Optimisation d'une source de lumière blanche grâce au couplage d'une diode laser et d'un luminophore adaptés

Optimization of a white light source by coupling a suitable laser diode and phosphor

• Auteur / Autrice : Dimitrios Kyrginas
• Direction : Georges Zissis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Soutenance le 16/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Chadeyron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stelios Couris, Valérie Fok Bor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luc Chassagne, Youri Meuret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Luminophores

Photonique

Diodes laser

Mots clés libres

Photonique

Source de lumière

Eclairage

Photonics

Light source

Lighting

Résumé

Depuis une décennie, les diodes électroluminescentes (LED) émettant de la lumière blanche ont gagné du terrain dans l'industrie de l'éclairage, notamment pour les applications nécessitant des sources de petite taille avec une luminosité élevée. Une alternative plus récente à de telles sources est la conversion d'un faisceau issu d'une diode laser bleue ou violette en lumière blanche à l'aide de phosphores. Dans ce scénario, une plus grande efficacité est anticipée en raison d'une luminance accrue pour une consommation électrique moindre. Bien que la méthode de génération de lumière blanche par conversion de phosphore soit efficace, des problèmes de performance persistent dans le système, notamment en ce qui concerne la décroissance de l'efficacité. Ce phénomène se réfère à une diminution de l'efficacité quantique interne ou externe du dispositif en raison d'une augmentation de la densité de courant et/ou de la température de fonctionnement. La décroissance du courant est liée au premier, tandis que la décroissance thermique concerne le dernier. Généralement, une densité de courant accrue entraîne un décalage de l'émission maximale vers des longueurs d'onde plus longues, tandis qu'une température plus élevée provoque un élargissement du spectre d'émission. Ces facteurs impactent directement la contribution des composantes de longueur d'onde à la conversion du phosphore, entraînant une déviation par rapport aux coordonnées de lumière blanche et une diminution de l'efficacité globale du dispositif. Le laser couplé à des phosphores appropriés pour la génération de lumière blanche offre des avantages significatifs à cet égard. Étant donné qu'il constitue un nouveau type de source lumineuse, des mesures en vue de son optimisation doivent être prises pour atteindre des rendements de conversion plus élevés, une meilleure stabilité des couleurs et des paramètres colorimétriques améliorés. À cette fin, la forme et en particulier la courbure du phosphore ont été étudiées pour voir comment elle affecte l'efficacité d'extraction. De plus, des tentatives ont été faites pour améliorer les caractéristiques de couleur des échantillons de phosphore en silicone en combinant différents types de phosphores et en les empilant ou en les mélangeant dans la même matrice de matériau. La distribution de chaleur causée par le faisceau laser a été étudiée en tant que paramètre important, tandis que dans la dernière partie, la possibilité de remplacer la matrice de silicone dans laquelle le phosphore est encapsulé est étudiée en introduisant une matrice de polyimide.

For the past decade, white Light-Emitting Diodes (LEDs) have been gaining ground in the lighting industry, particularly for applications requiring small-sized sources with high brightness. A more recent alternative to such sources is the conversion of a beam from a blue or violet laser diode into white light using phosphors. In this scenario, a higher efficiency is anticipated due to greater luminance for lower consumed electrical power. While the method of generating white light through phosphor conversion proves effective, there are performance issues within the system, particularly regarding efficiency droop. This phenomenon refers to a decrease in the internal or external quantum efficiency of the device due to increased current density and/or operating temperature. Current droop relates to the former, while thermal droop pertains to the latter. Typically, heightened current density leads to a shift in peak emission towards longer wavelengths, while increased temperature causes broadening of the emission spectrum. These factors directly impact the contribution of wavelength components to phosphor conversion, resulting in a deviation from white light coordinates and a decrease in overall device efficiency. The laser coupled with appropriate phosphors for white light generation offers significant advantages to this effect. Since it constitutes a new type of light source, steps towards its optimization need to be taken in order to achieve higher conversion efficiencies, better color stability and improved colorimetric parameters. To that end, the shape and in particular the curvature of the phosphor was studied to see how it affects extraction efficiency. Moreover, attempts were made to improve the color characteristics of silicone phosphor samples by combing different types of phosphors and in stacks or mixed in the same material matrix. The heat distribution of caused by the laser beam was studied as an important parameter while in the last part, the possibility of replacing the silicone matrix in which the phosphor is encapsulated is studied by introducing a polyimide matrix.