Only Perception: 以四色雷射源產生高品質白光

2011-11-01

以四色雷射源產生高品質白光

High-quality white light produced by four-color laser source
http://www.physorg.com/news/2011-10-high-quality-white-four-color-laser-source.html

October 26, 2011

(PhysOrg.com) -- 根據美國 Sandia 國家實驗室所構思的測試，人眼對於二極體雷射所產生的白光跟逐漸流行起來的 LEDs 所產生的，一樣舒適。

這些技術都讓電流通過材料以產生光，不過較簡單的 LED 僅透過自發輻射（spontaneous emission）發光。二極體雷射則是在釋放前使其在內部來回反彈。

這項發現很重要，因為 LEDs -- 受廣泛認可，成為有百年歷史的鎢絲白熾燈泡技術更有效率且更耐用的替代品 -- 在電流高於 0.5 安培時失去效率。然而，其姊妹技術 -- 二極體雷射 -- 的效率在更高的電流下獲得改善，在更高的安培數下提供的光線甚至比 LEDs 多。

"我們證明，在照明的追尋上，二極體雷射是一條值得的路線，" Sandia 研究者 Jeff Tsao 表示，他提議這項比較實驗。"在這些測試之前，我們在此方向上的研究還沒開始前就已經結束了。典型的反應是，「你在唬人嗎？二極體雷射所產生的白光其演色品質（color rendering quality）會很可怕。」所以事情到最後變成這樣：為了要走下去，有人真的得要先回答這個非常基本的問題。"

在照明這方面，針對二極體雷射進行的研究不多，因為大家都假設，人眼對於雷射所產生的白光會感到不適。那將由四種極窄頻波長（extremely narrow-band wavelengths）構成 -- 藍、紅、綠與黃 -- 而且跟太陽光非常不同，例如，那涵括（blends）廣泛的波長範圍，且其間沒有間隙。二極體雷射亦比 LEDs 發出的光要窄十倍。

這些測試 -- 一種高科技市場研究 -- 在新墨西哥大學的高科技材料中心進行。四十位志願者逐一就坐，位於二個看似幾乎相同的、有水果裝於碗內的場景前（那分別放置在毗鄰的腔室內，譯註：參見原站照片）。每個碗隨機被暖白、冷白或自然白的 LEDs 照亮；被鎢絲燈泡照亮，或著被四種雷射（藍、紅、綠、黃）的結合照亮，那經過調整，其結合產生一種白光。

實驗的進行類似驗光師的檢查，實驗對象被問及：你喜歡左邊或右邊的景象，好，那現在呢？

觀看者並未被告知照明來源為何。他們只被指示選擇他們覺得最舒服的、被照亮的場景。這二碗水果隨機呈現（即隨機照亮），除照明本身以外，使順序以及測試者都不會先入為主地影響實驗對象的選擇。電腦程式以及實驗設置都由 Alexander Neumann 完成，CHTM 主任 Steve Brueck 的 UNM 博士生。

每位參與者（從各年齡層選出），在這二種交替改變之間進行 80 選擇，此過程花約 10 到 20 分鐘，Sandia 科學家 Jonathan Wierer 表示，他幫忙計畫、校正與執行實驗。有五項結果被排除，因為這些參與者經證明為色盲。Wierer 表示，結果顯示，在統計上顯著的、對基於二極體雷射白光的偏好，超過了基於 LED 的暖白光與冷白光，不過在基於二極體雷射與基於 LED 的自然白光或白熾燈白光之間，則無統計上顯著的偏好。

Tsao 說，這些結果也許不會讓照明製造者如舊金山淘金熱般，開始搶進二極體雷射，不過他們也許開啟了一條先前被忽略的研究路線。二極體雷射的製造比 LEDs 稍微貴了一點，因為對其基質的要求比那些 LED 高。但他仍然表示，這些基質在未來會變得更易取得，因為它們亦能改善 LED 的效能。

此外，藍光二極體雷射的表現夠好，汽車製造商 BMW 正計畫將之用於旗下車輛的次世代白色頭燈，不過紅色二極體雷射的表現不佳，而黃色與綠色的效率在獲得商業化照明的機會之前，仍有一段路要走。

Tsao 繼續表示，競爭並非得要贏者全拿，相反的，一種合作的方法也許會是拿紅、藍二極體雷射搭配黃、綠 LEDs。或著藍色二極體雷射被用來照亮磷光質 -- 此技術目前為日光燈以及當前這一代基於 LED 的白光所用 -- 以創造出想要的光色調。

雖然二極體雷射有望成為另一種照明技術，不過對數十億美元的照明產業來說，效率仍須提升。為了健康因素，所謂的「聰明光束（smart beams）」能在現場調整出個人化的顏色呈現，且因為它們是定向的（directional），故能在需要之處提供精確地照明。

色度計（Colorimetric）與實驗指導由 NIST 所提供。

研究發表在 7/1 的 Optics Express 上。

※ 相關報導：

＊ Four-color laser white illuminant demonstrating high color-rendering quality
http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-19-104-A982

A. Neumann, J. J. Wierer, W. Davis, Y. Ohno, S. R. J. Brueck,
and J.Y. Tsao
Optics Express, Vol. 19, Issue S4, pp. A982-A990 (2011)
doi: 10.1364/OE.19.00A982