专家说，led带来的能源效率的提高只是激光产生二极管可能实现的前奏。
Leland Teschler |执行主编
最近，eBay上出现了一笔有趣的交易，想更换一个前灯组件。的一辆宝马i8双门跑车的前灯亮了起来．只要7,355美元，你就可以从拉脱维亚买一个，外加运费。这是一个右前灯组件。如果你还想要左边的，就要再加7355美元。
价格高昂的一个原因是:车头灯使用的是激光二极管光源，而不是led。尽管激光二极管早在20世纪60年代就出现了，但直到最近，它们的效率才足以被认为是用于一般照明的候选者。除了节能，它们还能产生大量流明。在宝马的前灯中，激光二极管使照明范围达到近700米。同样的前照灯也有一款LED版本(eBay上每款售价约3000美元)，只能发出约3亿束光。一个典型的白炽车头灯只能延伸到大约100米。
宝马i8上的激光前灯组件，在eBay上的售价不到8000美元。
激光二极管照明的前景促使一些专家对这项技术做出了重大预测。其中一位是中村修二(Shuji Nakamura)博士，他发明了蓝色LED，并因此分享了诺贝尔物理学奖。中村声称激光二极管是照明的未来。他以实际行动支持这一愿景，成立了一家名为SoraaLaser(现在称为SLD激光器)，使激光二极管优化照明。他们制造的激光二极管使用的是生长在半极性晶体平面上的氮化镓晶体，而不是传统的氮化镓激光二极管。
(Ordinary crystal planes are electrically neutral. Polar planes are those that aren’t electrically neutral, so there is a charge between neighboring crystal planes. The charge is big in GaN and similar type III-N materials. It can degrade the efficiency of light-emitting devices. But growing the material along certain crystal planes reduces the polarization charge. Materials grown along these special crystal planes are called semi-polar.)
SLD激光器表示，半极性GaN器件的增益比普通激光二极管高3-5倍，因为半极性取向消除了内部静电场，并提供了最大的能级重叠。这种半极性材料也使得制造工作在不同波长的二极管变得更容易。该公司表示，他们已经生产出了连续输出超过4w多模的激光二极管，以及输出超过1w的蓝色激光二极管。该公司还表示，他们已经展示了绿色(525纳米)连续波激光二极管，输出200mw的功率。
但正如宝马汽车前灯的价格所显示的那样，激光二极管要成为广泛使用的光源还需要一段时间。
在激光二极管内
所有固态激光器都需要增益或放大介质和谐振腔。在二极管激光器中，当具有向前偏压时，电子和孔在P-N结时注入P-N结时，如在LED中。但注射的电流比在LED中高得多。
二极管中的半导体材料通常是氮化镓，因为它有一个可以有效发光的带隙。到目前为止所描述的激光二极管通常使用p型掺镁氮化镓薄膜，在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层。
为了使激光二极管实用，制造者必须给氮化镓高水平的p型掺杂。由此产生的半导体材料具有所谓的双简并度。在这里，掺杂水平如此之高，以至于这种材料在某些方面更像一种金属，而不是半导体。光子具有正确的能量级别，然后可以刺激激光行动。
一个激光二极管结构的例子来自中国苏州纳米技术与纳米仿生研究所、华中科技大学和武汉大学的研究人员。可见的特征包括包层和二极管顶部由窄条纹接触区域组成的电流注入区域。然后注入的载体停留在条纹接触下的区域。研究人员使用金属-有机化学气相沉积(MOCVD)来生长外延材料，并使用铝-氮化镓(AlGaN)和氮化铝缓冲层的序列来管理硅衬底和氮化镓之间的晶格参数和热膨胀系数的差异。
通常，在半导体二极管激光器中，通过将两个平行的面分开约250 - 400µm来产生谐振腔。解理面就像镜子一样，允许激光积聚能量。当系统增益超过总损耗时，二极管将产生激光。
激光二极管制造器使用双重异构结构（DH）作为减小有源区厚度的方式，从而降低用于激光作用的阈值电流密度。有源区域充当电介质波导，因为有源层材料具有比任一侧的包层层更大的折射率。可以通过在暴露的半导体表面上使用涂层来控制方面的反射率。如果有源层的折射率超过包层层的折射率，则光在接口处反射，如光纤。折射率的差异越大，光学限制越好，激光模式越尖锐。
为了减少总电流流量，电流注入区域通常被限制在二极管顶部的窄条纹接触区域。然后注入的载体停留在条纹接触下的区域。条形几何的另一个优点是，如果条形足够窄，就可以产生单模激光。
来自BMW的视频解释激光前灯操作的视图显示了前灯通过光学元件结合了三个激光二极管的输出。这种方式结合多个激光二极管光束的能力被认为是技术对LED照明的优点。
由此产生的作用产生蓝色激光。但是蓝光并不适合照明，所以激光必须转换成温暖的光。在宝马汽车的前照灯中，激光产生的光通过前照灯组件中的一系列镜面反射，最终聚焦到一个镜头中。晶状体中含有一种对激光起反应的黄磷。激光与黄磷相互作用，产生明亮、强烈的白光。然后光通过一个漫射器来降低它的强度，并通过前灯被反射出去。
从前灯投射出来的白光比led产生的光亮十倍。宝马表示，这种技术的效率也比LED替代品高出30%。与等效的LED相比，激光光学系统占用的体积更小，因此设计师可以减小外壳的尺寸，并根据空气动力学优化前灯。
值得注意的是，激光二极管的驱动电子与led相似，因为这两种器件在电流源供电时工作得最好。和led一样，激光二极管的光输出会随着温度的升高而下降，所以散热器将成为大多数激光照明电路的一部分。
未来的发展方向
你可能会认为，宝马的激光前灯的高成本，并不预示着激光二极管在日常使用中的实用性。但前照灯的高成本并不仅仅来自于激光二极管。例如，前灯可以照亮300英尺外的动物和行人，并携带红外摄像机照亮这些障碍物。车头灯还与汽车的全球定位系统(GPS)连接，这有助于预测道路上即将出现的转弯，以便司机能更好地看到它们。内置的摄像头检测到迎面而来的车辆，自动调暗光束。激光二极管可以被控制，在驾驶员的视野范围内，将MPH等信息投射到道路上。
然而，技术障碍仍然存在。一个是效率领域。能源效率通常以墙插效率(WPE)来衡量，即作为光输出发射的电输入功率的比例。一些氮化镓基蓝色led可以达到80%的WPE，但氮化镓基激光二极管通常低于40%。低效率背后的机制还没有被很好地理解。
最近的研究表明，一种叫做俄歇复合的现象可能是问题的根源。在这里，电子与空穴结合释放的多余能量被第二个电子吸收，而不是作为光子释放。然后，新激发的电子在与氮化镓晶格的一系列碰撞中放弃其额外的能量。有迹象表明，用于照明的激光二极管所涉及的高电流会使俄歇复合恶化。半导体材料中也有一些自加热，降低了光增益，增加了补偿光损耗所需的载流子数量。
WPE低于led的WPE并不能阻止激光二极管在照明领域的应用。SDL激光指出，定向照明应用的关键指标是每瓦特功率消耗的目标区域的流明。SDL说，激光二极管照明在5米或更远的距离上优于这个指标，与led相比，在10米以上的距离上显著提高。在原始输出方面，激光二极管可以达到40-50 lm/W水平。期望激光二极管的输出能达到100 lm/W甚至更高。
SoraaLaser (SDL Laser) smd封装激光二极管原理图。SMD包括激光二极管、将蓝色激光转换为更温暖的光的荧光粉，以及用于防止激光直接从封装中退出的光束转储区域。
作为今天可能实现的一个例子，考虑SDL的一个产品:封装为7×7-mm表面贴装设备(SMD)的基于激光二极管的白光光源。在低至1-2°的准直光束角度下，300 μm的发射区域可产生500流明的输出。
SDL设备包含与宝马激光前照灯相同的光学元件，但都在SMD包内。内部是一个高功率蓝色氮化铟镓(InGaN)半极性激光二极管，激发一个微小(1 × 1 mm)的远程荧光粉目标(直径<300 μm)，将激光转换为定向白光。还有一个束流倾倒装置，本质上是一个被动吸收元件，它可以阻挡任何可能从单晶荧光粉反射出来的蓝光，并离开封装。
此外，还有准直光学器件，可以将输出光束缩小到相同尺寸和输出流明的LED的十分之一左右。SDL表示，它能从一个7毫米²的SMD获得1000坎德拉/毫米²，覆盖120°。SDL说，同样的方法可以生产直径只有led 1 / 10但输出流明为100X的灯具。
SDL的激光二极管有第二个形式因素，其中激光器和荧光粉元件在两个不同的封装中，有一段光纤将激光传送到荧光粉。该公司使用这种配置时，有利于保持激光与荧光粉的分离，当激光通过荧光粉时，荧光粉会显著升温。
SDL表示激光二极管近似点源的事实简化了整形其输出的过程。例如，激光束特别适合于用于光束尺寸和成形的衍射型光学元件。光成形扩散器元件可以将1°聚光灯转换为1°×10°的矩形，效率超过92％。添加下游的液晶透镜可以电子控制并动态地改变光束角度及其形状。
目前，针对照明的激光二极管可以发出高达500流明的光。正如宝马汽车前照灯的设计所示，当激光二极管组合成一束时工作良好。它们的总流明输出预计将随着新的设计而提高，未来在荧光粉和激光二极管制造方面的工作预计将导致设备覆盖更宽的光谱，并为室内应用提供更温暖、更高的光水平。DW
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