GaN-LED出射光束整形和出光效率提高.pdf

1、與傳統(tǒng)光源相比，發(fā)光二極管(LED)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為新一代綠色照明光源。此外，其所具有的體積小和光譜窄的優(yōu)點(diǎn)使其成為出色的信號(hào)、顯示光源，如微投影系統(tǒng)、脈沖測(cè)距等。而上述應(yīng)用對(duì)光源的體積、光效、準(zhǔn)直性和均勻性等方面都有較高的要求，為此，常利用二次光學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)光束進(jìn)行整形，而該方法不僅會(huì)增加光學(xué)系統(tǒng)的體積，而且會(huì)削弱光照強(qiáng)度。
　　為將 LED光源能直接應(yīng)用在此類系統(tǒng)中，需解決如下兩個(gè)問題：

2、提高 LED的出光效率和控制 LED發(fā)散角，使 LED的出射光或準(zhǔn)直，或均勻。在生活生產(chǎn)上，通常使用 LED表面粗糙化等方法來增加光出射，在 LED外添加折反射系統(tǒng)來調(diào)整光線的傳播方向。然而，簡(jiǎn)單的表面粗糙化雖然可以提高出光效率，但無法準(zhǔn)確控制出射光束的發(fā)散角，而通過二次光學(xué)設(shè)計(jì)來控制發(fā)散角亦不能從根本上提高出光效率。
　　因此，本文以 GaN-LED為研究對(duì)象，提出利用亞微米級(jí)菲涅爾圓環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)LED均勻照明以及利用亞微米級(jí)光柵

3、結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) LED準(zhǔn)直照明的方法。通過在 P-GaN層上制作亞微米級(jí)菲涅爾圓環(huán)結(jié)構(gòu)和光柵結(jié)構(gòu)，采用時(shí)域有限差分法(FDTD)，分析了不同的P-GaN厚度、結(jié)構(gòu)深度、光源波長(zhǎng)和光柵周期下出光效率和發(fā)散角的變化。模擬結(jié)果表明，在均勻性方面，當(dāng)光源波長(zhǎng)為465nm時(shí)，P-GaN層厚度為6.6μm，采用結(jié)構(gòu)深度為0.18μm的菲涅爾圓環(huán)結(jié)構(gòu)后，光強(qiáng)為原來的3.1倍。光強(qiáng)降為峰值的1/e時(shí)，發(fā)散角為70°，且在50°發(fā)散角內(nèi)，光強(qiáng)比較均勻。若將波長(zhǎng)

4、范圍變換為420nm-495nm，光強(qiáng)分布情況基本不變，總光強(qiáng)略有減小，減小為2.3倍。在準(zhǔn)直性方面，當(dāng)光柵周期為400nm、P-GaN層厚度為3.3μm、結(jié)構(gòu)深度為0.1μm時(shí)，模擬結(jié)果表明，與沒有結(jié)構(gòu)時(shí)的模擬結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)出射光的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布改變了，約有50％的出射光集中在了14°發(fā)散角的范圍內(nèi)，總出射光強(qiáng)度基本沒有變化。
　　在亞微米菲涅爾圓環(huán)和光柵的制備過程中，利用了激光直寫和干涉曝光技術(shù)，能夠快速地得到所需的結(jié)構(gòu)。在電