сколько квадратный сантиметр светодиодов. Таким образом, вместо крупного прожектора при помощи новой технологии можно будет сделать небольшой фонарик равной яркости.

Несмотря на то, что лазеры известны с середины XX века, их изучение только наращивает темпы. Недавно был создан лазер на органическом диоде с электрической накачкой, а российский ученые сконструировали рекордно яркий излучатель видимого света.

Василий Зайцев

Лазерный свет.

Знакомство с технологией

Пожалуй, ни одна другая инновация в автомобильном освещении не вызывала за последние годы такой живой интерес и такую бурю эмоций, как лазерный свет. Но хватает и вопросов. Поскольку наш блог посвящен именно технологиям, мы расскажем вам обо всем по порядку и максимально объективно.

Во-первых, давайте развенчаем миф. Лазерный свет не освещает дорожное полотно. Он не дублирует световой луч других источников. Более того, лазер совершенно не годится для освещения поверхностей. Лазер просто не обладает излучением, поэтому-то водитель его и не видит. Так что о «Звездных войнах» можно забыть. Если говорить о применении лазера в области автомобильного освещения, то лазерный луч не покидает пределы корпуса фары. Даже в случае аварии: для этого предусмотрены особые меры предосторожности.

Так в чем же смысл новой технологии? Если просто, благодаря лазеру свет излучает фосфор. Этот фосфор не следует путать с газом в люминисцентных трубчатых лампах. Фосфор, о котором говорим мы, покрывает изнутри телевизионные трубки и поверхность экранов радаров. Хотя он и называется фосфор, речь не идет об элементе из таблицы Менделеева. Тот фосфор ядовитый и не используется в источниках света.

Компания OSRAM изготавливает лазерные диоды, генерирующие свет в фарах головного света.

Чтобы передняя поверхность телевизионных трубок старого образца излучала свет, необходим поток электронов. Точно так же свет в фосфоре не генерируется без лазерного луча. А поскольку это луч малого диаметра, совсем небольшой оказывается и светоизлучающая площадь. Специалисты говорят в таких случаях о высокой яркости. И это то, чего они пытались добиться на протяжении многих лет. Ведь чем меньше область излучения, тем более точно можно распределить и направить свет. Кроме того, технология лазерного света позволяет существенно экономить пространство, что полностью отвечает потребностям автопроизводителей. При этом сам лазер может размещаться в совершенно другом месте в автомобиле: для подключения к фаре используется гибкий световод.

Лазерный свет основан на технологии полупроводников, а это значит, что он «работает в связке» со светодиодами. В настоящее время применяются конструкции, включающие по три лазерных диода, и луч от них фокусируется на одной точке фосфорной поверхности. Когда появятся более мощные лазерные диоды, достаточно будет одного такого диода для всей фары.

Итак, преимущества лазерного света заключаются не в том, сколько лазерный источник света может дать света на выходе во всех направлениях. Точно так же, как не важно, сколько света даст галогенная или ксеноновая лампа во всех направлениях до установки лампы в фару. Тут все упирается в европейские нормативы, которые ограничивают количество излучаемого света лампой. Если говорить про лазеры, то тут дело  скорее в исключительной компактности, и высокой яркости на нужном, разрешенном участке на дороге. Лазерный свет предоставляет дизайнерам и производителям фар новую, еще невиданную свободу действий. Так, например, реальностью стали мощные фары дальнего света диаметром менее 3,175 см (1 ¼ дюйма).

Первый в мире белый лазер произведет революцию в мире дисплеев и освещения

Лампы накаливания уступают CFL и LED, но эти технологии освещения могут также исчезнуть. Команда ученых из Университета штата Аризона разработала лазер, который может производить чистый белый свет, более яркий и эффективный, чем самые лучшие светодиоды. Технически, изначально лазер сам по себе не белого света, но разумное использование наноматериалов позволяет трем цветным лучам стать одним белым.

Лазеры всегда были заманчивой технологией для мира освещения, так как они очень ярки, работают на больших расстояниях, и крайне эффективны. Проблема всегда была в том, что лазер не может быть белым. Новая разработка основана на лазере, созданном в 2011 году в Национальной лаборатории Сандии. Однако, это больше доказательство концепции, чем функциональное устройство. Белый лазер команды Аризонского Университета выдает достаточно света, чтобы его уловил глаз человека.  Это шаг в верном направлении.

Пока что нет способа генерировать белый лазер, но этот прорыв выдает тот же результат, смешивая три отдельных луча. Как вы уже догадались, это синий, красный и зеленый, как и пиксели в LCD или AMOLED экранах. Чтобы это работало, команде надо было создать полупроводниковый лазер, который способен работать со всем цветовым спектром, а это далеко не просто. В конце концов, они добились успеха, при помощи наноразмерного полупроводника на основе сплава ZnCdSSe.

Это был серьезный прорыв в настройке полупроводников для получения определенного цвета в пропорциональных объемах. Этого удалось достичь при помощи аккуратного контроля так называемой «постоянной решетки», расстояния между атомами в полупроводнике. Синяя часть спектра была особенно сложной, так как она уже изначально требует применения приемов для создания решетки, чтобы затем сформировать необходимую пропорцию.

Результатом всего этого стал белый лазер, но настраиваемая природа полупроводника означает, что лазер можно сделать любого цвета в спектре, просто увеличивая или уменьшая долю каждого красного, зеленого и синего каналов. Лазер может принимать до 70 разных оттенков, и является более точным, чем LED. В то время, как освещение является самым простым из применений, это только начало. Команда полагает, что белый лазер можно использовать в технологии дисплеев.

Но прежде чем это случится, нужно улучшить сам дизайн. Сейчас он использует обычный лазер как источник питания, но для практичности полупроводник должен уметь вытягивать электроны из батареи. Когда это будет сделано, мы станем на путь к лазерному освещению и дисплеям.

Laser Systems и Laser Show от Laserworld

Laserworld — мировой лидер в области производства и распространения систем лазерного освещения для шоу. Ассортимент продукции варьируется от небольших лазерных систем начального уровня (лазерные эффекты, клубные лазеры, лазеры для вечеринок) до профессиональных лазеров высокого класса. Каждый продукт и серия продуктов нацелены на определенную группу клиентов, поэтому лазерные системы в портфеле продуктов Laserworld дополняют друг друга, что приводит к разнородным группам клиентов: розничные магазины музыкального оборудования, музыкальные магазины, а также ночные клубы, парки развлечений, прокатные и производственные компании. являются лишь небольшой частью из них.
Laserworld имеет интернет-магазин по продаже лазерных осветительных систем. Можно купить лазерные осветительные системы непосредственно там или приобрести их у одного из наших бесчисленных партнеров по сбыту. Коммерческим клиентам рекомендуется регистрироваться в качестве дилера. Не всегда имеет смысл покупать, а арендовать системы лазерного шоу. Laserworld имеет большой запас лазерных систем в аренду. Арендуемые лазерные системы доступны для доставки по всему миру, а также могут быть арендованы вместе с профессиональными операторами лазерной техники.Мы сдаем в аренду только высокопрофессиональное оборудование для лазерных шоу, в основном, производства РТИ. Итак, доступны продукты серий PIKO, NANO и NEO. И, конечно же, мы также предлагаем в аренду системы управления лазерным шоу Showcontroller, Pangolin и Lasergraph DSP.
Laserworld располагает большим запасом лазерных систем белого света RGB мощностью 10 Вт и более. Прейскурант аренды онлайн помогает выбрать подходящий лазер для аренды и рассчитать стоимость аренды. Также можно взять напрокат лазерные аксессуары, такие как дымогенераторы, дымовые машины или MIDI-контроллеры.Многолетний опыт партнеров по выставкам и множество отзывов из прошлых проектов лазерных шоу и мультимедийных шоу, в которых использовались лазеры, производимые Laserworld Group, делают нас подходящим партнером для любого типа производства лазерного шоу или проекта лазерного шоу. Будь то стационарная установка лазерных систем или мультимедийных проекций или временное шоу: наши специалисты помогают в планировании, дизайне, реализации на месте и производстве лазерного шоу. Мы предлагаем мультимедийные шоу-решения «под ключ», а также постановки лазерных шоу частично или встроенные в другие шоу-программы, как это происходит на больших сценических шоу, фестивалях или концертах. Можно проводить предварительно синхронизированные шоу с временным кодированием, а также лазерные шоу в прямом эфире: у нас есть специалисты для обоих типов, они могут справиться даже с чрезвычайно сложными сценариями синхронизации.
Также можно делать небольшие лазерные шоу за небольшие деньги: просто расскажите нам о своих планах относительно лазерного шоу, и мы поможем вам выбрать шоу, которое соответствует бюджету шоу. Множество ссылок на лазерные шоу и мультимедийные шоу где вступили в действие лазерные системы, производимые группой Laserworld, накопилось за последние годы, поэтому мы задокументировали их на фотографиях и видео в разделе нашего портфолио.Конечно, эти ссылки показывают только небольшую часть лазерных шоу и мультимедийных шоу, которые наши партнеры проводили на протяжении многих лет, поскольку многие из наших клиентов не хотели, чтобы мы показывали их проект в наших ссылках — в основном потому, что это были коммерческие лазерные шоу. приложения или корпоративные лазерные шоу, которые не предназначались для публичного показа. Тем не менее, мы подготовили большое количество ссылок и продолжаем добавлять.
Партнеры Laserworld Group проводили лазерные шоу и мультимедийные проекты во многих случаях и для самых разных приложений.Чаще всего лазерные шоу демонстрируются в ночных клубах, на фестивалях, в парках развлечений и на корпоративных шоу. Также многие известные артисты и музыканты полагаются на лазерное шоу и мультимедийную поддержку своих сценических шоу. Кроме того, лазеры использовались на свадьбах, для презентаций продуктов или для архитектуры и картографии.

Beyond LED: Laser vs. LED

Лазер против светодиода. В новых исследованиях изучается эффективность лазерных диодов в производстве белого света, который можно использовать при окружающем освещении. Белый свет на основе лазера создан исследователями Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB). Голубые или ультрафиолетовые лазерные диоды направляются на люминофорную мишень для получения белого света. (Фото: Кристин Дено)

Хотя вы, несомненно, слышали о росте популярности светоизлучающих диодов (светодиодов) и потенциальном росте количества органических светоизлучающих диодов (OLED), вы, возможно, не знакомы с последней формой твердотельного освещения, которая находится дальше горизонт: лазерные диоды (ЛД). Ряд недавних исследований продемонстрировали способность лазерных диодов производить эффективный белый свет, который потенциально может удовлетворить общие требования к освещению.

Лазерные диоды имеют сходства и отличия от светодиодов. Оба изготовлены из одинаковых «бутербродов» полупроводниковых материалов, включая нитрид галлия (GaN), для получения синего света. Наиболее известные применения лазерных диодов — в лазерных указках и проигрывателях дисков Blu-ray, однако ни один из этих примеров не использует белый свет.

Есть три продемонстрированных способа создания белого света с помощью лазерных диодов.

• Голубые или УФ-лазеры плюс люминофор

Исследователи Кирстин Дено и Майкл Канторе — Ph.D. Студенты Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, специализирующиеся в области фосфорных материалов, недавно создали белый свет, направив синий или ультрафиолетовый (УФ) лазер на люминофорную мишень. В одном эксперименте команда возбудила красный, зеленый и синий люминофор лазером ближнего УФ диапазона. В другом они возбуждали желтый люминофор голубым лазером. Оба эксперимента дали белый свет, но с разными компромиссами между эффективностью (lpW) и цветопередачей (CRI). Синий лазер с желтым люминофором имел гораздо более высокую эффективность, но гораздо более низкий индекс цветопередачи. Лазер ближнего УФ диапазона с люминофором RGB имел высокий индекс цветопередачи и гораздо меньшую эффективность. Компромисс между эффективностью и индексом цветопередачи также существует при создании белого света с помощью светодиодов.

Исследователи UCSB, Майкл Канторе и Кирстин Дено в своей лаборатории.(Фото: Кристин Дено)

Когда Denault попросили сравнить синий лазер с УФ-лазером, он выразил обеспокоенность по поводу безопасности системы синий лазер + люминофор. Белый свет при использовании синего лазера зависит от части синего света, проходящего через люминофор, в результате чего синий и желтый компоненты объединяются для создания белого света. Голубой лазерный свет, проходящий через люминофор, — вот что беспокоит Denault. Другие эксперты, опрошенные для этой статьи, не разделяли эту озабоченность по поводу безопасности.Джулиан Кэри, старший директор по маркетингу Intematix — ведущего поставщика люминофоров для индустрии светодиодного освещения — считает, что синие лазеры + люминофорное освещение могут быть безопасными, и в качестве примера указал на существующие лазерные проекторы Casio.

Denault планирует дополнительные исследования по смешиванию различных длин волн для получения белого света, а также ограничения люминофоров, способных противостоять более мощным лазерам (особенно тепловым).

• Комбинирование красного, зеленого и синего лазеров (без люминофора)

Другой возможный метод создания белого света от лазеров включает комбинирование трех или более цветных лазеров для получения белого света.Это аналог первых белых светодиодов RGB. Четыре лазера разных цветов были смешаны для получения белого света исследователями из Национального института стандартов и технологий (NIST), Национальной лаборатории Сандиа и Университета Нью-Мексико. Испытуемые предпочитали свой источник белого света светодиодам (как теплым, так и холодным светодиодам CCT).

По мнению нескольких экспертов, опрошенных для этой статьи, использование белого света с помощью RGB-лазеров сегодня непрактично из-за неэффективности производимых в настоящее время зеленых лазеров.Denault также считает, что проблемы безопасности могут быть потенциальной проблемой для RGB-лазеров, поскольку лазерный свет не преобразуется люминофором.

Помните компромисс между CRI и эффективностью, упомянутый выше? Эндрю Чалмерс и Снежана Солтик, исследователи из Новозеландского технологического института Манукау, , опубликовали исследование 2013 года об оптимизации эффективности и коэффициента цветопередачи с использованием комбинаций от четырех до шести узкополосных лазеров разных цветов.

Исследование показало, как комбинации из четырех, пяти и шести узкополосных лазеров могут оптимизировать эффективность CRI + для смешанных лазерных систем в будущем. Команда признает, что их исследование было чисто теоретическим и не принимало во внимание эффективность современных лазерных диодов для разных цветов и стоимость. Чалмерс и Солтик отметили, что «для того, чтобы смесь лазеров была полезным источником белого света, выходы лазера должны быть тщательно перемешаны, чтобы избежать таких эффектов, как крапинки и цветные тени. Смесь необходимо распылить, чтобы облегчить процесс смешивания и удалить пятнышки. На этом этапе было сочтено важным установить возможность оптимизации лазерных смесей, но признано, что эти аспекты должны быть приняты во внимание при разработке и реализации практического источника белого света.”

Третий метод генерации белого света лазерами включает «накачку» сверхбыстрых монохроматических лазерных импульсов через оптическое волокно. Сложные взаимодействия внутри волокна преобразуют одну длину волны лазерного света в широкий непрерывный спектр, производящий белый свет. Группа тайваньских исследователей недавно использовала лазер, близкий к ультрафиолетовому, для накачки волокна с сапфировым сердечником для получения белого света. Полученный в результате широкий спектр идеально подходит для нескольких очень специализированных медицинских приложений, включая оптическую когерентную томографию (ОКТ), флуоресцентную микроскопию и проточную цитометрию.Однако подходы суперконтинуума к получению белого света в настоящее время слишком дороги для использования в общем освещении.

Проблема падения

Смогут ли лазерные диодные системы белого света однажды превзойти светодиоды в общем освещении? Одни эксперты говорят «да», другие — «нет». Чтобы изучить этот вопрос, необходимо углубиться в очень конкретные преимущества и недостатки лазерных диодов по сравнению со светодиодами. Самым большим преимуществом лазерных диодов является то, что их пиковая эффективность достигается при рабочих токах, в 2000 раз превышающих таковые у светодиодов.Между тем, светодиоды страдают от быстрого снижения эффективности по мере увеличения рабочих токов (и выходной мощности). Это нежелательное явление светодиода известно как «спад».

Кэри из Intematix поделился, что в результате спада светодиода светодиоды излучают пару сотен люмен на чип, в то время как лазерные диоды могут излучать тысячи люмен на чип.

Возникает еще один сложный компромисс. Более высокая мощность лазерных диодов означает, что более высокая стоимость чипа может быть приемлемой при очень высокой мощности. Тем не менее, практические пределы теплоотвода работают против лазерных диодов при очень высокой мощности.Более низкая стоимость лазерных диодов с более высокой выходной мощностью должна быть сбалансирована с проблемами управления температурой в лазерах с высокой выходной мощностью.

Как насчет эффективности?

У светодиодов

эффективность преобразования мощности (PCE) сегодня составляет 70 процентов, а у лазерных диодов (LD) — 30. Пол Руди, советник и вице-президент по развитию бизнеса в Soraa® — производителе GaN на GaN светодиодных лампах полного спектра. — объяснил, что в краткосрочной перспективе лазерные диодные системы значительно менее эффективны по сравнению со светодиодными системами. Однако из года в год наблюдается очень быстрое повышение эффективности ЛД. По оценке Руди, эффективность LD увеличилась вдвое за последние пять лет и не замедляется. После многих лет разработки Soraa теперь выходит на рынок со своим первым лазерным диодом, конкурируя с OSI и Nichia.

Еще одним большим преимуществом лазерных диодных систем является их способность испускать очень узкие лучи, направляя большую часть своего светового потока на намеченную цель. Это может привести к снижению требований к выходной мощности.Руди отмечает, что эффективность лазера при освещении цели может позволить лазерным системам конкурировать со светодиодами задолго до того, как их эффективность преобразования энергии сравняется с показателями светодиодов.

Как насчет цены?

Компания Carey из

Intermatix оценивает стоимость светодиодов примерно в 1 доллар за кристалл с яркостью 100+ люмен на ватт, в то время как светодиоды стоят примерно 10 долларов за чип с 60+ люменами на ватт. Руди из Soraa заявил, что светодиоды сегодня стоят значительно дороже, чем светодиоды, отчасти из-за гораздо меньшего объема производства.По его оценкам, глобальный годовой объем производства ЛД в 5-10 раз меньше, чем у светодиодов. Вопрос о сравнительной стоимости сложный и включает:

• Отсутствие провисания ЛД
• ЛД более дорогие подложки
• Относительные объемы производства
• Урожайность
• Скорость ежегодного увеличения эффективности LD по сравнению с LED

Руди говорит, что вполне возможно, что если развитие LD будет продолжаться нынешними темпами, системы LD могут стать конкурентоспособными со светодиодами для общего освещения.

Какие типы приложений?

Лазерные диоды

уже используются в различных приложениях сегодня, например, в вышеупомянутых лазерных указателях и проигрывателях дисков Blu-ray.

BMW уже несколько лет разрабатывает лазерные автомобильные фары для своего «гибридного суперкара» i8. (Эта модель будет выпущена весной 2014 года.) BMW утверждает, что для ее лазерных фар потребуется только половина мощности светодиодных фар, в основном из-за сфокусированного луча.

Другие приложения для лазерного освещения включают проекторы Powerpoint, проекторы для кино и IMAX, миниатюрные «пико» проекторы, телевизоры, компьютерные мониторы и дисплеи на голове, такие как Google Glass.

Возможно применение общего освещения для ЛД. Первыми осветительными приборами, которые могли бы использовать лазерные диоды, будут те, которые используют сильные стороны лазеров:

• Отсутствие спада способствует применению высокой мощности и высокой выходной мощности
• Возможны очень удаленные люминофоры (даже если расстояние от лазерного диода отсутствует)
• Очень узкие углы луча, позволяющие дальний свет
• Становится доступной недорогая волоконная оптика, что позволяет прогнозировать централизованные световые банки, распределяющие свет по всему зданию с помощью волоконной оптики.
• Намного меньшая площадь излучения, до 10 000 раз меньше для светодиода, чем для светодиода: 10-20 микрон в квадрате для светодиода по сравнению с 1 мм в квадрате для светодиодов

Возможные области применения: мощное, коммерческое, наружное наводнение и освещение площадей, освещение стадионов, а также освещение сцены и театра.

Denault, в UCSB, не хочет предсказывать успех общего освещения от лазеров. Кэри из Intematix считает, что у лазерного освещения есть потенциал, но он на годы отстает от светодиодов. Руди из Soraa считает, что лазерное освещение может появиться в ближайшие 5–10 лет, если прогресс будет продолжаться нынешними темпами.

Об авторе

Дэвид Шиллер — президент отдела разработки световых решений, консалтинговой фирмы и агентства OEM, обслуживающего производителей энергоэффективных светильников.Электронная почта: [email protected].

уроков по лазерным диодам | Журнал Architect

Этот рассказ был первоначально опубликован в журнале Architectural Lighting.

На протяжении десятилетий яркие лазерные лучи ослепляли посетителей концертов, любителей спорта и других. Но за зрелищем стояли технологические ограничения. Лазерный луч мог освещать только одно пятно за раз и никогда не было белым. Более того, световые узоры, созданные с помощью лазеров, изобиловали постоянно меняющимся и несколько жутким явлением спеклов.Однако недавние достижения в области твердотельного освещения позволили использовать лазеры в более широком диапазоне применений освещения, от точного короткофокусного освещения фасадов зданий до автомобильных фар дальнего действия.

Лазерные диоды и светодиоды
Лазерные диоды — близкие технологические братья светоизлучающие диоды или светодиоды. Оба диода или микросхемы содержат двухконтактные полупроводниковые устройства, которые преобразуют поток электрической энергии в свет определенной длины волны или цвета, который зависит от используемой смеси полупроводников.Производители создают белые светодиоды, направляя свет от голубых фишек на люминофоры — химические соединения, которые излучают желтый свет при освещении синим светом. Излучение этого желтого люминофора и синего светодиода в совокупности дает свет, который человеческому глазу кажется белым.

Лазерные диоды имеют два зеркала на противоположных концах полупроводникового кристалла, одно из которых частично прозрачно, как двустороннее зеркало. На низких уровнях мощности лазерный диод работает по сути как неэффективный светодиод.Однако, как только электрическая мощность достигает пороговой плотности около 4 киловатт на квадратный сантиметр, полупроводник излучает достаточно света для части длин волн, отражающихся между зеркалами, чтобы стимулировать полупроводник к излучению большего количества света, превышающего мощность светодиода. Кроме того, свет, отражающийся между зеркалами, выходит через полупрозрачное зеркало, создавая узкий синий луч, который можно направить на люминофор для генерации желтого света.

Синие светодиоды обладают высокой светоотдачей, преобразуя до 70 процентов проходящей через них электроэнергии в свет с удельной мощностью 3 Вт на квадратный сантиметр. Это значительно более эффективно, чем синие лазерные диоды, у которых пиковое преобразование мощности составляет около 30 процентов, когда плотность электрической мощности превышает 10 киловатт на квадратный сантиметр, согласно «Сравнение между синими лазерами и светоизлучающими диодами для будущего твердотельного освещения», 2013 г. статья, опубликованная в Laser & Photonics Review Джонатаном Вирером-младшим, доцентом кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Лихай. Однако светодиоды могут достичь такой высокой эффективности только при низких уровнях тока, для чего потребуются большие площади дорогих полупроводников.

Прокачка большего тока через светодиоды может сделать их очень яркими — результат легко проиллюстрировать, сняв диффузор с потолочного светодиодного светильника. Хотя увеличение тока резко снижает эффективность светодиодов, явление, известное как «спад», на эффективность лазерных диодов не влияет. Таким образом, при плотности электроэнергии около 5 киловатт на квадратный сантиметр светодиоды становятся менее эффективными, чем диодные лазеры, и эта разница в производительности увеличивается с увеличением уровня мощности.

Выходная мощность лазерного луча составляет всего 1-2 градуса по сравнению с конусом светового излучения светодиодов более 90 градусов.И, в частности, длины волн лазерного света находятся в пределах одного нанометра по сравнению с несколькими десятками нанометров для светодиодного света. Эти различия делают лазеры ценными в некоторых приложениях, где светодиоды не работают.

Внутри диода лазер можно сфокусировать на крошечном пятне люминофора для получения узкого интенсивного луча с яркостью в 20 раз большей, чем у светодиода. «Мы можем генерировать световой поток 500 люмен из фокусного пятна всего в несколько сотен микрометров», — говорит Пол Руди, соучредитель и старший вице-президент по развитию бизнеса во Фремонте, Калифорния., офис SoraaLaser, который производит синие лазерные диоды. (SoraaLaser, дочерняя компания производителя освещения Soraa, является одной из немногих компаний, начинающих исследовать применение лазерного освещения для архитектурного освещения.) «С лазерами и 1-дюймовой оптикой мы получаем луч прожектора примерно в 1 градус», — сказал он. добавляет. «Это революционно. Вы можете представить себе километровые фонарики и дальнобойные фары ».

Автомобильный производитель BMW, который использовал лазерные фонари в некоторых своих моделях, сообщил в 2015 году, что синий лазер, излучаемый с поверхности размером 30 микрометров на 4 микрометра, излучает такую ​​же оптическую мощность, как светодиоды, покрывающие квадрат размером 800 микрометров.Чтобы достичь максимального диапазона дальнего света, разрешенного в Европейском союзе, BMW разработала фару, в которой широкоугольный люминофор со светодиодной подсветкой сочетается с узкоугольным дальнодействующим люминофором с лазерной подсветкой, который может обеспечивать освещенность 1 люкс. на высоте 600 метров (1968 футов). После доработки в соответствии со стандартами фар США версия фар теперь доступна на внутреннем рынке.

SoraaLaser использует полуполярную лазерную технологию на нитриде галлия для создания устройства для поверхностного монтажа лазера с белым светом. Этот корпус с квадратом 7 миллиметров включает синий лазерный диод, люминофор с квадратом 1 миллиметр и устройство для сброса луча, которое блокирует прямое освещение всего синим лазерным лучом.

Конструктивные особенности лазерных светильников
Конструктивные особенности светильников, в которых используются лазерные источники, по своей природе будут отличаться от конструктивных соображений для светодиодных светильников, говорит Файз Рахман, эксперт по оптоэлектронике и приглашенный профессор Стокера в Школе электротехники и информатики Колледжа Русс при университете Огайо.Лазерный диод и люминофор должны быть разделены достаточным пространством для фокусировки лазерного луча и предотвращения перегрева люминофора; и наоборот, люминофоры могут примыкать к светодиодам или покрывать их непосредственно. Программное обеспечение, по словам Рахмана, может помочь дизайнерам моделировать оптику в лазерных светильниках.

В современных лазерных осветительных приборах SoraaLaser используются синие лазеры, излучающие около 450 нанометров, что является стандартной выходной длиной волны для белых светодиодов. Таким образом, они могут использовать тот же желтый люминофор, что и светодиоды, для создания белого света.Однако синий лазерный свет должен рассеиваться или рассеиваться материалами, такими как матовое стекло, чтобы должным образом смешиваться с излучением люминофора.

В лазерном освещении также может использоваться отработанная технология 405-нанометровых фиолетовых лазеров, разработанная для оптических дисков Blu-Ray, говорит Рахман. Производство белого света требует добавления люминофоров для преобразования фиолетового света в синий свет с длиной волны от 450 до 460 нанометров, чтобы дополнить желтый люминофор. Это преобразование требует затрат энергии, говорит Вирер, но повышенная эффективность фиолетовых лазерных диодов по сравнению с голубыми лазерами может компенсировать разницу.

В поисках монолитных лазеров белого света
Белые светодиоды на основе люминофора доминируют на рынке твердотельного освещения благодаря своей простоте. Комбинирование света от красных, зеленых и синих светодиодов для получения белого света — еще один вариант с добавленной способностью модулировать цвет, примером чего являются несколько имеющихся на рынке светодиодных ламп, которые имеют функцию изменения цвета.

В принципе, RGB-лазеры также можно комбинировать для получения белого света, но эта технология все еще находится в стадии исследований и разработок.Одна из проблем заключается в необходимости контролировать или рассеивать лазерный свет из соображений безопасности и для предотвращения артефактов от лазерного излучения (см. «Безопасность и появление пятен в лазерах», справа). Другой проблемой является поиск подходящих лазерных источников RGB.

Philips, например, использует отдельные светодиоды в качестве источников RGB в своей лампе Hue с большей долей зеленых диодов, поскольку они менее эффективны и излучают меньшую оптическую мощность, чем красные или синие светодиоды. Разница в производительности увеличивается для полупроводниковых лазеров: синий — самый мощный цвет, красный — менее мощный, а зеленый — самый слабый и самый короткоживущий.(Зеленые лазерные указки могут быть опасно яркими, но этот свет исходит от кристаллических лазеров, а не полупроводников. ) Чтобы усложнить ситуацию, полупроводниковые лазеры, излучающие каждую из трех длин волн, не могут быть интегрированы в один и тот же чип — что желательно для массового производства и контроля качества — потому что они сделаны из разных полупроводниковых соединений, которые осаждаются разными способами.

«Было очень трудно получить монолитный кусок материала, способный воспроизводить все цвета», — говорит Цунь-Чжэн Нин, профессор Школы электротехники, вычислительной техники и энергетики Университета штата Аризона.Его группе удалось интегрировать лазерные диоды разного цвета, отказавшись от стандартных соединений — галлия, индия, азота и мышьяка — используемых в полупроводниковых лазерных диодах, в пользу семейства полупроводников, состоящих из кадмия, цинка, серы и селена. Нанося различные смеси этих элементов тонкими слоями, его команда создала монолитное устройство, которое сочетает в себе разрозненные диоды, излучающие синий, зеленый, светло-красный и темно-красный свет для получения белого света. Однако технология все еще остается экспериментальной.

С разрешения Fan Fan и др., Университет штата Аризона. Из Fan Fan, et al .: a. Фотографии смешанного цвета излучения многосегментного нанолиста гетероструктуры. (Обратите внимание, что синее излучение, видимое на a, связано с клеем между подложкой MgF2 и предметным стеклом). б-ч. Фотографии увеличенной области, обозначенной пунктиром на рисунке «а», когда указанные сегменты накачаны, создавая смешанные цвета излучения в дальней зоне красного, зеленого, синего, голубого, пурпурного, желтого и белого соответственно.Верхние точки на каждой фотографии — это прямое изображение лазерного излучения, а хвосты под этими точками — отражение от подложки.

В Институте фотонных технологий Астонского университета в Бирмингеме, Англия, группа профессора Эдика Рафаилова применила другой подход к созданию белого или настраиваемого по цвету света с помощью лазеров. «Мы решили использовать широко настраиваемый инфракрасный лазер и преобразовать его в широко настраиваемый видимый лазер», — говорит Рафаилов. Инфракрасный свет можно сместить в видимый спектр, объединив два инфракрасных луча в тонком микроструктурированном материале — титанилфосфате калия — с сильным нелинейным эффектом, который суммирует их частоты.Как сообщила группа на конференции по лазерам и электрооптике в 2016 году, смешивание выходных сигналов лазеров дает красные, зеленые и синие длины волн.

Архитектурные приложения для лазерных источников
Высокая интенсивность лазеров хорошо подходит для прожекторов и других осветительных приборов, требующих узких лучей. По словам Руди, лазеры с крошечной оптикой также могут освещать точные области с помощью большого угла и ультракороткого луча. «Вы можете проецировать изображение размером 100–200 дюймов, даже если вы находитесь всего в нескольких дюймах от стены.”Лазерное возбуждение люминофоров может создавать очень высокий контраст между яркими и темными областями, при этом световые градиенты более чем в 10 раз резче, чем у источников на основе светодиодов. Например, лазерный источник света может равномерно освещать фасад пятиэтажного здания с помощью единственного светильника возле первого этажа. Системы наружного лазерного освещения первого поколения SoraaLaser имеют номинальную цветовую температуру 5700K и индексы цветопередачи от 70 до 80.

Лазерный свет также может быть сконцентрирован и направлен в оптические волокна или волноводы для транспортировки, что является сложной задачей с большой площадью Светодиодные источники.SoraaLaser разрабатывает волоконную систему для передачи синего лазерного света на люминофоры, расположенные в удаленном светильнике, поэтому дизайнеры освещения и архитекторы могут определять светильники для мест, в которых тепло или электричество нежелательны.

Следующим важным достижением SoraaLaser является пространственно-динамическое освещение, которое Руди называет «конвергенцией дисплея и освещения». Свет от статического источника проходит через чип обработки света для создания изменяющихся узоров, таких как форма прожектора, название компании или динамические изображения.

SoraaLaser ожидает, что первая волна коммерческих статических осветительных приборов будет доступна к 2019 году, а за ней последует динамическое освещение. Выдающиеся усовершенствования включают улучшения цветопередачи, энергоэффективности и производительности для определенных приложений, таких как управляемые прожекторы, которые позволят лазерам идти туда, где светодиоды еще не преобладали. •

---

Ресурсы
«Сравнение голубых лазеров и светоизлучающих диодов для будущего твердотельного освещения», Джонатан Вирер-младший., и др., Laser & Photonics Reviews , 2013. Доступно по адресу: bit.ly/2hwBsBp.

«Лазеры освещают дорогу впереди», Абдельмалек Ханафи и Гельмут Эрдл, Compound Semiconductor , 2015. Доступно по адресу: bit.ly/2mo0J2s.

«Монолитный белый лазер», Фан Фан и др., Nature Nanotechnology, 2015. Доступно по адресу: go.nature.com/2AGx1J2.

Чтобы прочитать больше подобных историй, посетите «Архитектурное освещение».

Подробнее о SoraaLaser

Найдите продукты, контактную информацию и статьи о SoraaLaser

Услуги лазерной резки | Laser Light Technologies

Как работает лазерная резка?

Процесс лазерной резки на заказ обеспечивает лучшее качество, когда речь идет о высокоточных инструментах.Наши специальные станки для лазерной резки точны, экономичны и обеспечивают чистый срез. Лазерная резка идеально подходит для производства и других промышленных применений, где требуется мощный режущий инструмент, который также работает с высоким уровнем точности. Станки для лазерной резки могут разрезать титан, алюминий, сталь и многие другие материалы.

Лазерная резка выполняется с помощью луча инфракрасного света. Хотя лучи лазерного излучения не видны человеческому глазу, они являются мощным инструментом, который можно использовать с высокой точностью.

Вот как работает лазерная резка металлов: мы направляем лазерный луч по мере необходимости с помощью изогнутой линзы. Сильное тепло создается лазером, когда луч света увеличивается через линзу и фокусируется на ней. Затем лазерный резак можно использовать для резки или плавления материалов в зависимости от того, какой это продукт.

Лазер направляется через конец сопла вместе с азотом или кислородом. Алюминий и нержавеющую сталь можно плавить с помощью смеси лазера и азота, в то время как другие типы стали можно резать с помощью смеси кислорода и лазера.

Что делает лазеры настолько полезными, так это то, что с помощью станка для лазерной резки можно резать широкий спектр материалов. Будь то сложная работа или простая резка металла, наша высококачественная лазерная технология может справиться с этой задачей. Наши специалисты полностью обучены точному обращению с лазерными резаками и сертифицированы по технике безопасности.

Давайте максимально повысим точность и скорость лазерной резки.

Лазерная резка совместима с множеством материалов и обеспечивает гораздо больший контроль и более чистую отделку, чем обычная резка.Если вам нужна помощь в резке тонких деталей по размеру, создании более гладких краев или создании сложных форм, Laser Light Technologies поможет вам в полной мере воспользоваться всеми преимуществами процессов лазерной резки для вашего проекта.

Мы объединяем наших опытных инженеров и техников с инновационными лазерными системами микрообработки и проверенными временем процессами, чтобы обеспечить исключительные результаты, соответствующие самым строгим отраслевым спецификациям.

Наш совместный подход делает ваш проект приоритетным, от желаемых результатов до качества продукции и сроков поставки.Узнав от нас, что вам нужно, мы тестируем вырезанные образцы вашего материала, чтобы сообщить смету проекта, которая соответствует вашим точным требованиям или даже выходит за их рамки с рекомендациями для получения результатов лучше, чем ожидалось. Мы нацелены на ваш успех.

Запросить расценки

Приложения

По мере того, как продукты, устройства и детали становятся меньше, спрос на лазерную резку растет. Очень важно внедрять инновации в области медицинского оборудования, биологических наук и не только.Если вы не видите свое конкретное приложение в списке здесь, свяжитесь с нами, чтобы узнать, как я могу удовлетворить потребности вашего уникального проекта.

Лазерная резка включает следующие области применения:

• Нарезка пластиковой пленки для компонентов медицинских устройств
• Создание профилей для «баллонных» устройств защиты от эмболии
• Обрезка хирургических родов и направление катетеров по длине
• Обрезка катетеров по длине для сердечно-сосудистых биологические науки
• Создание оконных проемов для датчиков в мониторах глюкозы
• Обрезка датчиков диабетического монитора глюкозы по длине
• Обрезка каналов проточных кювет для инструментов диагностики in vitro

Материалы

У нас есть современное оборудование и необходимый опыт для лазерной резки широкого спектра материалов, включая керамику, стекло, металлы и сплавы, полимеры и полупроводники. Если вы не видите материала для вашего проекта в списке ниже, свяжитесь с нами, чтобы обсудить возможности и рекомендуемые решения.

Пионер в области лазерного света переходит на Li-Fi

SLD Laser из компании Шуджи Накамуры считает, что лазер предназначен не только для освещения, и собирается на выставке CES, чтобы доказать это. [Фотография предоставлена ​​Марком Халпером.]

Компания по лазерному освещению, основанная лауреатом Нобелевской премии изобретателем синего светодиода, который считает, что будущее освещения находится в лазерах, теперь надеется пробиться в другой области. на которую нацеливаются разработчики светодиодов: передача данных Li-Fi.

SLD Laser, компания из Санта-Барбары, Калифорния, соучредителем которой является светодиодный герой Шуджи Накамура, направляется на выставку бытовой электроники CES на этой неделе в Лас-Вегасе, чтобы продемонстрировать лазерный Li-Fi, который, по ее словам, может работать с невероятной скоростью 20 Гбит / с, что в 20 раз быстрее, чем 5G, при условии, что скорость 5G составляет 1 Гбит / с.

Li-Fi, или световая точность, беспроводная передача данных с использованием светового спектра, а не радиочастотного спектра Wi-Fi, Bluetooth и сотовой связи. До сих пор развертывание основывалось на светодиодных источниках света, а не на лазерах.Заявленная скорость SLD

20 Гбит / с также в 20 раз выше, чем у самого быстрого Li-Fi на основе светодиодов, который компания pureLiFi из Эдинбурга, Шотландия, продемонстрировала на скорости 1 Гбит / с в контролируемых условиях. PureLiFi, как и SLD, также разрабатывает Li-Fi на основе лазеров. Скорость светодиодного Li-Fi обычно ниже в реальных условиях. Signify заявляет о скорости 150 Мбит / с для своей новой системы Trulifi 6002, что в пять раз быстрее, чем ранее использовавшаяся Signify технология LED Li-Fi, но примерно в 140 раз медленнее, чем SLD заявляет для своей лазерной системы.

Большая разница между светодиодным Li-Fi и лазерным Li-Fi заключается в том, что светодиодный Li-Fi коммерчески доступен — хотя и медленно, — в то время как лазерный Li-Fi все еще находится в стадии разработки.

Но SLD считает, что лазерный свет может значительно улучшить светодиодный Li-Fi несколькими способами, включая скорость.

«Источники белого света можно коллимировать для приложений мобильности на большие расстояния или настроить для трансляции прожекторным освещением на большие площади», — заявили в компании. «Источники обеспечивают уникальное сочетание сверхвысокой скорости передачи данных и широковещательной передачи на большие расстояния для удовлетворения интенсивных потребностей в передаче данных в новых мобильных приложениях, таких как интеллектуальные автомобили и интеллектуальные города.«

SLD — не единственная компания, которая продемонстрирует Li-Fi на выставке CES, которая пройдет с 7 по 10 января. Как сообщает журнал LEDs Magazine , французское энергетическое и технологическое агентство CEA продемонстрирует технологию, которая устраняет некоторые из проблем, возникающих, когда соседние светодиодные передатчики Li-Fi создают помехи друг другу.

Li-Fi пока медленно набирает обороты, в основном потому, что производители гаджетов еще не внедрили приемники Li-Fi в ноутбуки и телефоны так, как они это делают с Wi-Fi. Тайваньский производитель защищенных ноутбуков Getac рассматривает возможность встраивания чипов pureLiFi в свое оборудование.

Air France недавно провела испытания Li-Fi для соревнований по электронным играм на рейсе Париж-Тулуза. Хотя Li-Fi не был встроен в гаджеты конечных пользователей, испытание послужило хорошим примером среды, в которой Li-Fi может иметь больше смысла, чем Wi-Fi.

SLD, основанная в 2013 году как дочерняя компания Soraa Inc., соучредителя компании Nakamura по производству фиолетовых светодиодов, также будет использовать CES для демонстрации лазеров для использования в качестве датчиков в автомобильной дальномере. В нем говорится, что лазерная система может заменить радиолокационные модули, и что они предвещают значительные улучшения в системах трехмерной визуализации и лидарных системах.

«Этот прорыв позволяет автомобильным фарам следующего поколения и другим мобильным источникам света« видеть », тем самым повышая производительность и безопасность, одновременно объединяя несколько функций вместе, чтобы значительно снизить сложность, размер, вес и стоимость системы», — сказал президент SLD. и соучредитель Джеймс Рэринг.

SLD уже продает лазерные чипы в качестве источников освещения для фонарей и автомобильных фар.

Соучредитель Накамура разделил Нобелевскую премию 2014 года по физике с двумя другими учеными, Исаму Акасаки и Хироши Амано за их работу над синими светодиодами, которые помогли сделать светодиоды в качестве источников света общего назначения.Накамура сыграл важную роль в разработке фиолетовых светодиодов в Soraa, но также в течение некоторого времени заявлял, что будущее за лазерами.

МАРК ХАЛПЕР — пишущий редактор журнала LEDs Magazine, а также журналист по вопросам энергетики, технологий и бизнеса ([email protected]).

Примечание редактора: Пол Руди из SLD Laser расскажет о будущем лазеров на рынке твердотельного освещения (SSL) с особым вниманием к датчикам и Li-Fi на предстоящей конференции «Стратегии в свете». Присоединяйтесь к нам с 11 по 13 февраля 2020 года в Сан-Диего, Калифорния.

Лазерное сценическое освещение — Квант Лазерс, s.r.o.

Лазерное сценическое освещение

Сценическое освещение

Сценическое освещение включает в себя манипулирование качествами света для влияния и интеграции зрителей в действия, выполняемые на сцене для оркестров, в театре, на фестивалях и в последнее время даже в церквях. Это достигается путем тщательного контроля интенсивности, цвета, направления и движения света.
В прошлом сценическое освещение в основном использовалось для театральных и музыкальных представлений, где основной целью в этих приложениях было освещение и выборочная фокусировка.

С появлением лазеров и других современных элементов сценического освещения, сценическое освещение теперь используется для придания живости событиям с помощью некоторых интересных световых эффектов, включая ослепительные эффекты лазерного сканирования в пакете. Фактически, лазерное сценическое освещение теперь само по себе является забавным мероприятием, очень портативным и широко доступным для аренды.

Красные лазерные полосы в действии на сцене

Лазерный свет полезен в развлечениях, потому что когерентный характер лазерного света позволяет создавать узкий луч света, что позволяет использовать оптическое сканирование для рисования узоров или изображений на стенах, потолках или других поверхностях, включая театральный дым и туман, без перефокусировки для различий в расстоянии, как это часто бывает с видеопроекциями. Этот по своей природе более сфокусированный луч также очень заметен и часто используется как отдельный эффект.Иногда лучи «отражаются» в разных положениях с помощью зеркал, чтобы создать удивительные геометрические формы или конструкции лазерных скульптур.

В большинстве случаев лазеры используются вместе с другими источниками света, такими как светодиодные. Светодиодные фонари позволяют лучше контролировать прочность и температуру. Светодиодный свет можно расположить по-разному для создания разных эффектов. Светодиодное освещение длится дольше, чем традиционные лампы накаливания, предоставляет больше вариантов цвета и упрощает переключение между цветами и эффектами мигания. Светодиодные световые эффекты и лазеры также могут быть объединены в так называемые лазерные светодиодные полосы — обычную лазерную планку с добавленным эффектом светодиодной ослепления.

Управление сценическим освещением через DMX и ArtNET

Исторически это делалось с помощью управления интенсивностью, которое теперь относительно просто благодаря развитию технологий. Твердотельные диммеры управляются одним или несколькими контроллерами освещения.

Контроллеры — это консоли освещения, предназначенные для сложного управления очень большим количеством диммеров или светильников, но, возможно, также и более простые устройства, которые воспроизводят сохраненные последовательности состояний освещения с минимальным пользовательским интерфейсом.Консоли также называют световыми столами или световыми табло. Управление освещением передается с помощью прибора под названием DMX .

DMX — цифровой мультиплексор — это протокол связи, используемый в консолях, диммерах и компьютеризированном осветительном оборудовании, в котором сигналы кодируются в цифровом виде, а все сигналы отправляются последовательно по одной паре проводов или удаленно. Этот метод управления позволяет размещать громоздкие, горячие и иногда шумные диммеры вдали от сцены и аудитории, а также автоматические светильники размещать там, где это необходимо.Для более крупных шоу или инсталляций несколько консолей иногда используются вместе, а в некоторых случаях контроллеры освещения объединяются или координируются с контроллерами звука, автоматизированных декораций, пиротехники и других эффектов, включая лазерное сценическое освещение, чтобы обеспечить полную автоматизацию всего шоу.

Кроме того, новейшими лазерами «Квант» можно управлять непосредственно с осветительной консоли с помощью встроенного управления лазером по DMX и Artnet.

Светильники позволяют легко перемещать и направлять лучи света.Специальные лазерные шоу создаются запрограммированной последовательностью движения лучей. Также существуют автоматические приспособления, в которых движения выполняются роторами и двигателями, встроенными в систему. Автоматические приспособления работают двумя способами; Подвижная голова и метод перемещения. В подвижной головке, также называемой подвижной вилкой, устройство работает, перемещая весь корпус приспособления, в то время как в методе подвижного зеркала, как следует из названия, корпус приспособления неподвижен, и свет отражается зеркалом, которое перенаправляет свет на панорамирование и наклон — очень похоже на сканирование лазерным лучом.

Лазерное сценическое освещение теперь широко используется в театре, чтобы дополнить эмоции и настроение представления. Лазерные молнии также нашли свое применение на музыкальных концертах, где они используются для освещения оркестров во время выступлений, чтобы создать потрясающие эффекты лазерного света. Кроме того, в больших собраниях, где сцена находится далеко от публики, например, в больших церквях, лазерное сценическое освещение является лучшим вариантом, так как оно хорошо видно издалека. На мероприятиях на открытом воздухе также часто используют лазеры, чтобы удивить публику.

В настоящее время лазерное освещение стало одним из основных аспектов крупных мероприятий и шоу. Сценические выступления выросли в размерах и стали популярнее, и сценическое лазерное освещение стало одним из важнейших компонентов таких шоу. Если вы считаете, что лазерное сценическое освещение — лучшее решение для ваших мероприятий, но не хотите нарушать свой бюджет, вы можете взять в аренду лазерное сценическое освещение Квант.

Лазерная технология для освещения: обзор и анализ перспективной технологии — LED professional

За последние два десятилетия технология, лежащая в основе области освещения, претерпела глубокое обновление: светоизлучающие диоды превратились из технологической экзотики в хорошо зарекомендовавшие себя продукты что позволяет использовать источники света с высокой эффективностью, надежностью и цифровыми возможностями.С появлением световой отдачи до 300 лм / Вт, механической стандартизации и снижения затрат светодиоды на основе нитрида галлия стали стандартными источниками света для дома, промышленности и автомобилей. Несколько исследовательских групп работали над выявлением и улучшением некоторых все еще существующих ограничений светодиодной технологии, наиболее известное из которых известно как снижение эффективности, которое вызывает постепенное снижение эффективности излучения света по мере увеличения рабочей плотности тока устройства. .Падение КПД не только влияет на максимально достижимый КПД при более высоких токах, но и сильно влияет на максимальную плотность света, излучаемую светодиодным кристаллом. Прямым следствием этого ограничения является внутренняя потребность в более крупной оптике или нескольких корпусах для управления большими светоизлучающими поверхностями для достижения решений с высоким световым потоком. Было предложено несколько решений для улучшения характеристик светоизлучающих диодов, в частности, полуполярные и неполярные направления роста кристаллов являются наиболее многообещающими, но сталкиваются с трудностями в стабильности роста и урожайности.Еще одна новая технология для достижения высокой плотности потока и решения проблемы спада основана на использовании света полупроводникового лазера. Здесь будет рассмотрен этот технологический подход.

Введение и текущее состояние технологии лазерного освещения

Разработка мощных голубых лазерных устройств на основе GaN [1] позволяет разработать удаленный лазерный источник света с преобразованием люминофора, в котором синее излучение, испускаемое лазерным диодом (или массивом лазерных диодов), оптически коллимируется (или фокусируется в соответствии с конкретными условиями). приложение) и возбуждает слой люминофора, нанесенный на прозрачную или отражающую подложку, эти системы также известны как LARP (дистанционные люминофоры с лазерной активацией).Комбинация видимого синего (450 нм) света и удаленного люминофора — это технология, хорошо известная для светодиодов, но находящая применение также в системах освещения на основе лазерных диодов.

В последнем случае излучение генерируется лазерной гранью размером примерно несколько сотых мкм², в то время как для светодиода аналогичная оптическая мощность обычно генерируется из активной области 1 мм². Более того, стимулированное излучение, типичное для лазерного диода, позволяет мгновенно рекомбинировать все заряды, введенные в квантовую область, таким образом, не страдая от эффектов спада.

Затем лазерное излучение попадает на люминофор с гораздо большей энергетической яркостью, что обеспечивает гораздо более высокую яркость, но также локально увеличивает температуру люминофора из-за потерь на стоксов сдвиг, что приводит к эффективности менее единицы. Структура системы лазерного освещения зависит от того, проходит ли излучение через люминофор, нанесенный на прозрачную подложку (аналогично раствору камеры смешения светодиодов), или отражается от самого люминофора, нанесенного на зеркальную подложку.

Рисунок 1: Фотолюминесценция коммерческого люминофора без связующего в зависимости от освещенности и температуры [I]

Экспериментальные системы и демонстраторы были разработаны [2] для анализа современного состояния технологий и изучения преимуществ и ограничений систем LARP по сравнению со стандартными решениями на основе светодиодов. Далее будут суммированы основные результаты этой работы и представлены характеристики.

Для сравнения:
• Люминофоры без связующего,
• Установки на основе диффузионного LARP,
• Установки LARP с пропускающим узким лучом,
• Установки LARP с отражающим узким лучом

Установка на основе диффузионного LARP

Чтобы охарактеризовать эффективность лазерных систем белого света, было проведено сравнение световых и хроматических характеристик двух идентичных прототипов с разными источниками света.

Сравниваемые прототипы:
• Коммерчески доступный GaN-светодиод королевского синего цвета (455 нм) с активной площадью
1 мм² и максимальным током возбуждения 1 А (типичная излучаемая мощность
550 мВт при 350 мА, 25 ° C)
• Мощный многомодовый лазерный диод на основе GaN в корпусе TO56 с максимальной оптической выходной мощностью
1,6 Вт при максимальном токе возбуждения
1,5 A, 25 ° C

Прототипы были дополнены коммерческой дистанционной люминофорной свечой, сформированной в 3D (номинальная CCT = 3000 K, CRI = 90, диаметр 16.9 мм, высота 21,2 мм). Выходной источник света является рассеянным, поскольку трехмерный люминофор действует как светорассеиватель.

Рисунок 2: Сравнение светового потока и эффективности светодиода и светодиода

Результаты сравнения абсолютной световой отдачи светодиодов и систем LARP представлены на рисунке 2. Результаты показывают, что, как только лазерный диод преодолевает свой пороговый ток, система LARP может достигать потока, превышающего 360 лм. при 1,5 А, в отличие от потока около 260 лм при таком же токе для системы на основе светодиодов.Это поведение противоположно характеристике эффективности / тока системы на основе светодиодов, которая, хотя и выше при более низких токах, резко уменьшается при увеличении тока возбуждения из-за падения эффективности. Эффективность лазерной системы превосходит эффективность светодиодной системы при токе 1,4 А для тестируемых устройств. Это сравнение было специально разработано для изучения поведения спада, и светодиод работает с превышением максимального абсолютного тока. Низкий КПД обусловлен выбором люминофорного материала с высоким индексом цветопередачи и неоптимальной смесительной камерой для установки, которая идентична для светодиода и лазерного источника и поэтому далека от идеала.

Рисунок 3: Сравнение спектров LD и LED

Рисунок 4: Сравнение CCT и CRI LD и светодиода

Спектр (рис. 3) синего пика прототипа LARP намного уже и, следовательно, намного более интенсивен, чем у прототипа светодиода. Синий пик для установки LARP примерно на порядок выше пика излучения синего светодиода. Коррелированная цветовая температура (CCT) имеет значение 3025 и 2950 K для системы LARP и прототипа светодиода соответственно; Индекс цветопередачи имеет среднее значение 86 и 92 соответственно.CCT и CRI не показывают каких-либо значительных изменений с током возбуждения, как показано на рисунке 4, что указывает на хорошую стабильность цветности света в различных условиях движения.

Установка LARP для передачи узкого луча

Первая итерация исследования сфокусированного решения LARP основана на пропускающей структуре. Лазер коллимируется на люминофорном шаблоне, который представляет собой структурированную стеклянную подложку с люминофорным материалом, заключенным на силиконовый слой.Эта коммерческая структура люминофора обеспечивает оптимальную однородность, но тепловое сопротивление ограничено проводимостью стекла, таким образом поддерживая только уменьшенное лазерное излучение. Структура установки, показанная на рисунке 5, состоит из лазерного диода, расположенного над радиатором, конденсатора с двумя линзами, люминофорного шаблона и фокусирующей линзы; все оптические элементы системы представляют собой сферические линзы размером 1 дюйм с различным фокусным расстоянием. Излученный луч из оптической пропускающей структуры проецировался на белый эталонный экран, расположенный на расстоянии 1320 мм от фокусирующей линзы, где интенсивность измерялась с помощью калиброванной камеры CCD.Полный поток источника света был измерен путем помещения всей конструкции в сферу Labsphere LMS-650.

Рис. 5: Эскиз лазерной пропускающей установки [I]

Анализ оптических характеристик системы показывает, что при точной фокусировке источник может получить узкий излучаемый пучок с помощью оптики небольшого размера. Рисунок 6 демонстрирует, что среднее расхождение 2 ° достижимо с оптикой 1 дюйм со средней однородностью цвета по проецируемому изображению, так как на малой оси луча видны некоторые желтые двоения.

Рисунок 6: Спроецированный луч

Явными недостатками пропускающей системы являются:
• Низкая эффективность из-за высоких оптических потерь и двунаправленного излучения
люминофорного шаблона
• Ограниченная максимальная освещенность над люминофорным шаблоном из-за
низкой теплопроводности прозрачной подложки

Рис. 7: Следы горения на силиконовых люминофорах на стеклянной подложке при возбуждении слишком сильным лазерным излучением [I]

Рис. 8: Эскиз световозвращающей установки на основе линзы [I]

Рисунок 9: Эскиз параболической отражательной установки на основе отражателя [I]

На рисунке 9 показаны эффекты упреждающего воздействия снижения эффективности при повышении температуры самонагрева.Эти два недостатка можно уменьшить, используя отражающую люминофорную структуру, описанную ниже.

Установки LARP с узким отражающим лучом

Как описано ранее, другой подход к пропускающей структуре связан с возможностью наслоения люминофора на отражающую поверхность. Как показано на рисунках 8 и 9, отражающие люминофорные поверхности обладают явным преимуществом (почти) удвоением количества света, собираемого оптической установкой.Прототипы отражающих структур построены вокруг слоя люминофора без связующего, нанесенного поверх оптического зеркала на основе стекла (на основе диэлектрического отражателя).

На рисунке 8 показана установка, основанная на наклонном люминофорном шаблоне, который возбуждается коллимированным лазерным лучом. Излучаемый белый свет затем фокусируется оптической структурой на основе двух 2-дюймовых сферических линз и специального симметричного стеклянного диффузора для гомогенизации излучаемого луча. На рисунке 10 показаны форма, размер и хроматическое расстояние на расстоянии 330 мм от последней линзы фокусировки.Результаты показывают хорошую однородность цвета в луче с расходимостью 6 °, хотя это довольно далеко от идеального белого пятна.

Рисунки 10: Луч отражательной установки на основе линзы [I]

Рисунки 11: Луч отражательной установки на основе параболического рефлектора [I]

Может быть изготовлена ​​альтернативная конструкция на основе параболического отражателя, представленного на рисунке 9, где лазерный луч фокусируется через отверстие в отражателе и, таким образом, возбуждает люминофорный шаблон, расположенный в фокальной точке параболического отражателя.Полученный размер луча (Рисунок 11) имеет среднее расхождение 8,5 ° и хорошую однородность цвета.

Резюме и выводы

В сводной таблице 1 представлены основные результаты трех испытанных решений с использованием узколучевого лазера, при этом следует учитывать тот факт, что люминофоры имеют различное происхождение между пропускающей установкой (коммерческий силикон, инкапсулированный на стекле) и отражающей установкой (нестандартное падение отлита на зеркало). Интересно отметить, что эффективность значительно улучшается на отражающих установках, но также улучшается расходимость излучаемого луча.Конечно, эффективность все еще относительно низка, но значительного улучшения можно достичь за счет оптимизации лазерных диодов и люминофора.

Таблица 1: Основные результаты трех испытанных решений с узконаправленным лазером

В заключение, исследование показывает, что лазерное освещение, хотя и все еще развивающаяся технология, может раздвинуть пределы твердотельного освещения с точки зрения эффективности при высоких токах благодаря низкому спаду и оптическому управлению излучаемым светом.Технологические ограничения по-прежнему связаны с характеристиками лазерного диода и стоимостью, а также с разработкой эффективных структур охлаждения для шаблона люминофора.

Выиграют светодиоды или лазеры в долгосрочной перспективе? Очень вероятно, что обе технологии найдут широкое применение и реально изменят парадигму освещения. Настоящими победителями станут конечные пользователи, которые получат доступ к двум гибким и различным технологиям освещения: светодиодам и лазерам. Это повысит степень свободы дизайнеров, что приведет к еще большему проникновению твердотельного освещения на рынок приложений.

Источники:
[I] Изображение / график любезно предоставлены MDPI Materials

Ссылки:
[1] Х. Кениг, А. Лелл, Б. Стойетц, М. Али, К. Эйхлер, М. Петер, А. Лёффлер,
У. Штраус, «Голубой 450-нм высокомощный полупроводник, непрерывная волна.
лазерная планка, выходная мощность которой превышает 80 Вт », SPIE Photonics
West 2018, Сан-Франциско, документ 10514-1 (2018)
[2] Н. Тривеллин, М. Ющенко, М. Буффоло, К. Де Санти, М.Meneghini,
G. Meneghesso, E. Zanoni, «Лазерное освещение: экспериментальный анализ и перспективы
», Материалы 11; 10 (10), 2017
[3] М. Дал Лаго, М. Менегини, Н. Тривеллин, Г. Мура, М. Ванци,
Г.