Use of laser light in automotive lighting

Abstract

The possibility of laser light usage in automotive lighting was considered in the article.

Full Text

Автомобильные светотехнические приборы прошли долгий путь развития от газовых источников света до светодиодных ламп. Вслед за светодиодными лампами пришла идея использования лазеров в светотехнике, поскольку современные технологии их изготовления позволяют сделать это [1]. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения как в непрерывном, так импульсном режиме [2]. Это явление А. Эйнштейн предсказал еще в 1916 г., а в 1936 г. подтвердил русский физик В.А. Фабрикант, который, анализируя спектр газового разряда, пришел к выводу: свет можно усилить, стимулируя излучение, и сформулировал необходимые для этого условия. Затем в 1951 г. вместе с М.М. Вудынским (тогда заведующий кафедрой физики МАМИ) и Ф.А. Бутаевой впервые экспериментально подтвердил свои предположения. Тогда же была подана заявка на изобретение, сформулированная следующим образом: «предлагается способ усиления электромагнитного излучения, основанный на использовании явления индуцированного излучения». Потом во многом на этой основе Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (сотрудников Физического института АН СССР), а также Ч. Таунс (США) в 1960-1962 гг. разработали лазер на рубине, газовый лазер и, наконец, лазер на полупроводниковых элементах. За что все трое в 1964 г. были отмечены Нобелевской премией. Именно полупроводниковые лазеры идеально подходят для автомобильной техники, так как имеют очень маленькие размеры и требуют для питания, в отличие от газовых и твердотельных лазеров, низкое напряжение. Есть у них и другие достоинства, которые вытекают из принципа их работы. Согласно зонной теории [3], электроны в полупроводнике могут занимать две энергетические зоны (рисунок 1): нижнюю - валентную и верхнюю зону проводимости. В чистом (ненагретом) полупроводнике все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если же на него подействовать электрическим током или световым импульсом, то некоторая часть электронов перейдет в зону проводимости. В результате такого перехода в валентной зоне окажутся «дырки», которые играют роль положительного заряда, участвующего в процессе электропроводности. Возможен и обратный переход электронов (излучательный или безизлучательный). При этом в некоторых полупроводниках (например GaAs, GaN, CdS и т.д.) в результате перехода электронов из зоны проводимости в валентную и соединения их с «дырками» происходит излучение фотонов (излучательная рекомбинация носителей заряда). Обеспечить обратный переход электронов можно при помощи ударной ионизации, оптического излучения электрического тока и т.д.. Последний метод особенно интересен: он позволяет получать излучения в диапазоне от инфракрасной до ультрафиолетовой области при КПД, равном 60 % и более [2, 4]. Рисунок 1. Схема энергетических уровней полупроводникового лазера: излучательный переход «зона-зона» Схема полупроводникового лазера приведена на рисунке 2,а. Изготовляют его следующим образом. Рисунок 2. Схема полупроводникового лазера (а) и его спектральная характеристика (б): 1 начальный этап; 2 стационарный режим Из сплава, состоящего, скажем, из арсенида галлия (GaAs) и донорных примесей (полупроводник n-типа) с концентрацией 0,001 %, вырезается образец в форме параллелепипеда (или куба) размерами в несколько сотен микрон. Затем в нем формируются два p-n-перехода, для чего на поверхность р-области наносится сплав золота с серебром. Поскольку торцы образца выполняют функции зеркал, их тщательно полируют, а его боковые стороны делают плоскопараллельными, чтобы они были резонаторами. Подготовленный образец припаивают к покрытому золотом молибденовому основанию с тем, чтобы обеспечить омический контакт с р-областью. Излучение выводится через плоскопараллельные стороны образца, а верхние и нижние стороны являются контактами, к которым прикладывается напряжение. Работа лазера сводится к следующему (рисунок 2,б). В начальный период, когда сила тока, текущего через p-n-переходы, невелика, ширина полосы излучения довольно большая, и поток света не является узконаправленным: при превышении порогового значения тока излучение имеет форму лепестка, т.е. он становится узконаправленным. Причем необходимая для этого мощность очень мала, а мощность излучаемая, наоборот, получается большой. Например первый полупроводниковый лазерный диод, который экспонировался в 1965 г. на Лейпцигской ярмарке, имел кристаллы размером 0,03 мм при мощности излучения в импульсе 10 Вт. Лазерное излучение (в отличие от теплового) характеризуется такими свойствами: оно узконаправленно (испускаются лишь волны, многократно отраженные от стенок резонатора и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от оптической оси); монохромно (выходное излучение является следствием резонансного процесса, связанного с переходом частиц с фиксированного энергетического уровня); когерентно (излучение монохроматично и имеется строго фиксированный сдвиг фаз). У него есть один обобщенный показатель, важный с точки зрения автомобильной фары. Это спектральная яркость величина, связывающая между собой поток энергии, излучаемой лазером, телесный угол и диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение. Возьмем, к примеру, солнце. По формуле М. Планка посчитано [5], что с 1 см2 поверхности солнца излучается 7 кВт мощности. Но эта энергия распределяется в широком (от 0,25 до 1,80 мкм) спектральном диапазоне. В узкой же световой полосе (например на волне 0,532 мкм, соответствующей красному цвету) эта мощность составляет всего лишь 10-5 Вт×с/см2. В то время как выходная мощность самых маломощных лазеров начинается с 10-3 Вт/мм2, что в 104 раз больше, чем у солнца в этой полосе излучения. Что касается спектральной яркости, то яркость солнца соответствует температуре 6000 К, а у лазерных источников - 1018…1019 К. То есть лазер как источник света эффективнее солнца. Однако лазерам присуща одна особенность: у них узкий пучок света, который использовать непосредственно в автомобильных осветительных приборах невозможно. Но в качестве возбудителя люминофора, расположенного в фокусе осветительного прибора, не только можно, но и нужно. Важно лишь выбрать наиболее эффективный люминофор. В итоге для первого экспериментального образца лазерной фары автомобиля был взят люминофор ФЛЗ-8, спектры поглощения и излучения которого показаны на рисунке 3. Физико-химические свойства рассматриваемого люминофора позволяют использовать его в автомобильной светотехнике. Рисунок 3. Спектр поглощения (1) и спектр излучения (2) люминофора ФЛЗ-8 При разработке конструкции экспериментальной фары авторы подбирали лазерную головку (длина волны излучения) и тип люминофора, расположение лазерной головки и люминофора, а также электропитание и управление лазером. Полученные в ходе экспериментов данные дали в итоге довольно полное представление о прообразе лазерной фары. Так, эксперименты подтвердили: лазерный свет значительно отличается от солнечного и от всех других ранее известных его источников, что позволяет снизить расход энергии на работу автомобильных фар (например по сравнению со светодиодными фарами - более чем в 2 раза). Значит, лазерный свет улучшит топливную экономичность автомобилей. Причем его высокая интенсивность не является угрозой для людей и животных. Потому что он излучается на люминофор, где его энергия преобразуется в белый свет. Очень важный вопрос - размеры лазерных диодов. Известно, что они в несколько раз меньше размеров обычных светодиодов. Это, безусловно, открывает кардинально новые возможности для разработчиков автомобильной светотехники. Экспериментальная лазерная фара была изготовлена на базе обычной четырехугольной автомобильной фары. При этом в фокусе ее отражателя был установлен (рисунок 4) пластмассовый прозрачный шарик 1 диаметром 5 мм, на поверхность которого нанесен люминофор ФЛЗ-8. На расстоянии 5 см от фокуса размещена лазерная головка 3, излучающая синий свет с длиной волны 405 нм. Напряжение питания устройства составляло 3 В, а потребляемая мощность - 0,05 Вт. Излучение лазера в виде узкого луча попадало на поверхность шарика, покрытого люминофором, и вызывало его люминесценцию в видимом спектральном диапазоне, и поскольку он находился в фокусе отражателя, то получался яркий луч света длиной до 60 м. а) (б) Рисунок 4. Схема экспериментальной фары с одной лазерной головкой (а) и лазерная головка в сравнении с монетой достоинством 5 рублей (б): 1 - шарик с нанесением на него люминофором; 2 отражатель; 3 лазерная головка; 4 - луч лазера. Рисунок 5. Схема экспериментальной фары с двумя лазерными головками: 1 шарик с нанесенным люминофором; 2 - отражатель; 3 - лазерные головки; 4 - луч лазера Таким образом, эксперименты доказали: такой источник вполне реален. Не случайно ими начинают заниматься и за рубежом. Например фирма БМВ планирует [6] в будущем устанавливать лазерные фары на свои автомобили. Что же касается наших исследований, то здесь намечается проведение широкомасштабных испытаний первых лазерных фар, а также изготовление фары с двумя лазерными головками (рисунок 5), что позволит не только повысить ее мощность, но и более рационально решить вопросы ближнего и дальнего света.