CN101978207A - 发光器件 - Google Patents

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Abstract

一种发光器件包括：半导体激光元件(10)，具有用于出射激光的第一出射面；导光体(40)，被掩埋在支撑基底(20)的凹部(20a)中，导引从所述半导体激光元件(10)出射的激光，并具有入射面(40a)和第二出射面(40b)，所述激光进入所述入射面(40a)，行进通过所述导光体(40)的所述激光从所述第二出射面(40b)出射，所述导光体(40)的所述入射面(40a)为这样的曲面，该曲面使得在由所述激光的行进方向和所述激光的发光斑的短轴形成的面中所述激光的入射角在包括布儒斯特角的预定范围内；以及荧光物质(42)，被散布在所述导光体(40)中，吸收所述激光，并出射具有与所述激光的波长不同的波长的光。

Description

发光器件
技术领域
本发明涉及使用半导体激光器作为光源的发光器件。
背景技术
现今，存在均具有发光二极管作为半导体发光元件的发光器件，每一个发光器件被设计为在器件内均匀地发光。通过已知的技术，例如，在发光二极管附近设置反射镜，以调整光传播方向和光密度的空间分布。通过另一种已知的技术，使光漫射剂(light diffusion agent)以及荧光物质被包含在导引来自发光二极管的光的密封剂中，并利用漫反射。通过又一已知的技术，通过改变导光体的入射面和出射面的形状来调整光密度的空间分布(例如，参见日本专利No.3,991,961和JP-A 2006-32370(特开))。此外，还存在这样的已知技术，通过该技术，使用具有高折射率的密封剂来有效地再提取来自荧光物质的光并将该光导引向出射面侧(例如，参见JP-A 2007-27751(特开))。
然而，这些技术中的任何一种都基于光反射和透射的原理。通过这些技术中的任何一种技术，对于来自发光器件的光发射，没有使用特定比率的透射光和特定比率的反射光。因此，透射光和反射光造成了损失，由此不能获得高发光效率。
发明内容
鉴于上述情况提出了本发明，并且本发明的目的为提供一种具有最高可能的发光效率的发光器件。
根据本发明的第一方面的发光器件包括：半导体激光元件，其具有用于出射激光的第一出射面；支撑基底，其具有在表面上的凹部，并以将所述半导体激光元件的所述出射面暴露到所述凹部的底面的方式支撑所述半导体激光元件；导光体，其被掩埋在所述支撑基底的所述凹部中，导引从所述半导体激光元件出射的所述激光，并具有入射面和第二出射面，所述激光进入所述入射面，行进通过所述导光体的所述激光从所述第二出射面出射，所述导光体的所述入射面为这样的曲面，该曲面使得在由所述激光的行进方向和所述激光的发光斑的短轴形成的面中所述激光的入射角在包括布儒斯特角的预定范围内；以及荧光物质，其被散布在所述导光体中，吸收所述激光，并出射具有与所述激光的波长不同的波长的光。
根据本发明的第二方面的发光器件包括：第一和第二半导体激光元件，其分别具有用于出射激光的第一和第二出射面；支撑基底，其具有在表面上的凹部，并以将所述第一和第二出射面暴露到所述凹部的底面的方式支撑所述第一和第二半导体激光元件；导光体，其被掩埋在所述支撑基底的所述凹部中，导引从所述第一和第二半导体激光元件中的每一个出射的所述激光，并具有入射面和第三出射面，从所述第一和第二半导体激光元件中的每一个出射的所述激光进入所述入射面，行进通过所述导光体的所述激光从所述第三出射面出射，所述导光体的所述入射面为这样的曲面，该曲面使得在由所述激光的行进方向和所述激光的发光斑的短轴形成的面中所述激光的入射角在包括布儒斯特角的预定范围内；以及荧光物质，其被散布在所述导光体中，吸收所述激光，并出射具有与所述激光的波长不同的波长的光。
根据本发明的第三方面的发光器件包括：半导体激光元件，其具有用于出射激光的第一和第二出射面，所述第一和第二出射面彼此面对；支撑基底，其具有在彼此面对的第一和第二表面上的第一和第二凹部，并以将所述半导体激光元件的所述第一出射面暴露到所述第一凹部的底面且将所述半导体激光元件的所述第二出射面暴露到所述第二凹部的底面的方式支撑所述半导体激光元件；第一导光体，其被掩埋在所述支撑基底的所述第一凹部中，导引从所述半导体激光元件的所述第一出射面出射的第一激光，并具有第一入射面和第三出射面，所述第一激光进入所述第一入射面，行进通过所述第一导光体的所述第一激光从所述第三出射面出射，所述第一导光体的所述第一入射面为这样的曲面，该曲面使得在由所述第一激光的行进方向和所述第一激光的发光斑的短轴形成的面中所述第一激光的入射角在包括布儒斯特角的第一预定范围内；第二导光体，其被掩埋在所述支撑基底的所述第二凹部中，导引从所述半导体激光元件的所述第二出射面出射的第二激光，并具有第二入射面和第四出射面，所述第二激光进入所述第二入射面，行进通过所述第二导光体的所述第二激光从所述第四出射面出射，所述第二导光体的所述第二入射面为这样的曲面，该曲面使得在由所述第二激光的行进方向和所述第二激光的发光斑的短轴形成的面中所述第二激光的入射角在包括布儒斯特角的第二预定范围内；第一荧光物质，其被散布在所述第一导光体中，吸收所述第一激光，并出射具有与所述第一激光的波长不同的波长的第一光；以及第二荧光物质，其被散布在所述第二导光体中，吸收所述第二激光，并出射具有与所述第二激光的波长不同的波长的第二光。
附图说明
图1为根据第一实施例的发光器件的水平截面视图；
图2为第一实施例的发光器件的垂直截面视图；
图3为用于解释布儒斯特定律(Brewster’s law)的图；
图4为示出了激光二极管的具体实例结构的截面视图；
图5为作为具体实例的激光二极管的透视图；
图6为根据第二实施例的发光器件的水平截面视图；
图7为根据第二实施例的修改例的发光器件的水平截面视图；
图8为根据第三实施例的发光器件的水平截面视图；
图9为根据第四实施例的发光器件的水平截面视图；以及
图10为根据第五实施例的发光器件的水平截面视图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的实施例。
(第一实施例)
图1和2示例了根据本发明的第一实施例的发光器件。图1为沿在水平方向上延伸的线截取的该实施例的发光器件的截面视图。图2为沿在垂直方向上延伸的线截取的该发光器件的截面视图。图1和2为彼此垂直的截面视图。
该实施例的发光器件包括作为光源的激光二极管10、支撑基底20以及导光体40。支撑基底20具有在其表面上的凹部20a。以将激光二极管10的光出射面暴露到凹部20a的方式将激光二极管10固定到支撑基底20。为激光二极管10供能的电极24a和24b被设置在支撑基底20的内部。电极24a和24b中的一个被直接连接到激光二极管10，另一个被通过接合线26而连接到激光二极管10。导光体40被掩埋在支撑基底20的凹部20a中。导光体40具有入射面40a和出射面40b，来自激光二极管10的光通过该入射面40a而进入导光体40，已通过入射面40a进入导光体40且在导光体40内部行进的光通过出射面40b而被出射。在支撑基底20的凹部20a与导光体40的入射面40a之间形成中空部30。来自激光二极管10的激光经过中空部30，然后到达导光体40的入射面40a。
中空部30在图1中所示的水平截面视图中具有裂缝状(slit-like)的形状，并在图2所示的垂直截面视图中具有极大的宽度。在导光体40中，在宽的范围内分散有荧光物质42。支撑基底20作为从激光二极管10散热的散热器，并用于固定和保护激光二极管10和导光体40。
该实施例的导光体40用于高效地导引激光。该功能基于布儒斯特定律。导光体40的入射面40a为这样的曲面，该曲面使得来自激光二极管10的激光13的入射角等于布儒斯特角。图3为示例出导光体40的入射面40a的形状与激光13的入射角之间的关系的示意图。该示意图为沿由激光13的行进方向和激光13的光斑的短轴方向限定的面截取的截面图。在图3中，虚线A和B表示导光体40的入射面40a关于激光的入射点的切线和法线。在入射点处的法线B相对于激光的行进方向的角被设定为激光13的入射角。导光体40的入射面为这样的光滑的曲面，以便在激光13的任何入射点处的入射角为布儒斯特角θB。布儒斯特角为，在具有特定角度的光进入具有不同折射率的两种介质之间的界面的情况下当P波的强度反射率变为零时所观察到的在两种介质之间的界面的法线相对于光入射方向的角。布儒斯特角由下式表示：
θB＝arctan(n2/n1)
其中n1表示在入射侧的介质的折射率，n2表示在出射侧的介质的折射率。例如，当光从大气侧进入折射率为1的大气与折射率为1.47的透明材料之间的界面时，布儒斯特角θB为55.77°。根据下列菲涅耳(Fresnel)公式，在该角度下的s偏振和p偏振的反射率比率分别为13.49％和0.00％：
Rs[sin(θi-θt)/sin(θi+θt)]2
Rp＝[tan(θi-θt)/tan(θi+θt)]2
其中θ1表示入射角，θt表示折射角。因此，p偏振的透射率变为100％。
假设在具有作为p偏振的90％的线偏振的激光进入折射率为1.47的材料，则S偏振分量(其是全光通量的10％)的13.49％被反射。因此，在该情况下，全光通量的反射率为约0.01349(＝0.1×0.1349)或1.349％，且全光通量的98.65％被透射。然而，如果入射角相对于布儒斯特角θB移动了-10°，在上述条件下的s偏振和p偏振分别为8.75％和0.64％。更具体而言，占全光通量的10％的s偏振分量的8.75％和占全光通量的90％的p偏振分量的0.64％被反射。因此，反射率为0.01451(＝0.9×0.0064+0.1×0.0875)或1.451％，且全光通量量的透射率为98.55％。同时，如果入射角相对于θB移动了+5°，s偏振和p偏振分别为17.27％和0.326％，且全光通量的透射率为97.98％。
如上所述，具有90％的线偏振的光束的透射率被保持在约98％，而相对于入射面的入射角在θB-10°到θB+5°的范围。激光二极管10具有比常规发光二极管更优良的线偏振，并且偏振方向通常平行于有源层面。使用激光二极管作为光源，便可以有效地将光导引通过具有不同的折射率的介质之间的界面。在本说明书中，这称为导光构件40的高效率导光功能。布儒斯特角θB为依赖于导光体的折射率的设计参数。
导光体40还具有光斑形状改变功能。如图3所示，以布儒斯特角θB入射的激光被折射了角2θB-π/2。因此，如在图3中所示的导光体40中的情况，通过使入射面的法线朝向激光13的光斑形状的短轴的中心，便可以加宽激光13的出射角。在本说明书中，这称为导光体的光斑形状改变功能。
导光体40还具有减小激光从导光体40泄漏的效果。导光体40吸收激光，并包含发射具有与激光不同的波长的光的荧光物质42。例如，荧光物质42被分布为平行于导光体40的出射面42b，并且在与出射面40b垂直的方向上的分布宽度被设定为约100μm，以便激光可以被荧光物质42几乎100％地吸收。以该方式，可以减小向出射面40b的激光出射。荧光物质42的分布宽度是依赖于荧光材料的分布、类型和混合比率的设计参数。
现在参考图4和5来说明激光二极管10。图4为激光二极管10的截面图。图5为激光二极管10的透视图。在衬底上生长激光二极管10。激光二极管10具有双异质结构，该结构具有在有源层的任一侧上的n型和p型导引层和覆层(clad layer)。激光二极管10能够发射300nm到500nm波长的光。例如，激光二极管10包括在衬底100上依次形成的n型缓冲层102、n型覆层104、n型导引层106、有源层108、p型导引层110、p型覆层112、p型接触层114以及p电极116。进一步在衬底100的与n型缓冲层102相反的面上形成n电极120，其中在衬底100与n电极120之间插入n型接触层118。p型覆层112和p型接触层114均被形成为具有小于p型导引层110的膜面面积，以便窄化电流。绝缘体层122覆盖p型导引层110的上面以及p型覆层112和p型接触层114的侧面的暴露部分。
图5示意性地示出常规条型激光二极管的层结构。激光从激光二极管10的与电流窄化条垂直的两个出射端面或其中一个出射端面出射。激光的光斑形状为在与光轴垂直的面上的椭圆(图5)。
在设置于支撑基底20上的电极24a上设置n电极120和p电极116中的一个(图1)。激光二极管10的暴露的电极中的另一个被通过接合线26而连接到电极24b。导光体40的入射面40a为这样的曲面，该曲面使得在由激光13与光斑形状的短轴方向形成的面中激光的入射角在θ±几度的范围内。
可以利用对从激光二极管10出射的激光透明的构件形成导光体40。例如，用气体或大气填充在导光体40的入射面40a与激光二极管10之间的区域(中空部30)。在该情况下，大气的折射率为约1。中空部30可以为真空。
相对于经过导光体40的内部的激光的行进方向，广泛分布在导光体40中的荧光物质42的优选厚度为约100μm。导光体40的折射率优选具有接近荧光物质42的折射率的值，更具体而言，为约1.8。
此外，可以在支撑基底20的凹部20a中形成用于从荧光物质42出射的光的反射层21(参见，图2)。
如上所述，该实施例可以提供安全的发光器件，其可以使用来自激光二极管的几乎100％的入射光，并具有很少但却均匀的激光泄漏。因此，当将该实施例的激光器件用于照明系统中时，可以高效率低实现高度均匀的光通量。
(第二实施例)
图6实例了根据本发明的第二实施例的发光器件。除了荧光物质42沿导光体40的出射面40b分布之外，该实施例的发光器件具有与第一实施例的发光器件相同的结构。可以根据导光体40的出射面40b的形状来改变被荧光物质42接收的激光的分布。例如，可以通过改变导光体的出射面的形状来调整被荧光物质接收的激光的表面密度。
(修改例)
如图7所示，导光体40中的荧光物质可以为形成有两个或更多的层状结构的荧光物质42a和42b。利用层状荧光物质，可以使不同种类的荧光物质之间的光再吸收小于其中使多种荧光物质混合的情况，并且可以容易地设计色度图上的合成光。
(第三实施例)
图8示例了根据本发明的第三实施例的发光器件。除了将导光体40分为不包含荧光物质42的导光构件401和包含荧光物质42的导光构件402之外，该实施例的发光器件与图1示出的第一实施例的发光器件相同。利用该设置，可以与导光构件401分离地形成包含荧光物质42的导光构件402，因此可以更容易地制造包含荧光物质42的导光构件402和不包含荧光物质42的导光构件401。
(第四实施例)
图9示例了根据本发明的第四实施例的发光器件。该实施例的发光器件包括激光二极管10、支撑基底20、以及导光构件401和402。激光二极管10具有一对彼此面对的出射面。支撑基底20具有形成在彼此面对的表面对上的凹部20a1和20a2。激光二极管10被固定到支撑基底20，以便激光二极管10的该对出射面被暴露到凹部20a1和20a2。在支撑基底20的内部设置为激光二极管10供能的电极24a和24b。电极24a和24b中的一个被直接连接到激光二极管10，而另一个通过接合线26而被连接到激光二极管10。
导光构件401和402被分别掩埋在支撑基底20的凹部20a1和20a2中。导光构件401包括入射面40a1和出射面40b1，来自激光二极管10的光通过入射面40a1而进入导光构件401，已经通过入射面40a1进入且在导光体401内部行进的光通过出射面40b1而被出射到外部。导光构件402包括入射面40a2和出射面40b2，来自激光二极管10的光通过入射面40a2而进入导光构件402，已经通过入射面40a2进入且在导光体402内部行进的光通过出射面40b2而被出射到外部。在支撑基底20的凹部20a1与导光构件401的入射面40a1之间形成中空部301，并且来自激光二极管10的激光通过中空部301而进入导光构件401的入射面40a1。在支撑基底20的凹部20a2与导光构件402的入射面40a2之间形成中空部302，并且来自激光二极管10的激光通过中空部302而进入导光构件402的入射面40a2。与第一实施例的情况相同地，这些中空部301和302在图9中所示的水平截面视图中均具有裂缝状的形状，并在垂直截面视图中具有极大的宽度。在导光构件401和402中，荧光物质421和422都被分散在宽的范围内。支撑基底20作为从激光二极管10散热的散热器，并用于固定和保护激光二极管10和导光构件401和402。
在该实施例的导光构件401和402中，入射面40a1和40a2中的每一个为这样的曲面，该曲面使得来自激光二极管10的激光13的入射角等于布儒斯特角。
在具有上述结构的该实施例的发光器件中，可以通过使激光二极管10从两个出射面都出射光而减小每一个出射端面的光输出。
在该实施例中，与第一到第三实施例相同地，可以在支撑基底20的每一个凹部20a的表面上设置光反射膜。
(第五实施例)
图10示例了根据本发明的第五实施例的发光器件。除了设置了两个激光二极管之外，该实施例的发光器件与图1所示的第一实施例的发光器件相同。两个激光二极管101和102被固定到支撑基底20，以便每一个出射面被暴露到凹部20a。激光二极管101和102被电连接到电极24a和24b中的一个，并通过接合线261和262而被电连接到电极24a和24b中的另一个。导光体40的入射面40a为这样的曲面，该曲面使得从激光二极管101和102中的每一个出射的激光的入射角等于布儒斯特角。然而，在该实施例中，导光体40的入射面40a相对于从激光二极管101和102中每一个出射的激光具有在水平面中的不对称形状。利用该设置，具有高光密度的光轴附近的激光可以有效地进入导光体40。优选地，激光二极管101和102的光轴相对于彼此的角为布儒斯特角θB的约两倍，并且在该条件下进入导光体的激光的中心轴彼此平行。
上述实施例的导光构件中的每一个优选由基于硅的树脂、聚合物、聚酰亚胺、陶瓷、玻璃、或这些材料中的两种或更多种的混合物构成。
上述实施例的每种荧光物质应优选包含钇铝石榴石材料、铽铝石榴石材料、锌的硒硫化物(zinc selenide sulfide)、或氮化的硅铝(nitrided siliconaluminum)。
如上所述，本发明的每个实施例都可以提供一种具有最高可能的发光效率的发光器件。
另外的优点和修改将对于本领域的技术人员显而易见。因此，本发明在其更宽广的方面并不局限于这里示出并描述的具体细节和代表性实施例。因此，可以做出各种修改而不会背离由所附权利要求及其等价物限定的总发明构思的精神和范围。

Claims (24)

1.一种发光器件，包括：
半导体激光元件，其具有用于出射激光的第一出射面；
支撑基底，其具有在表面上的凹部，并以将所述第一出射面暴露到所述凹部的底面的方式支撑所述半导体激光元件；
导光体，其被掩埋在所述支撑基底的所述凹部中，导引从所述半导体激光元件出射的所述激光，并具有入射面和第二出射面，所述激光进入所述入射面，行进通过所述导光体的所述激光从所述第二出射面出射，所述导光体的所述入射面为这样的曲面，该曲面使得在由所述激光的行进方向和所述激光的发光斑的短轴形成的面中所述激光的入射角在包括布儒斯特角的预定范围内；以及
荧光物质，其被散布在所述导光体中，吸收所述激光，并出射具有与所述激光的波长不同的波长的光。
2.根据权利要求1的器件，其中所述半导体激光元件的发射波长在300nm到500nm的范围内。
3.根据权利要求1的器件，其中所述导光体被形成有基于硅的树脂、聚合物、聚酰亚胺、陶瓷和玻璃中的一种或其混合物。
4.根据权利要求1的器件，其中所述导光体具有层叠结构，所述层叠结构被形成有第一导光构件和由与所述第一导光构件不同的材料构成的第二导光构件。
5.根据权利要求1的器件，其中所述荧光物质包含钇铝石榴石材料、铽铝石榴石材料、锌的硒硫化物、以及氮化的硅铝中的一种。
6.根据权利要求1的器件，还包括：
光反射膜，其被形成在所述支撑基底的所述凹部的表面上。
7.根据权利要求1的器件，其中所述荧光物质沿所述第二出射面分布。
8.根据权利要求1的器件，其中所述预定范围为θB-10°到θB+5°的范围，其中θB表示布儒斯特角。
9.一种发光器件，包括：
第一和第二半导体激光元件，其分别具有用于出射激光的第一和第二出射面；
支撑基底，其具有在表面上的凹部，并以将所述第一和第二出射面暴露到所述凹部的底面的方式支撑所述第一和第二半导体激光元件；
导光体，其被掩埋在所述支撑基底的所述凹部中，导引从所述第一和第二半导体激光元件中的每一个出射的所述激光，并具有入射面和第三出射面，从所述第一和第二半导体激光元件中的每一个出射的所述激光进入所述入射面，行进通过所述导光体的所述激光从所述第三出射面出射，所述导光体的所述入射面为这样的曲面，该曲面使得在由所述激光的行进方向和所述激光的发光斑的短轴形成的面中所述激光的入射角在包括布儒斯特角的预定范围内；以及
荧光物质，其被散布在所述导光体中，吸收所述激光，并出射具有与所述激光的波长不同的波长的光。
10.根据权利要求9的器件，其中所述半导体激光元件中的每一个的发射波长在300nm到500nm的范围内。
11.根据权利要求9的器件，其中所述导光体被形成有基于硅的树脂、聚合物、聚酰亚胺、陶瓷和玻璃中的一种或其混合物。
12.根据权利要求9的器件，其中所述导光体具有层叠结构，所述层叠结构被形成有第一导光构件和由与所述第一导光构件不同的材料构成的第二导光构件。
13.根据权利要求9的器件，其中所述荧光物质包含钇铝石榴石材料、铽铝石榴石材料、锌的硒硫化物、以及氮化的硅铝中的一种。
14.根据权利要求9的器件，还包括：
光反射膜，其被形成在所述支撑基底的所述凹部的表面上。
15.根据权利要求9的器件，其中所述荧光物质沿所述第三出射面分布。
16.根据权利要求9的器件，其中所述预定范围为θB-10°到θB+5°的范围，其中θB表示布儒斯特角。
17.一种发光器件，包括：
半导体激光元件，其具有用于出射激光的第一和第二出射面，所述第一和第二出射面彼此面对；
支撑基底，其具有在彼此面对的第一和第二表面上的第一和第二凹部，并以将所述半导体激光元件的所述第一出射面暴露到所述第一凹部的底面且将所述半导体激光元件的所述第二出射面暴露到所述第二凹部的底面的方式支撑所述半导体激光元件；
第一导光体，其被掩埋在所述支撑基底的所述第一凹部中，导引从所述半导体激光元件的所述第一出射面出射的第一激光，并具有第一入射面和第三出射面，所述第一激光进入所述第一入射面，行进通过所述第一导光体的所述第一激光从所述第三出射面出射，所述第一导光体的所述第一入射面为这样的曲面，该曲面使得在由所述第一激光的行进方向和所述第一激光的发光斑的短轴形成的面中所述第一激光的入射角在包括布儒斯特角的第一预定范围内；
第二导光体，其被掩埋在所述支撑基底的所述第二凹部中，导引从所述半导体激光元件的所述第二出射面出射的第二激光，并具有第二入射面和第四出射面，所述第二激光进入所述第二入射面，行进通过所述第二导光体的所述第二激光从所述第四出射面出射，所述第二导光体的所述第二入射面为这样的曲面，该曲面使得在由所述第二激光的行进方向和所述第二激光的发光斑的短轴形成的面中所述第二激光的入射角在包括布儒斯特角的第二预定范围内；
第一荧光物质，其被散布在所述第一导光体中，吸收所述第一激光，并出射具有与所述第一激光的波长不同的波长的第一光；以及
第二荧光物质，其被散布在所述第二导光体中，吸收所述第二激光，并出射具有与所述第二激光的波长不同的波长的第二光。
18.根据权利要求17的器件，其中所述半导体激光元件的发射波长在300nm到500nm的范围内。
19.根据权利要求17的器件，其中所述第一和第二导光体中的每一个被形成有基于硅的树脂、聚合物、聚酰亚胺、陶瓷和玻璃中的一种或其混合物。
20.根据权利要求17的器件，其中所述第一和第二导光体中的每一个具有层叠结构，所述层叠结构被形成有第一导光构件和由与所述第一导光构件不同的材料构成的第二导光构件。
21.根据权利要求17的器件，其中所述第一和第二荧光物质包含钇铝石榴石材料、铽铝石榴石材料、锌的硒硫化物、以及氮化的硅铝中的一种。
22.根据权利要求17的器件，还包括：
光反射膜，其被形成在所述支撑基底的所述第一和第二凹部的表面上。
23.根据权利要求17的器件，其中所述第一和第二荧光物质分别沿所述第三和第四出射面分布。
24.根据权利要求17的器件，其中所述第一和第二预定范围为θB-10°到θB+5°的范围，其中θB表示布儒斯特角。
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