激光白光光源及其光學(xué)系統(tǒng)解析

康 健，張 樂(lè)，單迎雙，陳 浩

(江蘇師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 江蘇省先進(jìn)激光材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

引言

固態(tài)照明是以半導(dǎo)體元件作為光源的一種全新的照明技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、易控制等特點(diǎn)[1]。發(fā)光二極管(lighting emitting diode, LED)照明技術(shù)發(fā)展了數(shù)十年，目前在通用照明、顯示及背光領(lǐng)域已經(jīng)具有廣泛應(yīng)用[2]。然而，在需要高流明密度照明場(chǎng)所，如汽車(chē)、高鐵、海上燈塔、投影等，該系統(tǒng)只能通過(guò)增加LED數(shù)量的形式來(lái)獲得更高亮度。這必然導(dǎo)致LED排列過(guò)密，照明設(shè)計(jì)成本過(guò)高，失去節(jié)能效果。2014年，“LED藍(lán)光之父”中村修二教授在諾貝爾獲獎(jiǎng)典禮上，公開(kāi)表示：“未來(lái)10年，激光照明(laser lighting)將徹底取代LED照明”。隨后，以激光為基礎(chǔ)的照明光源逐漸進(jìn)入業(yè)界視野。2016年，中村修二激光照明實(shí)驗(yàn)室在深圳的揭牌，預(yù)示著激光照明技術(shù)將在我國(guó)率先取得突破[3-5]。

激光一般應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科研、信息和軍事等領(lǐng)域。然而，“藍(lán)光LED之父”在諾貝爾獲獎(jiǎng)典禮上的倒戈，使人們堅(jiān)信：相比于LED照明，激光照明具有更廣闊的發(fā)展空間。這主要是激光照明系統(tǒng)方向性更好(光穿透能力更強(qiáng))，亮度更高(光傳輸距離更遠(yuǎn))，發(fā)散角更低(光耦合能力更高)等優(yōu)勢(shì)；此外，結(jié)合更加靈活的光學(xué)設(shè)計(jì)，可使獲得的白光光源不僅應(yīng)用于遠(yuǎn)程照明領(lǐng)域，而且也適用于通用照明場(chǎng)所。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)激光照明技術(shù)開(kāi)展了深入研究，并從光轉(zhuǎn)換材料的性能提升、二次光路的優(yōu)化設(shè)計(jì)、器件封裝結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等方面使白光照明品質(zhì)獲得了很大提升；隨著激光照明技術(shù)發(fā)展日趨完善，其產(chǎn)業(yè)化前景非常明朗。然而，我國(guó)相關(guān)技術(shù)發(fā)展起步較晚，僅有某些院校和研究機(jī)構(gòu)，如廈門(mén)大學(xué)、中山大學(xué)等掌握單一、有限的核心技術(shù)，仍存在大量技術(shù)壁壘和工藝難題急需突破。因此，有必要對(duì)激光白光光源及其光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)解析。首先借鑒LED照明系統(tǒng)方案介紹了激光照明的原理，并從泵浦源、光轉(zhuǎn)換材料、光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面深度剖析了激光照明系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分；然后，重點(diǎn)介紹了激光照明推廣應(yīng)用所亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題；最后結(jié)合激光照明的專(zhuān)利分布，深入探討了激光照明在激光顯示、可見(jiàn)光通信等領(lǐng)域的發(fā)展前景。

1 激光照明的原理

激光照明，即以激光器為光源的照明形式，包括多色激光器直接混合的方案和技術(shù)較為成熟的熒光轉(zhuǎn)換方案。多色激光混合的方式雖然可獲得高顯指、高色域、高亮度的白光光源，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電路要求控制高，產(chǎn)生的LD白光實(shí)際上是激光，對(duì)人眼的損傷很大；同時(shí)，器件安裝過(guò)程中的稍許偏差極有可能導(dǎo)致高能量激光泄漏，存在很大的安全隱患。因此，激光白光光源主要采用熒光轉(zhuǎn)換的方式實(shí)現(xiàn)高亮度照明：即采用光束整形器件將激光器發(fā)出的藍(lán)光集中于熒光粉上某個(gè)微小點(diǎn)區(qū)域；熒光粉吸收一部分藍(lán)光并將其轉(zhuǎn)換成黃光，剩下的藍(lán)光和黃光混合，形成白光；同時(shí)，使用光學(xué)透鏡及反光罩對(duì)此白光進(jìn)行精細(xì)調(diào)控以實(shí)現(xiàn)更好的照明效果[6-7]，如圖1中提供了基于此方案的寶馬激光大燈示意與實(shí)物圖。在LED照明中，熒光粉直接涂覆LED芯片上，極易受LED芯片溫度的影響而發(fā)光猝滅；且在光轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的大部分熱量只能通過(guò)芯片進(jìn)行傳遞，熱量管理方案受限。從圖1(b)中可以清晰地看出，為避免上述問(wèn)題出現(xiàn)，高流明密度激光照明系統(tǒng)采用“遠(yuǎn)程激發(fā)”方案，即激光器與熒光粉分離的技術(shù)方案。此方案能夠有效克服LD芯片吸光及散熱方面的缺點(diǎn)，有效降低芯片和熒光粉的工作溫度，從而顯著提高光源光效和使用壽命。

因此，一般激光照明白光光源主要包括3部分：激光器、光轉(zhuǎn)換材料和光學(xué)系統(tǒng)。

圖1 寶馬激光大燈Fig. 1 BMW laser headlight

1.1 激光器

激光照明技術(shù)與LED照明技術(shù)均屬于固態(tài)照明技術(shù)，主要差異為產(chǎn)生白光的泵浦源不同，激光照明使用藍(lán)色激光二極管(laser diode, LD)作為泵浦源。穩(wěn)定與高效是照明系統(tǒng)泵浦源的首要條件。LED存在的突出問(wèn)題是其芯片超出一定電流范圍后，電光功率轉(zhuǎn)換開(kāi)始急劇下降 (efficiency droop)[8]。這主要是因?yàn)殡娏髟龃蠛?，LED芯片內(nèi)部俄歇復(fù)合增加，同時(shí)伴隨著載流子泄露，導(dǎo)致內(nèi)部效率下降[9]，從而整個(gè)LED器件輸出功率下降，光源光通量減少。因此，只有在較低的驅(qū)動(dòng)功率密度下，LED芯片才能保持較高的轉(zhuǎn)換效率。例如最新450 nm InGaN LED系統(tǒng)，當(dāng)輸入電流密度達(dá)到10 A/cm2時(shí)，外部量子效率僅為10%，僅為低電流密度驅(qū)動(dòng)效率的60%[10]，如圖2(a)所示。即在保證發(fā)光穩(wěn)定性的前提下，提高LED的數(shù)量是增加照明器件亮度的唯一方案。然而，目前市面上的高亮度、高效率LED照明器件都是幾十到幾百個(gè)LED芯片組成，器件集成非常復(fù)雜。這也是中村修二多次表態(tài)，未來(lái)激光照明取代LED照明的重要原因。

圖2 (a) LED和LD的轉(zhuǎn)換效率; (b) LD芯片內(nèi)部俄歇復(fù)合(Rauger)隨輸入功率密度的變化Fig. 2 Conversion efficiency of LED and LD(a) and Auger recombination(Rauger) in LD chip versus input power density(b)

激光二極管，又稱(chēng)半導(dǎo)體激光器，在超過(guò)閾值電流后，內(nèi)部俄歇復(fù)合截止；在高電流密度下工作仍有較高的轉(zhuǎn)換效率[11-12]，必將超過(guò)現(xiàn)有LED的轉(zhuǎn)換效率，如圖2(a)、(b)所示。這保證了激光照明光源的高效性及顯色穩(wěn)定性[13]。半導(dǎo)體激光器與其他激光器相比，其亮度更高、效率更高、體積更小；尤其是基于氮化物的激光二極管，尺寸小、亮度高、可見(jiàn)光譜寬、響應(yīng)速度快，作為最有效的高功率泵浦源，最近幾年受到廣泛關(guān)注[14]。

同時(shí)，光學(xué)器件發(fā)散角越大，光學(xué)設(shè)計(jì)難度越高，普通藍(lán)色激光二極管輸出為高斯光束，發(fā)散角較小，約為8°×40°(水平×豎直方向)，具有更高的設(shè)計(jì)靈活性。因此，具有更小發(fā)散角的LD，更容易通過(guò)透鏡耦合成更小的光斑，隨后激發(fā)光轉(zhuǎn)換材料，最終獲得高流明密度白光光源；同時(shí)，LD發(fā)出的藍(lán)光可以耦合進(jìn)光纖并進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，使照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加豐富。LED與LD的其他參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 LED與LD的主要性能參數(shù)對(duì)比

目前，單顆激光二極管連續(xù)輸出(continuous wave, CW)的最高功率為5 W(Nichia，nubm08)，如圖3(a)，它是由3個(gè)通過(guò)金線(xiàn)連接激光二極管芯片組成。圖3(b)為目前商用的寶馬激光大燈LD模組，由3個(gè)4 W半導(dǎo)體激光器組成,其電光轉(zhuǎn)換效率約為30%，整體系統(tǒng)效率可達(dá)到80 lm/W。該LD模組激發(fā)光轉(zhuǎn)換材料后，光通量可達(dá)3 200 lm (12 W)。對(duì)比商業(yè)有售LED大燈，如圖3(c)、(d)，當(dāng)輸入電功率為35 W時(shí)，才可獲得2 000 lm的光輸出，效率僅為55 lm/W；若繼續(xù)提高電源功率，光源光通量維持不變，表明LED芯片組功率已經(jīng)開(kāi)始下降，“efficiency droop”現(xiàn)象凸顯。

圖3 LED與LD裝置Fig. 3 Devices of LED and LD

1.2 光轉(zhuǎn)換材料

在LED照明與激光照明系統(tǒng)中，廣泛使用光轉(zhuǎn)換材料為YAG(Y3Al5O12)熒光粉體材料，如Ce:YAG熒光粉。熒光粉的光轉(zhuǎn)換原理為光致發(fā)光，即鈰離子(Ce3+)作為發(fā)光中心，吸收光子能量后，通過(guò)能級(jí)之間的躍遷實(shí)現(xiàn)發(fā)光：低能級(jí)4f層電子吸收藍(lán)光(460 nm)波長(zhǎng)躍遷到5d高能級(jí)激發(fā)態(tài)，再輻射返回基態(tài)時(shí)，發(fā)射出光子(530 nm)，其發(fā)射光譜如圖4(a)。在絕對(duì)零度下(～5K)，Ce3+離子的理論發(fā)射光譜如圖4(b)所示。假設(shè)Ce3+離子完全吸收1.0 W藍(lán)光，并充分進(jìn)行熒光轉(zhuǎn)換，輸出1.0 W黃綠光；根據(jù)光譜的相對(duì)強(qiáng)度分布得出各個(gè)波段下的光譜功率密度并結(jié)合視見(jiàn)函數(shù)，有公式：

(1)

式中：λ為波長(zhǎng);S(λ)為光譜功率密度;V(λ)為視見(jiàn)函數(shù)。計(jì)算可得，理論光通量φphos=498 lm，即光光轉(zhuǎn)換效率為498 lm/W。溫度升高，Ce:YAG熒光粉的發(fā)射光譜變寬[15]，綠光區(qū)(555 nm附近)含量相對(duì)減少，光通量降低，光光轉(zhuǎn)換效率下降。這主要是由于溫度較低時(shí)，Ce3+處于低能級(jí)(5d)平衡位置附近；溫度增加，Ce3+熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，弛豫概率增加，吸收和釋放的光子能量產(chǎn)生差異，部分光子能量降低，發(fā)射波長(zhǎng)紅移。

圖4 Ce:YAG熒光粉在5K～295 K(a)及5 K(b)下的發(fā)光光譜Fig. 4 Luminescence spectra of Ce:YAG phosphors at 5K～295 K(a) and 5 K(b)

其他熒光材料如氮化物、鈣鈦礦熒光粉體系具有熒光壽命短、光轉(zhuǎn)換能力高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，同樣適用于高功率照明系統(tǒng)。因此，在現(xiàn)有激光照明系統(tǒng)中，如寶馬激光大燈，均采用熒光粉體為光轉(zhuǎn)換材料，如圖5所示。然而，隨著輸入激光能量增強(qiáng)，光轉(zhuǎn)化材料單位面積內(nèi)產(chǎn)生的熱量累積；在更高功率密度的藍(lán)光激發(fā)下(>0.2 W/mm2)，繼續(xù)使用熒光粉材料會(huì)帶來(lái)眾多難以克服的弊端(見(jiàn)3.1部分)。

圖5 激光大燈中使用的光轉(zhuǎn)換材料(直徑8 mm)Fig. 5 Light conversion materials for laser headlights (8 mm in diameter)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)都在不斷努力探索可承受更高輻射功率密度的光轉(zhuǎn)化材料。目前，可應(yīng)用于高流明密度激光照明的光轉(zhuǎn)換材料種類(lèi)及性能如圖6所示[16]。綜合各種光學(xué)、熱學(xué)性能和批量化生產(chǎn)的難易程度，具有高熱導(dǎo)率和強(qiáng)熱抗性的熒光陶瓷是最具發(fā)展前景的光轉(zhuǎn)換材料。尤其是Ce:YAG陶瓷，其可承受19 W/mm2的藍(lán)光輻照而不發(fā)生輻照淬滅[17]；如果可以進(jìn)一步解決其散熱問(wèn)題，理論上可以達(dá)到更高的輻射猝滅密度[18]。

圖6 高流明密度激光照明光轉(zhuǎn)換材料性能對(duì)比Fig. 6 Performance comparison of light conversion materials for high-lumen-density laser lighting

據(jù)報(bào)道，在激光照明系統(tǒng)中，使用熒光陶瓷材料作為光轉(zhuǎn)換材料最高可獲得2 000 lm的白光輸出[19]。相比其他光轉(zhuǎn)換材料，如單晶、熒光粉薄膜，熒光陶瓷突出的優(yōu)點(diǎn)可設(shè)計(jì)性：如在其內(nèi)部可自主引入第二相提高光提取率和熱導(dǎo)率，進(jìn)而提高照明系統(tǒng)的光學(xué)效率[19-20]；還可以實(shí)現(xiàn)高離子濃度摻雜，形狀、尺寸設(shè)計(jì)非常靈活。目前，在激光照明系統(tǒng)中，使用YAG熒光陶瓷作為光轉(zhuǎn)換材料一般有2種方案：一種是使用高濃度摻雜(Ce>1.0 at%)的薄片狀(厚度<1.0 mm)陶瓷，如激光手電筒中應(yīng)用的熒光陶瓷片(如圖7)；另一種方案是使用低濃度摻雜(Ce<0.1 at%)的棒形(長(zhǎng)度> 10 mm)陶瓷，如YAG圓棒形陶瓷。在不改變粒子密度的情況下，可充分吸收高功率密度的藍(lán)光，避免激光泄露(低濃度摻雜的圓棒相當(dāng)于大大增加Ce:YAG材料的厚度)。相比第一種方案，第二種方案的優(yōu)勢(shì)在于：1) 不存在濃度猝滅現(xiàn)象；2) 溫度猝滅效應(yīng)較弱：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)，陶瓷內(nèi)部發(fā)光離子含量低，對(duì)藍(lán)光吸收能力不強(qiáng)，光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱量少，因此器件溫度上升較慢，進(jìn)而對(duì)發(fā)光性能影響減弱;3) 散熱性能優(yōu)異：圓棒狀結(jié)構(gòu)相比片狀結(jié)構(gòu)，散熱面積大，與外部散熱裝置匹配度更高；4) 輸出光發(fā)散角低：從較小的端面進(jìn)行泵浦，從較小的端面白光輸出，可獲得低發(fā)散、高亮度白光光源，非常適合應(yīng)用在汽車(chē)大燈或者投影顯示等領(lǐng)域，并有利于提高發(fā)光亮度和使用壽命。

圖7 激光手電筒中的熒光陶瓷片成分測(cè)試分析Fig. 7 Composition testing analysis of phosphor ceramic plate for laser flashlight

1.3 光學(xué)系統(tǒng)

藍(lán)光LED芯片上涂覆黃色熒光粉得到白光是目前業(yè)界中應(yīng)用最廣的方法[21]。此種方案獲得的光源光學(xué)擴(kuò)展量較大，光輸出呈朗伯分布。光學(xué)擴(kuò)展量定義為

(2)

式中θ是面元的dA法線(xiàn)與立體角dW中心軸之間的夾角。

對(duì)于照明光源，光學(xué)擴(kuò)展量越低，器件越小，越易集成[22]。光學(xué)擴(kuò)展量可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為光源發(fā)散區(qū)域和發(fā)散光束立體角的乘積。在不考慮能量損失的前提下，光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，光學(xué)擴(kuò)展量守恒。在激光照明領(lǐng)域，泵浦源具有穿透能力強(qiáng)、發(fā)散角小、易整形等特點(diǎn)，更易獲得低光學(xué)擴(kuò)展量的光源。例如使用Ce:LuAG(Lu3Al5O12)透明陶瓷板，當(dāng)LD的輻射通量密度為2.15 W/mm2時(shí)，綠光光源的光學(xué)擴(kuò)展量為6.1 mm2，僅為L(zhǎng)ED光源的1/5[23]。因此，激光照明系統(tǒng)不僅可以采用涂覆熒光粉的方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)大角度的照明面積，更適合遠(yuǎn)程激發(fā)方案，來(lái)獲得低光學(xué)擴(kuò)展量白光光源。遠(yuǎn)程方案帶來(lái)的最大優(yōu)勢(shì)就是高效熱量管理；同時(shí)，熒光粉轉(zhuǎn)換模塊尺寸可以做的非常小(直徑約為0.8 mm)，如圖5，也利于獲得低光學(xué)擴(kuò)展量的白光光源。

如前文所述，為了獲得高流明密度的白光光源，需要將LD芯片聚焦成微小光斑，再激發(fā)光轉(zhuǎn)換材料。因此，LD芯片發(fā)射光斑需要配合一系列透鏡組合，將發(fā)散角較大的高斯光束聚焦為相對(duì)較小的光斑(<1 mm)。商用LD有兩種封裝模式：一種T0封裝的LD，即對(duì)激光二極管進(jìn)行空間耦合，隨后輸出為發(fā)散角較小的平行光束，如圖8(a)；另一種為光纖耦合輸出的LD(220 μm, NA=0.22)，輸出為發(fā)散角較大的圓形光斑，如圖8(b, c)。第二種光輸出形式的LD，其光束可通過(guò)光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，再激發(fā)光轉(zhuǎn)換材料，可有效避免激光器產(chǎn)生熱量，進(jìn)而降低對(duì)光輸出影響。但為了獲得低光學(xué)擴(kuò)展量光源，仍需對(duì)輸出光斑進(jìn)行整形?？臻g耦合輸出和光纖耦合輸出的LD，均需要不同透鏡來(lái)達(dá)到對(duì)光斑進(jìn)行精準(zhǔn)控制的目的。其能量損失一般在5%～10%。也可以通過(guò)使用一般的單自由曲面透鏡，避免能量的過(guò)多損耗，但這將不利于優(yōu)化光束質(zhì)量。因此，可以通過(guò)準(zhǔn)直和聚焦透鏡，獲得高流明密度的藍(lán)光光束。

根據(jù)圖8(c)搭建如圖9所示光路。其中，LD輸出波長(zhǎng)為450 nm，最大輸出功率4 W；L1為準(zhǔn)直鏡(f1=10 mm)；L2為聚焦鏡(f2=20 mm)；d1=10 mm，d2=40 mm。光束經(jīng)過(guò)L1后，測(cè)得其光斑直徑D=10 mm。因此，在此系統(tǒng)中

ω′=λf/πω

(3)

式中：ω1為激光入射到透鏡表面光斑半徑;λ為激光波長(zhǎng)。通過(guò)計(jì)算，可獲得最小的聚光斑半徑ω′=0.572 μm。但由于L2存在像差，無(wú)法避免光衍射，因此導(dǎo)致實(shí)際激光光斑半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.572 μm。調(diào)整d3的位置可使光斑半徑穩(wěn)定在0.25 mm，此時(shí)激光器輸出的最大功率密度為20.37 W/mm2。

圖8 對(duì)LD的光斑大小控制方式，采用：(a)透鏡組(針對(duì)空間耦合輸出形式)；(b)透鏡組(針對(duì)光纖耦合輸出形式)以及 (c)會(huì)聚透鏡組(針對(duì)光纖耦合輸出形式)Fig. 8 Control modes of spot size for LD: (a) lens group for spatial coupled; (b) lens group for fiber coupled and (c) converging lens group for fiber coupled

圖9 LD“遠(yuǎn)程激發(fā)”熒光材料整體系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)圖Fig. 9 Optical design of system constructed by LD and light- conversion material in remote excitation model

在實(shí)現(xiàn)白光輸出的混光設(shè)計(jì)形式上，主要有透射式、反射式(全反射式)和漫射式。其中，在透射式方案中，只有部分光線(xiàn)能通過(guò)自由曲面進(jìn)行收集，見(jiàn)圖10(a)；由于熒光均勻發(fā)射，部分熒光也會(huì)射向泵浦源方向，導(dǎo)致透射式系統(tǒng)光學(xué)效率較低。但由于透射式裝置簡(jiǎn)單方便，應(yīng)用靈活；大部分光線(xiàn)可控，尺寸較小，因此被廣泛使用在LED照明和激光照明領(lǐng)域。

圖10 (b)為反射式光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)示意圖。在該模式中，大角度光線(xiàn)能經(jīng)過(guò)反光碗內(nèi)表面反射后射出，把寬光束轉(zhuǎn)化為更為實(shí)用的窄光束，光提取率較高；但其突出問(wèn)題是，由于光轉(zhuǎn)換材料位置難確定，其發(fā)射光角度不可控，在實(shí)際照明應(yīng)用中一般通過(guò)改變反射器形狀或額外增加固定裝置等方式來(lái)解決，提升了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性[24]。另外一種較為簡(jiǎn)單的反射模式是利用熒光陶瓷“全內(nèi)反射”的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。即經(jīng)熒光轉(zhuǎn)換之后，產(chǎn)生的大部分熒光由于陶瓷與空氣折射率的界面差異而被束縛在陶瓷內(nèi)部，只能沿著水平方向傳輸?shù)椒垂馔?，如圖10(c)。此時(shí)，大部分光線(xiàn)只能通過(guò)較小的陶瓷端面射出，但這反而有利于獲得低光學(xué)擴(kuò)展量、高亮度的白光光源。

圖10 激光照明系統(tǒng)主要光學(xué)設(shè)計(jì)形式Fig. 10 Main optical design style of laser illumination system

此外，漫反射式光學(xué)設(shè)計(jì)形式，作為L(zhǎng)ED照明系統(tǒng)中最常見(jiàn)的模式，在LED直接照射熒光粉之后，藍(lán)光和黃光混合不均勻，“黃區(qū)”和“白區(qū)”的分光現(xiàn)象明顯，如圖11(a)。若在照明系統(tǒng)中使用漫反射透光罩，使黃光和藍(lán)光投射在粗糙表面上，光束向各個(gè)方向反射，進(jìn)行二次混光，使“黃區(qū)”消失，如圖11(b)。這種光學(xué)設(shè)計(jì)形式雖然擴(kuò)大了發(fā)光面積，勻化了色品空間分布，但不利于獲得高流明密度的激光照明光源，僅適用于一般照明場(chǎng)所。

圖11 漫反射設(shè)計(jì)對(duì)白光均勻性的影響Fig. 11 Effect of diffuse-reflection design on homogeneity of white light

通常，激光照明光學(xué)系統(tǒng)中采用鍍膜方案來(lái)提高光源的光學(xué)效率，如鍍?cè)鐾改印⒏叻茨拥萚24]。在此，我們提出一種光學(xué)設(shè)計(jì)和光轉(zhuǎn)換陶瓷制作工藝融合的技術(shù)方案，見(jiàn)圖12，該結(jié)構(gòu)將“透明熒光陶瓷”材料外觀設(shè)計(jì)融合光學(xué)設(shè)計(jì)，利用材料的制備工藝優(yōu)勢(shì)，加工成“透鏡”結(jié)構(gòu)更直接地實(shí)現(xiàn)高效率、高亮度的白光輸出。在該方案中，LD激發(fā)熒光陶瓷之后，剩余藍(lán)光和產(chǎn)生黃光分別通過(guò)透鏡整形，混合形成平行白光輸出。此方案最大的優(yōu)勢(shì)在于省去了系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)透鏡系統(tǒng)，降低了光路損失和光學(xué)復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)整體光學(xué)效率。

圖12 “透鏡型”透明熒光陶瓷器件在藍(lán)光LD激發(fā)下的照明模型Fig. 12 Illumination model of lens type transparent phosphor ceramic device under blue LD excitation

2 激光照明系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題

色度調(diào)節(jié)是激光照明系統(tǒng)首要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題[25]，目前主要通過(guò)調(diào)控光轉(zhuǎn)換材料的種類(lèi)、發(fā)光離子摻雜濃度、光轉(zhuǎn)換材料的實(shí)際厚度，來(lái)調(diào)控白光的色溫和顯色指數(shù)等照明參數(shù)。對(duì)高亮度激光白光光源，多采用多顆LD共同匯聚成一個(gè)μm級(jí)光斑激發(fā)光轉(zhuǎn)換材料來(lái)獲得高亮度白光輸出，其藍(lán)光輻照功率密度大于5 W/mm2，甚至超過(guò)100 W/mm2[26]。

然而，相比LED照明面光源激發(fā)的光轉(zhuǎn)換材料(<5 W/mm2)，高流明密度激發(fā)下，激光照明系統(tǒng)在單位面積內(nèi)產(chǎn)生的熱量更多，溫度上升更快，發(fā)光強(qiáng)度下降更明顯。顯然，熱效應(yīng)問(wèn)題是激光照明系統(tǒng)中困擾光轉(zhuǎn)換材料、泵浦源正常工作另一個(gè)重要的問(wèn)題。熱量產(chǎn)生(效率下降)的路徑與來(lái)源如圖13所示。

1) LD電光轉(zhuǎn)換損失：目前LD電光轉(zhuǎn)換效率約為20%～30%，其他能量都轉(zhuǎn)換為熱能。

2) 光轉(zhuǎn)換材料斯托克斯損失：發(fā)光離子吸收能量從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后，內(nèi)轉(zhuǎn)換和振動(dòng)弛豫到激發(fā)態(tài)的最低能級(jí)產(chǎn)生無(wú)輻射躍遷，發(fā)光光子能量降低，光譜向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。

3) 光轉(zhuǎn)換材料溫度猝滅的“惡性循環(huán)效應(yīng)”：藍(lán)光能量密度過(guò)高，光轉(zhuǎn)換材料內(nèi)部產(chǎn)生熱量較快，溫度急速上升，導(dǎo)致其量子效率(光轉(zhuǎn)換效率)會(huì)急劇下降，當(dāng)溫度超過(guò)一定閾值后(約300℃)將下降至30%；這意味著產(chǎn)生的更多熱量，反過(guò)來(lái)引起器件溫度繼續(xù)升高，進(jìn)而帶來(lái)永久性破壞。例如，采用熒光粉作為光轉(zhuǎn)換材料時(shí)，超過(guò)0.2 W/mm2的藍(lán)光激發(fā)下，溫度瞬間由198 ℃升高到549℃，遠(yuǎn)超熒光粉正常運(yùn)行溫度(<200℃)，發(fā)光嚴(yán)重猝滅并伴隨碳化現(xiàn)象[27]。因此，額外的外部散熱裝置對(duì)保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行尤其重要。

圖13 激光照明系統(tǒng)的能量損失路徑Fig. 13 Energy loss path of laser illumination system

事實(shí)上，從圖13中可以看出，受限于光路效率、光轉(zhuǎn)換材料效率及光路設(shè)計(jì)等因素，導(dǎo)致目前激光照明系統(tǒng)最終效率僅為17%，特別是激光器電光效率僅為30%，大大限制了系統(tǒng)效率的提升。同時(shí)，70%的能量損失使在熒光粉方案中，通過(guò)傳統(tǒng)芯片背面散熱的方式不再適用?！斑h(yuǎn)程激發(fā)”熒光粉技術(shù)將是激光照明系統(tǒng)中的主流方案，該方案有效避免了激光器過(guò)多熱量造成熒光粉運(yùn)行溫度上升而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換效率下降。同時(shí)，熒光粉轉(zhuǎn)換層要“薄而小”，并緊貼金屬熱沉，將熱量快速傳遞到高熱導(dǎo)率材料中，從而降低自身運(yùn)行溫度，避免碳化。目前，為實(shí)現(xiàn)有效散熱，使LD和光轉(zhuǎn)換材料都在額定溫度下工作，相應(yīng)的散熱裝置體積較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，典型如圖14激光手電筒和激光大燈的散熱裝置。另一種有效避免碳化現(xiàn)象的方式是使用高速旋轉(zhuǎn)的熒光粉輪，熒光粉不同區(qū)域輪流激發(fā)，動(dòng)態(tài)發(fā)光，間接增大了光轉(zhuǎn)換材料的發(fā)光面積。這種方式雖然可以避免熒光粉熱聚焦溫度太高導(dǎo)致發(fā)光猝滅和碳化現(xiàn)象的產(chǎn)生，但旋轉(zhuǎn)過(guò)程會(huì)引起一定的色度漂移，仍然不是最有效的解決方案。

圖14 激光手電筒Fig.14 Laser flashlight

在新型散熱機(jī)理與裝置上，激光照明系統(tǒng)可以通過(guò)先進(jìn)的半導(dǎo)體溫控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完美的溫度控制[28]。如圖15中在以熒光陶瓷為光轉(zhuǎn)換材料時(shí)，器件工作時(shí)將陶瓷片的檢測(cè)溫度反饋給控制系統(tǒng)，根據(jù)溫度差異變化調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片的功率，進(jìn)而控制其冷端溫度，使系統(tǒng)始終在設(shè)定的溫度下工作，保證系統(tǒng)發(fā)光穩(wěn)定性，并延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。而半導(dǎo)體制冷片熱端的熱量則可通過(guò)風(fēng)冷、水冷等散熱方式進(jìn)行有效熱量管理。

圖15 一種能精確調(diào)控光轉(zhuǎn)換材料溫度的裝置Fig. 15 Device for accurately controlling temperature of > light conversion materials

除以上技術(shù)瓶頸外，激光白光光源的發(fā)展和應(yīng)用同樣受困于器件成本。目前，單個(gè)激光二極管的價(jià)格平均50 元，熒光陶瓷片的價(jià)格為100 元/cm2，“LD+熒光陶瓷”結(jié)構(gòu)的激光照明裝置成本能達(dá)到上千元。盡管使用熒光粉可以大幅降低光轉(zhuǎn)換材料的成本，但散熱系統(tǒng)復(fù)雜度增加，器件失效的可能性增大。目前，激光照明系統(tǒng)局限在一些高端應(yīng)用領(lǐng)域，如汽車(chē)及高鐵大燈、投影儀、航標(biāo)燈等。然而，對(duì)比來(lái)看，由于激光照明器件可以獲得上萬(wàn)流明的白光，其綜合成本反而較低。例如，75 W的LD模組獲得的上萬(wàn)流明的高亮度白光，即使售價(jià)高達(dá)5 000元，每流明的價(jià)格僅為0.5元。同時(shí)，隨著激光照明及配套技術(shù)的不斷迭代更新，激光照明系統(tǒng)的成本預(yù)期將大幅度下降，以L(fǎng)ED的發(fā)展為例，10年前每個(gè)LED燈泡(5 W)售價(jià)為60元，現(xiàn)在不到5 元。因此，我們堅(jiān)信，隨著激光照明技術(shù)在更多領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，在激光照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后，激光照明器件將以極高的性?xún)r(jià)比進(jìn)入人們的日常生活。

3 應(yīng)用市場(chǎng)

知識(shí)或智力資源的占有、配置、生產(chǎn)和運(yùn)用已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要依托,知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要性已日益凸現(xiàn)。從專(zhuān)利的角度來(lái)分析某個(gè)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展?fàn)顩r是一種重要的評(píng)估手段。近年來(lái)，在激光照明典型應(yīng)用的照明、光學(xué)、攝影、電通信等領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)專(zhuān)利如雨后春筍，數(shù)量迅速增加，各個(gè)企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)都在激光照明領(lǐng)域進(jìn)行專(zhuān)利布局，見(jiàn)圖16。然而，在光學(xué)和照明類(lèi)專(zhuān)利中，大部分都集中在基于光學(xué)設(shè)計(jì)的激光照明系統(tǒng)，其使用的光轉(zhuǎn)換材料大多為熒光粉。而為了實(shí)現(xiàn)更高流明密度的白光光源，光轉(zhuǎn)換玻璃、單晶，特別是熒光陶瓷也必將陸續(xù)被納入專(zhuān)利保護(hù)范圍[29-30]。

圖16 激光照明相關(guān)專(zhuān)利在不同技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)Fig. 16 Development trends of patents for laser lighting in different technology fields

激光照明系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用到高端汽車(chē)大燈和投影顯示領(lǐng)域。在最新的寶馬、奧迪汽車(chē)中，優(yōu)先考慮的大燈即為激光大燈：激光白光光源可以照射更遠(yuǎn)的距離，提高夜晚行車(chē)安全；可結(jié)合智能控制，自由度更高；光轉(zhuǎn)換材料和激光器可單獨(dú)制冷，降低發(fā)光過(guò)程中產(chǎn)生的熱量對(duì)電機(jī)等其他部件的影響。作為高亮度投影背光源，激光白光光源將是新一代高亮度的投影顯示行業(yè)的首選，如圖17(a)所示。遠(yuǎn)程激發(fā)旋轉(zhuǎn)的熒光粉輪獲得的白光光源，通過(guò)先進(jìn)的分光和濾光技術(shù)，可獲得紅、綠、藍(lán)三色光源，并作為3 LCD投影光源，如圖17(b)；控制激光二極管的數(shù)量(2×3×4)和功率來(lái)達(dá)到獲得上萬(wàn)流明的白光。另外，在可見(jiàn)光通信[31]、園藝照明[32]等領(lǐng)域也有相關(guān)報(bào)道，發(fā)展前景非常廣闊。如果可以進(jìn)一步推廣，其影響和帶動(dòng)的產(chǎn)業(yè)將達(dá)到萬(wàn)億級(jí)規(guī)模。

圖17 激光投影儀Fig. 17 Laser projector

4 結(jié)論

激光照明技術(shù)作為世界級(jí)、顛覆性的新一代照明技術(shù)，必將引起照明技術(shù)的變革。文中從激光器、光轉(zhuǎn)換材料、光學(xué)設(shè)計(jì)等方面深入解析了激光照明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，并結(jié)合專(zhuān)利布局，分析了其在不同技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。隨著激光器電光轉(zhuǎn)換效率的逐步提升和散熱裝置與光路設(shè)計(jì)的優(yōu)化，其困擾發(fā)展的熱效應(yīng)問(wèn)題必將迎刃而解；更重要的是，新型光轉(zhuǎn)換材料將為激光照明關(guān)鍵問(wèn)題的解決及其實(shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。實(shí)際上，在國(guó)家政策引導(dǎo)與業(yè)界努力下，激光照明技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，我國(guó)在去年(2018年)已經(jīng)可以獨(dú)立批量生產(chǎn)高性能GaN基藍(lán)光LD；新型的光轉(zhuǎn)換材料，如單晶、熒光玻璃、熒光透明陶瓷等，國(guó)內(nèi)研究人員不斷提升其發(fā)光和熱性能，近期均實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，并有望實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，尤其是透明陶瓷材料，以其遠(yuǎn)高于樹(shù)脂和玻璃的高熱導(dǎo)率和明顯區(qū)別于單晶的組分與結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，必將引領(lǐng)激光照明技術(shù)的發(fā)展。最終，筆者相信，通過(guò)國(guó)內(nèi)企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)等業(yè)界同仁的共同努力，結(jié)合國(guó)內(nèi)超強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)配套優(yōu)勢(shì)，我國(guó)必將能成為激光照明技術(shù)的領(lǐng)跑者。