LED VS 激光，誰能笑到最後？

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美國俄亥俄大學的Faiz Rahman認為，對於熒光粉泵浦的白光源，從LED轉換到激光可提高效率、延長使用壽命併產生高度準直的光束。

CNLED網編譯目前，激光光源基於半極性GaN激光二極體，並結合先進的熒光粉技術。由於激光集中於熒光粉上某個微小點發射光線並轉換成白光，光源能夠輸出安全且高度準直的白光。基於激光的方法，其屬性包括溫度的升高遠低於LED。激光泵浦也是實用的，因為在近紫外發射的裝置很容易獲得，並且可以有效地起到這種作用。

從LED轉到激光不會是一夜之間的事情。相反，在可預見的未來，基於LED的燈具將仍然是生成白光的主要手段。但是，基於激光二極體的固態照明系統已經在高亮度照明應用中獲得了應用，並且現在有幾家製造商已經生產了。

激光二極體泵浦燈具發展的動力是避免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源的製造商使用的晶元不包含短於約450nm的波長。因此，當採用這些峰值波長為450-460nm的廉價LED用於磷光體泵浦時，得到的光源在光譜的紫色部分會不足。

使用405nm紫外發光激光二極體的白光燈可以避免這種情況。這些設備很便宜、高效，而且在市場上也有。使用短波長磷光體泵浦，光譜輸出更豐富，光譜覆蓋率更大，而且顯色指數高於典型的LED泵浦白光源（參見圖1）。

圖1

來自激光二極體泵浦白光燈的光的色度點幾乎是中性的（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，比白光質量更重要的是數量。以這種方式判斷，激光二極體泵浦發出的光線很強，因此它們是建築照明、探照燈和汽車前燈理想的高強度光源。激光源的另一個屬性是發出的光光束髮散性極小，幾乎接近平行。

激光泵浦光源的優點引起了汽車製造商的注意，它們正在積極為高端車型安裝上激光頭燈。就像LED照明在汽車行業的滲透一樣，高端車型引領潮流，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的激光二極體、光束組合器、熒光體靶和反射器組件。

激光泵浦結構

與LED不同，當使用激光二極體來泵浦熒光體時，需要不同的安排。由於激光輻射的定向特性及其高強度，不可能簡單地就把磷光體沉積在泵裝置的頂部。相反，需要更多的光學布置，例如磷光體板和反射器的組合，或者使用磷光體塗覆的積分球（參見圖3）。

對於這兩種方法，只要使用合適的技術來組合多個激光束，就可以使用一個或兩個以上的二極體進行泵浦。這意味著激光泵浦光模塊的光功率沒有上限。使用遠程泵浦結構的另外一個優點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，大大延長其使用壽命。

激光泵浦的一個相對簡單的方法是將激光器引導到熒光體板並且用反射器準直所得到的輻射（參見圖3（a））。 然而，在光功率轉換方面，使用熒光體塗覆的積分球更有效（參見圖3（b））。

圖3 激光二極體泵浦的典型光學設置

根據是否需要低功率或高功率光源，可以採用其他方案。例如，小燈具可以使用光束擴張透鏡來泵浦整個熒光體板。這種方法如圖4所示，描繪了單個直通燈的光線跟蹤模擬。

圖4

用於小型激光泵浦燈的一種高效泵浦裝置。泵浦光（紅色光束）從左側進入，通過凹光束擴張透鏡，擴展到右側的熒光體塗層玻璃板面上，併入射到有機硅結合的熒光體層上。下轉換光顯示為藍光。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的光線的軌跡。在實際的燈中，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的激光模塊（未示出）。

雖然激光泵浦產生的白光源有很多的優點，但是也必須要考慮其局限性。就像基於LED的燈一樣，發射的光線包含兩個不同的組成部分：來自磷光體的下轉換光，以及剩餘的未轉換的激光。但是，使用激光，最大的區別就是內在的一致性，這會導致斑點，即出現在亮面上的可見光及暗點。

斑點的缺點不容忽視，除了讓人分心之外，它對視覺感知也有負面影響，它會妨礙檢測照明物體的空間細節。測試表明，斑點將視力敏度降低了40％，並且降低了感知高低空間頻率的能力。這些問題是導致激光照明未能流行的一部分原因。

請注意，使用激光投影機時，通過一些手段來減少激光的相干性，可以將斑點轉化為可接受的水平。但是使用激光照射熒光體，斑點甚至可以降到更低的水平。在這種情況下，斑點小到可以完全忽略。這主要是因為好的燈設計確保了大多數激光被轉換成不發出斑點的較長波長。

另外的一個好處就是剩餘的激光表現出非常小的斑點，這是由於當它通過熒光體層時經歷多次散射，其相干性降低。磷光泵浦激光系統產生的光線強、色彩豐富、無斑點，優於LED燈具產生的光。

贊成與反對

激光泵浦白光源的最大缺點與二極體相關。首先，這款晶元的價格比LED要高很多。儘管在數據存儲應用中廣泛應用，但對於等效的發光水平，激光二極體比LED要貴得多。由於成本高，激光泵浦磷光體系統價格昂貴，目前只能部署在專門的、不那麼在乎成本的照明應用中。

激光泵浦照明系統的一個優點是可以覆蓋廣泛的輸出功率。商用激光二極體的功率額定值從幾毫瓦到幾瓦，通過組合幾個激光器的輸出可以形成更強大的源。但是，這不利於系統的壽命。這是因為二極體壽命低於LED的壽命，特別是當它們在高驅動電流下工作時。

為何二極體壽命低？這可以追溯到激光結構中微小的、預先存在的晶體位錯。當器件以高功率電平驅動時，這些缺陷會大大增加。以這種方式運行會逐漸形成廣泛的位錯網路，稱為暗線缺陷。它們作為非輻射複合的位點，減少了設備的光輸出。二極體的亮度隨著時間的推移而減少，並且由於泵浦的光源輸出下降，亮度太低直到燈滅。

令人鼓舞的是，隨著激光二極體的成熟度增加，這個問題已經沒有那麼嚴重了，但還是有待進一步解決。轉而使用有利於外延生長的原生GaN襯底也許是個辦法，因為這樣會減少界面穿透位錯的數量，並增加激光二極體的壽命。

採用基於激光的白光照明的另一個突破點是通過規模經濟降低高成本。這將為紫外線和近紫外激光二極體開闢新市場。雖然LED照明無疑在今天處於領先地位，但在隨後的幾年中，請留心激光系統。

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