Лазерный диод – будущее современного освещения - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Лазерный диод – будущее современного освещения

Болтенков А.Ю. 1, Дуганова Е.В. 1
1бгту им в г шухова
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Лазерные диоды существуют с 1960-х годов, но только недавно стали достаточно эффективными, чтобы считаться кандидатами на общее освещение. Помимо того, что они энергоэффективны, они также создают яркий световой луч. В фарах BMW лазерные диоды обеспечивают диапазон освещения почти 700 м. Существует светодиодная версия той же фары, которая освещает только около 300 м, а типичная фара накаливания – около 100 м.

Некоторые эксперты предсказали развитие активного будущего лазерного диодного освещения. Один из них – доктор Сюдзи Накамура, изобретатель синего светодиода, лауреат Нобелевской премии по физике. Накамура утверждает, что лазерные диоды – это будущее освещения. Он подкрепил это видение действием, основав компанию SoraaLaser (теперь называемую SLD Laser), чтобы сделать лазерные диоды, оптимизированные для освещения. В лазерных диодах используют кристаллы нитрида галлия, выращенные на полуполярной кристаллической плоскости, что обычно не делается в обычных лазерных диодах GaN.

Обычные кристаллические плоскости электрически нейтральны. Полярные плоскости – это те, которые не являются электрически нейтральными, поэтому существует заряд между соседними кристаллическими плоскостями.  В GaN и аналогичных материалах типа III-N большой заряд. Он может ухудшить эффективность светоизлучающих приборов. Но выращивание материала вдоль определенных кристаллических плоскостей уменьшает поляризационный заряд. Материалы, выращенные вдоль этих специальных кристаллических плоскостей, называются полуполярными.

Компания утверждает, что она произвела лазерные диоды, демонстрирующие непрерывную волновую мощность более 4 Вт, и синие лазерные диоды, превышающие 1 Вт. Накамура так же продемонстрировал зеленые (525 Нм) непрерывные лазерные диоды, выходящие на 200 МВт.

Но, как показывает цена фар BMW, может пройти некоторое время, прежде чем лазерные диоды смогут стать широко используемыми источниками освещения.

Все твердотельные лазеры нуждаются в усиливающей среде и резонаторе. В диодном лазере электроны и дырки (рис.1) вводятся через p-n-переход, когда есть прямое смещение, как в светодиоде. Но инжектируемый ток намного выше, чем в светодиоде.

Рис.1 Пример структуры лазерного диoда.

Две противоположные грани полупроводниковой пластины образуют оптический резонатор. Плоскости расщепления действуют как зеркала, позволяя лазеру накапливать энергию [1].  

Изготовители лазерных диодов используют двойную гетероструктуру (ДГС) как способ уменьшения толщины активной области и тем самым снижения пороговой плотности тока для лазерного воздействия. Активная область действует как диэлектрический волновод, потому что материал активного слоя имеет больший показатель преломления, чем плакирующие слои с обеих сторон. Отражательная способность фасеток может быть проконтролирована путем использования покрытий на подвергнутой действию поверхности полупроводника. Если показатель преломления активного слоя превышает показатель преломления плакирующих слоев, то свет отражается на границе раздела фаз, как в оптическом волокне. Чем больше разница в показателях преломления, тем лучше оптическое удержание и резче режимы генерации.

Рис.2 Вид фары BMW наглядно показывает объединение выхода трех лазерных диодов через оптический элемент

Полученное воздействие генерирует синий лазерный луч. Но синий свет не является оптимальным для освещения, поэтому лазерный свет должен быть преобразован во что-то более теплое. В фарах BMW лазерный свет отражается от ряда зеркал в сборе фары и в конечном итоге фокусируется в объектив. Линза содержит желтый фосфор, который реагирует на лазерный луч. Лазерный луч взаимодействует с желтым фосфором для того чтобы создать яркий, сильно интенсивный белый свет. Затем свет проходит через рассеиватель, чтобы уменьшить его интенсивность, и отражается через переднюю часть фары. (рис.2)

Белый свет, проецируемый из фар, в десять раз ярче, чем свет, создаваемый светодиодами. BMW утверждает, что этот метод на 30% эффективнее, чем светодиодные альтернативы. Лазерная световая оптика занимает меньший объем, чем эквивалентная светодиодная версия, поэтому дизайнеры могут уменьшить размер корпуса и улучшить фары для аэродинамики [2].

Также отмечено, что электроника привода для лазерных диодов напоминает электронику для светодиодов, потому что оба устройства лучше всего работают при питании от источника тока.

Высокая стоимость фар обусловлена не только лазерными диодами. Например, фары могут освещать животных и пешеходов на расстоянии до 90 м и нести инфракрасную камеру, которая освещает эти препятствия. Фары также соединяются с GPS автомобиля, который помогает предсказать предстоящие повороты на дороге, чтобы водители могли лучше их видеть. Встроенная камера обнаруживает встречные объекты автоматически, для того чтобы затемнить луч. 

Исследования показывают, что может возникнуть явление, называемое Оже-рекомбинация. Здесь избыточная энергия, выделяемая электроном, перераспределяется с дыркой, поглощается вторым электроном вместо того, чтобы испускаться в виде фотона. Вновь возбужденный электрон затем отдает свою дополнительную энергию в серии столкновений с кристаллической решеткой GaN. В 2007 году было установлено, что Оже-рекомбинация является причиной снижения эффективности светоизлучающих диодов при больших токах. Существует также некоторое самонагревание в полупроводниковом материале, которое снижает оптическое усиление, повышая количество носителей тока, необходимых для компенсации оптических потерь [3].

Суперлюминесцентный диод (СЛД; англ. superluminescent diode — SLD, или superluminescent light-emitting diode — SLED) — полупроводниковые светоизлучающие приборы (светодиоды), работающие в режиме суперлюминесценции.

В отличие от полупроводниковых светодиодов, в рабочем режиме суперлюминесцентные диоды излучают в режиме суперлюминесценции, то есть усиления спонтанного излучения за счет вынужденного испускания. В результате в СЛД, как и в полупроводниковых лазерах, усиливается спонтанное излучение p-n-перехода светодиода.

Такой механизм излучения определяет характерный вид зависимости мощности излучения от подводимого тока: в слаботочном режиме суперлюминесцентный диод работает как обычный светодиод, при достижении инверсии населённости и выходе на суперлюминесцентный режим мощность излучения резко возрастает. Рабочие плотности тока режима суперлюминесценции у СЛД значительно выше, чем у светодиодов (из-за необходимости обеспечения инверсии заселённости) и у полупроводниковых лазеров (меньший оптический путь усиления из-за отсутствия оптического резонатора).

Суперлюминесцентные диоды сходны с полупроводниковыми лазерами тем, что значительная доля излучения обеспечивается механизмом вынужденного излучения, однако в отличие от лазеров в СЛД отсутствуют зеркала резонатора (часто на выходную поверхность СЛД для подавления отражения наносится просветляющее покрытие), поэтому излучение делает (в идеале) только один проход по усиливающей среде, и усиливаются не отдельные моды, а все длины волн в диапазоне усиления.

Полоса испускания суперлюминесцентных диодов (на 2005 год) — 20—100 нм, что больше, чем у полупроводниковых лазеров, но меньше, чем у светодиодов. По мощности излучения СЛД приближается к диодному лазеру (на 2005 год — десятки милливатт). Выпускаются чаще всего в корпусах, характерных для лазерных диодов, с выходом излучения через окно или оптоволокно [4].

Широкая полоса излучения означает низкую длину когерентности (от нескольких микрометров), что обеспечивает микрометровое разрешение в оптической когерентной томографии и высокую чувствительность в волоконно-оптических гироскопах. Суперлюминесцентные диоды используются также для тестирования оптических элементов, так как позволяют определить характеристики для относительно широкой полосы частот, например, хроматическую дисперсию оптического волокна. (рис.3)

Рис.3 Схема лазерного диода SoraaLaser (SDL Laser) SMD-packaged. SMD состоит из рассеивающего отражателя, чипа с жёлтым люминофором и лазерного диода с двойным зеркальным отражением (1- фосфор; 2-лазерный диод; 3-выходной луч)

В качестве примера того, что возможно сегодня, рассмотрим один из продуктов SDL: источник белого света на основе лазерных диодов, упакованный в виде устройства поверхностного монтажа 7×7 мм (SMD). Он производит до 500 люменов светового потока от 300 мкм.

Прибор SDL содержит такие же оптически элементы как фара лазера BMW, но все внутри пакет SMD. Внутри находится мощный синий индий-галлиевый нитрид (InGaN) полуполярный лазерный диод, который возбуждает крошечную (1 × 1 мм) дистанционную люминофорную мишень. Существует также дамп луча, по существу пассивный поглощающий элемент, который блокирует любой синий свет, который может отражать от монокристаллического люминофора и покидать упаковку.

СЛД говорит о том, что лазерные диоды приближенно являются точечным источником, что упрощает процесс формирования их выходного сигнала. Например, лазерные лучи особенно хорошо поддаются оптическим элементам дифракционного типа для калибровки и формирования пучка. Светлый формируя элемент отражателя может преобразовать фару 1° к прямоугольнику 1 ° ×10° с эффективностью превышая 92%. А жидкокристаллические линзы, добавляемые по потоку, могут электронно управлять и динамически изменять угол луча и его форму [5].

В настоящее время лазерные диоды, направленные на освещение, могут излучать до 500 люмен. Как видно из рисунка фар BMW, лазерные диоды хорошо работают при объединении в один луч. Ожидается, что их общая светоотдача увеличится с новыми конструкциями, а будущие работы в люминофорах и изготовлении лазерных диодов, приведут к устройствам, охватывающим более широкий спектр света в комплекте с более теплыми, более высокими уровнями света для внутренних применений. 

Таким образом, применение данной технологии в автомобильной индустрии повысит эффективность и безопасность управления транспортным средством в условиях современной интенсивной жизни, высокой скорости и неблагоприятных погодных условиях, что в свою очередь в некоторой степени уменьшит нагрузку на глаза водителя и увеличит время реакции на замеченное препятствие, что сохранит человеческие жизни.

Список литературы

1. Дуганова, Е. В. Обзор программного обеспечения для управления автосервисом / Е. В. Дуганова. // Новые материалы и технологии в машиностроении: сб. ст. / сост. П. С. Однокозов – Белгород, 2018. – № 27 С. 63-66.

2. Мазалов, В. В. Оптика в современном автомобиле. / В. В. Мазалов. - Москва: Лань, 2017. - 448 с.

3. Гузовский, А. А. Свет и тень. России светят новые матричные фары / А. А. Гузовский. // За рулем. - 2017. - № 3(1041). - С. 22-23.

4. Технология BMW Laser Light появится в серийных автомобилях: BMW i8 станет первой моделью: сайт. – URL: https://www.drive2.ru/(дата обращения: 18.11.2019).

5. Лазерные фары: современные автомобильные технологии и перспек-тивы сайт. – URL: https://www.drive2.ru (дата обращения: 17.11.2019).

Просмотров работы: 55