半導體激光號燈光強及光弧范圍的設計與仿真

朱金善， 吳同飛， 孫立成， 尹建川(. 大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 606； . 中國船級社， 北京 00007)

半導體激光號燈光強及光弧范圍的設計與仿真

朱金善1， 吳同飛1， 孫立成2， 尹建川1
(1. 大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026； 2. 中國船級社， 北京 100007)

為提高船舶號燈在復雜光環(huán)境下的可識別性，選擇半導體激光器作為號燈的光源，設計出一種新型船舶號燈。該號燈光束能量集中，容易獲得符合《國際海上避碰規(guī)則》要求的發(fā)光強度和可見距離；通過設計合理的陣列結構，使其能夠獲得符合《國際海上避碰規(guī)則》要求的水平光弧和垂直光弧。在三維實體建模軟件(Lighttools)環(huán)境下，模擬透射率為0.8時大氣散射對新型號燈左舷燈光束傳播的影響。結果表明：大氣散射能使號燈光束展寬，并使光束內光強分布更加均勻。

船舶工程；半導體激光器；船舶號燈；大氣散射；Lighttools

船舶號燈可表示船舶的存在，并在一定程度上表明船舶的種類、尺度、動態(tài)和工作性質等信息。[1]自開始使用至今，船舶號燈一直沿用普通的電氣號燈，在光污染較嚴重的水域會因其自身發(fā)出的光束能量不集中、顏色對比度差、容易產生混色而嚴重影響船舶駕駛員的瞭望和對避碰信息的獲取。[2]

激光技術自20世紀60年代初問世以來，已在多個領域得到應用，尤其是半導體激光器，不僅體積小、質量輕、使用壽命長，而且具有電光轉化效率高、產生的波長覆蓋范圍廣、易于模塊化生產等優(yōu)點；更重要的是，其產生的激光亮度高、方向性強、單色性好、易于調制。因此，利用半導體激光器設計的新型船舶號燈，光束質量高、顯色性好、光弧易于控制、燈光容易加載各種信息；同時，借助相應的解調手段，可提高復雜光環(huán)境下船舶號燈的可識別性。

1 半導體激光船舶號燈的發(fā)光原理

1.1半導體激光器的發(fā)光原理

新型船舶號燈的基本發(fā)光單元為半導體激光器。半導體激光器是利用半導體中的電子躍遷引起光子受激輻射而產生的光振蕩器和光放大器的總稱，其產生激光需要滿足激勵源、增益介質和諧振腔等3個條件。[3]半導體激光器以半導體材料為增益介質，核心部分為一個p-n結。當給p-n結通正向電壓時，會降低p區(qū)與n區(qū)之間的勢壘，電子和空穴分別從n區(qū)和p區(qū)注入有源區(qū)，從而在高能級導帶上積聚大量電子、在低能級價帶上積聚大量空穴。大量的電子——空穴對形成粒子數反轉，當電子和空穴復合時，將輻射一定波長的光。[4]光在諧振腔內的2個解理面之間來回反射通過結區(qū)，當增益大于損耗時，就會產生激光輻射。圖1為半導體激光器的結構圖。

圖1 半導體激光器結構圖

半導體晶體中電子的能量不是分立的能級，而是2個分裂的能帶，能帶間沒有電子的狀態(tài)稱為禁帶，禁帶的寬度由半導體材料確定，決定了半導體激光器輸出激光的波長。[5]因此，只要選擇合適的半導體材料就能獲得符合船舶號燈光色要求的激光。

1.2激光的光束特點

激光作為一種光源，其光束截面內的光強分布是不均勻的，光束波面上各點的振幅呈高斯型函數分布。以基模高斯光束(見圖2)為例，沿著激光的傳播方向，其光場強度的極大值位于中心軸線上，向外以距中心軸線距離的平方指數衰減[6]，光能量較一般平面波更為集中，因此采用激光作為新型號燈的光源是合適的。

圖2 基模高斯光束

2 光強和可見距離的設計

2.1《國際海上避碰規(guī)則》對號燈光強和號燈可見距離的要求

《1972年國際海上避碰規(guī)則》(以下簡稱《規(guī)則》)附錄一“號燈和號型的位置和技術細節(jié)”第8條“號燈的發(fā)光強度”規(guī)定，號燈的最低發(fā)光強度應用式(1)計算。[1]356-357

I=3.43×106TD2K-D

(1)

式(1)中：I為號燈在使用的情況下以堪(Candelas)為單位計算的發(fā)光強度；T為臨閾系數，2×10-7勒克司；D為號燈的能見距離(照明距離)，以海里計算；K為大氣透射率，用于規(guī)定的號燈，其值應為0.8，相當于約13 n mile的氣象能見度。

根據上述規(guī)定，以長度≥50 m的機動船為例，計算得到其桅燈的最小能見距離為6 n mile，最低發(fā)光強度為94堪；左、右舷燈的最小能見距離要求達到3 n mile，發(fā)光強度應達到12堪。相同條件下，半導體激光器的光亮度因激光波長而異，這里僅以左舷燈為例進行分析。

2.2半導體激光號燈光強和可見距離的設計

選用波長為635 nm的可見紅光半導體激光器作為新型號燈左舷燈的光源，在明視覺環(huán)境下，其發(fā)射激光的視見函數值Vλ=0.217。取舷燈的水平光弧角度為112.5°，且在水平上方7.5°到水平下方7.5°范圍內均能保持所要求的最低發(fā)光強度。假設半導體激光器的光線在整個立體角內能均勻分布，可得紅光半導體激光器發(fā)出的總光通量、立體角和發(fā)光強度分別為式(2)～式(4)。

∑φV=683Vλ∑φe

(2)

Ω=0.44

(3)

(4)

式(2)～式(4)中：φe為激光器的輻通量，指單位時間內發(fā)射、傳輸或接收的輻射能，與功率具有相同的單位；φV為紅光半導體激光器發(fā)出的總光通量；Ω為紅光半導體激光器的立體角；IV為紅光半導體激光器的發(fā)光強度。聯立式(2)～式(4)可求得激光器的總發(fā)射功率為35.62 mW。

同理，選用波長為532 nm的可見綠光半導體激光器作為新型號燈右舷燈的光源，在明視覺環(huán)境下可求得激光器的總發(fā)射功率為8.74 mW。以此類推，可計算出長度≥50 m的機動船的桅燈、尾燈和拖帶燈的發(fā)光功率與發(fā)光單元數(見表1)。需指出，桅燈和尾燈的光色是由紅、綠、藍等3種光譜色混合而成的，3種半導體激光器以品字形緊密排列作為一組發(fā)光單元使用。

3 水平光弧及垂直光弧的設計

3.1《規(guī)則》對號燈水平光弧和垂直光弧的要求

《規(guī)則》附錄一“號燈和號型的位置和技術細節(jié)”第9條“水平光弧”第一款規(guī)定：

表1 新型船舶號燈使用的半導體激光器主要參數

1)船上所裝的舷燈，在朝前的方向上，應顯示最低要求的發(fā)光強度，發(fā)光強度在規(guī)定光弧外的1°～3°，應減弱以達到切實斷光。

2)尾燈和桅燈，以及舷燈在正橫后22.5°處，應在水平弧內保持最低要求的發(fā)光強度，直到第二十一條規(guī)定的光弧界限內5°。從規(guī)定的光弧內5°起，發(fā)光強度可減弱50%，直到規(guī)定的界限；然后，發(fā)光強度應不斷減弱，以達到在規(guī)定光弧外至多5°處切實斷光。

第10條“垂直光弧”第一款規(guī)定，所裝電氣號燈的垂向光弧，除在航帆船的號燈外，應保證：

1)從水平上方5°到水平下方5°的所有角度內，至少保持所要求的最低發(fā)光強度。

2)從水平上方7.5°到水平下方7.5°，至少保持所要求的最低發(fā)光強度的60%。[1]358-359

3.2半導體激光船舶號燈水平光弧和垂直光弧的設計

為提高激光器單管的發(fā)光功率，目前商用大功率半導體激光器有源區(qū)多采用非對稱結構，激光器端面輸出光束在2個不同方向上有很大差異。[7-8]大功率半導體激光器不僅輸出的光束不利于直接應用，而且造價相對高昂，相比之下，小功率半導體激光器則造價低，光束易于控制，通過一個微透鏡即可調整其光束的發(fā)散角，因此在設計新型號燈時采用集成小功率半導體激光器陣列的辦法。所謂陣列，是指將多個發(fā)光單元按特定的順序排列起來，從而提高半導體激光器的總功率。設計合理的陣列結構不僅能保證號燈整體的發(fā)光強度，而且容易獲得符合《規(guī)則》要求的水平光弧和垂直光弧。

以長度≥50 m的機動船的左舷紅燈為例，通過計算可知，選用波長為635 nm的可見紅光半導體激光器作為新型號燈左舷燈的光源，在明視覺環(huán)境下，其總功率至少應為41.62 mW。設所使用的半導體激光器的發(fā)散角為7.5°，既要保證號燈在要求的水平光弧和垂直光弧范圍內光強分布盡量均勻，又不能使號燈的結構過于復雜。因此，考慮將18個單管功率為2.5 mW的半導體激光器等間距集成在一個半圓環(huán)外表面上，半圓環(huán)外表面半徑為4.58 cm，內表面半徑為3.58 cm，厚度為1 cm，寬為2 cm，外表面112.5°角對應的弧長為9 cm。半導體激光器的發(fā)射方向以不同角度向Y-Z平面傾斜，且相對于Y-Z平面左右對稱，相對于X-Z平面上下對稱。省略連接導線和新型號燈的封裝結構，在Lighttools環(huán)境下建立模型的三維結構與發(fā)光效果圖(見圖3)。

圖3 在Lighttools環(huán)境下建立的新型號燈結構與發(fā)光效果圖

4 Lighttools環(huán)境下號燈可見距離和光弧范圍的仿真

4.1仿真過程介紹

Lighttools是美國ORA(Optical Research Associates)公司研制的一種三維實體建模軟件，其照明模塊采用蒙特卡羅方法來模擬。[9]蒙特卡羅方法是一種隨機模擬的方法，將光的散射過程處理為光子在介質中的碰撞過程，通過追跡和統(tǒng)計大量光子的運動模擬光束在介質中傳輸的結果。

在Lighttools環(huán)境下模擬點狀高斯光源較困難，文獻[10]給出一種通過疊加模型實現光源光強漸變的思路，但考慮到號燈發(fā)出的光線主要作用在遠場，在仿真實驗中將單個半導體激光器激光光束近似處理為平面波，其光強在垂直于傳播方向的截面上均勻分布。

光在真空中沿直線傳播，但在空氣中，大氣散射會對激光遠距離傳播造成影響，影響程度取決于大氣中的各種粒子。在Lighttools環(huán)境下，采用米氏散射描述大氣粒子對光線的散射作用，考慮到計算米氏散射的難度，在模擬前計算出一些參數并存儲在內存中，以備隨時調用。模擬試驗設置大氣透射率為0.8(相當于約13 n mile的氣象能見度)，建立有限遠場接收器并選擇接收以Z軸為中心的58°角上的光線模擬切斷光，設置光線數量為300萬條，光線追跡閾值為0.01，經Lighttools仿真模擬后，在不同距離接收到光線的強度剖面圖(見圖4～圖7)，各模擬試驗的錯誤估計峰值均保持在0.2%以內。

圖4 左舷燈光強度剖面圖(10 m)

圖5 左舷燈光強度剖面圖(0.1 n mile)

圖6 左舷燈光強度剖面圖(1 n mile)

4.2仿真結果分析

在圖4～圖7中，水平方向和垂直方向上受各發(fā)光單元之間排列方式的影響，2個半導體激光器光束之間有重合區(qū)域，因此各測量點光強度呈鋸齒形分布。當接收距離較近(10 m)時，大氣散射對號燈光束的影響較小，接收到的光強度剖面圖近似反映新型號燈光束在無大氣散射時的傳播。由圖4可知，此時水平光弧范圍為112.5°，垂直光弧范圍為15°，在此范圍邊界處實現了切實斷光，且各測量點光強度均超過《規(guī)則》要求的12堪。

圖7 左舷燈光強度剖面圖(3 n mile)

設計的新型號燈既要滿足在規(guī)定的最大可見距離上使人眼能識別，又要保證船舶間避讓時在可能接近的最小距離處不至于使人眼產生眩光效應。根據文獻[11]的結論，實驗室用“人工星點”測定的人眼視覺閾值約為2.44×10-9lx，取左舷燈的輻射面為平面，計算得到號燈在3 n mile遠處整個可見范圍內的光照度為7.75×10-9lx，因此人眼能在最大3 n mile處任意可見范圍內輕易地觀察到號燈的燈光；在0.1 n mile遠處，新型號燈產生的眩光值GR約為52，其評價級別處在“剛好允許”的范圍內[12]，于人眼安全，不會產生眩光現象。

隨著接收距離增加(如圖5～圖7)，水平方向上，光強在整個輻照面上的分布趨于平緩，說明大氣對激光束的散射作用使光強分布變得平均化；同時，垂直方向上不受接收角度的限制(無遮光)，光束的輻射角度有所增大。這是由于大氣中的粒子分布具有隨機性，光子在大氣中傳播時會與粒子產生隨機碰撞而改變原來的運動方向，并在偏離原方向的地方被接收，因而造成光束的展寬。但由圖4～圖7可知，新型號燈的水平光弧和垂直光弧在指定的接收距離處都能滿足《規(guī)則》的要求。

綜上所述，設計的新型號燈滿足《規(guī)則》有關號燈發(fā)光強度和光弧范圍的要求。

5 結束語

將半導體激光器作為號燈的光源，設計了一種新型船舶號燈，并在Lighttools環(huán)境下進行了仿真實驗，得到以下結論。

1) 半導體激光器輸出的光束波長固定，顏色純度高，光強符合高斯函數分布，能量集中，方向性好，適合做新型號燈的光源。

2) 通過選擇功率合適的半導體激光器及合理的陣列結構，使所設計的船舶號燈能符合《規(guī)則》中有關號燈發(fā)光強度、水平光弧和垂直光弧的規(guī)定。

3) 以長度≥50 m的機動船的左舷燈為例，在Lighttools環(huán)境下對半導體激光船舶號燈進行了仿真。結果表明：新型號燈左舷燈在最遠3 n mile處能使人眼輕易觀察到，在最近0.1 n mile處不會對人眼產生眩光效應，設計的新型號燈能滿足《規(guī)則》對號燈發(fā)光強度、水平光弧和垂直光弧的要求，仿真效果良好。

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DesignofSemiconductorLaserNavigationLightswithLightIntensityandVisibleArcSimulation

ZHUJinshan1,WUTongfei1,SUNLicheng2,YINJianchuan1
(1. Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2.China Classification Society, Beijing 100007, China)

In order to improve the identifiability of ship navigation lights in complex light environments, a new type of ship navigation lights with semiconductor laser source is designed. The energy of the light beam is concentrated, which makes the luminous intensity and computed visibility easily meet the requirements of International Regulations for Preventing Collisions at Sea. By designing a proper array structure, the new ship lights can meet the requirements of the same regulation about horizontal and vertical light showing arcs. The influence of the atmospheric scattering to the propagation of port side light beam was simulated in the three-dimensional solid modeling software (Lighttools) environment for the circumstance of atmospheric transmittance 0.8. The simulation results show that atmospheric scattering can broaden the light beam and make intensity distribution of the beam more uniform.

ship engineering; semiconductor lasers; ship navigation lights; atmospheric scattering; Lighttools

2015-04-29

遼寧省自然科學基金(2014025008)

朱金善(1971—)，男，江西九江人，教授，船長，主要從事航海技術的教學、實踐與研究工作。E-mail: zjinshan888@126.com

1000-4653(2015)03-0005-04

U665.16

A