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:
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.
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:
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
http://optics.org/news/4/11/17
Weiterer Artikel über die Laser Scheinwerfer von BMW
https://compoundsemiconductor.net/article/97529-lasers-light-the-road-ahead.html
Noch ein Artikel über die Laser Scheinwerfer von BMW
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.
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
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).
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.
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.
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:
- das CE-Kennzeichen aufweisen
- den Wellenlänge/-bereich aufgedruckt haben
- die Betriebsart/-en (D, I, R oder M) aufgedruckt haben
- die Schutzstufe (LB-Wert) aufgedruckt haben
- das Herstellerzeichen enthalten
- 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.
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:
- Aktives Medium
- Pumpe
- Resonator
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://google.com/patents/US20140226352
- https://google.com/patents/US20140226359
- https://www.google.com/patents/US20150055668
- Hier eine Liste zu Helmut Erdl: http://patents.justia.com/inventor/helmut-erdl
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 blaue Strahlung geht zum Teil
- 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.
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