Grundlagenrecherche zum Thema Laser Phosphor

Dieses Thema im Forum "TL-Leuchtmittel (LEDs und andere)" wurde erstellt von The_Driver, 31. Januar 2018.

  1. Einleitung

    Typische, weiße Power-LEDs, die wir hier benutzen, bestehen aus einem blauen (445-460nm) InGaN Halbleiter-Chip (“Die”), auf dem ein spezieller gelber YAG:Ce Leuchtstoff (“Phosphor”, Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) sitzt, der mit hoher Effizienz die blaue Strahlung zum Teil in grünes, gelbes, oranges und rotes LIcht umwandelt (bei kalt-weißen LEDs mit niedrigem CRI hauptsächlich in grün und gelb), was zusammen mit dem blauen Licht als weißes Licht empfunden wird. Hier ein beispielhaftes Spektrum der Absorptionsempfindlichkeit eines solchen YAG:Ce Leuchtstoffs.

    Anstelle eines LED Dies könnte man auch einen blauen Laser benutzen, um solch einen Phosphor anzuregen. Laser sind viel kleiner als LEDs, leuchten dafür aber um Größenordnungen intensiver und sind sehr leicht zu fokussieren. So ist es möglich eine deutlich höhere Leuchtdichte zu erzielen. Bei einer Taschenlampe ergibt diese Leuchtdichte multipliziert mit der Fläche des Reflektors bzw. der Optik die Lichtstärke (Candela, "lux@1m"). Aus dieser ergibt sich die Reichweite.

    Ich habe mich innerhalb des letzten Jahres sehr ausführlich mit dem Thema beschäftigt und möchte nun hier mal meine Erkenntnisse mit euch teilen. Wichtig: ich bin kein ausgebildeter Experte auf diesem Gebiet! Informiert euch also trotzdem selber.

    Gefahr durch Laser

    Laser sind unnatürliche Lichtquellen, welche extrem gefährlich sind für Mensch und Tier, vor allem für die Augen. Gründe dafür sind die extrem hohe Bestrahlungsstärke, welche durch die geringe Größe des Lichtaustritts sehr leicht durch Linsen verstärkt werden kann, und, dass man sie mit dem Auge teilweise nicht wahrnehmen (UV, Infrarot) und fast immer nicht richtig einschätzen kann (das menschliche Auge reagiert mit unterschiedlicher Empfindlichkeit auf verschiedene Wellenlängen, siehe V-Lambda-Kurve). Ein blauer Laser ist bis zu 30-mal so stark, wie er fürs Auge aussieht. Dazu kommen bei stärkeren Lasern Gefahr für die Haut und Brand- oder Explosionsgefahr.

    Selbst, wenn man den Laser theoretisch richtig einschätzen könnte (wäre nur bei grünem Laser mit 555nm der Fall), wäre man trotzdem nicht sicher. Bei starken Lasern reicht der Lidschlussreflex nicht aus, um die Augen vor Schäden zu schützen, da das Auge bereits beschädigt ist, wenn der Reflex einsetzt. Dazu kommt noch, dass Untersuchungen mit Klasse 2 Lasern ergeben haben, dass dieser Reflex bei vielen Menschen gar nicht erfolgt.

    Laser werden deswegen in Laserschutzklassen kategorisiert (siehe hier). Laser, die für Laser-Phosphor-Systeme geeignet sind, gehören allesamt in die Klasse 4, der Gefährlichsten! Bei diesen reicht schon die Streustrahlung aus, um die Augen zu beschädigen.

    Verschiedene Wellenlängen haben verschiedene Auswirkungen auf das menschliche Auge (hier eine Übersicht). Blaue Laser im speziellen können zusätzlich zur Verbrennung der Netzhaut (partielle Erblindung) zu Photoretinitis bzw. Blaulichtgefährdung führen. Dabei handelt es sich um eine photochemische Schädigung der Netzhaut.

    Sicherheit bei Benutzung von Lasern

    Sicherheit erfordert Schutzmaßnahmen und sinnvolles Verhalten. Unterscheiden kann man dabei zwischen Selbstschutz, Schutz von anderen, Schutz der Umgebung und Schutz der Umwelt.

    In Deutschland ist für den Selbstschutz eine korrekt dimensionierte, zu der genutzten Wellenlänge passende Vollschutzbrille nach DIN EN 207 (europäische Norm für Laserschutzbrillen) nötig, welche die Augen vollständig umschließt. Wie man diese auswählt, steht in der BGI 5092 (Auswahl und Benutzung von Laser-Schutz- und Justierbrillen). Solch eine Brille muss:
    1. das CE-Kennzeichen aufweisen
    2. den Wellenlänge/-bereich aufgedruckt haben
    3. die Betriebsart/-en (D, I, R oder M) aufgedruckt haben
    4. die Schutzstufe (LB-Wert) aufgedruckt haben
    5. das Herstellerzeichen enthalten
    6. Einen direkten Treffer eines solchen Lasers für 10s aushalten können

    Solche Schutzbrillen gibt es bei Firmen, wie z.B. Uvex und Laser 2000. Sie kosten zwangsläufig recht viel Geld (150-200€). Wenn man mal in den Foren guckt, gibt es aber auch etwas bezahlbarere Alternativen, welchen man im privaten Bereich als sinnvolles Minimum ansehen kann. Gemeint sind z.B. die EaglePair Schutzbrillen von Beijing EagleView Optoelectronics Technology Co. Für blaue Laser geeignet sind die Modelle EP-1 und EP-1A mit OD5 bei 400-500nm. Die EP1 kriegt man für ca. 50€. Sie haben das CE Kennzeichen und sind immerhin nach dem amerikanischen Standard gekennzeichnet.

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    OD steht hierbei für optische Dichte (auch LB-Wert genannt), sprich wie stark die Laserstrahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich abgeschwächt wird. OD5 heißt, dass die Laserstrahlung in diesem Wellenlängenbereich um 10^-5, also auf ein Hunderttausendstel reduziert wird. Ob das nötig ist bzw. ausreicht, muss man für die zu nutzende Lasereinrichtung ausrechnen (siehe BGI 5092). Dabei muss beachtet werden, wie der Laser ggfs. fokussiert werden kann und in welchem minimalen Abstand gearbeitet wird.

    Der Schutz von anderen muss natürlich auch gewährleistet sein. Jeder, der mit im Raum ist, muss auch immer so eine Schutzbrille tragen. Es sollte am besten ein Raum im Keller sein (alternativ ein Raum mit herunter gelassenen Rolläden) und die Tür sollte immer geschlossen sein. Alle Personen im Gebäude, die aus Versehen rein kommen könnten, müssen über die Gefahr unterrichtet werden. Ein Warnschild sollte auf der Tür angebracht werden.

    Der Laser sollte grundsätzlich immer fixiert sein, wenn er betrieben wird. Ebenso alle weiteren Teile, welche sich im Strahlengang befinden können. Hinter dem Aufbau sollte in Richtung des Laserstrahls eine nicht-reflektierende Oberfläche angebracht werden, welche so wenig wie möglich Licht zurück reflektiert und die Bestrahlungsstärke für eine ausreichende lange Zeit toleriert ohne zerstört zu werden oder Feuer zu fangen. Es sollten keine losen Kabel des Lasers auf dem Boden liegen. Es sollte ausreichend Licht vorhanden sein, damit man nicht in den Laser hinein stolpert.

    Es muss sichergestellt werden, dass der Laser im Betrieb nicht aus Versehen eine reflektierende Oberfläche trifft (Gegenstände im Raum, Fenster und Türen, Schmuck => Ehering, Kleidung etc.). Auch die Brandgefahr muss beachtet werden. Ein Feuerlöscher ist sinnvoll.

    Der Laser sollte gegen unbeabsichtigtes Einschalten geschützt sein. Besonders wichtig ist dies natürlich in Haushalten mit Kindern!

    Ich habe sicher noch einiges übersehen, aber diese Grundprinzipien sind schon mal ein guter Anfang!

    Hier ein sehr altes, aber anschauliches Sicherheitsvideo von der NASA.

    Rechtliches zur Nutzung von Lasern

    Hier ein Artikel dazu. In Deutschland dürfen in der Öffentlichkeit eingesetzte Laser maximal 1mW an Strahlung abgeben (Klasse 1-2M). Stärkere Laser (Klasse 3-4) müssen angemeldet sein, unzählige Sicherheitsrichtlinien erfüllen (sowohl das Gerät selbst, als auch, wie man es anbringt und, wo es hin strahlt) und es muss ein ausgebildeter Laserschutzbeauftragter vor Ort sein. Der Besitz von Lasern ist grundsätzlich erlaubt, auch von Lasern der Klasse 3-4. Der Kauf von Lasern (betriebsbereiten Geräten) der Klasse 3-4 ist in Deutschland nicht erlaubt, eine Einfuhr über das Ausland theoretisch schon (praktisch kassiert der Zoll sie aber gerne ein, da die Betriebssicherheit nicht gegeben ist). Die Einfuhr von einzelnen Bestandteilen ist ebenso theoretisch erlaubt (als Ersatzteil). Wer Führer jeglicher Arten von Fahrzeugen blendet, macht sich strafbar!

    Was ist ein Laser

    Laser (“light amplification by stimulated emission of radiation”, zu deutsch: “Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung”) sind Geräte, welche elektromagnetische Strahlung (beinhaltet auch sichtbares Licht) auf spezielle Art und Weise abgeben. Anders als herkömmliche Lichtquellen können Laser nur monofrequente Strahlung bzw. monochromatisches Licht (also nur eine Wellenlänge bzw. Farbe) abgeben. Sie erreichen eine sehr hohe Intensität und haben eine sehr kleine Strahlungs-abgebende Fläche. Letzteres führt dazu, dass sich die Strahlung sehr leicht bündeln lässt. Prinzipiell kann man sie als optische Verstärker verstehen. Sie haben drei Bestandteile:
    1. Aktives Medium
    2. Pumpe
    3. Resonator
    Meine Laienerklärung der Funktionsweise:

    Die Pumpe hält die Atome im aktiven Medium durch Zugabe von Energie (Licht, Strom) ständig in einem angeregtem Zustand (sie haben dann überschüssige Energie). Immer wieder verlassen die Atome diesen Zustand, wenn sie von einem Photon getroffen werden, und geben dabei ein Photon ab, welches die gleichen Eigenschaften hat, wie das Photon, welches sie getroffen hat (stimulierte Emission). Somit existieren dann zwei Photone. Wichtig ist jetzt, dass das aktive Medium sich quasi in einem Zylinder befindet, der auf beiden Seiten einen besonderen Spiegel hat. So werden Ursprüngliche und das gerade erzeugte Photon wieder zurück in das aktive Medium reflektiert und können weitere angeregte Atome treffen. So entsteht eine Kettenreaktion, bei der immer mehr identische Photonen (sie sind kohärent bzw. Phasensynchron) entstehen. Einer der beiden Spiegel ist teildurchlässig, so dass ein Teil der Strahlung nach außen entweichen kann. Das ist dann der Laserstrahl.


    https://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/4417/1/tiz122.pdf
    Die Kohärenz des Lichts führt zum Speckle Effekt (das Licht eines Lasers scheint aus vielen kleinen Punkten zu bestehen), wenn mit dem Laser eine Oberfläche beleuchtet wird. Grund dafür ist die Rauheit der Oberfläche (sofern größer gleich der Wellenlänge der Strahlung). Durch die Streuung der Laser Strahlung im Phosphor wird der Effekt weitestgehend beseitigt.


    Veranschaulichung im Video:



    Wer es genauer wissen möchte:




    Erkenntnisse aus technischen Artikeln

    https://spectrum.ieee.org/transportation/advanced-cars/bmw-laser-headlights-slice-through-the-dark
    Artikel über die Laser Scheinwerfer von BMW
    • Die Laser-Phosphor Module werden im Auto auf 580cd/mm^2 begrenzt

    http://optics.org/news/4/11/17
    Weiterer Artikel über die Laser Scheinwerfer von BMW
    • Im Labor erreichte man bis zu 3000cd/mm^2 (10-mal so viel, wie die beste LED)
    • Der Laser und der Phosphor müssen gekühlt werden und es hilft, dass dies getrennt möglich ist
    • Die Laser Diode hat im betrieb 25°C und der Phosphor 105°C
    • Pro Scheinwerfer wurden drei Laser Dioden genutzt, um ein Phosphorpättchen zu bestrahlen
    • Aus den Scheinwerfern tritt keine “kohärente” (Laser) Strahlung aus
    • Das System ist nur bei höheren Geschwindigkeiten (ab 40km/h) aktivierbar und schaltet sich im Falle eines Problem (Unfälle, defekte etc.) sofort ab

    https://compoundsemiconductor.net/article/97529-lasers-light-the-road-ahead.html
    Noch ein Artikel über die Laser Scheinwerfer von BMW
    • Ein großer Vorteil von Laserdioden ist, dass sie nicht unter dem Droop-Effekt von LEDs leiden (Verminderung der Effizienz bei steigender Stromdichte)
    • Die Umwandlungseffizenz beträgt über 300lm/W radiant, also pro Watt an blauer Strahlung
    • Photodioden überwachen die Laserdiode, den Phosphor und die Optiken, um die Sicherheit zu gewährleisten
    • Die Laserscheinwerfer sind nur aktivierbar, wenn das Auto min. 40km/h fährt und das Fernlicht bereits eingeschaltet ist


    https://www.leibinger-stiftung.de/d...eistraeger-preisverleihung-2014/#2014_2.preis
    Die BMW Laserscheinwerfer wurden erfunden von Dr. Abdelmalek Hanafi und Dr. Helmut Erdl. Die Idee hatten sie 2010 als neue, stärkere (1W), blaue Laserdioden für den Einsatz in Beamern von Casio auf den Markt kamen.
    Hier die Patente:

    https://www.osram.de/am/specials/trends-beleuchtungsinnovationen/laserlicht/index.jsp
    Die Lasertechnik in den BMW Scheinwerfern stammt von Osram.


    http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/13dd/0900766b813dd132.pdf
    Genutzt wird wohl die Osram PL TB450B, die einzige wirklich starke (max. 1,8W 450nm Strahlung), blaue Laserdiode von Osram, welche allerdings ab Jan 2018 nicht mehr angeboten wird.


    http://www.projectorreviews.com/casio/casio-xj-a140-xga-dlp-multimedia-projector-review/
    http://www.cairotrading.com/products.php?emiid=1356
    Der Casio XJ-A140 war 2009-2010 der erste Beamer mit blauen Laserdioden, allerdings waren diese damals nicht die einzigen Lichtquellen. Man kombiniert sie stattdessen mit roten LEDs von Luminus und wandelte einen Teil der blauen Strahlung mit Phosphor in grüne um.


    Seitdem gab es im Bereich der Laser-Projektoren eine starke Entwicklung. Man benötigt keine zusätzlichen LEDs mehr und es gibt zahlreiche Varianten, z.B. reine Laser Projektoren mit allen drei Farben aus Lasern (für extrem hohe Helligkeit im Kinobereich) und z.B. Laser-Phosphor Projektoren mit nur blauen Lasern und einem Phosphor-Rad.

    Erkenntnisse aus der Forschung

    https://www.osapublishing.org/oe/viewmedia.cfm?uri=oe-23-15-18872&seq=0
    Tolle Studie zur Modellierung der Lichtabstrahlung von Laser-gepumpten Phosphor. Nebenbei wurde auch hier die Osram PL TB450B Laserdiode verwendet.
    • Anstatt von 450nm Lasern kann man auch UV-Laserdioden mit ca. 400nm in Kombination mit RGB-Phosphor nutzen (wie bei high-cri LEDs von Soraa und Yuji)
    • Auch wird gezeigt, was im Detail mit der Laser-Strahlung im Phosphor passiert, wie das Licht wieder austritt und
      • Die blaue Strahlung geht zum Teil
        • in den Phosphor hinein
        • wird zum Teil an der Oberfläche des Phosphors zurück reflektiert (!)
        • wird zum Teil an der Oberfläche des Phosphors gestreut
      • Die blaue Strahlung, welche in den Phosphor eindringt
        • wird in gelb-grünes Licht und Wärme umgewandelt, wenn sie ein Phosphor-Teilchen trifft und tritt isotropisch (gleichmäßig in alle Richtungen gestreut) wieder aus
        • Wird durch Mie-Streuung gestreut und kann so in verändertem Winkel den Phosphor wieder verlassen
        • Wird zum Teil absorbiert
    • Die meisten Laserdioden gehören zum Kantenemittierenden Typ und haben somit unterschiedlich stark divergierende X- und Y-Achsen
      • Der abgegebene Lichtstrahl ist also stark Ovalförmig
      • Durch eine einzelne, kreisförmige, asphärische Fokussierungslinse wird dieser Effekt reduziert, aber nicht beseitigt

    http://en.ofweek.com/news/SEMICONDU...phosphor-emits-white-light-without-droop-2622
    Ein Vorteil einer UV-Laser-Phosphor Systems wäre, dass man ungewollt austretende Laserstrahlung sehr leicht weg filtern kann

    https://journalofsolidstatelighting...=journalofsolidstatelighting.springeropen.com
    Man hat Phosphor senkrecht mit einem blauen 450nm Laser angeregt. An beiden Seiten des Phosphors befand sich eine Ulbrichtkugel mit Spektrometer. So konnte man die insgesamt reflektierte und umgewandelte Strahlung messen. Der dort eingesetzte Phosphor war mit Silikon enkapsuliert. Man hat verschiedene Sorten und auch speziell den in weißen LEDs eingesetzten YAG:Ce Phosphor verglichen. Außerdem hat man verschiedene YAG-Silikon Mischungen miteinander verglichen.

    Ganz nebenbei liefern sie auch eine Formel zur Berechnung der zurück reflektierten Strahlung an der Oberfläche der Phosphor-Silikon-Mischung:
    R1f = ((n1-n2)/(n1+n2))^2
    n1 = Brechungsindex von Luft = 1,0003
    n2 = Brechnungsindex von Silikon für 450nm = 1,41
    Ich kriege da 0,029 raus, also theoretisch 3%.

    Laut @sma handelt es sich da einfach um die Fresnelschen Formeln:
    https://de.wikipedia.org/wiki/Fresnelsche_Formeln


    https://www.nature.com/articles/srep18690#f3
    Hier findet man unter anderem das Reflektivitätsspektrum von solchem Phosphor.


    https://www.degruyter.com/downloadpdf/j/aot.2013.2.issue-4/aot-2013-0031/aot-2013-0031.pdf
    Eine schöne Zusammenfassung der Anwendbarkeit von Laser gepumpten Phosphor
    • Laserdioden benötigen Präzisions Stromquellen
    • Laserdioden haben einen Schwellenstrom. Erst ab diesem Strom findet eine Strahlungsverstärkung statt. Darunter verhalten sie sich eher, wie eine LED (spontane Emission).
    • Die Osram PL TB450B soll bei 40°C eine Lebensdauer von 10.000h haben
    • Blaue LDs erreichen eine WPE (wall plug efficiency => Watt Ausgangsleistung durch Watt Eingangsleistung) von ca. 25% während die besten blauen LEDs von Cree 50% schaffen (getestet mit einer PL TB450B bei 1,4W und 15°C)
      • Die Strom- und die Leuchtdichte wurde hierbei aber nicht beachtet
    • Intematix Chromalit Phosphor Plättchen sind zwar nicht für Laser gedacht, können aber dafür genutzt werden

    http://www.repo.uni-hannover.de/bitstream/handle/123456789/1809/94501P.pdf?sequence=1
    Hier wurde die Temperaturempfindlichkeit von Laser-Phosphor Systemen im Vergleich zu weißen LEDs untersucht (inkl. der Osram PL TB450B und der Osram Black Flat Gen1).
    • Die Osram LD hat einen Wärmewiderstand von 15°C/W während eine aktuelle Black Flat Gen2 nur 4,3°C/W hat
    • Bei 1,2A und 20°C erzeugt die Osram LD zusammen mit Phosphor 205 Lumen
    • Eine aktuelle Black Flat Gen2 erzeugt bei 1,2A ca. 350 Lumen
    • Je nach Temperatur liegt die Effizienz bei 30-35lm/W
    • Die dort entwickelte Simulation zeigt, dass Laser Dioden eine deutlich kürzere Lebensdauer haben im Vergleich zu LEDs und aktive Kühlung eigentlich Pflicht ist (nur 1000h bei Tjc=100°C)

    https://www.nature.com/articles/srep31206
    Hier maß man unter anderem die Leuchtdichte und Lumen/mm^2 von verschiedenen Phosphortypen bei Bestrahlung durch einen 445nm Laser.
    • Generischer YAG:CE Phosphor: max. 500lm/mm^2 (159cd/mm^2) bei 7,75W/mm^2
    • “nano” YAG:CE: max. 2100lm/mm (669cd/mm^2) bei 14,77W/mm^2
    • mit höherer Ionen Dichte erreichte man mit dem “nano” YAG:CE: max. 2733lm/mm^2 (870cd/mm^2) bei 19,1W/mm^2
    • Die Werte für YAG:CE erscheinen mir hier zu niedrig.

    http://www.swissphotonics.net/libraries.files/Rossetti.pdf
    Foliensatz zum Thema Laserphosphor mit einem interessanten Foto eines Versuchs. Man sieht dort, dass bei der Bestrahlung einer Phospor Platte sehr viel Laser Strahlung (inkl. Speckle) zurück reflektiert wird. Auf der anderen Seite des Plättchens sieht man nichts davon.

    Dies ist nur ein kleiner Bruchteil der Forschung zu diesem Thema. Es würde ewig dauern das alles durchzugehen und hier zusammenzufassen. Auch verstehe ich einige Aspekte davon nicht ansatzweise. Dennoch hoffe ich, dass meine Auswahl einen guten, ersten Überblick verschafft.

    Ausblick
    Es ist ein sehr spannendes Thema, welches jetzt auch im Taschenlampensektor langsam ins Rollen kommt. Ich begrüße dies, da ich Thrower schon immer spannend fand. Auch Reichweiten-starke high-cri Lampen könnten so realisiert werden.
     
    #1 The_Driver, 31. Januar 2018
    Zuletzt bearbeitet: 1. Februar 2018
    Gray Matter, AndySchneider, Genießer und 44 andere Flashys haben sich hierfür bedankt.
  2. Wow, ganz große Klasse, vielen Dank für den tollen Überblick :thumbup:
    Ich bin schon sehr gespannt, was uns die Zukunft noch alles an tollen Technologien für Taschenlampen und andere Leuchtanwendungen bringt.
    Gruß Frank
     
    The_Driver hat sich hierfür bedankt.
  3. Jau....tolle Zusammenfassung!! Vor allem den letzten Satz unter "Ausblick" kann ich nur unterstreichen. Bin auch gespannt, was da noch so kommt.
     
    The_Driver hat sich hierfür bedankt.
  4. Acebeam
    Danke für die Laserbibel :)
     
    The_Driver hat sich hierfür bedankt.
  5. Dürfen wir ab jetzt auch über LASER schreiben?
     
  6. @amaretto hat dieser Frage im Namen der Moderation hier beantwortet.

     
    #6 The_Driver, 31. Januar 2018
    Zuletzt bearbeitet: 1. Februar 2018
    LED hat sich hierfür bedankt.

  7. Hi Driver,

    das verstehe ich leider nicht: LEDs bestehen aus dem oben genannten "Phosphor", aber anstelle eines LED Dies könne man einen Laser benutzen, um den Phosphor anzuregen? Man nimmt also das Phosphor weg (LED Die) und regt dann anders Phosphor mit dem Laser an :haeh:

    Habe ich einen Denkfehler?

    Oder meinst Du, den Die wegzunehmen (der ja über dünne Drähtchen Spannung bekommt) und das "Phosphor" wo immer das jetzt auch sein mag (Träger?), mit einem Laser anzuregen?

    Vielen Dank für die Aufklärung!


    Liebe Grüße

    Franky
     
  8. Eine klassische weiße LED ist innen drin eigentlich eine blaue LED (richtige weiße LEDs gibt es nicht). Man nutzt stattdessen einen Trick. Es gibt einen besonderen Leuchtstoff ("Phosphor"), der mit hoher Effizienz blaues Licht in grün, gelb, orange und rot umwandelt. Diesen befestigt man einfach auf einer blauen LED (das Gelbe oben drauf). So kriegt man weißes Licht.

    Solche blauen LEDs sind aber nicht perfekt. Mit steigenden Strom pro Fläche werden sie immer ineffizienter. Wenn man die weiße LED also intensiver machen will (technisch: die Leuchtdichte erhöhen), muss man neue Wege finden. Hier in diesem Thread geht es darum, dass man diesen Leuchtstoff (Phosphor) vor einen blauen Laser hält. Der Laser ist zwar viel kleiner als eine blaue LED, aber er leuchtet viel intensiver. Somit ist auch das weiße Licht, welches aus dem Leuchtstoff (Phosphor) kommt, dann auch intensiver (aktuell bis zu Faktor 10!).

    Man braucht dafür keine LED. Dieser Leuchtstoff (Phosphor) ist ja als Rohstoff verfügbar. Man kann ihn z.B. in optischem Silikon oder Glas einbetten. Wichtig: es geht hier nicht um das Element Phosphor! Das ist in diesem Fall nur ein Name dafür.
    Bzgl. deiner Frage ist die Antwort also eher letzteres.
     
    #8 The_Driver, 31. Januar 2018
    Zuletzt bearbeitet: 31. Januar 2018
    Wurczack und Franky K. haben sich hierfür bedankt.
  9. Aha :zufrieden: Vielen Dank für Deine Erklärung!

    Wieso spricht man dann bisher davon, das Phoshor einer LED durch den Stromfluss zum Leuchten zu bringen, wenn es doch 'nur' der Lichtumwandlung dient?

    Interessiert mich, wer hier im TLF noch nicht wusste, daß die eigentliche LED, die leuchtet, blau ist und das gelbe Zeugs für die Farbaufteilung zuständig ist :S, oder ich der einzige Dumme war.


    ganz sicher noch kein Flashaholic :pinch:

    Franky
     
  10. Sehr gerne! Das ist ja ein ganz zentraler Punkt bei LEDs.

    Das würde ich als missglückte Wortwahl bezeichnen. Durch den Phosphor einer weißen LED fließt kein Strom. Hast du einen Link dazu?
     
  11. Ja: fast das gesamte TLF :pfeifen:

    Im Ernst: ich habe noch nie einen Flashy sagen hören "Die LED ist blau, leuchtet, und das Phosphor sorgt für die Farbaufteilung. Es hieß immer "Strom fließt durch das Die und der Phosphor leuchtet. Isch schwöre :sprachlos:

    Für mich Neugierigen: die Zusammensetzung des gelben Stoffes sorgt für die einzelnen Tints?
     
  12. Eigentlich stimmt diese Aussage ja auch. Das "Die" ist der blaue Chip unten drunter. Oftmals bezeichnet man die sichtbare, leuchtende Fläche der LED mit dem Phosphor oben drauf auch als "Die".

    Generell sagt man, dass für eine niedrigere Farbtemperatur dickerer Phosphor benötigt wird (wodurch weniger Licht raus kommt). Für high-cri LEDs ist wohl anderer Phosphor nötig.
     
    #12 The_Driver, 31. Januar 2018
    Zuletzt bearbeitet: 31. Januar 2018
    Franky K. hat sich hierfür bedankt.
  13. Noch eine kleine Ergänzung zum Leuchtstoff: die Bezeichnung "Phosphor" ist in deutschen Texten sehr irreführend.
    Das englische Wort "phosphor" bedeutet "Leuchtstoff". Mit dem Element Phosphor (en: "phosphorus") hat das überhaupt nichts zu tun.

    Meist wird wohl mit Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver verwendet.
    Der Phosphor (en) enthält also keinen Phosphor (de), sondern Yttrium, Aluminium, Sauerstoff und Cer.

    Es wäre also eigentlich sinnvoller, statt dem englischen Wort "phosphor" das deutsche Wort "Leuchtstoff" zu benutzen, da "Phosphor" im Deutschen eine ganz andere Bedeutung hat.
     
    Wurczack, Flummi, flaschi und 2 andere Flashys haben sich hierfür bedankt.
  14. Was ich mir wünsche ist mehr Diskussion zum eigentlichen Thema des Threads. Wer hat noch Infos zu Laser Phosphor Systemen? Stimmt irgendwas im ersten Beitrag nicht?

    Es fehlen z.B. noch Infos zum Einfluss der Temperatur auf den Phosphor bzw. Leuchtstoff.

    Stimmt, das wäre sinnvoll! Wir schreiben aber auch "throw", "flood" etc.
    Das stand übrigens alles schon im ersten Satz der Einleitung. ;)
     
    #14 The_Driver, 31. Januar 2018
    Zuletzt bearbeitet: 31. Januar 2018
    Hardware hat sich hierfür bedankt.
  15. Olight Shop
    Ein Unterscheidungsmerkmal zwischen blauen Lasern und blauen LEDs ist, dass Laser nur eine einzelne Wellenlänge abgeben während blaue LEDs einen "Peak" haben, aber auch die benachbarten Wellenlängen mit geringer Intensität abgeben. Das könnte die Lichtfarbe und auch die Farbwiedergabe beeinflussen.
     
  16. Kleine Korrektur: der "Zylinder" bzw. die Kammer mit den Spiegeln an den Enden ist der (optische) Resonator.
     
    #16 The_Driver, 7. Februar 2018
    Zuletzt bearbeitet: 7. Februar 2018
  17. sma und FrankFlash haben sich hierfür bedankt.
  18. Mit der Thematik beschäftigt habe ich mich wegen diesem Projekt.
     
  19. https://www.osapublishing.org/view_article.cfm?gotourl=https://www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/9C8D6C8F-AF2D-6259-F3BE8A801BC99679_194376/ao-49-2-247.pdf
    Mir ist noch ein interessanter Aspekt aufgefallen. Wie ja oben bereits erwähnt wurde, wird das umgewandelte Licht isotropisch (gleichmäßig in alle Richtungen) gestreut. Bei LEDs hat das den Nachteil, dass das Licht auf der Rückseite wieder Richtung LED-Chip geht. Manche LEDs haben deswegen dort eine spiegelnde Schicht integriert. Das kann natürlich nicht perfekt effizient sein und es gibt somit immer gewisse Verluste. In obigen Dokument ging man im Jahr 2010 von 25% aus.

    Ein Laser würde es möglich machen eine Phosphor Kugel zu benutzen, von der sich mehr Licht einfangen ließe (entweder durch einen Parabolreflektor oder durch einen Elliptischen mit zusätzlicher asphärischer Linse). So eine Kugel könnte man dann in Glas einbetten, wo die Form dann optische Vorteile hätte.

    Dazu habe ich jetzt Infos gefunden.

    http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5713808
    • YAG:Ce Phosphor degradiert bei hohen Temperaturen
    • Nach 1008h bei 150°C gab in Silikon eingebetteter Phosphor je nach Konzentration 2,5-6% weniger Lumen ab
    • In Glas eingebetteter Phosphor gab je nach Konzentration 2,4-4% weniger Lumen ab
    • Je höher die Konzentration des Phosphors, desto größer die Verluste nach längerem Betrieb bei hohen Temperaturen
    • Die Intensität der dominanten Wellenlänge (570nm) wird gleichzeitig noch stärker reduziert, die Lichtfarbe verändert sich also
     
    #19 The_Driver, 8. Februar 2018
    Zuletzt bearbeitet: 8. Februar 2018
    sma hat sich hierfür bedankt.
  20. https://www.bioopticsworld.com/arti...olid-state-sources-light-up-fluorescence.html
    Details zur ersten Generation Laser Phoshor Lichtquelle von Osram, dem ITOS Phaser 3000
    • Lichtaustritt Durchmesser: 5mm
    • Emissionsvollwinkel: 44°
    • Zusätzlich zum Laser wird eine blaue LED benutzt, um den blauen Teil des Spektrums zu erzeugen
    • hier das Spektrum (schwarze Kurve)
    • von den Firmen 89 North and Chroma Technology gibt es ein "Spectral Addition Module", welches die Defizite im Spektrum ausgleichen soll (siehe dazu die bunten Balken in obigem Spektrum)
    • ähnliches Licht, wie durch eine LED mit 4,25mm Durchmesser, aber mit engerem Abstrahlwinkel

    Die Funktionsweise der blauen LED und des Spectral Addition Modules erschließen sich mir bis jetzt nicht. Wie können diese die nötige Leuchtdichte erreichen?

    http://www.projectorjunkies.com/είναι-το-μέλλον-στην-βιντεοπροβολή-το-2/
    Weitere Details zu einem Osram Phaser Modul:
    • 32 blaue Laser Dioden
    • Ein Phosphorrad, welche grünes und rotes Licht durch Umwandlung erzeigt
    • So werden für Beamer die drei Primärfarben erzeugt
    https://www.led-professional.com/re...er-optics-technology-for-medical-applications
    Infos zu Phaser 3000 und 500
    • Phaser 3000
      • 70CRI
      • 180W
      • 500cd/mm^2
    • Phaser 500
      • 65-70CRI
      • 40W
      • 3700cd/mm^2

    https://www.lasercomponents.com/de/...er_upload/home/Datasheets/osram/plpm4_450.pdf
    Osram PLPM4 450
    • Multi-Laser SMD Modul
    • 20 Laserdioden in 4x5 Raster
    • max. 65W an 450nm Stahlung bei 200W
    • also 3,25W pro LD, doppelt so viel, wie bei bishrigen Osram LDs
    • über 2000lm
    • Verschaltung: 5S, vier ansteuerbare Kanäle
    • Wärmewiderstand pro LD: 9,5°C/W

    http://www.soundlightup.com/flash-a...ser-nouvelle-arme-d-illumination-massive.html
    Französische Seite, wo erste Moving Heads mit Phosphor Laser Lichtquellen vorgestellt werden
    Bei letzterem sehe ich Probleme mit der Farbhomogenität.
     
    #20 The_Driver, 12. Februar 2018
    Zuletzt bearbeitet: 12. Februar 2018
    sma, djmykemyers, Xandre und ein weiterer Flashy haben sich hierfür bedankt.
  21. #21 Enderman, 12. Februar 2018
    Zuletzt bearbeitet: 12. Februar 2018
  22. Letztens hat mich Enderman auf Forschung zu Einzelkristallphosphor aufmerksam gemacht. Normalerweise wird ja ein Puder aus vielen kleinen Phosphorpartikeln in Silikon eingebettet. Silkon, wie es bei LEDs eingesetzt wird, ist leider kein guter Wärmeleiter.

    https://www.osapublishing.org/oe/viewmedia.cfm?uri=oe-24-2-A215&seq=0
    Paper zur Anwendbarkeit von Laser Einzelkristallphosphor Systemen für weiße Beleuchtung (Shuji Nakamura, der Erfinder der blauen LED und der blauen Laserdiode, ist nebenbei einer der Autoren)
    • keramischer Einzelkristallphorphor leitet Wärme deutlich besser ab als die von LEDs bekannte Silikon-Phosphor Mischung
    • So kann die Bestrahlungsdichte deutlich erhöht werden ohne Degradation des Phosphors und Effizienzverlust
    • Abgesehen von der Erwärmung der LD und ihrer steigenden Vf konnte man bei einem Versuch keinen Effizienzverlust bei steigendem Strom feststellen, die Helligkeit stieg Linear mit dem LD-Strom
    • Ein Quantumeffizienz von 95% wurde errechnet
    • Bei 1,4A erzielte man eine echte optische Effizienz (Watt pro Watt) von 81,1%
    • Bei 1,4A erzielte man 86,7lm/W, bei 3A noch 75,6lm/W
    • Man untersuchte auch, wie effizient das Licht von verschiedenen Laserwellenlängen umgewandelt wird
      • Die höchste Umwandlungseffizienz wird bei 435-455nm erreicht
    • Bei 3A erzielte man eine maximale Helligkeit von 1100lm mit 7300K und 62CRI
    http://jss.ecsdl.org/content/5/10/R172.full
    Paper mit weiteren Versuchen von Laserbestrahlung von Einzelkristallphosphor
    • Die Dicke eines Phosphorkristalls beeinflusst nicht seine Anregungs- und Emissionseigenschaften, aber die CIE Koordinaten (CCT und Lichtfarbe => je dicker, desto wärmer das Licht)
    • Die Größe eines Phosphorkristalls beeinflusst nicht seine Helligkeit
    • Wenn ein Phosphorkristall in einem Winkel von weniger als 90° (also schief) bestrahlt wird, geht ein Teil der Laserstrahlung durch Reflektion verloren
    • Man bestrahlte einen 5mm dicken Phosphorkristall mit drei Laserdioden und maß die Helligkeit bei steigender Bestrahlungsstärke
      • die Laser wurden jeweils auf einen 1mm^2 großen Spot fokussiert
      • Die Helligkeit stiegt Linear mit der Laserleistung
        • 1400lm bei 4,9W
        • 4300lm bei 14,4W
      • ähnliche Ergebnisse wurden mit dünneren Phosphorkristallen ermittelt
    • Die Helligkeit steigt mit zunehmender, freigelegter Oberfläche des Phosphorkristalls
    Auch konnte ich zunormalen Laser Phosphor Systemen weitere Infos finden:

    http://bura.brunel.ac.uk/bitstream/2438/11681/1/Fulltext.pdf
    Paper, wo verschiedene Methoden zur Verbesserung der Wärmeableitung von laserbestrahlten Phosphorzielen untersucht wurden
    • man verglich vier verschiedene Gruppen Phosphorscheiben (A-C, Kontrollgruppe), von denen drei auf verschiedene Arten verändert wurden, um die Wärmeableitung zu beeinflussen
    • Alle Scheiben wurden mit Wärmleitpaste als Übergang in Aluminiumkühlkörper verbaut
    • Gruppen A-C wurden aus einem 45° Winkel bestrahlt
    • Gruppe D wurde aus einem 90° Winkel bestrahlt
    • Phosphorscheibe D ohne Zusätze bestrahlt mit 1,5W:
      • Innerhalb von 15s stiegt die Temperatur von 15°C auf 122°C
      • Die abgegeben Lichtmenge sank innerhalb der ersten Sekunde von 285lm auf 60lm ab (zu diesem Zeitpunkt war die Temperatur bereits auf 87,1°C angestiegen)
      • Gleichzeitig stieg die Farbtemperatur und die Lichtfarbe ging stark ins blaue
    • Phosphorscheibengruppe A bestehend aus verschiedenen Mischungsverhältnissen an Phosphor und wärmeleitendem Material (der Gewichtsanteil des Phosphors variierte zwischen 2,5% und 20%)
      • Der Helligkeitsverlust im Verlauf der Zeit war bei allen Mischungsverhältnissen gleich
      • Die höchste Helligkeit wurde mit 10% Phosphoranteil erzielt
      • Bei 3W Laserleistung verlor die Scheibe mit 10% Phosphoranteil die Hälfte ihrer Anfangshelligkeit (640lm) nach 100s, deutlich langsamer als die reine Phosphorscheibe bei nur 1,5W Laserleistung
    • Phosphorscheibengruppe B bestand aus Scheiben, welche auf ein Wärmeleitendes Substrat aufgebracht waren
      • Sie wurden bestrahlt mit einer Laserleistung von 2,38W
      • Die Anfangshelligkeit (512lm) sank im Verlauf von 25h um nur 3,5% (zu Beginn gab es allerdings eigenartige Schwankungen)
      • Bei einer Bestrahlungsstärke von >2,4W wurden die Scheiben allerdings zerstört
    • Phosphorscheibengruppe C bestand aus vollständigen Modulen für die Anwendung in Autoscheinwerfern
      • Es wurden sowohl reine Phosphorscheiben als auch "C" Scheiben getestet
      • Sie wurden mit 5W Laserleistung bestrahlt
      • Die Helligkeit der reinen Phosphorscheiben sank innerhalb von 60s auf 30% ab
      • Die Helligkeit der "C" Scheiben sank vom Anfangswert (788lm) in 5h auf 88,5% ab (wobei die Helligkeit nach der ersten Betriebsstunde konstant blieb)
      • Die optische Systemeffizienz betrug nach 5h ca. 41,4%
      • Die Temperatur des Kühlkörpers, wo die Phosphorscheiben drin eingebettet waren, stiegt innerhalb der ersten 30min von 20°C auf 39°C

    http://jss.ecsdl.org/content/5/3/R26.full
    Paper, welches die Eignung von Hochleistungslaserdioden zusammen mit Phosphortargets für weiße Beleuchtung für Hochleistungsanwednungen untersucht
    • Es wurden zwei kommerziell erhältliche Phosphortypen geteste
    • Diese wurden in eine eigens entwickelte Matrix eingebettet, welche mit 26W/mK eine besonders gute Wärmeableitung aufweisen soll
    • So erhielten sie 5mm dicke Plättchen mit 15mm Durchmesser
    • Eine Nichia NDB7A75 LD mit G2-Linse wurde für die Bestrahlung genutzt (5W)
    • Man erzielte so 800lm und 217,6lm/W beim Einschalten
    • In den ersten 20min Betrieb sank die Helligkeit auf 92% ab
    • Mehrere Stunden langer Dauerbetrieb führte nicht zu einer Degradation des Phosphors (Helligkeit blieb konstant)
     
    #22 The_Driver, 24. Februar 2018
    Zuletzt bearbeitet: 25. Februar 2018
    Genießer, itf, Xandre und 7 andere Flashys haben sich hierfür bedankt.
  23. Vielen Dank für die tollen Erklärungen.
     
    The_Driver hat sich hierfür bedankt.
  24. Da brauch ich jetzt erst mal 'nen ruhigen Abend zum Lesen...
     
    The_Driver hat sich hierfür bedankt.
  25. @The_Driver , das Thema hats dir aber wirklich angetan:thumbsup:
     
  26. Ja, hat es. :)

    Vielleicht noch ein kleiner Hinweis:
    Ich habe die Paper jeweils gelesen oder zumindest überflogen und versucht alle Infos, welche für Taschenlampen relevant sein könnten, raus zu suchen und hier zusammenzufassen. Manche Dinge, wie z.B. die genaue Analyse der Oberflächenbeschaffenheit von Phosphor habe ich dann weg gelassen.
     
  27. Und? :pop:
     
  28. Es geht weiter:

    https://www.sciencedirect.com/scien...cd78af0&pid=1-s2.0-S0017931017327515-main.pdf
    Optisch-thermisches Modell zur Charakterisierung von Laser Phosphor

    https://forum.formlabs.com/t/phosphor-impregnated-resin-for-printed-lighting/6110
    Hier hat jemand mit einem 3D-Drucker und mit Phosphor imprägnierten Harz verschiedene Objekte gedruckt, welche alle durch blaue Strahlung zum Leuchten angeregt werden können.

    https://forum.formlabs.com/t/can-we-print-a-flashlight/6160
    Hier werden Versuche gezeigt obige Ideen zu nutzen, um mit einem 3D-Drucker ein Phosphorplättchen für eine Taschenlampe zu drucken.

    https://www.schott.com/advanced_opt...ial-materials/ceramic-phosphor-converter.html
    Die Schott Ag bietet keramische Phosphor Konverter an, welche eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit auweisen sollen. Gedacht sind diese für die Phosphorräder von Beamern.

    https://www.ikts.fraunhofer.de/cont...641_W_LEUCHTSTOFFE-UND-OPTOKE_2014-02-14x.pdf
    Das Fraunhofer Institut für keramische Technolgien und Systeme (IKTS) bietet ebenfalls keramischen Phosphor an

    http://www.opt-oxide.com/wp-content/uploads/2015/02/EPOCH_Leaflet-1.pdf
    Die japanische Firma Oxide bietet mit EPOCH einen speziellen Einzelkristallphorphor an, der ohne zusätzliche Stoffe in einem planen Lichtleiter eingebunden ist. Das soll die Wärmeableitung verbessern und das blaue Licht besser mit dem umgewandelten Licht vermischen, da Ersteres nicht mehr gerade durch geht.
     
    #28 The_Driver, 18. Mai 2018
    Zuletzt bearbeitet: 18. Mai 2018
    angerdan, sma, Xandre und ein weiterer Flashy haben sich hierfür bedankt.
  29. FrankFlash hat sich hierfür bedankt.
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