ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель относится к области светотехники и может быть использована для создания осветительных устройств, использующих в качестве источника света удаленный люминофор, излучение которого возбуждается, по меньшей мере, одним источником лазерного излучения.
В последнее время все большее внимание разработчиков осветительной техники привлекают осветительные устройства с использованием диодных лазеров, оптического волокна и конвертора с удаленным люминофором. Такие осветительные устройства имеют ряд преимуществ, позволяющих значительно расширить область их применения. Наиболее привлекательными достоинствами конструкций таких осветительных устройств являются:
- возможность получать световой поток с необходимыми светотехническими характеристиками (цветовая температура, координаты цветности);
- небольшие габариты и вес осветительной части устройства;
- простота и удобство использования;
- возможность значительно удалить осветительную часть от его электрической части, за счет применения оптического волокна, позволяет осветительной части устройства надежно работать в агрессивных средах (солевой туман), взрывоопасных средах (природный газ при подземных выработках горных шахт), эффективно организовывать внешнее и внутреннее освещение на химическом, нефтехимическом, нефтеперерабатывающем, мукомольном, сахарном и пороховом производстве, при транспортировке сжиженного газа морским путем;
- применение оптического волокна позволяет изготавливать подводные (до глубины 50 м) и надводные осветительные устройства с полной электробезопасностью;
- упрощение технического обслуживания как осветительной, так и электрической части устройства.
Известно осветительное устройство (US 20140126200 А1, МПК: F21K 99/00, опубликовано 08.05.2014 г., Фиг. 3, 8) - [1], принцип действия которого основан на возбуждении фотолюминесценции удаленного люминофора при воздействии лазерного излучения. Осветительное устройство [1] включает в себя диодный лазер, излучающий в первом спектральном диапазоне (ультрафиолетовом, синем, сине-зеленым, зеленом), оптическое волокно, оптически соединенное с диодным лазером и люминофорным элементом, излучающим в более длинноволновой области спектра (желтой, красной).
Предлагаемая конструкция осветительного устройства [1] имеет ряд недостатков: результирующее излучение после суперпозиции лазерного излучения и излучения люминофора, распространяется в телесном угле, близким по величине телесному углу планарного светоизлучающего диода (СИД), определяемое распределением Ламберта, и составляет величину порядка 120 стерадиан.
В предлагаемом осветительном устройстве [1], изображенном на Фиг.8, результирующее излучение, после суперпозиции лазерного излучения и излучения люминофора, также распространяется в телесном угле, близким по распределению Ламберта для планарного СИД. В устройстве [1] не решена проблема отвода тепла от источников лазерного излучения и от люминофора.
Известно осветительное устройство (JP 2012121968 А, МПК: С09K 11/64, 11/08; H01S 5/022; F21S 8/10, опубликовано 28.06.2012 г., Фиг. 8, 11, 12) - [2], которое может быть использовано в качестве автомобильной фары.
Осветительное устройство включает в себя диодный лазер, линзу, оптическое волокно и размещенный в рефлекторе слой люминофора в термостойком наполнителе (матрице). Результирующее излучение имеет острую диаграмму направленности светового потока.
Недостатком осветительного устройства [2], является возможность освещения только в узкой области пространства из-за наличия рефлектора, что ограничивает область его применения. Проблема надежности осветительного устройства при выделении тепла в люминофоре в результате нагрева под воздействием лазерного излучения решена за счет использования термостойких материалов (люминофора и наполнителя), при этом устройство в целом подвержено значительному нагреву.
Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является осветительное устройство (US 20150009703 A1, МПК: F21V 8/00, опубликовано 08.01.2015 г.) - [3], содержащее диодный лазер, линзу, оптический разъем, оптическое волокно и светоизлучающий узел (конвертор) в различных исполнениях, который имеет опору со сквозным отверстием, в котором размещен люминофор.
Недостатком светоизлучающего устройства [3] является ограниченная диаграмма направленности светового потока с телесным углом, соответствующим распределению Ламберта аналогично планарным светодиодам белого свечения, что ограничивает область его применения. Кроме того, представленные конструктивные решения светоизлучающего узла (конвертора) не обеспечивают эффективного отвода от люминофора тепла, которое выделяется при преобразовании излучения от диодного лазера в излучение люминофора (эффект Стокса). В результате, вся конструкция сильно разогревается, что будет негативно сказываться на стабильности светотехнических параметров (координаты цветности, цветовая температура, индекс цветопередачи) выходного излучения и снижает надежность устройства в целом.
Задачей, поставленной в основу предлагаемого технического решения, является создание осветительного устройства, конструкция которого позволит при сохранении всех достоинств известных осветительных устройств, использующих люминесценцию удаленного люминофора, излучение которого возбуждается источником лазерного излучения (небольшие вес и габариты, значительное удаление осветительной части устройства от его электрической части, что позволяет осветительной части устройства надежно работать в агрессивной и взрывоопасных средах, упрощает техническое обслуживание электрической части устройства), одновременно обеспечить эффективный световой поток, распространяющийся однородно в направлениях в большом телесном (более 180 стерадиан) угле, и уменьшить возникающий за счет эффекта Стокса нагрев люминофора.
Техническим результатом от решения поставленной задачи является:
- расширение области применения осветительного устройства на основе удаленного люминофора за счет увеличения телесного угла распространения результирующего светового потока;
- повышение надежности устройства за счет уменьшения нагрева люминофора и эффективного отвода тепла, что гарантирует стабильность координат цветности излучения, цветовой температуры, замедляет деградацию люминофора и устраняет возможность выхода из строя устройства в целом.
Решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата обеспечиваются тем, что в осветительном устройстве, содержащем, по меньшей мере, один диодный лазер с, по меньшей мере, одной линзой, оптическое волокно и конвертор с люминофором, при этом, по меньшей мере, один диодный лазер с, по меньшей мере, одной линзой закреплен соосно оси Z посредством оптического разъема на одном конце оптического волокна, на противоположном конце которого соосно оси Z закреплен посредством оптического переходника конвертор с люминофором, конвертор имеет держатель и выполненную из оптически прозрачного материала осесимметричную колбу, на внешней поверхности которой последовательно размещены сплошной слой люминофора и сплошной защитный слой из оптически прозрачного материала, причем, по меньшей мере, часть колбы выполнена в виде цилиндра с открытым торцом, при этом держатель имеет выполненные с противоположных его сторон торцевые осесимметричные отверстия, которые соединены между собой сквозным осевым отверстием меньшего диаметра и ограничены перпендикулярными оси Z кольцевыми площадками, причем с одной стороны держателя в торцевом осесимметричном отверстии, жестко и герметично закреплен конец выполненной в виде цилиндра части колбы, открытый торец которой плотно прижат по всему периметру к кольцевой площадке торцевого осесимметричного отверстия, а с противоположной стороны держателя в торцевом осесимметричном отверстии разъемно закреплен оптический переходник с выступающим за его пределы и защищенным втулкой концом оптического волокна, торец которого размещен в сквозном осевом отверстии в перпендикулярной оси Z плоскости и удален от плоскости кольцевой площадки, к которой плотно прижат открытый торец выполненной в виде цилиндра части колбы, на расстояние L, величина которого выбрана из соотношения:
,
где: d - диаметр участка осевого сквозного отверстия (м);
α - угол расходимости лазерного излучения из торца оптического волокна относительно оси Z (рад).
Использование в качестве опоры для слоя люминофора осесимметричной колбы, выполненной из оптически прозрачного материала, обеспечивает возможность получить (сформировать) в конверторе слой люминофора большой площади с осесимметричной поверхностью. Кроме этого, после введения в колбу лазерного луча возникают множественные переотражения части лазерного луча от внутренней и внешней поверхностей стенок колбы, а это приводит к включению в процесс поглощения излучения лазера и его преобразования всего слоя люминофора, размещенного на колбе, и обеспечивает увеличение телесного угла распространения результирующего светового потока.
При этом соосное закрепление колбы и оптического переходника в держателе и фиксация их перпендикулярными оси Z кольцевыми площадками обеспечивает перпендикулярное относительно оси Z расположение торца волокна в сквозном осевом отверстии держателя на выбранном расстоянии от открытого торца колбы. А это в свою очередь способствует введению лазерного луча в колбу без потерь излучения на переотражение от стенок сквозного осевого отверстия держателя. Кроме того, расположение слоя люминофора на внешней поверхности колбы, которая имеет большую площадь и значительную удаленность своей внутренней поверхности от торца оптического волокна, обеспечивает достаточное расширение лазерного луча в объеме колбы при достижении ее внутренней поверхности. Это приводит к уменьшению нагрева слоя люминофора за счет значительного снижения плотности мощности лазерного луча, что решает задачу повышения надежности предлагаемого осветительного устройства и не требует дополнительных средств отвода тепла от слоя люминофора. Дополнительно к этому, большая внешняя поверхность колбы способствует естественному отводу тепла от слоя люминофора за счет соприкосновения с внешней воздушной средой.
Кроме того, размещение сплошного защитного слоя из оптически прозрачного материала на слое люминофора обеспечивает защиту люминофора от механических воздействий и не препятствует распространению результирующего светового потока, что способствует повышению надежности устройства в целом без ущерба его светотехническим качествам.
Кроме этого, выступающий за пределы оптического переходника конец оптического волокна защищен втулкой с целью предотвращения разрушающего механического воздействия на торец оптического волокна и обеспечения размещения его в перпендикулярной оси Z плоскости. Что одновременно не допускает потерь части лазерного луча, которые могут возникнуть при не соблюдении соосности оптического волокна и держателя, и способствует надежности устройства в целом.
Сопоставительный анализ предлагаемого осветительного устройства с известными устройствами аналогичного назначения и отсутствие таковых в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой полезной модели критерию «новизна».
Предлагаемое осветительное устройство иллюстрируется Фиг. 1-5.
На Фиг. 1 - схематически изображен общий вид предлагаемого осветительного устройства.
На Фиг. 2 - схематически изображено соединение оптического переходника и конвертора, колба которого выполнена в виде цилиндра (в разрезе).
На Фиг. 3 - схематически изображено соединение оптического переходника и конвертора, колба которого выполнена в виде сферы с цилиндрической частью (в разрезе).
1
2
1
2
На Фиг. 4. - схематическое изображение механизма преобразования первичного излучения λ во вторичное излучение λ и получение результирующего излучения λ+λ.
1
2
На Фиг. 5 - изображена спектральная характеристика результирующего излучения λ+λ
Осветительное устройство, иллюстрируемое на Фиг. 1-3 включает: по меньшей мере, один диодный лазер - 1; по меньшей мере, одну линзу - 2; оптическое волокно - 3; конвертор - 4; оптический разъем - 5; оптический переходник - 6; держатель - 7 конвертора 4; колбу - 8, выполненную из оптически прозрачного материала; слой люминофора - 9, который нанесен сплошным слоем на внешнюю поверхность колбы 8; защитный слой - 10, который нанесен сплошным слоем на поверхность слоя люминофора 9; торцевое осесимметричное отверстие - 11, в котором закреплена колба 8, с нанесенными на ее внешнюю поверхность слоем люминофора 9 и защитным слоем 10; торцевое осесимметричное отверстие - 12, в котором закреплен оптический переходник 6; сквозное осевое отверстие - 13, соединяющее торцевые осесимметричные отверстия 11 и 12; кольцевая площадка - 14, к которой плотно прижат открытый торец колбы 8; кольцевая площадка - 15, к которой плотно прижат оптический переходник 6; торец - 16 оптического волокна 3; защитная втулка - 17, в которую помещен торец 16 оптического волокна 3.
При этом, кольцевые площадки 14 и 15 выполнены перпендикулярно оси Z устройства.
Для придания дополнительной жесткости конструкции, диаметр d осевого сквозного отверстия 13 держателя 7, в котором размещен торец 16 оптического волокна 3, должен быть равен диаметру защитной втулки 17 оптического волокна 3. Защитная втулка 17 может быть изготовлена из керамики, металла, или любого другого твердого материала.
1
п
2
3+
Для создания осветительного устройства белого цвета свечения в качестве диодного лазера 1 был использован торцевой полупроводниковый диодный лазер фирмы Nichia, выходной оптической мощностью 1,5 Вт, работающий в непрерывном режиме, изготовленный на основе нитридов индия-галлия-алюминия, излучающий в синей области видимого диапазона спектра на длине волны λ=440-475 нм. В качестве люминофора использовался порошок алюмоиттриевого граната, легированного церием (YAG:Ce), с полосой поглощения λ=420-490 нм, излучающий в спектральном диапазоне λ=500-710 нм, с размером кристаллов порошка 5-40 мкм. Люминофор помещали в оптически прозрачную матрицу на основе кремнийорганического соединения. Колба 8 изготавливалась из борат-силикатного стекла. В качестве защитного слоя 10, было использовано кремнийорганическое соединение. В качестве оптического волокна 3, использовалось оптическое кварцевое волокно с числовой апертурой NA=0,22 (угол расходимости α=14°) и диаметром сердцевины 110 мкм.
В качестве диодного лазера 1 можно использовать лазеры других производителей, например, фирмы Osram или ModulLight, излучающие в синем, либо ближнем ультрафиолетовым спектральном диапазоне.
В качестве люминофоров можно использовать любые люминофоры, поглощающие синий или ближний ультрафиолетовый свет, например, галлий-гадолиниевый гранат, или галлий-скандий-гадолиниевый гранат, легированные церием или другими примесями, например, диспрозием, или алюмосиликаты, легированные редкоземельными элементами, поглощающими синий или УФ свет накачки диодного лазера и излучающего на другой длине волны.
В качестве оптического волокна 3 можно использовать кварц-полимерное волокно с числовой апертурой NA=0,5 и диаметром сердцевины 100 мкм, 250 мкм или 400 мкм. В качестве оптического волокна 3 можно использовать полимерное волокно с числовой апертурой NA=0,5 и диаметром сердцевины 250 мкм, 400 мкм или 500 мкм.
1
1
Осветительное устройство, показанное на Фиг. 1-4, работает следующим образом. При подключении диодного лазера 1 к источнику питания (не показан) устанавливается ток накачки, соответствующий номинальному значению выходной оптической мощности. Первичное излучение с λ (излучение накачки), генерируемое диодным лазером 1, фокусируется линзой 2 на входном торце оптического волокна 3, которое закреплено в оптическом разъеме 5. Первичное лазерное излучение с λ синего диапазона спектра достигнув торца 16 оптического волокна 3, выходит из него, формируя лазерный луч, который без потерь распространяется по сквозному осевому отверстию 13 держателя 7 и попадает в объем колбы 8, в телесном угле 2α, который определяется числовой апертурой NA используемого оптического волокна 3.
1
1
1
1
Распространяясь в колбе 8, первичное излучение с λ падает на ее внутреннюю поверхность (см. Фиг. 4). При этом первичное излучение λ частично отражаясь от внутренней поверхности стенок колбы 8, проходит внутрь стенки и, частично отражаясь на границе раздела сред колбы 8 - слой люминофора 9. Причем часть первичного излучения с λ отраженная внутрь стенки из-за волноводного эффекта начинает распространяться по материалу колбы. Таким образом, достигается эффект однородной засветки слоя люминофора 9 первичным излучением с λ.
1
2
1
1
2
1
2
1
2
При этом часть первичного излучения с λ диодного лазера 1, прошедшая через внешнюю поверхность колбы 8, попадает в сплошной слой люминофора 9, представляющий собой смесь отдельных кристаллов люминофора с кремнийорганическим соединением, частично поглощается кристаллами люминофора, возбуждая вторичное спонтанное излучение с λ в желто-зеленом диапазоне спектра. Непоглощенная часть первичного излучения с λ может испытывать отражение от кристаллов люминофора, внешний поверхности колбы 8 и внутренней поверхности защитного слоя 10, вновь получает возможность участвовать в процессе поглощения кристаллами люминофора. При этом определенная часть непоглощенного первичного излучения с λ и часть вторичного излучения с λ (далее излучение λ+λ) достигает защитного слоя 10, проходит через него и выходит в окружающее пространство. Результирующее излучение с λ+λ воспринимается человеческим глазом как излучение белого цвета.
1
2
Спектральный состав результирующего излучения с λ+λ определяется геометрическими размерами кристаллов люминофора, дисперсностью и толщиной слоя люминофора 9 и представлен на Фиг. 5.
Кроме того, размещение слоя люминофора 9 на большой площади внешней поверхности колбы 8 обеспечивает соприкосновение воздушной среды со слоем люминофора 9 по всей его поверхности (через защитный слой 10), что позволяет эффективно отводить тепло, гарантирует стабильность параметров результирующего излучения и замедляет деградацию люминофора.
Одновременно с этим, размещение торца 16 оптического волокна 3 на расстоянии L, не превышающим величину , устраняет возможность потерь лазерного излучения, что позитивно влияет на эффективность результирующего излучения и экономичность осветительного устройства в целом.
Размещение торца 16 оптического волокна 3 на расстоянии L, превышающем величину , приведет к потерям лазерного излучения на переотражение и разогреву держателя 7, что приведет ухудшению световых параметров и снижению надежности устройства.
При этом использование колбы 8 в качестве опоры для слоя люминофора 9, несмотря на близость торца 16 к открытому торцу колбы 8, позволяет за счет протяженности колбы 8 обеспечить значительное удаление слоя люминофора 9 от торца 16 оптического волокна 3, что уменьшает нагрев слоя люминофора 9 за счет значительного увеличения площади поперечного сечения лазерного луча (уменьшение плотности мощности лазерного излучения) до момента его достижения внутренней поверхности колбы 8.