Technik
Licht 2 | 2019

Wann ersetzt die Laserdiode die LED?

Kriterien und Anwendungen in der Laserbeleuchtung

Laserdiode (LD) und LED ähneln sich in ihrem Aufbau. Die Laserdiode besitzt einige Vorteile gegenüber der LED, also warum sollte sie nicht eines Tages die LED ersetzen?

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Die LED hat in den vergangenen Jahren einen grandiosen Siegeszug durch die Beleuchtungstechnik absolviert. Laserdioden basieren auf fast dem gleichen Prinzip wie klassische LEDs. Durch zusätzliche optische Resonatoren erzeugen sie ein wesentlich schmalbandigeres, kohärentes Licht mit einem Zehntel des Abstrahlwinkels verglichen mit LEDs, aber mit 10mal größerer Reichweite. Um aber Laserlicht wie LED-Licht einzusetzen, benötigt man unter anderem weißes Licht. Rein theoretisch kann eine LD pro Quadratzentimeter ca. 2.000 Mal so viel Licht erzeugen wie eine LED. Nur eine LED gegen eine LD austauschen geht nicht, denn die Abwärme würde wahrscheinlich Brände verursachen und die gleißende Lichtmenge jeden Anwesenden blenden bzw. Augen und Haut irreparabel schädigen.

Laserbeleuchtung findet man heute schon in gewissem Umfang, etwa als stimmungsvolle Beleuchtung im Außenbereich, in Parks, aber auch in Museen oder im Theater. Auch in der Bildverarbeitung in Produktionsstraßen ist Laserbeleuchtung, allerdings nicht immer in Weiß, Standard. Aber Laserdioden können mehr und haben in Autoscheinwerfern schon eine gewisse Karriere hinter sich. »Der Bauraum der Leuchten ist deutlich kleiner und die Lichtqualität besser für höhere Sicherheit. LDs haben eine besonders hohe Leuchtdichte. Dadurch können Bauelemente wie Reflektoren kleiner ausfallen, was eine kompaktere Bauform der Scheinwerfer bei großer Reichweite ermöglicht«, so Dr. Markus Richter, Unternehmenssprecher bei Hella. Bei Hella sieht man noch viele Anwendungen im Bereich Automobil. Auch in der Medizin oder in den Konzepten der Informationsübermittlung schätzt man Laserlicht. Nur, an eine konventionelle Raumbeleuchtung auf Basis von LDs, denkt man oft noch nicht.

»Da Laserdioden von Natur aus viel heller und effizienter sind als entsprechende LEDs, besteht ein großes Forschungsinteresse an der Entwicklung von Beleuchtungssystemen auf Basis von Laserdioden. Bei höheren Stromdichten und kleineren Formfaktoren können Laserdioden in Zukunft LEDs, auch bei Innenraumbeleuchtungen, überlegen sein«, fasst Prof. Bernhard Roth, Leiter HOT der Universität Hannover, zusammen.

Wie LEDs, so können auch LDs direkt kein weißes Licht erzeugen, sondern schaffen das entweder über den Umweg Phosphor oder als Kombination aus roter, grüner und blauer LD. LDs sind effizienter bei der Umwandlung von elektrischer in optische Leistung und schaffen hier abhängig vom Spektralbereich bis über 70% Wirkungsgrad. Zum Konvertieren des blauen Laserlichts gibt es unterschiedliche Phosphorvarianten um verschiedene Farbtemperaturen zu realisieren, teilweise bis 3500 K. Das Problem ist die Erwärmung des Phosphors und die damit verbundene Degradation, momentan Gegenstand intensiver Forschung. Versuche laufen in vielen Unternehmen. Laut »Lighting with laser diodes« (Chandrajit Basu, et a-, Adv. Opt. Techn. 2013; 2(4): 313–321) hat man auch bei OSRAM schon eine handelsübliche Laserdiode in einem Laborprototyp einer laserbasierten Weißlichtquelle ausprobiert.

Forscher der Arizona State University haben es 2015 geschafft, weißes Laserlichts mit einem monolithischen Halbleiteraufbau zu erzeugen, bei dem rotes, grünes und blaues Licht gleichzeitig emittiert wird. Normalerweise braucht man hier für jede Farbe einen Chip aus unterschiedlichem Halbleitermaterial und diese Halbleiter harmonieren im Allgemeinen nicht unbedingt gut miteinander, bedingt durch die unterschiedlichen Gitterkonstanten. Die Forscher fanden heraus, dass im Nanobereich diese Gitterunterschiede zwischen den Halbleiterkristallen besser toleriert werden können, »aber Lasernanostrukturen für durchstimmbare Laser bzw. weiße Laser sind noch weit vom Alltag weg und viele Grundlagen müssen noch erforscht werden«, weiß Bernhard Roth. Speziell Nanodrahtstrukturen scheinen hier vielversprechend zu sein.

LED versus LD

Eine LD profitiert von der Rückkopplung und dem eventuellen Gewinn der stimulierten Strahlungsemission. Eine LED dagegen funktioniert nur mit spontaner Strahlungsemission. LDs brauchen einen präzisen Stromtreiber und ein gutes Thermomanagement, um ausreichend lange zu leben. Das Licht einer LED ist inkohärent und meist stark divergent. Der Strahl einer LD ist besser zu steuern und zu fokussieren und lässt sich besser in optische Fasern einkoppeln.

Die LD bringt aber nicht nur Vorteile. Bei LDs treten oft sogenannte Speckle auf, die bei hinreichend kohärenter Beleuchtung optisch rauer Objektoberflächen entstehen. Hilfsmittel wie Diffusoren reduzieren die Speckle, senken aber auch die Effizienz des Ganzen.

Auch Prof. Roland Lachmayer, Leiter des ipeg der Universität Hannover, verweist auf die Unterschiede zwischen LD und LED: »Die sehr kleinen Lichtaustritte bei der LD erlauben sehr kleine Optiken und kleine Manipulatoren. Die LED mit ihrer geringeren Leuchtdichte braucht größere und damit teurere Optiken«. Auf dem Markt sind ihm momentan nur LD-Anwendungen im Auto bei Scheinwerfern bekannt und seiner Meinung nach wird das auch noch eine Weile so bleiben, denn Beleuchtungskonzepte mit LDs sind noch sehr aufwändig, zu teuer und das Thermomanagement lässt zu wünschen übrig. Jedenfalls wären die Kosten noch zu hoch, um LDs in der Raumbeleuchtung einzusetzen. »Die LD ist heute da, wo die LED vor etwa 20 Jahren war und ich kann mir vorstellen, dass LDs zukünftig vor allem dort eingesetzt werden, wo die Beleuchtung mit einem Zusatznutzen verbunden ist und sich ihr Einsatz deshalb lohnt«, so Roland Lachmayer. Ein möglicher Zusatznutzen wäre z.B. eine gleichzeitige Übermittlung von Informationen.

Dr. Jürgen Waldorf, Lichtexperte im ZVEI, findet hier deutlichere Worte: »LD-Beleuchtung für Innenräume ist momentan und in der nächsten Zeit kein Thema. Kanteneinspeisung und der Einsatz neuer Materialien eröffnen neue Möglichkeiten und sind in der Forschung.«

Dr. Paul Rudy, Mitbegründer von SLD Laser meint dazu: »Natürlich gibt es auch schon Ideen für eine LD-Beleuchtung der Zukunft. So denken wir darüber nach, das Laserlicht in Fasern oder in strukturierte Wellenleiterfolien einzukoppeln, und so ein flächiges, diffuses Licht zu erzeugen, das über die gesamte Oberfläche abgestrahlt wird und niemanden mehr blendet.« Und erste Ergebnisse einer Leuchtfaser gibt es schon.

Einen wichtigen Schritt hat man im Unternehmen mit der Entwicklung des LaserLight Moduls schon geschafft: ein 7×7 mm großes SMD-(Surface mounted device)-Bauteil aus dem blauen Laserdiodenchip, der nur einen 300-µm-Bereich eines 1×1 mm Leuchtstoffareals reflektierend ausleuchtet, plus einer Strahlfalle, die jegliches blaue Licht blockiert, das vom Einkristall reflektiert werden könnte. Das macht die Module augensicher, außerdem sind sie sind sogar zertifiziert.

Das LaserLight-Modul ist eines der ersten Laserlichtmodule mit weißem Licht und hoher Luminanz. »Es bietet eine hocheffiziente Glasfasereinkopplung des Lichts von einer proprietären und patentierten, semi-polaren Hochleistungs-GaN-Laserdiode und einem entfernten Hochleistungs-Leuchtstoffmodul. Unsere LaserLight Fiber enthält auch aktive Sensoren zur Sicherheitsüberwachung und zur genauen Leistungskontrolle«, berichtet Paul Rudy. Gegenwärtig sind die Lichtquellen für die Außenbeleuchtung vorgesehen, einschließlich Auto-, Entertainment-, Architekturanwendungen, etc. mit 6000 K Farbtemperatur und einem CRI (Colour Rendering Index) von 70. Einen Schritt auf dem Weg zur Beleuchtung ist es, Fasern mit inneren Nanostrukturen wie Luftblasen zu nutzen, die den eingekoppelten Strahl streuen und so eine Lichtquelle für Innenräume erzeugen.

Mittlerweile hat die vielfach ausgezeichnete LaserLight SMD-Produktlinie in den USA die UL-Zertifizierung für den Sicherheitsstandard für Festkörperleuchten ANSI / UL 8750 erhalten.

Erste Anwendungen der Technologie sind auf dem Weg, vorgestellt auf der Light + Building. So hat das italienische Unternehmen Targetti erste Beleuchtungsmodule vorgestellt, ein Ergebnis der Zusammenarbeit mit dem US-amerikanischen LensVector auf Basis von LaserLight. Ein Ergebnis ist ein Architektur-Lichtleitersystem. Ein weiteres System ist ein architektonisches faseroptisches Modul entwickelt in Partnerschaft mit Laser Components.

Damit Laserdioden eine bessere Ausgangsposition bekommen, müssten diese aber noch billiger werden, denn momentan kosten sie noch ein Vielfaches von LEDs. Auch viele Setups, um Laserlicht zu konvertieren, sind zwar alle sehr »sophisticated«, aber bei weitem zu aufwändig und teuer für die Alltagsbeleuchtung.

Weitere Informationen:

HELLA GmbH & Co. KGaA, Lippstadt, www.hella.com

HOT Universität Hannover, Hannover, www.hot.uni-hannover.de

Leibniz Universität Hannover Institut für Produktentwicklung und Gerätebau, Hannover, www.ipeg.uni-hannover.de

OSRAM Opto Semiconductors GmbH, Regensburg, www.osram.com/os

SLDLaser Headquarters & R&D, Santa Barbara (USA), www.sldlaser.com

Autorin: Dr. Barbara Stumpp, Freiburg

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 2 | 2019

Erschienen am 25. März 2019