朱金善， 吳同飛， 孫立成， 尹建川(. 大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 606； . 中國(guó)船級(jí)社， 北京 00007)

半導(dǎo)體激光號(hào)燈光強(qiáng)及光弧范圍的設(shè)計(jì)與仿真

朱金善1， 吳同飛1， 孫立成2， 尹建川1
(1. 大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026； 2. 中國(guó)船級(jí)社， 北京 100007)

為提高船舶號(hào)燈在復(fù)雜光環(huán)境下的可識(shí)別性，選擇半導(dǎo)體激光器作為號(hào)燈的光源，設(shè)計(jì)出一種新型船舶號(hào)燈。該號(hào)燈光束能量集中，容易獲得符合《國(guó)際海上避碰規(guī)則》要求的發(fā)光強(qiáng)度和可見(jiàn)距離；通過(guò)設(shè)計(jì)合理的陣列結(jié)構(gòu)，使其能夠獲得符合《國(guó)際海上避碰規(guī)則》要求的水平光弧和垂直光弧。在三維實(shí)體建模軟件(Lighttools)環(huán)境下，模擬透射率為0.8時(shí)大氣散射對(duì)新型號(hào)燈左舷燈光束傳播的影響。結(jié)果表明：大氣散射能使號(hào)燈光束展寬，并使光束內(nèi)光強(qiáng)分布更加均勻。

船舶工程；半導(dǎo)體激光器；船舶號(hào)燈；大氣散射；Lighttools

船舶號(hào)燈可表示船舶的存在，并在一定程度上表明船舶的種類、尺度、動(dòng)態(tài)和工作性質(zhì)等信息。[1]自開始使用至今，船舶號(hào)燈一直沿用普通的電氣號(hào)燈，在光污染較嚴(yán)重的水域會(huì)因其自身發(fā)出的光束能量不集中、顏色對(duì)比度差、容易產(chǎn)生混色而嚴(yán)重影響船舶駕駛員的瞭望和對(duì)避碰信息的獲取。[2]

激光技術(shù)自20世紀(jì)60年代初問(wèn)世以來(lái)，已在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，尤其是半導(dǎo)體激光器，不僅體積小、質(zhì)量輕、使用壽命長(zhǎng)，而且具有電光轉(zhuǎn)化效率高、產(chǎn)生的波長(zhǎng)覆蓋范圍廣、易于模塊化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)；更重要的是，其產(chǎn)生的激光亮度高、方向性強(qiáng)、單色性好、易于調(diào)制。因此，利用半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)的新型船舶號(hào)燈，光束質(zhì)量高、顯色性好、光弧易于控制、燈光容易加載各種信息；同時(shí)，借助相應(yīng)的解調(diào)手段，可提高復(fù)雜光環(huán)境下船舶號(hào)燈的可識(shí)別性。

1 半導(dǎo)體激光船舶號(hào)燈的發(fā)光原理

1.1半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理

新型船舶號(hào)燈的基本發(fā)光單元為半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器是利用半導(dǎo)體中的電子躍遷引起光子受激輻射而產(chǎn)生的光振蕩器和光放大器的總稱，其產(chǎn)生激光需要滿足激勵(lì)源、增益介質(zhì)和諧振腔等3個(gè)條件。[3]半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為增益介質(zhì)，核心部分為一個(gè)p-n結(jié)。當(dāng)給p-n結(jié)通正向電壓時(shí)，會(huì)降低p區(qū)與n區(qū)之間的勢(shì)壘，電子和空穴分別從n區(qū)和p區(qū)注入有源區(qū)，從而在高能級(jí)導(dǎo)帶上積聚大量電子、在低能級(jí)價(jià)帶上積聚大量空穴。大量的電子——空穴對(duì)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)，將輻射一定波長(zhǎng)的光。[4]光在諧振腔內(nèi)的2個(gè)解理面之間來(lái)回反射通過(guò)結(jié)區(qū)，當(dāng)增益大于損耗時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生激光輻射。圖1為半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)圖

半導(dǎo)體晶體中電子的能量不是分立的能級(jí)，而是2個(gè)分裂的能帶，能帶間沒(méi)有電子的狀態(tài)稱為禁帶，禁帶的寬度由半導(dǎo)體材料確定，決定了半導(dǎo)體激光器輸出激光的波長(zhǎng)。[5]因此，只要選擇合適的半導(dǎo)體材料就能獲得符合船舶號(hào)燈光色要求的激光。

1.2激光的光束特點(diǎn)

激光作為一種光源，其光束截面內(nèi)的光強(qiáng)分布是不均勻的，光束波面上各點(diǎn)的振幅呈高斯型函數(shù)分布。以基模高斯光束(見(jiàn)圖2)為例，沿著激光的傳播方向，其光場(chǎng)強(qiáng)度的極大值位于中心軸線上，向外以距中心軸線距離的平方指數(shù)衰減[6]，光能量較一般平面波更為集中，因此采用激光作為新型號(hào)燈的光源是合適的。

圖2 基模高斯光束

2 光強(qiáng)和可見(jiàn)距離的設(shè)計(jì)

2.1《國(guó)際海上避碰規(guī)則》對(duì)號(hào)燈光強(qiáng)和號(hào)燈可見(jiàn)距離的要求

《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)則》)附錄一“號(hào)燈和號(hào)型的位置和技術(shù)細(xì)節(jié)”第8條“號(hào)燈的發(fā)光強(qiáng)度”規(guī)定，號(hào)燈的最低發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)用式(1)計(jì)算。[1]356-357

I=3.43×106TD2K-D

(1)

式(1)中：I為號(hào)燈在使用的情況下以堪(Candelas)為單位計(jì)算的發(fā)光強(qiáng)度；T為臨閾系數(shù)，2×10-7勒克司；D為號(hào)燈的能見(jiàn)距離(照明距離)，以海里計(jì)算；K為大氣透射率，用于規(guī)定的號(hào)燈，其值應(yīng)為0.8，相當(dāng)于約13 n mile的氣象能見(jiàn)度。

根據(jù)上述規(guī)定，以長(zhǎng)度≥50 m的機(jī)動(dòng)船為例，計(jì)算得到其桅燈的最小能見(jiàn)距離為6 n mile，最低發(fā)光強(qiáng)度為94堪；左、右舷燈的最小能見(jiàn)距離要求達(dá)到3 n mile，發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到12堪。相同條件下，半導(dǎo)體激光器的光亮度因激光波長(zhǎng)而異，這里僅以左舷燈為例進(jìn)行分析。

2.2半導(dǎo)體激光號(hào)燈光強(qiáng)和可見(jiàn)距離的設(shè)計(jì)

選用波長(zhǎng)為635 nm的可見(jiàn)紅光半導(dǎo)體激光器作為新型號(hào)燈左舷燈的光源，在明視覺(jué)環(huán)境下，其發(fā)射激光的視見(jiàn)函數(shù)值Vλ=0.217。取舷燈的水平光弧角度為112.5°，且在水平上方7.5°到水平下方7.5°范圍內(nèi)均能保持所要求的最低發(fā)光強(qiáng)度。假設(shè)半導(dǎo)體激光器的光線在整個(gè)立體角內(nèi)能均勻分布，可得紅光半導(dǎo)體激光器發(fā)出的總光通量、立體角和發(fā)光強(qiáng)度分別為式(2)～式(4)。

∑φV=683Vλ∑φe

(2)

Ω=0.44

(3)

(4)

式(2)～式(4)中：φe為激光器的輻通量，指單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的輻射能，與功率具有相同的單位；φV為紅光半導(dǎo)體激光器發(fā)出的總光通量；Ω為紅光半導(dǎo)體激光器的立體角；IV為紅光半導(dǎo)體激光器的發(fā)光強(qiáng)度。聯(lián)立式(2)～式(4)可求得激光器的總發(fā)射功率為35.62 mW。

同理，選用波長(zhǎng)為532 nm的可見(jiàn)綠光半導(dǎo)體激光器作為新型號(hào)燈右舷燈的光源，在明視覺(jué)環(huán)境下可求得激光器的總發(fā)射功率為8.74 mW。以此類推，可計(jì)算出長(zhǎng)度≥50 m的機(jī)動(dòng)船的桅燈、尾燈和拖帶燈的發(fā)光功率與發(fā)光單元數(shù)(見(jiàn)表1)。需指出，桅燈和尾燈的光色是由紅、綠、藍(lán)等3種光譜色混合而成的，3種半導(dǎo)體激光器以品字形緊密排列作為一組發(fā)光單元使用。

3 水平光弧及垂直光弧的設(shè)計(jì)

3.1《規(guī)則》對(duì)號(hào)燈水平光弧和垂直光弧的要求

《規(guī)則》附錄一“號(hào)燈和號(hào)型的位置和技術(shù)細(xì)節(jié)”第9條“水平光弧”第一款規(guī)定：

表1 新型船舶號(hào)燈使用的半導(dǎo)體激光器主要參數(shù)

1)船上所裝的舷燈，在朝前的方向上，應(yīng)顯示最低要求的發(fā)光強(qiáng)度，發(fā)光強(qiáng)度在規(guī)定光弧外的1°～3°，應(yīng)減弱以達(dá)到切實(shí)斷光。

2)尾燈和桅燈，以及舷燈在正橫后22.5°處，應(yīng)在水平弧內(nèi)保持最低要求的發(fā)光強(qiáng)度，直到第二十一條規(guī)定的光弧界限內(nèi)5°。從規(guī)定的光弧內(nèi)5°起，發(fā)光強(qiáng)度可減弱50%，直到規(guī)定的界限；然后，發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)不斷減弱，以達(dá)到在規(guī)定光弧外至多5°處切實(shí)斷光。

第10條“垂直光弧”第一款規(guī)定，所裝電氣號(hào)燈的垂向光弧，除在航帆船的號(hào)燈外，應(yīng)保證：

1)從水平上方5°到水平下方5°的所有角度內(nèi)，至少保持所要求的最低發(fā)光強(qiáng)度。

2)從水平上方7.5°到水平下方7.5°，至少保持所要求的最低發(fā)光強(qiáng)度的60%。[1]358-359

3.2半導(dǎo)體激光船舶號(hào)燈水平光弧和垂直光弧的設(shè)計(jì)

為提高激光器單管的發(fā)光功率，目前商用大功率半導(dǎo)體激光器有源區(qū)多采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，激光器端面輸出光束在2個(gè)不同方向上有很大差異。[7-8]大功率半導(dǎo)體激光器不僅輸出的光束不利于直接應(yīng)用，而且造價(jià)相對(duì)高昂，相比之下，小功率半導(dǎo)體激光器則造價(jià)低，光束易于控制，通過(guò)一個(gè)微透鏡即可調(diào)整其光束的發(fā)散角，因此在設(shè)計(jì)新型號(hào)燈時(shí)采用集成小功率半導(dǎo)體激光器陣列的辦法。所謂陣列，是指將多個(gè)發(fā)光單元按特定的順序排列起來(lái)，從而提高半導(dǎo)體激光器的總功率。設(shè)計(jì)合理的陣列結(jié)構(gòu)不僅能保證號(hào)燈整體的發(fā)光強(qiáng)度，而且容易獲得符合《規(guī)則》要求的水平光弧和垂直光弧。

以長(zhǎng)度≥50 m的機(jī)動(dòng)船的左舷紅燈為例，通過(guò)計(jì)算可知，選用波長(zhǎng)為635 nm的可見(jiàn)紅光半導(dǎo)體激光器作為新型號(hào)燈左舷燈的光源，在明視覺(jué)環(huán)境下，其總功率至少應(yīng)為41.62 mW。設(shè)所使用的半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角為7.5°，既要保證號(hào)燈在要求的水平光弧和垂直光弧范圍內(nèi)光強(qiáng)分布盡量均勻，又不能使號(hào)燈的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。因此，考慮將18個(gè)單管功率為2.5 mW的半導(dǎo)體激光器等間距集成在一個(gè)半圓環(huán)外表面上，半圓環(huán)外表面半徑為4.58 cm，內(nèi)表面半徑為3.58 cm，厚度為1 cm，寬為2 cm，外表面112.5°角對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)為9 cm。半導(dǎo)體激光器的發(fā)射方向以不同角度向Y-Z平面傾斜，且相對(duì)于Y-Z平面左右對(duì)稱，相對(duì)于X-Z平面上下對(duì)稱。省略連接導(dǎo)線和新型號(hào)燈的封裝結(jié)構(gòu)，在Lighttools環(huán)境下建立模型的三維結(jié)構(gòu)與發(fā)光效果圖(見(jiàn)圖3)。

圖3 在Lighttools環(huán)境下建立的新型號(hào)燈結(jié)構(gòu)與發(fā)光效果圖

4 Lighttools環(huán)境下號(hào)燈可見(jiàn)距離和光弧范圍的仿真

4.1仿真過(guò)程介紹

Lighttools是美國(guó)ORA(Optical Research Associates)公司研制的一種三維實(shí)體建模軟件，其照明模塊采用蒙特卡羅方法來(lái)模擬。[9]蒙特卡羅方法是一種隨機(jī)模擬的方法，將光的散射過(guò)程處理為光子在介質(zhì)中的碰撞過(guò)程，通過(guò)追跡和統(tǒng)計(jì)大量光子的運(yùn)動(dòng)模擬光束在介質(zhì)中傳輸?shù)慕Y(jié)果。

在Lighttools環(huán)境下模擬點(diǎn)狀高斯光源較困難，文獻(xiàn)[10]給出一種通過(guò)疊加模型實(shí)現(xiàn)光源光強(qiáng)漸變的思路，但考慮到號(hào)燈發(fā)出的光線主要作用在遠(yuǎn)場(chǎng)，在仿真實(shí)驗(yàn)中將單個(gè)半導(dǎo)體激光器激光光束近似處理為平面波，其光強(qiáng)在垂直于傳播方向的截面上均勻分布。

光在真空中沿直線傳播，但在空氣中，大氣散射會(huì)對(duì)激光遠(yuǎn)距離傳播造成影響，影響程度取決于大氣中的各種粒子。在Lighttools環(huán)境下，采用米氏散射描述大氣粒子對(duì)光線的散射作用，考慮到計(jì)算米氏散射的難度，在模擬前計(jì)算出一些參數(shù)并存儲(chǔ)在內(nèi)存中，以備隨時(shí)調(diào)用。模擬試驗(yàn)設(shè)置大氣透射率為0.8(相當(dāng)于約13 n mile的氣象能見(jiàn)度)，建立有限遠(yuǎn)場(chǎng)接收器并選擇接收以Z軸為中心的58°角上的光線模擬切斷光，設(shè)置光線數(shù)量為300萬(wàn)條，光線追跡閾值為0.01，經(jīng)Lighttools仿真模擬后，在不同距離接收到光線的強(qiáng)度剖面圖(見(jiàn)圖4～圖7)，各模擬試驗(yàn)的錯(cuò)誤估計(jì)峰值均保持在0.2%以內(nèi)。

圖4 左舷燈光強(qiáng)度剖面圖(10 m)

圖5 左舷燈光強(qiáng)度剖面圖(0.1 n mile)

圖6 左舷燈光強(qiáng)度剖面圖(1 n mile)

4.2仿真結(jié)果分析

在圖4～圖7中，水平方向和垂直方向上受各發(fā)光單元之間排列方式的影響，2個(gè)半導(dǎo)體激光器光束之間有重合區(qū)域，因此各測(cè)量點(diǎn)光強(qiáng)度呈鋸齒形分布。當(dāng)接收距離較近(10 m)時(shí)，大氣散射對(duì)號(hào)燈光束的影響較小，接收到的光強(qiáng)度剖面圖近似反映新型號(hào)燈光束在無(wú)大氣散射時(shí)的傳播。由圖4可知，此時(shí)水平光弧范圍為112.5°，垂直光弧范圍為15°，在此范圍邊界處實(shí)現(xiàn)了切實(shí)斷光，且各測(cè)量點(diǎn)光強(qiáng)度均超過(guò)《規(guī)則》要求的12堪。

圖7 左舷燈光強(qiáng)度剖面圖(3 n mile)

設(shè)計(jì)的新型號(hào)燈既要滿足在規(guī)定的最大可見(jiàn)距離上使人眼能識(shí)別，又要保證船舶間避讓時(shí)在可能接近的最小距離處不至于使人眼產(chǎn)生眩光效應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)室用“人工星點(diǎn)”測(cè)定的人眼視覺(jué)閾值約為2.44×10-9lx，取左舷燈的輻射面為平面，計(jì)算得到號(hào)燈在3 n mile遠(yuǎn)處整個(gè)可見(jiàn)范圍內(nèi)的光照度為7.75×10-9lx，因此人眼能在最大3 n mile處任意可見(jiàn)范圍內(nèi)輕易地觀察到號(hào)燈的燈光；在0.1 n mile遠(yuǎn)處，新型號(hào)燈產(chǎn)生的眩光值GR約為52，其評(píng)價(jià)級(jí)別處在“剛好允許”的范圍內(nèi)[12]，于人眼安全，不會(huì)產(chǎn)生眩光現(xiàn)象。

隨著接收距離增加(如圖5～圖7)，水平方向上，光強(qiáng)在整個(gè)輻照面上的分布趨于平緩，說(shuō)明大氣對(duì)激光束的散射作用使光強(qiáng)分布變得平均化；同時(shí)，垂直方向上不受接收角度的限制(無(wú)遮光)，光束的輻射角度有所增大。這是由于大氣中的粒子分布具有隨機(jī)性，光子在大氣中傳播時(shí)會(huì)與粒子產(chǎn)生隨機(jī)碰撞而改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向，并在偏離原方向的地方被接收，因而造成光束的展寬。但由圖4～圖7可知，新型號(hào)燈的水平光弧和垂直光弧在指定的接收距離處都能滿足《規(guī)則》的要求。

綜上所述，設(shè)計(jì)的新型號(hào)燈滿足《規(guī)則》有關(guān)號(hào)燈發(fā)光強(qiáng)度和光弧范圍的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

將半導(dǎo)體激光器作為號(hào)燈的光源，設(shè)計(jì)了一種新型船舶號(hào)燈，并在Lighttools環(huán)境下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

1) 半導(dǎo)體激光器輸出的光束波長(zhǎng)固定，顏色純度高，光強(qiáng)符合高斯函數(shù)分布，能量集中，方向性好，適合做新型號(hào)燈的光源。

2) 通過(guò)選擇功率合適的半導(dǎo)體激光器及合理的陣列結(jié)構(gòu)，使所設(shè)計(jì)的船舶號(hào)燈能符合《規(guī)則》中有關(guān)號(hào)燈發(fā)光強(qiáng)度、水平光弧和垂直光弧的規(guī)定。

3) 以長(zhǎng)度≥50 m的機(jī)動(dòng)船的左舷燈為例，在Lighttools環(huán)境下對(duì)半導(dǎo)體激光船舶號(hào)燈進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：新型號(hào)燈左舷燈在最遠(yuǎn)3 n mile處能使人眼輕易觀察到，在最近0.1 n mile處不會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生眩光效應(yīng)，設(shè)計(jì)的新型號(hào)燈能滿足《規(guī)則》對(duì)號(hào)燈發(fā)光強(qiáng)度、水平光弧和垂直光弧的要求，仿真效果良好。

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DesignofSemiconductorLaserNavigationLightswithLightIntensityandVisibleArcSimulation

ZHUJinshan1,WUTongfei1,SUNLicheng2,YINJianchuan1
(1. Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2.China Classification Society, Beijing 100007, China)

In order to improve the identifiability of ship navigation lights in complex light environments, a new type of ship navigation lights with semiconductor laser source is designed. The energy of the light beam is concentrated, which makes the luminous intensity and computed visibility easily meet the requirements of International Regulations for Preventing Collisions at Sea. By designing a proper array structure, the new ship lights can meet the requirements of the same regulation about horizontal and vertical light showing arcs. The influence of the atmospheric scattering to the propagation of port side light beam was simulated in the three-dimensional solid modeling software (Lighttools) environment for the circumstance of atmospheric transmittance 0.8. The simulation results show that atmospheric scattering can broaden the light beam and make intensity distribution of the beam more uniform.

ship engineering; semiconductor lasers; ship navigation lights; atmospheric scattering; Lighttools

2015-04-29

遼寧省自然科學(xué)基金(2014025008)

朱金善(1971—)，男，江西九江人，教授，船長(zhǎng)，主要從事航海技術(shù)的教學(xué)、實(shí)踐與研究工作。E-mail: zjinshan888@126.com

1000-4653(2015)03-0005-04

U665.16

A