RU207000U1 - Осветительное устройство - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области светотехники и может быть использована для создания осветительных устройств, использующих в качестве источника света удаленный фотолюминофор, излучение которого возбуждается по меньшей мере одним источником лазерного излучения. Заявленное осветительное устройство содержит лазерный модуль, включающий по меньшей мере один лазерный диод с по меньшей мере одной линзой с возможностью посредством оптического разъема соосного закрепления с проксимальным концом оптического волокна, и пространственно удаленный конвертер со слоем фотолюминофора, имеющий основание с внутренней отражающей поверхностью, и крышку, имеющую боковые стенки с внутренней отражающей поверхностью и возможностью закрепления их на основании, и часть, противолежащую основанию, находящуюся от отражающей поверхности основания на расстоянии h от оси оптического волокна, расположенного на отражающей поверхности основания, по меньшей мере частично повторяющую его форму и выполненную по меньшей мере частично из оптически прозрачного материала со слоем фотолюминофора, к которому прилегает рассеивающая линза. Также содержит оптоволоконную магистраль с по меньшей мере одним упомянутым оптическим волокном, с его дистальной частью длиной Ldв виде по меньшей мере одной ветви, находящейся на отражающей внутренней поверхности основания и с возможностью крепления на ней. Дистальная часть содержит чередующиеся участки длиной Lcс сердечником в оболочке и по меньшей мере один участок длиной Lrсо свободным от оболочки сердечником. Определены соотношения длин упомянутых участков, размеров расположения витков оптических волокон друг с другом и внутри конвертера. Технический результат - повышение КПД устройства за счет увеличения эффективности преобразования первичного лазерного излучения в белый свет в фотолюминофоре путем понижения рабочей температуры фотолюминофора. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области светотехники и может быть использована для создания осветительных устройств, использующих в качестве источника света удаленный фотолюминофор, излучение которого возбуждается по меньшей мере одним источником лазерного излучения.

В последнее время высокая актуальность проблем энергопотребления привела к бурному развитию энергосберегающих систем освещения на основе светодиодов. Логическим продолжением идеи использования светодиодов в осветительной технике является применение лазерных диодов, поскольку они обладают большей мощностью и эффективностью. Важным преимуществом использования лазерного диода является возможность за счет малого размера тела свечения и меньшей расходимости излучения более эффективно использовать оптическое волокно. Использование оптического волокна позволяет передавать первичное излучение лазерного диода к удаленно расположенному фотолюминофору. Такая концепция в конструкции осветительных устройств позволяет избежать нагрева фотолюминофорного материала от контакта с лазерным диодом, что значительно улучшает энергетические и колориметрические характеристики подобных осветительных устройств.

Известен источник белого света [US 2014/0126200 А1, МПК: F2IK 99/00, опубликовано 08.05.2014], принцип действия которого основан на возбуждении фотолюминесценции удаленного люминофора под воздействием первичного излучения лазерного диода. Осветительное устройство [US 2014/0126200 А1, МПК: F2IK 99/00, опубликовано 08.05.2014] включает лазерный диод, излучающий в коротковолновом спектральном диапазоне (ультрафиолетовом, синем, сине-зеленом, зеленом), оптическое волокно, соединенное с лазерным диодом и люминофорным элементом, освещаемым через торец и излучающим в более длинноволновой области спектра (желтой, красной).

Известна конструкция [US 2015/0009703 А1, МПК: F21V 8/00, опубликован 08.01.2015], содержащая источник лазерного излучения, линзу, оптический разъем, оптическое волокно и преобразователь с фотолюминофором (конвертер) в различных исполнениях, в которых первичное лазерное излучение падает на фотолюминофор из торца оптического волокна.

Недостатком указанных конструкций [US 2014/0126200 А1, МПК: F2IK 99/00, опубликовано 08.05.2014] и [US 2015/0009703 А1, МПК: F21V 8/00, опубликован 08.01.2015] является то, что в них фотолюминофор освещается из торца волокна. Это приводит к тому, что вся мощность первичного лазерного излучения сосредоточена на небольшом участке фотолюминофора, ограниченного числовой апертурой волокна, что вызывает локальный перегрев фотолюминофора, падение эффективности преобразования первичного излучения в белый свет и, как следствие, падение КПД осветительного устройства.

Известен светоизлучающий прибор [US 2006/0279950 A1, МПК: F21S 6/00, опубликован 14.12.2006], содержащий светоизлучающий элемент, преобразовательный элемент (конвертер), который включает в себя фотолюминофор и термически связанный с ним теплопроводный элемент, при этом светоизлучающий элемент и конвертер объединены оптическим волокном.

Недостатком указанной конструкции [US 2006/0279950 A1, МПК: F21S 6/00, опубликован 14.12.2006] является ограниченность диапазона используемых материалов для выполнения теплопроводного элемента. Теплопроводный элемент в конструкции [US 2006/0279950 A1, МПК: F21S 6/00, опубликован 14.12.2006] должен, с одной стороны, обладать высокой теплопроводностью для эффективного охлаждения фотолюминофора, а с другой стороны, должен обладать низким коэффициентом поглощения видимого излучения для того, чтобы не ограничивать распространение света из такого светоизлучающего прибора [US 2006/0279950 A1, МПК: F21S 6/00, опубликован 14.12.2006]. Подобными свойствами обладает только ограниченный набор специфических материалов, что увеличивает стоимость и трудоемкость при изготовлении даже маломощных светоизлучающих приборов, а при использовании конструкции [US 2006/0279950 A1, МПК: F21S 6/00, опубликован 14.12.2006] в системах с высокой мощностью, подобрать подходящий материал практически невозможно.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа [RU 165548 U1 МПК: F21V 8/00, F21K 99/00, опубликован 20.10.2016] является устройство, содержащее по меньшей мере один источник лазерного излучения с по меньшей мере одной линзой, закрепленный соосно с помощью оптического разъема с проксимальным концом оптического волокна, и удаленный фотолюминофор в конвертере. Фотолюминофор облучается лазерным излучением из дистального торца оптического волокна, закрепленного в конвертере на заданном расстоянии от фотолюминофора. Использовано оптическое волокно с сердечником в оболочке диаметром, равным а, при диаметре сердечника, равным b. Из преимуществ прототипа перед рассмотренными выше аналогами следует подчеркнуть, что фотолюминофор термически не связан с источником лазерного излучения - лазерным диодом, а также то, что фотолюминофор удален от торца оптического волокна, что позволяет облучать большую его площадь, тем самым уменьшая плотность мощности излучения. Недостатком устройства - прототипа [RU 165548 U1 МПК: F21V 8/00, F21K 99/00, опубликован 20.10.2016] является то, что при облучении фотолюминофора с торца волокна площадь засветки ограничена расходимостью пучка излучения, что ввиду малой площади области облучения фотолюминофора приводит к малой эффективности осветительного устройства. При достижении плотности мощности первичного лазерного излучения некоторого значения, выделяемое в фотолюминофоре тепло приводит к уменьшению эффективности преобразования первичного лазерного излучения в белый свет и, следовательно, снижает КПД устройства [RU 165548 U1 МПК: F21V 8/00, F21K 99/00, опубликован 20.10.2016].

Техническим результатом предложенного осветительного устройства является повышение КПД устройства за счет увеличения эффективности преобразования первичного лазерного излучения в белый свет в фотолюминофоре путем понижения рабочей температуры фотолюминофора.

Технический результат достигается тем, что предложено осветительное устройство, содержащее по меньшей мере один лазерный диод с по меньшей мере одной линзой с возможностью посредством оптического разъема их соосного закрепления с проксимальным концом оптического волокна, имеющего сердечник в оболочке диаметром, равным a, при диаметре сердечника, равным b, и далее конвертер со слоем фотолюминофора с возможностью крепления на удаленном расстоянии от лазерного диода. Упомянутый конвертер имеет основание с внутренней отражающей поверхностью и крышку, имеющую боковые стенки с внутренней отражающей поверхностью и возможностью закрепления их на основании, а также часть, противолежащую основанию, по меньшей мере частично повторяющую его форму и выполненную по меньшей мере частично из оптически прозрачного материала со слоем фотолюминофора, к которому прилегает рассеивающая линза. Далее имеется оптоволоконная магистраль с по меньшей мере одним упомянутым оптическим волокном, с его дистальной частью длиной L_d, находящейся на отражающей внутренней поверхности основания в виде по меньшей мере одной произвольной формы, с возможностью ее крепления на основании, внутренняя поверхность упомянутой части крышки находится от оси оптического волокна на расстоянии h, варьируемого от превышения упомянутого размера b диаметра сердечника до технологически допустимого превышения упомянутого размера а диаметра оболочки с сердечником. Кроме того, дистальная часть содержит по меньшей мере один участок длиной L_c с сердечником в оболочке и по меньшей мере один участок длиной L_r со свободным от оболочки сердечником, причем размеры участков длиной L_c не превышают величины упомянутого расстояния h, а величины L_r и L_d удовлетворяют соотношению

,

где P_in - мощность первичного излучения лазерного диода на входе в дистальную часть (конвертер) оптического волокна, (Вт);

P_out - мощность первичного излучения лазерного диода на выходе из торца дистальной части оптического волокна P_out<0.5⋅P_in, (Вт);

α₁ - коэффициент затухания излучения на участках дистальной части оптического волокна со свободным от оболочки сердечником,

Технический результат достигается также тем, что часть внутренней поверхности крышки, противолежащая поверхности основания и выполненная из непрозрачного материала, имеет отражающее покрытие.

Технический результат достигается также тем, что дистальная часть оптоволоконной магистрали находится на отражающей поверхности основания в виде спирали, повторяющей конфигурацию основания, с шагом между оптическими осями соседних витков спирали, близким упомянутому расстоянию h, в пределах технологической ошибки.

Технический результат достигается также тем, что дистальная часть оптоволоконной магистрали находится на отражающей поверхности основания в виде параллельных оптических волокон с отдельными входами и выходами, размещенными с шагом между их оптическими осями, близким упомянутому расстоянию h, в пределах технологической ошибки.

В ряде случаев технический результат достигается также тем, что

основание конвертера имеет вид диска;

основание конвертера имеет вид прямоугольника, причем его сторона, используемая для ввода оптического волокна, имеет ширину не менее 2Н.

Существенное отличие предложенного осветительного устройства - это использование предложенной выполненной оригинальным и неочевидным образом дистальной части каждого из оптических волокон оптоволоконной магистрали (а именно чередующиеся участки длиной L_c с сердечником в оболочке с участками длиной L_r со свободным от оболочки сердечником, например, с равномерным их распределением по длине дистальной части L_d оптического волокна, при этом L_c ≤ h ≤ L_r) в совокупности с оригинальной конструкцией конвертера, позволившее обеспечить равномерное и плотное расположение на его основании требуемого количества произвольных форм (например, в виде витков, либо спрямленных форм) упомянутой дистальной части оптического волокна (одного и более) оптоволоконной магистрали и достигнуть необходимой плотности их размещения. Предложение позволяет получить равномерную засветку прозрачной части крышки со слоем фотолюминофора, противолежащей уложенным на основании произвольным формам оптического волокна и эффективное преобразование первичного лазерного излучения в белый свет. Заявленная совокупность существенных признаков обеспечила максимальный вывод потока излучения и значительное снижение потерь мощности первичного лазерного излучения при формировании потока излучения в латеральном направлении. Понижена рабочая температура фотолюминофора при использовании излучения высокой мощности, что привело к увеличению эффективности преобразования первичного лазерного излучения в белый свет в фотолюминофоре. Получено значительное повышение КПД осветительного устройства.

Из литературы известна система рассеивания света [US 6418252 В1, G02B 6/26, опубликовано 18.07.2002], с возможностью рассеяния света в латеральном направлении для обеспечения передачи света в целевую область. В устройстве [US 6418252 B1, G02B 6/26, опубликовано 18.07.2002] первичное лазерное излучение из лазерного диода попадает в транспортировочное оптическое волокно, затем первичное лазерное излучение из транспортировочного оптического волокна попадает в латерально-излучающее волокно, которое обеспечивает создание протяженного тела свечения. Однако, известная конструкция [US 6418252 B1, G02B 6/26, опубликовано 18.07.2002] не предназначена для использования в осветительных устройствах с удаленным фотолюминофором.

Удаление оболочки на дистальном участке оптического волокна позволяет получить направленное латерально первичное лазерное излучение. Механизм латерального распространения излучения связан с рассеянием Ми на дефектах [Конкин Д.А. Рассеяние Ми на неоднородностях сердцевины градиентного волокна в направляемые и вытекающие моды // Доклады ТУСУР. - 2012. - №2(26). - Ч.2. - С. 82-85], возникающих на границе сердцевины волокна и воздуха. Дефекты являются центрами рассеяния и под влиянием электромагнитной волны приходят в колебания, тем самым становятся источниками вторичных волн, формирующих рассеянное излучение. Интенсивность рассеяния Ми зависит от концентрации центров рассеяния, их размера, типа и геометрии, определяемых технологией удаления оболочки. Кроме того, использование для передачи и рассеяния первичного лазерного излучения единого оптического волокна позволяет минимизировать оптические потери на оптических соединениях, что также увеличивает КПД осветительного устройства.

Протяженность дистальной части L_d оптического волокна, состоящей из чередующихся участков длиной L_c с сердечником в оболочке и участками длиной L_r со свободным от оболочки сердечником, определяется из условия необходимости рассеять первичное лазерное излучение до требуемой мощности P_out,, которое должно быть менее половины входной мощности P_in, что в свою очередь обеспечивает равномерность распределения первичного лазерного излучения по всей площади фотолюминофорного материала.

Величина затухания оптической мощности первичного лазерного излучения в оптическом волокне определяется выражением (см. [Н.В. Никоноров, А.И. Сидоров, «Материалы и технологии волоконной оптики: специальные оптические волокна». Учебное пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009 г. - 130 стр.; стр. 37 соотношение 1.2.6]):

.

В случае, когда часть оболочки удалена, максимальное затухание оптической мощности первичного лазерного излучения происходит на участках со свободным от оболочки сердечником L_r. Таким образом, зная величину затухания α, можно определить общую длину оптического волокна со свободным от оболочки сердечником ∑L_r. Произведя замену в выражении (2) величины L на ∑L_r, перенеся ∑L_r в левую часть выражения, и произведя замену α на α₁ - коэффициент затухания излучения на участках ∑L_r и перенеся величину α₁ в правую часть, выражение (2) примет вид выражения (1).

Известно несколько моделей определения зависимости эффективности преобразования излучения в фотолюминофорном материале и изменении светового потока фотолюминофора при его деградации в зависимости от его температуры. Для удаленного фотолюминофора, который используется в рассмотренных ранее устройствах, известна [M. Yazdan Mehr, W.D.van Driel, G.Q. Zhang, Accelerated life time testing and optical degradation of remote phosphor plates // Microelectronics Reliability, Volume 54, Issue 8, August 2014, Pages 1544-1548] зависимость, которая определяется из соотношения

,

где Ф - световой поток фотолюминофора, лм;

β - максимальный световой поток до начала процесса деградации фотолюминофора, лм;

t - время деградации, с;

α' - поправочный коэффициент, с^-1.

Поправочный коэффициент, в свою очередь, определяется из соотношения

,

где А- коэффициент, характеризующий природу фотолюминофора, с^-1;

Е_α - энергия активации деградационного процесса в фотолюминофоре, эВ;

k - постоянная Больцмана, эВ/К;

Т - рабочая температура фотолюминофора, К.

Из соотношений (3) и (4) видно, что световой поток Ф более нагретого люминофора будет всегда ниже, чем у менее нагретого, кроме того, разница между ними со временем будет расти экспоненциально. Таким образом, рабочая температура Т фотолюминофора значительно влияет на КПД устройства.

Для систем освещения с удаленным фотолюминофором основной вклад в нагрев вносят стоксовы и безызлучательные потери, возникающие при преобразовании первичного лазерного излучения в белый свет. Протекание данных процессов приводит к выделению энергии, которая передается кристаллической решетке материала фотолюминофора. При повышении температуры фотолюминофора вклад в нагрев от стоксовых и безызлучательных процессов растет. В результате образуется положительная обратная связь: чем сильнее нагрет фотолюминофор, тем сильнее падает эффективность преобразования первичного лазерного излучения.

Одним из способов уменьшения рабочей температуры фотолюминофора является уменьшение плотности мощности первичного лазерного излучения, падающего на фотолюминофор. Для оценки минимального вклада уменьшения плотности мощности первичного лазерного излучения в изменение температуры необходимо использовать определение теплоемкости фотолюминофора. Известно [Л. Ландау, А. Китайгородской. Молекула. Строительный материал вселенной - М.: РИПОЛ классик, 2017. - 320 с. 106], что изменение температуры фотолюминофора ЛТ определяется из соотношения

,

где ΔТ разница между конечной и начальной температурой фотолюминофора, К;

Q - поглощенная фотолюминофором энергия, Дж;

с - удельная теплоемкость фотолюминофора, Дж⋅кг^-1⋅К^-1;

m - масса фотолюминофора, кг.

Очевидно, уменьшение плотности мощности первичного лазерного излучения эквивалентно тому, что одно и то же количество энергии поглощается большей площадью фотолюминофора. Таким образом, выражение (5) можно записать в следующем виде:

,

где ρ - плотность фотолюминофора, кг⋅м^-3;

s' - облучаемая площадь, м²;

D - толщина фотолюминофора, м.

Из соотношения (6) видно, что нагрев фотолюминофора находится в обратно пропорциональной зависимости от облучаемой площади фотолюминофора. Исходя из показанных соотношений (5, 6), уменьшение плотности мощности позволит добиться повышения эффективности преобразования первичного лазерного излучения в белый свет и, соответственно, обеспечит повышение КПД осветительного устройства в целом.

При этом закрепление произвольных форм (далее, например, в виде витков) одного или нескольких оптических волокон (дистальной части) оптоволоконной магистрали на основании конвертера с шагом S, который не превышает расстояние h от оси оптического волокна до слоя фотолюминофора и удаление оболочки на участках дистальной части оптического волокна с интервалом L_c, который так же не превышает упомянутое расстояние h, обеспечивает перекрытие соседних потоков излучения от каждого участка L_r со свободным от оболочки сердечником на фотолюминофоре, что, в свою очередь, обеспечивает равномерность распределения первичного лазерного излучения по всей площади фотолюминофорного материала.

Для определения минимального значения шага S в зависимости от величины h, с помощью САПР Solidworks Flow Simulation 14 было проведено численное моделирование распределения теплового поля от точечных источников излучения для фотолюминофорного материала состоящего из монокристаллического алюмоиттриевого граната толщиной 1 мм, теплопроводностью 0,14 Вт⋅см^-1⋅К^-1 и удельной теплоемкостью 590 Дж⋅кг^-1⋅К^-1. Критерием эффективности была выбрана рабочая температура 150°С и однородность температуры на поверхности фотолюминофора, обращенной к излучателям, не более 10°С, что согласно литературным данным [Shuxing Li, Qiangqiang Zhu, et al., Al2O3-YAG:Ce composite phosphor ceramic: a thermally robust and efficient color converter for solid state laser lighting, ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 6, 5673-5681], обеспечивает флуктуацию интенсивности вторичного излучения в пределах 5%. По результатам моделирования было получено, что необходимое для достижения технического результата распределение теплового поля в фотолюминофоре достигается при соотношении

.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что уменьшение плотности мощности первичного лазерного излучения, а, следовательно, температуры фотолюминофора можно достичь обеспечением возможности одновременной засветки значительной площади фотолюминофора. Приведенная выше совокупность существенных признаков предлагаемой конструкции осветительного устройства обеспечивает возможность формирования латерального потока первичного лазерного излучения со значительным поперечным сечением, который способен облучать одновременно и равномерно значительные площади фотолюминофора, что необходимо для уменьшения плотности мощности первичного лазерного излучения и, следовательно, для уменьшения доли безызлучательной рекомбинации, увеличения эффективности преобразования первичного лазерного излучения в белый свет в фотолюминофоре и, как следствие, увеличения КПД осветительного 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». Из всех обнаруженных нами источников информации вытекает неочевидность предложенной нами совокупности признаков.

Технологическая реализация предложенного осветительного устройства основана на известных базовых методах его изготовления, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «Промышленная применимость».

Предлагаемое осветительное устройство проиллюстрировано фигурами 1-8.

На Фиг. 1 - схематически изображен общий вид предлагаемого осветительного устройства с плоским конвертером с n лазерными диодами и n оптическими волокнами в оптоволоконной магистрали.

На Фиг. 2 - схематически изображен продольный разрез конвертера в виде диска. При этом лазерный модуль не входит в плоскость разреза.

На Фиг. 3 - схематически изображен внутренний вид основания конвертера в виде диска при снятой крышке с витками спирали дистальной части одного оптического волокна.

На Фиг. 4 - схематически изображен внутренний вид основания конвертера в виде диска при снятой крышке с витками спирали дистальных частей двух оптических волокон.

На Фиг. 5 - схематически изображена дистальная часть одного оптического волокна с указанием на нем участков длиной L_c с сердечником в оболочке и участков длиной L_r со свободным от оболочки сердечником.

На Фиг. 6 - схематически изображен общий вид предлагаемого осветительного устройства с конвертером, выполненном в виде пинала с одним лазерным модулем и одним оптическим волокном в оптоволоконной магистрали.

На Фиг. 7 - схематически изображен продольный разрез конвертера, выполненного в виде пинала.

На Фиг. 8 - схематически изображен внутренний вид основания конвертера, выполненного в виде пинала, при снятой крышке с прямо уложенной дистальной частью одного оптического волокна.

Осветительное устройство, иллюстрируемое на Фиг. 1-8 включает следующие составные части. На Фиг. 1 изображены лазерный модуль 1, который имеет п лазерных диодов ЛД1÷ЛДn с n линзами (на фигурах не показаны) для каждого лазерного диода, соответственно, конвертер 2, оптоволоконная магистраль 3 с n оптическими волокнами 3¹÷3ⁿ. На Фиг. 2 изображен конвертер 2, включающий основание 4 с отражающей поверхностью 5, дистальная часть одного оптического волокна 3¹, уложенная витками по спирали, а также крышка 6 конвертера 2 со слоем фотолюминофора 7 на оптически прозрачной части 8 крышки 6 с рассеивающей линзой 9, отражающей боковой внутренней поверхностью 10 крышки бис элементами крепления 11 на основании 4 конвертера 2. На Фиг. 2 указано расстояние h от оптической оси оптического волокна 3¹ до внутренней поверхности слоя фотолюминофора 7 на крышке 6.

На основании 4 конвертера 2, изображенном на Фиг. 3, выполненного в виде плоского диска с диаметром d, расстояния между оптическими осями соседних витков спирали дистальной части одного оптического волокна 3¹ выполнены равными шагу S, диаметром d₁ обозначен максимальный диаметр уложенной спирали (размер по виткам, ближайшим к боковым краям основания 4), при этом расстояние Н от оптической оси ближайшего к краю основания 4 витка оптического волокна 3¹ не превышает расстояния h от оптической оси оптического волокна 3¹ до слоя фотолюминофора 7, т.е. выполняется соотношение d = d₁ + 2Н.

При формировании оптоволоконной магистрали двумя оптическими волокнами 3¹, 3² на основании 4 (см. Фиг. 4) расстояния между оптическими осями соседних витков спирали также равны шагу S, как и при использовании одного оптического волокна (см. Фиг. 3).

На дистальной части длиной L_d одного из оптических волокон, изображенной на Фиг. 5, показаны участки равной длины L_r с сердечником 12, свободным от оболочки 13. Участки L_r равномерно распределены по всей длине L_d дистальной части оптического волокна и чередуются с участками L_c с покрытым оболочкой 13 сердечником 12, длина L_c которых не превышает величину расстояния h.

Далее полезная модель поясняется конкретными вариантами реализации.

Пример реализации I.

При реализации предлагаемой конструкции осветительного устройства (Фиг. 1-3 и 5) с одним оптическим волокном 3¹ оптоволоконной магистрали 3, имеющего упомянутый диаметр а, равный 1,25⋅10^-4 м, оболочки 13 с сердечником 12, и упомянутый диаметр b, равный 1⋅10^-4 м, сердечника 12, использован конвертер 2 с основанием 4 в виде диска диаметром d, равном 0,5 м, и крышкой 6, на оптически прозрачном участке 8, на которой имеется слой фотолюминофора 7, расположенный на расстоянии h, равном 0,03 м, от оптической оси оптического волокна 3¹, закрепленного на отражающем покрытии основания 4. Крышка 6 имеет отражающую боковую внутреннюю поверхность 10. В качестве источника лазерного излучения использовался лазерный модуль 1, изготовленный на основе лазерного диода марки NICHIA NUMB08, мощностью P_in, равной 5 Вт, при этом коэффициент затухания в оптическом волокне 3¹ марки Thorlabs FR200URT после формирования участков L_c и L_r по всей длине дистального участка составил 0,7 дБ/м.

Для обеспечения однородной засветки слоя фото люминофора 7, оптическое волокно 3¹ со свободным от оболочки 13 сердечником 12 должно быть уложено на расстоянии Н от края основания 4 конвертера 2 в виде спирали с шагом S, равным расстоянию h (в пределах технологической ошибки) между осью оптического волокна 3¹, расположенного на основании 4 конвертера 2, и слоем фотолюминофора 7 на крышке 6, и при таком выборе величины диаметра d₁, чтобы выполнялось соотношение

.

Выполнение условия (8) позволяет добиться однородной засветки по краям диска основания 4 конвертера 2. В реализуемом примере d₁ равно 0,485 м.

Для укладывания спирали с диаметром d₁ и шагом S необходимая длина дистального участка L_d оптического волокна выбрана равной 24,625 м. Для того, чтобы определить протяженность волокна ∑L_r со свободным от оболочки 13 сердечником 12 необходимо воспользоваться выражением (1). Измеренное значение выходной мощности P_out на выходном торце дистальной части оптического волокна составило 0,25 Вт, что соответствует рассеянию в волокне со свободным от оболочки 13 сердечником 12 до 95% входной мощности. При этом значение суммарной длины оптического волокна с участками свободными от оболочки 13 сердечником 12 ∑L_r при выходной мощности P_out составило

Для обеспечения однородности, участки оптического волокна 3¹ со свободным от оболочки 13 сердечником 12 (см. Фиг 5) общей протяженностью ∑L_r должны быть распределены по дистальной части L_d оптического волокна 3¹ таким образом, чтобы длина каждого из участков L_c с покрытым оболочкой 13 сердечником 12 не превышала величину расстояния h от слоя фотолюминофора 7 до оптической оси оптического волокна 3¹. Таким образом можно рассчитать количество участков n оптического волокна 3¹ с покрытым оболочкой 13 сердечником 12:

Из отношения суммарной длины оптического волокна 3¹ со свободным от оболочки 13 сердечником 12 ∑L_{r и} покрытым оболочкой 13 сердечником 12 ∑L_c можно определить отношение длины оптического волокна со свободной от оболочки 13 сердечником 12 на каждом участке L_r и с покрытой оболочкой 13 сердечником 12 L_c.

.

Соответственно, протяженность L_r каждого участка оптического волокна 3¹ со свободным от оболочки 13 сердечником 12 будет равна

.

Таким образом, округлив полученные значения, в данном примере реализации на дистальном участке оптического волокна 3¹ длиной L_d, равной 24,625 м, был сформирован 201 участок L_r с длиной, равной 0,09024 м оптического волокна 3¹ со свободным от оболочки 13 сердечником 12, чередующиеся с 201 участком L_c с длиной, равной 0,03 м оптического волокна 3¹ с покрытым оболочкой 13 сердечником 12.

Осветительное устройство работает следующим образом: первичное лазерное излучение, генерируемое лазерным диодом ЛД1, попадает в оптическое волокно 3¹ оптоволоконной магистрали 3, по которому с минимальными потерями доводится до конвертера 2, в котором оптическое волокно 3¹ закреплено в виде витков спирали с шагом S на отражающей поверхности 5 основания 4. На дистальной части оптического волокна 3¹ сформирован 201 участок со свободным от оболочки 13 сердечником 12, из которых первичное лазерное излучение распространяется латерально за счет рассеяния на неоднородностях, сформировавшихся в процессе удаления оболочки 13 на участках L_r, на границе сердечника 12 и воздуха. Далее рассеянное первичное лазерное излучение переотражается от отражающей поверхности 5 основания 4 и отражающей боковой внутренней поверхности 10 крышки 6 и попадает на слой фотолюминофора 7 в виде широкого пучка излучения с поперечным сечением, равным внутреннему диаметру крышки 6. В слое фотолюминофора 7 первичное лазерное излучение преобразуется в белый свет. Рассеивающая линза 9 создает требуемую диаграмму направленности белого света.

Световой поток указанного в примере реализации осветительного устройства составил 756 лм, при световой эффективности 176 лм/Вт, в то время как световая эффективность устройства-прототипа с аналогичным составом и толщиной фотолюминофора, при мощности первичного лазерного излучения 1 Вт, составила 165 лм/Вт, что свидетельствует о повышении КПД на 7%.

Пример реализации II.

В отличие от первого примера в данном случае в осветительном устройстве (см. Фиг. 1, 4, 5) использована оптоволоконная магистраль 3 из двух оптических волокон 3¹ и 3². Использован аналогичный конвертер 2 с основанием 4 в виде диска диаметром d, равным 0,5 м, и крышкой 6, на оптически прозрачном участке 8 которой имеется слой фотолюминофора 7. В отличие от первого примера от оптических осей каждого оптического волокна 3¹ и 3² до слоя фотолюминофора 7 расстояния h равны по 0,05 м, соответственно. В качестве источника первичного лазерного излучения использовался лазерный модуль 1, изготовленный на основе двух лазерных диодов ЛД1 и ЛД2 марки NICHIA NUMB08, каждый мощностью P_in, равной 5 Вт, при этом значение коэффициента затухания каждого оптического волокна 3¹ и 3² марки Thorlabs FR200URT после формирования участков L_c и L_r по всей длине дистальной части L_d, составило 3 дБ/м.

Для обеспечения однородной засветки слоя фотолюминофора 7 предложено следующее. На основании 4 выложена спираль, состоящая из двух нитей, соответствующих оптическим волокнам 3¹ и 3². Нити спирали должны быть уложены на расстоянии Н от края основания 4 конвертера 2 с шагом S равным расстоянию h (в пределах технологической ошибки) между осями оптических волокон 3¹ и 3², т.е. между осями нитей 3¹ и 3² спирали.

Для каждого оптического волокна 3¹ и 3², т.е. для каждой нити 3¹ и 3² спирали, длина дистальной части L_d составила по 6,118 м, соответственно, а значение суммарной длины ∑L_r для каждого оптического волокна 3¹ и 3² со свободным от оболочки 13 сердечником 12 составило, соответственно, по 4,336 м.

Количество n участков L_c с покрытым оболочкой 13 сердечником 12 на каждой из спиралей для каждого оптического волокна 3¹ и 3²:

Из отношения суммарной длины ∑L_r для каждого оптического волокна 3¹ и 3² со свободным от оболочки 13 сердечником 12 ∑L_r и с покрытым оболочкой 13 сердечником 12 ∑L_c можно определить отношение длины оптического волокна с удаленной оболочкой 13 на каждом участке L_r и с покрытым оболочкой 13 сердечником 12 L_c

.

Соответственно, протяженность каждого участка L_r для каждого оптического волокна 3¹ и 3² с удаленной оболочкой 13 будет равна:

.

Таким образом, после округления полученных значений, в данном примере реализации на дистальных участках оптических волокон 3¹ и 3² длиной Ld, равной по 6,118 м каждое, было получено по 36 равноудаленных участков длиной L_r = 0,121 м оптического волокна со свободным от оболочки 13 сердечником 12 и столько же участков L_c длиной 0,05 м оптического волокна с покрытым оболочкой 13 сердечником 12 для каждого оптического волокна 3¹ и 3².

Предложенное в примере II осветительное устройство работает аналогично устройству в примере I, при этом суммарная мощность первичного лазерного излучения составила 10 Вт.

Световой поток представленного в примере реализации осветительного устройства составил 1483 Лм, при световой отдаче 190 лм/Вт, что свидетельствует о повышении КПД на 15,2%.

Пример реализации III.

При реализации предлагаемой конструкции осветительного устройства (Фиг. 6, 7, 8) использован лазерный модуль 1 (см. Фиг. 6), содержащий один лазерный диод NICHIA NUMB08, с помощью оптического разъема соосно закрепленного с проксимальным концом одного оптического волокна 3¹ оптоволоконной магистрали 3, имеющего упомянутый диаметр а, равный 1,25⋅10^-4 м, оболочки 13 с сердечником 12, и упомянутый диаметр b, равный 1⋅10^-4 м, сердечника 12. Дистальная часть оптоволоконной магистрали 3 размещена на основании 4 конвертера 2 (см. Фиг. 7), выполненного в виде пинала, состоящего из основания 4, вдоль отражающей поверхности 5 которого уложена одна ветвь оптического волокна 3¹ длиной L_d, равной 2 м с участками покрытыми оболочкой 13 сердечника 12 длиной L_c, равной 0,01 м, чередующимися с участками со свободными от оболочки 13 сердечника 12 длиной L_r, равной 0,03 м. На основание 4 помещена крышка 6 с верхней частью и боковыми стенками. Верхняя часть повторяет форму основания 4, имеет протяженный оптически прозрачный участок 8 со слоем фотолюминофора 7 и с рассеивающей линзой 9. Боковые стенки крышки 6 с внутренним отражающим покрытием 10 закреплены элементами крепления 11 на основании 4 на расстоянии Н, равном 0,03 м с каждой стороны от оптического волокна 3¹, а верхняя часть находится от оптической оси оптического волокна 3¹ на расстоянии h, равном 0,03 м.

В качестве источника лазерного излучения использовался лазерный модуль 1, изготовленный на основе лазерного диода марки NICHIA NUMB08, мощностью P_in, равной 5 Вт, при этом значение коэффициента затухания в оптическом волокне 3¹ Thorlabs FR200URT после формирования участков L_r и L_c по всей длине дистального участка, составило 0,7 дБ/м.

При работе данного осветительного устройства получен световой поток 758 люмен, при световой эффективности 176 лм/Вт, что свидетельствует о повышении КПД на 7%.

Приведенные примеры модификаций не являются единственными и предполагают наличие других реализаций, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы полезной модели.

Как показано в приведенных примерах реализации, предложенное осветительное устройство позволило значительно снизить плотность оптической мощности первичного лазерного излучения, падающего на слой фотолюминофора в конвертере, что позволяет предотвратить перегрев фотолюминофора при использовании первичного лазерного излучения большой мощности и, следовательно, обеспечить повышение эффективности преобразования излучения в белый свет и КПД устройства.

Claims (6)

1. Осветительное устройство, содержащее по меньшей мере один лазерный диод с по меньшей мере одной линзой с возможностью посредством оптического разъема соосного закрепления с проксимальным концом оптического волокна, имеющего сердечник в оболочке диаметром, равным а, при диаметре сердечника, равным b, и далее конвертер со слоем фотолюминофора с возможностью крепления на удаленном расстоянии от лазерного диода, отличающееся тем, что упомянутый конвертер имеет основание с внутренней отражающей поверхностью и крышку, имеющую боковые стенки с внутренней отражающей поверхностью и возможностью закрепления их на основании, а также часть, противолежащую основанию, по меньшей мере частично повторяющую его форму и выполненную по меньшей мере частично из оптически прозрачного материала со слоем фотолюминофора, к которому прилегает рассеивающая линза, далее имеется оптоволоконная магистраль с по меньшей мере одним упомянутым оптическим волокном, с его дистальной частью длиной L_d, находящейся на отражающей внутренней поверхности основания в виде по меньшей мере одной произвольной формы, с возможностью ее крепления на основании, внутренняя поверхность упомянутой части крышки находится от оси оптического волокна на расстоянии h, варьируемого от превышения упомянутого размера b диаметра сердечника до технологически допустимого превышения упомянутого размера а диаметра оболочки с сердечником, кроме того, дистальная часть содержит по меньшей мере один участок длиной L_c с сердечником в оболочке и по меньшей мере один участок длиной L_r со свободным от оболочки сердечником, причем размеры участков длиной L_c не превышают величины упомянутого расстояния h, а величины L_r и L_d удовлетворяют соотношению

,

где P_in - мощность первичного излучения лазерного диода на входе в дистальную часть (конвертер) оптического волокна, (Вт);

P_out - мощность первичного излучения лазерного диода на выходе из торца дистальной части оптического волокна P_out<0.5⋅P_in, (Вт);

α₁ - коэффициент затухания излучения на участках дистальной части оптического волокна со свободным от оболочки сердечником,

2. Осветительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что часть внутренней поверхности крышки, противолежащая поверхности основания и выполненная из непрозрачного материала, имеет отражающее покрытие.

Images