半导体激光号灯光强及光弧范围的设计与仿真

朱金善， 吴同飞， 孙立成， 尹建川(. 大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 606； . 中国船级社， 北京 00007)

半导体激光号灯光强及光弧范围的设计与仿真

朱金善1， 吴同飞1， 孙立成2， 尹建川1
(1. 大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026； 2. 中国船级社， 北京 100007)

为提高船舶号灯在复杂光环境下的可识别性，选择半导体激光器作为号灯的光源，设计出一种新型船舶号灯。该号灯光束能量集中，容易获得符合《国际海上避碰规则》要求的发光强度和可见距离；通过设计合理的阵列结构，使其能够获得符合《国际海上避碰规则》要求的水平光弧和垂直光弧。在三维实体建模软件(Lighttools)环境下，模拟透射率为0.8时大气散射对新型号灯左舷灯光束传播的影响。结果表明：大气散射能使号灯光束展宽，并使光束内光强分布更加均匀。

船舶工程；半导体激光器；船舶号灯；大气散射；Lighttools

船舶号灯可表示船舶的存在，并在一定程度上表明船舶的种类、尺度、动态和工作性质等信息。[1]自开始使用至今，船舶号灯一直沿用普通的电气号灯，在光污染较严重的水域会因其自身发出的光束能量不集中、颜色对比度差、容易产生混色而严重影响船舶驾驶员的瞭望和对避碰信息的获取。[2]

激光技术自20世纪60年代初问世以来，已在多个领域得到应用，尤其是半导体激光器，不仅体积小、质量轻、使用寿命长，而且具有电光转化效率高、产生的波长覆盖范围广、易于模块化生产等优点；更重要的是，其产生的激光亮度高、方向性强、单色性好、易于调制。因此，利用半导体激光器设计的新型船舶号灯，光束质量高、显色性好、光弧易于控制、灯光容易加载各种信息；同时，借助相应的解调手段，可提高复杂光环境下船舶号灯的可识别性。

1 半导体激光船舶号灯的发光原理

1.1半导体激光器的发光原理

新型船舶号灯的基本发光单元为半导体激光器。半导体激光器是利用半导体中的电子跃迁引起光子受激辐射而产生的光振荡器和光放大器的总称，其产生激光需要满足激励源、增益介质和谐振腔等3个条件。[3]半导体激光器以半导体材料为增益介质，核心部分为一个p-n结。当给p-n结通正向电压时，会降低p区与n区之间的势垒，电子和空穴分别从n区和p区注入有源区，从而在高能级导带上积聚大量电子、在低能级价带上积聚大量空穴。大量的电子——空穴对形成粒子数反转，当电子和空穴复合时，将辐射一定波长的光。[4]光在谐振腔内的2个解理面之间来回反射通过结区，当增益大于损耗时，就会产生激光辐射。图1为半导体激光器的结构图。

图1 半导体激光器结构图

半导体晶体中电子的能量不是分立的能级，而是2个分裂的能带，能带间没有电子的状态称为禁带，禁带的宽度由半导体材料确定，决定了半导体激光器输出激光的波长。[5]因此，只要选择合适的半导体材料就能获得符合船舶号灯光色要求的激光。

1.2激光的光束特点

激光作为一种光源，其光束截面内的光强分布是不均匀的，光束波面上各点的振幅呈高斯型函数分布。以基模高斯光束(见图2)为例，沿着激光的传播方向，其光场强度的极大值位于中心轴线上，向外以距中心轴线距离的平方指数衰减[6]，光能量较一般平面波更为集中，因此采用激光作为新型号灯的光源是合适的。

图2 基模高斯光束

2 光强和可见距离的设计

2.1《国际海上避碰规则》对号灯光强和号灯可见距离的要求

《1972年国际海上避碰规则》(以下简称《规则》)附录一“号灯和号型的位置和技术细节”第8条“号灯的发光强度”规定，号灯的最低发光强度应用式(1)计算。[1]356-357

I=3.43×106TD2K-D

(1)

式(1)中：I为号灯在使用的情况下以堪(Candelas)为单位计算的发光强度；T为临阈系数，2×10-7勒克司；D为号灯的能见距离(照明距离)，以海里计算；K为大气透射率，用于规定的号灯，其值应为0.8，相当于约13 n mile的气象能见度。

根据上述规定，以长度≥50 m的机动船为例，计算得到其桅灯的最小能见距离为6 n mile，最低发光强度为94堪；左、右舷灯的最小能见距离要求达到3 n mile，发光强度应达到12堪。相同条件下，半导体激光器的光亮度因激光波长而异，这里仅以左舷灯为例进行分析。

2.2半导体激光号灯光强和可见距离的设计

选用波长为635 nm的可见红光半导体激光器作为新型号灯左舷灯的光源，在明视觉环境下，其发射激光的视见函数值Vλ=0.217。取舷灯的水平光弧角度为112.5°，且在水平上方7.5°到水平下方7.5°范围内均能保持所要求的最低发光强度。假设半导体激光器的光线在整个立体角内能均匀分布，可得红光半导体激光器发出的总光通量、立体角和发光强度分别为式(2)～式(4)。

∑φV=683Vλ∑φe

(2)

Ω=0.44

(3)

(4)

式(2)～式(4)中：φe为激光器的辐通量，指单位时间内发射、传输或接收的辐射能，与功率具有相同的单位；φV为红光半导体激光器发出的总光通量；Ω为红光半导体激光器的立体角；IV为红光半导体激光器的发光强度。联立式(2)～式(4)可求得激光器的总发射功率为35.62 mW。

同理，选用波长为532 nm的可见绿光半导体激光器作为新型号灯右舷灯的光源，在明视觉环境下可求得激光器的总发射功率为8.74 mW。以此类推，可计算出长度≥50 m的机动船的桅灯、尾灯和拖带灯的发光功率与发光单元数(见表1)。需指出，桅灯和尾灯的光色是由红、绿、蓝等3种光谱色混合而成的，3种半导体激光器以品字形紧密排列作为一组发光单元使用。

3 水平光弧及垂直光弧的设计

3.1《规则》对号灯水平光弧和垂直光弧的要求

《规则》附录一“号灯和号型的位置和技术细节”第9条“水平光弧”第一款规定：

表1 新型船舶号灯使用的半导体激光器主要参数

1)船上所装的舷灯，在朝前的方向上，应显示最低要求的发光强度，发光强度在规定光弧外的1°～3°，应减弱以达到切实断光。

2)尾灯和桅灯，以及舷灯在正横后22.5°处，应在水平弧内保持最低要求的发光强度，直到第二十一条规定的光弧界限内5°。从规定的光弧内5°起，发光强度可减弱50%，直到规定的界限；然后，发光强度应不断减弱，以达到在规定光弧外至多5°处切实断光。

第10条“垂直光弧”第一款规定，所装电气号灯的垂向光弧，除在航帆船的号灯外，应保证：

1)从水平上方5°到水平下方5°的所有角度内，至少保持所要求的最低发光强度。

2)从水平上方7.5°到水平下方7.5°，至少保持所要求的最低发光强度的60%。[1]358-359

3.2半导体激光船舶号灯水平光弧和垂直光弧的设计

为提高激光器单管的发光功率，目前商用大功率半导体激光器有源区多采用非对称结构，激光器端面输出光束在2个不同方向上有很大差异。[7-8]大功率半导体激光器不仅输出的光束不利于直接应用，而且造价相对高昂，相比之下，小功率半导体激光器则造价低，光束易于控制，通过一个微透镜即可调整其光束的发散角，因此在设计新型号灯时采用集成小功率半导体激光器阵列的办法。所谓阵列，是指将多个发光单元按特定的顺序排列起来，从而提高半导体激光器的总功率。设计合理的阵列结构不仅能保证号灯整体的发光强度，而且容易获得符合《规则》要求的水平光弧和垂直光弧。

以长度≥50 m的机动船的左舷红灯为例，通过计算可知，选用波长为635 nm的可见红光半导体激光器作为新型号灯左舷灯的光源，在明视觉环境下，其总功率至少应为41.62 mW。设所使用的半导体激光器的发散角为7.5°，既要保证号灯在要求的水平光弧和垂直光弧范围内光强分布尽量均匀，又不能使号灯的结构过于复杂。因此，考虑将18个单管功率为2.5 mW的半导体激光器等间距集成在一个半圆环外表面上，半圆环外表面半径为4.58 cm，内表面半径为3.58 cm，厚度为1 cm，宽为2 cm，外表面112.5°角对应的弧长为9 cm。半导体激光器的发射方向以不同角度向Y-Z平面倾斜，且相对于Y-Z平面左右对称，相对于X-Z平面上下对称。省略连接导线和新型号灯的封装结构，在Lighttools环境下建立模型的三维结构与发光效果图(见图3)。

图3 在Lighttools环境下建立的新型号灯结构与发光效果图

4 Lighttools环境下号灯可见距离和光弧范围的仿真

4.1仿真过程介绍

Lighttools是美国ORA(Optical Research Associates)公司研制的一种三维实体建模软件，其照明模块采用蒙特卡罗方法来模拟。[9]蒙特卡罗方法是一种随机模拟的方法，将光的散射过程处理为光子在介质中的碰撞过程，通过追迹和统计大量光子的运动模拟光束在介质中传输的结果。

在Lighttools环境下模拟点状高斯光源较困难，文献[10]给出一种通过叠加模型实现光源光强渐变的思路，但考虑到号灯发出的光线主要作用在远场，在仿真实验中将单个半导体激光器激光光束近似处理为平面波，其光强在垂直于传播方向的截面上均匀分布。

光在真空中沿直线传播，但在空气中，大气散射会对激光远距离传播造成影响，影响程度取决于大气中的各种粒子。在Lighttools环境下，采用米氏散射描述大气粒子对光线的散射作用，考虑到计算米氏散射的难度，在模拟前计算出一些参数并存储在内存中，以备随时调用。模拟试验设置大气透射率为0.8(相当于约13 n mile的气象能见度)，建立有限远场接收器并选择接收以Z轴为中心的58°角上的光线模拟切断光，设置光线数量为300万条，光线追迹阈值为0.01，经Lighttools仿真模拟后，在不同距离接收到光线的强度剖面图(见图4～图7)，各模拟试验的错误估计峰值均保持在0.2%以内。

图4 左舷灯光强度剖面图(10 m)

图5 左舷灯光强度剖面图(0.1 n mile)

图6 左舷灯光强度剖面图(1 n mile)

4.2仿真结果分析

在图4～图7中，水平方向和垂直方向上受各发光单元之间排列方式的影响，2个半导体激光器光束之间有重合区域，因此各测量点光强度呈锯齿形分布。当接收距离较近(10 m)时，大气散射对号灯光束的影响较小，接收到的光强度剖面图近似反映新型号灯光束在无大气散射时的传播。由图4可知，此时水平光弧范围为112.5°，垂直光弧范围为15°，在此范围边界处实现了切实断光，且各测量点光强度均超过《规则》要求的12堪。

图7 左舷灯光强度剖面图(3 n mile)

设计的新型号灯既要满足在规定的最大可见距离上使人眼能识别，又要保证船舶间避让时在可能接近的最小距离处不至于使人眼产生眩光效应。根据文献[11]的结论，实验室用“人工星点”测定的人眼视觉阈值约为2.44×10-9lx，取左舷灯的辐射面为平面，计算得到号灯在3 n mile远处整个可见范围内的光照度为7.75×10-9lx，因此人眼能在最大3 n mile处任意可见范围内轻易地观察到号灯的灯光；在0.1 n mile远处，新型号灯产生的眩光值GR约为52，其评价级别处在“刚好允许”的范围内[12]，于人眼安全，不会产生眩光现象。

随着接收距离增加(如图5～图7)，水平方向上，光强在整个辐照面上的分布趋于平缓，说明大气对激光束的散射作用使光强分布变得平均化；同时，垂直方向上不受接收角度的限制(无遮光)，光束的辐射角度有所增大。这是由于大气中的粒子分布具有随机性，光子在大气中传播时会与粒子产生随机碰撞而改变原来的运动方向，并在偏离原方向的地方被接收，因而造成光束的展宽。但由图4～图7可知，新型号灯的水平光弧和垂直光弧在指定的接收距离处都能满足《规则》的要求。

综上所述，设计的新型号灯满足《规则》有关号灯发光强度和光弧范围的要求。

5 结束语

将半导体激光器作为号灯的光源，设计了一种新型船舶号灯，并在Lighttools环境下进行了仿真实验，得到以下结论。

1) 半导体激光器输出的光束波长固定，颜色纯度高，光强符合高斯函数分布，能量集中，方向性好，适合做新型号灯的光源。

2) 通过选择功率合适的半导体激光器及合理的阵列结构，使所设计的船舶号灯能符合《规则》中有关号灯发光强度、水平光弧和垂直光弧的规定。

3) 以长度≥50 m的机动船的左舷灯为例，在Lighttools环境下对半导体激光船舶号灯进行了仿真。结果表明：新型号灯左舷灯在最远3 n mile处能使人眼轻易观察到，在最近0.1 n mile处不会对人眼产生眩光效应，设计的新型号灯能满足《规则》对号灯发光强度、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

辽宁省自然科学基金(2014025008)

朱金善(1971—)，男，江西九江人，教授，船长，主要从事航海技术的教学、实践与研究工作。E-mail: zjinshan888@126.com

1000-4653(2015)03-0005-04

U665.16

A