文 | James

來源 | CNLED網(wǎng)

美國(guó)俄亥俄大學(xué)的Faiz Rahman認(rèn)為，對(duì)于熒光粉泵浦的白光源，從LED轉(zhuǎn)換到激光可提高效率、延長(zhǎng)使用壽命并產(chǎn)生高度準(zhǔn)直的光束。

目前，激光光源基于半極性GaN激光二極管，并結(jié)合先進(jìn)的熒光粉技術(shù)。由于激光集中于熒光粉上某個(gè)微小點(diǎn)發(fā)射光線并轉(zhuǎn)換成白光，光源能夠輸出安全且高度準(zhǔn)直的白光?；诩す獾姆椒ǎ鋵傩园囟鹊纳哌h(yuǎn)低于LED。激光泵浦也是實(shí)用的，因?yàn)樵诮贤獍l(fā)射的裝置很容易獲得，并且可以有效地起到這種作用。

從LED轉(zhuǎn)到激光不會(huì)是一夜之間的事情。相反，在可預(yù)見的未來，基于LED的燈具將仍然是生成白光的主要手段。但是，基于激光二極管的固態(tài)照明系統(tǒng)已經(jīng)在高亮度照明應(yīng)用中獲得了應(yīng)用，并且現(xiàn)在有幾家制造商已經(jīng)生產(chǎn)了。

激光二極管泵浦燈具發(fā)展的動(dòng)力是避免LED效率下降。但是，這不是唯一的好處。除了Soraa和其他幾家外，其他LED源的制造商使用的芯片不包含短于約450nm的波長(zhǎng)。因此，當(dāng)采用這些峰值波長(zhǎng)為450-460nm的廉價(jià)LED用于磷光體泵浦時(shí)，得到的光源在光譜的紫色部分會(huì)不足。

使用405nm紫外發(fā)光激光二極管的白光燈可以避免這種情況。這些設(shè)備很便宜、高效，而且在市場(chǎng)上也有。使用短波長(zhǎng)磷光體泵浦，光譜輸出更豐富，光譜覆蓋率更大，而且顯色指數(shù)高于典型的LED泵浦白光源（參見圖1）。

圖1

來自激光二極管泵浦白光燈的光的色度點(diǎn)幾乎是中性的（x=0.3305，y=0.3309），證明了光源的光譜豐富度。圖中的黑線是普朗克軌跡

在許多情況下，比白光質(zhì)量更重要的是數(shù)量。以這種方式判斷，激光二極管泵浦發(fā)出的光線很強(qiáng)，因此它們是建筑照明、探照燈和汽車前燈理想的高強(qiáng)度光源。激光源的另一個(gè)屬性是發(fā)出的光光束發(fā)散性極小，幾乎接近平行。

激光泵浦光源的優(yōu)點(diǎn)引起了汽車制造商的注意，它們正在積極為高端車型安裝上激光頭燈。就像LED照明在汽車行業(yè)的滲透一樣，高端車型引領(lǐng)潮流，其中就包括寶馬的一些車型（見圖2）。

圖2

寶馬的激光前照燈具有單獨(dú)的激光二極管、光束組合器、熒光體靶和反射器組件。

與LED不同，當(dāng)使用激光二極管來泵浦熒光體時(shí)，需要不同的安排。由于激光輻射的定向特性及其高強(qiáng)度，不可能簡(jiǎn)單地就把磷光體沉積在泵裝置的頂部。相反，需要更多的光學(xué)布置，例如磷光體板和反射器的組合，或者使用磷光體涂覆的積分球（參見圖3）。

對(duì)于這兩種方法，只要使用合適的技術(shù)來組合多個(gè)激光束，就可以使用一個(gè)或兩個(gè)以上的二極管進(jìn)行泵浦。這意味著激光泵浦光模塊的光功率沒有上限。使用遠(yuǎn)程泵浦結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是磷光體不在熱部件上，這可以防止熒光體在操作期間加熱，大大延長(zhǎng)其使用壽命。

激光泵浦的一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法是將激光器引導(dǎo)到熒光體板并且用反射器準(zhǔn)直所得到的輻射（參見圖3（a））。 然而，在光功率轉(zhuǎn)換方面，使用熒光體涂覆的積分球更有效（參見圖3（b））。

圖3 激光二極管泵浦的典型光學(xué)設(shè)置

根據(jù)是否需要低功率或高功率光源，可以采用其他方案。例如，小燈具可以使用光束擴(kuò)張透鏡來泵浦整個(gè)熒光體板。這種方法如圖4所示，描繪了單個(gè)直通燈的光線跟蹤仿真。

圖4

用于小型激光泵浦燈的一種高效泵浦裝置。泵浦光（紅色光束）從左側(cè)進(jìn)入，通過凹光束擴(kuò)張透鏡，擴(kuò)展到右側(cè)的熒光體涂層玻璃板面上，并入射到有機(jī)硅結(jié)合的熒光體層上。下轉(zhuǎn)換光顯示為藍(lán)光。

在圖中，熒光板顯示為不透明，與綠色反射鏡分離，目的是可以看到反射器外殼內(nèi)的光線的軌跡。在實(shí)際的燈中，熒光板（允許光線向外逸出的透明玻璃片）被密封到反射器邊上。只有很少的光線反向反射回左側(cè)的激光模塊（未示出）。

雖然激光泵浦產(chǎn)生的白光源有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是也必須要考慮其局限性。就像基于LED的燈一樣，發(fā)射的光線包含兩個(gè)不同的組成部分：來自磷光體的下轉(zhuǎn)換光，以及剩余的未轉(zhuǎn)換的激光。但是，使用激光，最大的區(qū)別就是內(nèi)在的一致性，這會(huì)導(dǎo)致斑點(diǎn)，即出現(xiàn)在亮面上的可見光及暗點(diǎn)。

斑點(diǎn)的缺點(diǎn)不容忽視，除了讓人分心之外，它對(duì)視覺感知也有負(fù)面影響，它會(huì)妨礙檢測(cè)照明物體的空間細(xì)節(jié)。測(cè)試表明，斑點(diǎn)將視力敏度降低了40％，并且降低了感知高低空間頻率的能力。這些問題是導(dǎo)致激光照明未能流行的一部分原因。

請(qǐng)注意，使用激光投影機(jī)時(shí)，通過一些手段來減少激光的相干性，可以將斑點(diǎn)轉(zhuǎn)化為可接受的水平。但是使用激光照射熒光體，斑點(diǎn)甚至可以降到更低的水平。在這種情況下，斑點(diǎn)小到可以完全忽略。這主要是因?yàn)楹玫臒粼O(shè)計(jì)確保了大多數(shù)激光被轉(zhuǎn)換成不發(fā)出斑點(diǎn)的較長(zhǎng)波長(zhǎng)。

另外的一個(gè)好處就是剩余的激光表現(xiàn)出非常小的斑點(diǎn)，這是由于當(dāng)它通過熒光體層時(shí)經(jīng)歷多次散射，其相干性降低。磷光泵浦激光系統(tǒng)產(chǎn)生的光線強(qiáng)、色彩豐富、無斑點(diǎn)，優(yōu)于LED燈具產(chǎn)生的光。

激光泵浦白光源的最大缺點(diǎn)與二極管相關(guān)。首先，這款芯片的價(jià)格比LED要高很多。盡管在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中廣泛應(yīng)用，但對(duì)于等效的發(fā)光水平，激光二極管比LED要貴得多。由于成本高，激光泵浦磷光體系統(tǒng)價(jià)格昂貴，目前只能部署在專門的、不那么在乎成本的照明應(yīng)用中。

激光泵浦照明系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以覆蓋廣泛的輸出功率。商用激光二極管的功率額定值從幾毫瓦到幾瓦，通過組合幾個(gè)激光器的輸出可以形成更強(qiáng)大的源。但是，這不利于系統(tǒng)的壽命。這是因?yàn)槎O管壽命低于LED的壽命，特別是當(dāng)它們?cè)诟唑?qū)動(dòng)電流下工作時(shí)。

為何二極管壽命低？這可以追溯到激光結(jié)構(gòu)中微小的、預(yù)先存在的晶體位錯(cuò)。當(dāng)器件以高功率電平驅(qū)動(dòng)時(shí)，這些缺陷會(huì)大大增加。以這種方式運(yùn)行會(huì)逐漸形成廣泛的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，稱為暗線缺陷。它們作為非輻射復(fù)合的位點(diǎn)，減少了設(shè)備的光輸出。二極管的亮度隨著時(shí)間的推移而減少，并且由于泵浦的光源輸出下降，亮度太低直到燈滅。

令人鼓舞的是，隨著激光二極管的成熟度增加，這個(gè)問題已經(jīng)沒有那么嚴(yán)重了，但還是有待進(jìn)一步解決。轉(zhuǎn)而使用有利于外延生長(zhǎng)的原生GaN襯底也許是個(gè)辦法，因?yàn)檫@樣會(huì)減少界面穿透位錯(cuò)的數(shù)量，并增加激光二極管的壽命。

采用基于激光的白光照明的另一個(gè)突破點(diǎn)是通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)降低高成本。這將為紫外線和近紫外激光二極管開辟新市場(chǎng)。雖然LED照明無疑在今天處于領(lǐng)先地位，但在隨后的幾年中，請(qǐng)留心激光系統(tǒng)。