Use of laser light in automotive lighting

详细

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

全文:

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.