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レーザーダイオードは照明市場に参入することが期待されていますか?

2021-09-03

将来、半導体レーザーを一般照明に使用することはできますか?半導体レーザーのエネルギー効率は、従来のLEDの100倍以上であるため、小さいダイサイズで非常に高い光出力を提供できます。物理的なサイズが制限されているアプリケーションの場合、半導体レーザーの魅力は明らかですが、一般的な照明に使用することの欠点は、発光キャビティが非常に狭いことです...

LEDと半導体レーザー(またはレーザーLED)の動作モードは基本的に同じです。つまり、電子と正孔が重合すると、光が放出され、放出波長は使用する材料によって異なります。違いは、LED光のスペクトル範囲が比較的狭いのに対し、半導体レーザーから放出される光は基本的に単一波長であるということです。半導体レーザーの発光波長は、赤外線から紫外線までの範囲であり、光ファイバー通信、バーコードリーダー、光ディスクリーダー、およびレーザー印刷で広く使用されています。しかし、これまでのところ、従来の照明に半導体レーザーを適用することは非現実的であることが証明されています。
従来のレーザーと同様に、半導体レーザーも増幅のために共振空洞を必要とします。共振空洞は、数百ミクロン離れた2つの平行な平面で構成されています。これらの2つの平面はミラーとして機能し、放出されたフォトンをキャビティに跳ね返らせます。低電力レベルでは、半導体レーザーは従来のLEDと同様に機能します。電力が十分に大きい場合(約4kW / cm2)、2つの「ミラー」の間に放出された光子が半導体材料を刺激してより多くの光子を放出し始めます。レーザー光の生成が相殺され、内部損失が内部損失を超えると、デバイスは「レーザー」を開始します。つまり、単一波長のコヒーレント光を放出します。

従来のLEDと半導体レーザーの間にもいくつかの類似点があります。どちらもAC-DCドライバーから電力を供給され、温度が上昇すると光出力が低下します。しかし、従来のLEDとは異なり、半導体レーザーはドループ効果の影響を受けないようです。ドループ効果により駆動電流が増加し、その結果、電力効率(出力ルーメン/入力ワット)が低下します。照明製品の用途では、従来の青色LEDは半導体レーザーよりも効率が高くなりますが、入力電流が低くなります。したがって、必要な基板面積を考慮すると、従来の青色LEDから同じレベルの光を生成することは実用的ではありません。
レーザーダイオードは1960年代に登場しましたが、照明アプリケーション、特にハイエンドの自動車用ライトで検討できるほどエネルギー効率が高いのはごく最近のことです。 BMWはレーザーヘッドライトを提供し、LEDヘッドライトの10倍の明るさで、効率が30%高いと主張しました。正確に配置されたリフレクターを使用してヘッドランプハウジング内の青色半導体レーザーを反射して白色光ビームを生成し、次にリン光物質を充填したレンズを使用して焦点を合わせて高強度の白色光を生成します。
将来、半導体レーザーを一般照明に使用することはできますか?リン光変換白色光LEDの理論上のエネルギー効率限界は約350ルーメン/ Wですが、市販の照明製品は200ルーメン/ Wに近いです。半導体レーザーのエネルギー効率は、従来のLEDの100倍以上であるため、小さいダイサイズで非常に高い光出力を提供できます。物理的なサイズが制限されているアプリケーション(車のヘッドライトなど)の場合、半導体レーザーの魅力は明らかですが、一般的な照明に使用することの欠点は、発光キャビティが非常に狭い(約1〜2度)ことです。
現在、一般照明に半導体レーザーを使用することに取り組んでいる企業の数はまだ不明ですが、少なくとも1つの企業がすでに関連製品を提供しています。 SLD Laserは、早くも2016年にLaserLight表面実装(SMD)コンポーネントを発売しました。このコンポーネントは、青色の半導体レーザー、リン光物質、および高ルーメンパッケージを使用しています。 7×7mmのパッケージで約500ルーメンの白色光を発することができ、人間の目には適していません。損傷、その洗練された光学部品は、2度以下のビーム角を達成します。 LaserLight SMDコンポーネントは、UL8750安全認証を取得した世界初の半導体レーザー光源です。
最も可能性の高い状況は、レーザー半導体が最初に特殊な建物の照明製品に適用されることです。これらのアプリケーションには、狭くて高強度のビームが必要です。たとえば、美術館、ギャラリー、小売スペース、その他の特別な場所では、スペース全体ではなく、スペースの1つのコーナーだけを照らす必要があります。これは、空間の美学の必要性であるだけでなく、制御と保守を簡素化します。しかしながら、半導体レーザーのビームが狭いため、経済的に実現可能な従来の照明製品を開発するために、放出された光を誘導および透過するために光ファイバーまたは導波路を組み合わせる必要があるかもしれない。
Baja Designsが提供する照明アクセサリーの写真とビデオでは、オフロード車で使用されている半導体レーザー照明を見ることができます。 Baja Designsは、OnX6ハイブリッドレーザー/ LEDおよびXLレーザー高速スポットスポットライトの照明距離は、従来のLEDオフロード車の照明製品の350%であり、夜間のオフロード競技に非常に適していると主張しています。