Modelleren van LED- en laser-gebaseerde lichtbronnen met een hoge helderheid

Efficiëntie is altijd een belangrijke motivator bij technologische vooruitgang. Bij verlichting heeft dit geleid tot de huidige brede toepassing van zogenaamde solid-state lichtbronnen (bv. LED's). In combinatie met fluorescerende materialen zijn deze solid-state bronnen momenteel de meest efficiënte witte lichtbronnen. Voor toepassingen die een hoge helderheid vereisen, zoals projectiesystemen, autokoplampen of buitenverlichting, zijn laserdioden echter een veelbelovend alternatief voor LED's dankzij hun hogere efficiëntie bij een hoge optische dichtheid. Commerciële toepassingen van laserverlichting (zoals autokoplampen) zijn al op de markt en deze trend zal zich naar alle verwachting doorzetten naarmate we verder streven naar efficiëntere lichtbronnen met een hogere helderheid.

Ondanks het potentieel van laserdioden voor verlichtingstoepassingen, is er een belangrijk obstakel op weg naar het brede gebruik van laserlicht. Van de fluorescente materialen die worden gebruikt voor het genereren van wit licht met behulp van laserdioden is bekend dat ze sterk opwarmen als ze worden blootgesteld aan het zeer intense laserlicht. Naarmate fluorescente materialen warmer worden, neemt hun efficiëntie sterk af. Dit leidt altijd tot een niet-stabiele witte lichtbron en soms tot de volledige degradatie van het fluorescerende materiaal. Dit effect wordt waargenomen in verschillende fluorescerende materialen die worden gebruikt in verlichting, zowel fosforen als kwantumdots. Belangrijk is echter dat dit effect niet geïsoleerd is; er zijn verschillende andere thermische en optische effecten die de prestaties van een fosfor-gebaseerd laserbelichtingssysteem kunnen beïnvloeden. Verrassend genoeg zijn de huidige simulatietools die beschikbaar zijn voor het ontwerp van dergelijke fosfor-geconverteerde lichtbronnen niet in staat om deze thermische en optische effecten correct te modelleren. Dit betekent dat de bekomen voorspellingen met deze simulatietools inherent onjuist zijn. Om de eerder beschreven fenomenen nauwkeurig te modelleren, is het echter noodzakelijk om niet alleen de optische eigenschappen van het systeem te modelleren, maar ook hun thermische eigenschappen - en, misschien nog het belangrijkste, hoe deze met elkaar interageren.

In dit doctoraatswerk is dan ook een holistische opto-thermisch simulatietool ontwikkeld die het mogelijk maakt om de prestaties van een witte lichtbron te simuleren, rekening houdend met alle relevante optische en thermische afhankelijkheden die van invloed zijn op fluorescerende materialen. Een dergelijk uitgebreid simulatiemodel vereist een grote hoeveelheid input data, zoals de fluorescerende en niet-fluorescerende optische eigenschappen van het materiaal dat wordt gebruikt voor de kleurconversie en ook de manier waarop deze eigenschappen veranderen in functie van de temperatuur en de optisch vermogensdichtheid. Aldus was een ander doel van dit doctoraatswerk gericht op het ontwikkelen van inverse werkwijzen voor het extraheren van deze parameters uit experimentele metingen van verstrooiings- en fluorescentiemonsters. Door zowel de inverse methode als het simulatieraamwerk te combineren, biedt dit onderzoek een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van een uitgebreide oplossing die het ontwerp mogelijk maakt van nieuwe solid-state witte lichtbronnen met een hoge helderheid die de huidige opto-thermische beperkingen kunnen vermijden.