«Просветленный» источник.
О резерве повышения энергоэффективности светодиодов

В настоящее время сфера применения светодиодных источников стремительно расширяется: на сегодня они уже широко применяются в осветительных приборах не только бытового, но и промышленного назначения. Это происходит благодаря выдающимся свойствам, во многом определяющим их применимость: разно­образию спектральных и пространственных характеристик излучения, устойчивости ко внешним климатическим факторам, долговечности, надежности, отсутствию необходимости регламентного технического обслуживания и т. д. Планомерное совершенствование «начинки» диодных источников света с каждым годом делает их все более эффективными.

На фоне высокотехнологичной гонки за светоотдачей самого источника проблеме потерь светового потока после того, как он покинул p-n-переход, практически не уделяется никакого внимания, а, между тем, здесь может скрываться до 10% потерь. Автор предлагает читателям поискать резервы повышения эффективности светодиодов во вторичной оптике, оставив ученым-экспериментаторам и технологам поиск путей повышения внешнего квантового выхода полупроводниковых излучающих кристаллов.

Для определения сектора поиска рассмотрим кратко конструкцию светодиодных источников на примере наиболее типичных полупровод­никовых излучателей. Очевидно, кристалл с излучающим p-n-переходом необходимо защищать от воздействия внешних факторов. Для этого в самом простом варианте — в светодиодах, предназначенных для замены миниатюрных ламп накаливания, для работы в качестве портативных источников света, световых ориентиров и знаков, для архитектурной подсветки, освещения тротуаров и т. п., то есть там, где допустим достаточно широкий угол обзора 2q_1/2~120°, — ячейку заливают компаундом [2] (КА-8070/3, КТ-2117).

Для сужения диаграммы пространственного распределения силы света примерно до 90°, а иногда и до 20° (KAD1-1010), применяют фокусирующие линзы куполообразной формы [2] (КADS-8070, KTDG-8080) (рис. 1). Применяются такие диоды в светофорах, для освещения в автомобилях, в портативных фонарях, внешнем и внутреннем освещении, в архитектурной и ландшафтной подсветке, медицине, стоматологии и т. д. Для еще большего обострения угла свечения (2q_1/2~15°) используют специальные фокусирующие линзы: LT-019 [2], LZ4-04MDCA [3], PL50SIL [4]; в редких случаях — даже сапфировые.

Рис. 1. Примеры куполообразных линз

В любом случае конструктивного исполнения светодиода легко заметить, что световое излучение вынужденно пересекает границу «оптический материал–воздух», где неизбежно происходит его отражение. В зависимости от углов падения и оптической плотности материалов защитных стекол или фокусирующих линз светодиодов, потери мощности излучения могут достигать тех самых 10%, о которых говорилось выше. Причем здесь мы имеем дело не только с потерями светового потока, но и с вредным воздействием на сам источник: отраженная мощность возвращается в светодиод, разогревая его, что не способствует продолжительности срока его эксплуатации.

И здесь на помощь могут прийти давно использующиеся в оптике методы уменьшения отражения. Это так называемое «просветление», хорошо известное тем, кто имеет дело с очками или фото- и видеотехникой. Суть этого метода сводится к нанесению на границу оптических сред с показателями преломления n₁ и n₂ слоя вещества оптической плотности n₃ — так, что n₁>n₃>n₂ (рис. 2). При толщине такого слоя, составляющей нечетное число четвертей длин волн (l/4) света, испускаемого источником, отражение от границы раздела резко падает и может быть практически сведено к нулю путем использования двух-, трех-, или, скажем, пятислойного оптического покрытия.

Рис. 2. Принцип «просветления»

В настоящее время доступны различные технологии нанесения просветляющих оптических покрытий и соответствующее оборудование  (рис. 3). Ввиду того, что нанести слои толщиной в доли микрон в атмосфере не представляется возможным, для нанесения просветляющих покрытий используются вакуумные напылительные установки. Материалы, из которых в конечном итоге на оптических деталях формируются покрытия, способствующие повышению пропускания светового потока, испаряются в вакуумных камерах различными методами: при помощи электронного луча; электрическим током, нагревающим термический испаритель; путем бомбардирования мишени испаряемого материала ионами газа с высокой атомной массой (так называемый магнетронный метод). Вакуумное напыление позволяет также упрочнить внешнюю сторону фокусирующих линз, придавать им грязе- и водоотталкивающие свойства. Лидирующую позицию в технологии вакуумного напыления уже более 100 лет занимает немецкая фирма Leybold Optics, теперь входящая в швейцарский концерн Buhler AG.

Рис. 3. Традиционная компоновка оборудования для нанесения оптических покрытий в вакууме