Etude du faible rendement energetique des diodes laser

La pénétration croissante du marché des applications d'éclairage à semi-conducteurs (SSL) est soulignée par la prévalence des ampoules modernes à diodes électroluminescentes (LED) dans de nombreux endroits. Ces diodes électroluminescentes sont faites de nitrure de gallium (GaN) et de semi-conducteurs connexes, qui peuvent efficacement émettre une lumière bleue. Leurs inventeurs ont reçu le prix Nobel de physique en 2014 pour «permettre des sources lumineuses blanches et économes en énergie». Dans sa conférence Nobel à Stockholm, Shuji Nakamura a prédit que les diodes acheter laser à base de GaN pourraient bientôt remplacer les LED. Ces lasers sont déjà mis en œuvre dans les phares de certaines voitures haut de gamme. Cependant, la principale force motrice derrière SSL est la promesse de rendement énergétique élevé, qui est généralement mesurée par l'efficacité de prise murale (WPE), la fraction de la puissance d'entrée électrique qui est émise en tant que puissance de sortie de lumière. Certaines LED bleues à base de GaN atteignent plus de 80% de WPE, mais le WPE le plus élevé rapporté pour les diodes laser à base de GaN est toujours inférieur à 40%. L'efficacité médiocre des diodes laser est un puzzle pour les chercheurs du monde entier.

Afin de mieux comprendre ce déficit d'efficacité, nous avons utilisé une simulation laser avancée pour analyser la puissance de sortie record des viseur laser airsoft GaN signalés par Panasonic. La puissance crête de ce dispositif de 7,2W a eu lieu à un courant d'injection de 4A et un biais de 6,3V. Les chercheurs de Panasonic ont obtenu ce rendement élevé en réduisant la résistance thermique et l'absorption optique interne à des niveaux record. Cependant, même pour ces lasers, le WPE mesuré reste inférieur à 40%.

Budget de puissance simulé dans un laser à haute teneur en nitrure de gallium bleu (GaN), en fonction de l'injection de courant (au-dessus du seuil d'éblouissement). La lumière laser 20000mw émise par la simulation (région bleu foncé) est en accord avec l'efficacité mesurée de la prise murale (points). Les pertes de puissance sont divisées en excès de perte de polarisation (à partir de la résistance série élevée), de perte d'efficacité de pente (d'absorption optique et de fuite d'électron) et de perte de courant de seuil (d'une forte recombinaison d'Auger).

Dans une analyse antérieure des mesures rapportées, nous avons identifié la résistance en série élevée des lasers comme principale raison de leur faible WPE. Contrairement aux diodes électroluminescentes à GaN, les lasers ont besoin de couches de revêtement de guide d'onde en nitrure de gallium (AlGaN) relativement épais, à conductivité p, qui ont une conductivité électrique extrêmement faible. Dans ce travail précédent, nous avons utilisé un modèle d'efficacité simple qui est généralement utilisé pour analyser les laser 50000mw à haute puissance6. L'une des principales hypothèses du modèle est que le courant de seuil pour le laser reste constant avec une injection de courant montante. La contribution prédominante au courant de seuil des lasers GaN est la forte recombinaison Auger à l'intérieur des puits quantiques (QWs). L'acceptation du modèle d'efficacité simple conduit donc à l'opinion commune que la recombinaison Auger est négligeable à une puissance laser élevée. Cependant, nos études plus récentes7 montrent que cette conclusion est incorrecte.

Notre nouvelle analyse des mêmes mesures de laser utilise des modèles numériques de laser basés sur le logiciel LASTIP largement employé. Ce logiciel consomme toujours le transport de porteur, la structure de bande d'électron de QW, l'émission de photon, le guidage d'onde, et le flux de chaleur. Une sélection minutieuse du modèle et l'étalonnage des paramètres mènent à des résultats de simulation qui concordent étroitement avec les mesures laser rapportées.

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Created on Dec 31st 1969 18:00. Viewed 0 times.

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