CN102362399A - 光学泵浦固态激光器以及包括所述固态激光器的照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固态激光器件（1），该固态激光器件包括增益介质（10），该增益介质基本上具有掺杂有稀土离子的固态基质材料（15）的主相。依照本发明，稀土离子的至少一部分是具有高能地位于基质材料（15）的最高价态与最低导通状态之间的至少一个4f态（16，17）和至少一个5d带（18）的Ce3+离子（19），其中：-最高4f态（17）和5d带（18）的下边缘具有第一能级差异（Δ1），并且-最低4f态（16）和5d带（18）的上边缘具有第二能级差异（Δ2）；并且其中基质材料（15）被选择成使得得到的增益介质（10）具有不含空置状态的用于禁用激发态吸收的能量范围（20），该能量范围（20）位于较低能量（21）与较高能量（22）之间，-所述较低能量（21）比5d带（18）的下边缘高出第一能级差异（Δ1）的值，并且-所述较高能量（22）比5d带（18）的上边缘高出第二能级差异（Δ2）的值。可能的基质材料为Y3AlGa4O12、Ca3Sc2Si3O12。本发明进一步涉及包括至少一个固态激光器件（1）的对应照明系统。

Description

光学泵浦固态激光器以及包括所述固态激光器的照明系统
技术领域
本发明涉及一种固态激光器件，其包括基本上具有掺杂有稀土离子的固态基质材料的主相（main phase）的增益介质。本发明进一步涉及包括至少一个所述固态激光器件的相应照明系统。
背景技术
激光器将代替UHP灯（UHP：超高性能）作为用于需要高亮度光源的投影系统和其他系统的光源。尽管红色和蓝色激光二极管可获得，但是在绿色光的波长区域中集成激光光源的缺乏直到现在仍然阻挡着将激光器广泛用于显示应用或照明应用。直到现在，集成绿色激光器仍然不可获得，并且必须应用波长转换方案。
基于作为增益介质的Pr3+掺杂氟化物材料的蓝色二极管泵浦固态激光器（bDPSSL）近来吸引了对于这种集成绿色激光器的大量关注。这些激光器限于波长选定和稳定化的泵浦二极管。它们采用线性波长转换方案。这导致与二次谐波系统相比对于温度漂移更低的灵敏度以及变成集成的且因而低成本的解决方案的可能性。这种基于Pr3+掺杂氟化物材料的蓝色二极管泵浦固态激光器的典型设置使用Pr:YLF（YLF：钇锂氟化物）作为激光增益介质（激光产生介质）。
这些激光器达到相当高的效率，但是同时在诸如集成投影之类的应用方面具有若干缺陷和缺点：Pr:YLF在典型的蓝色激光二极管的发射波长（~445nm）处具有窄的吸收线。这要求选择具有与Pr吸收精确匹配的发射光谱的激光二极管。激光二极管的这种分箱（binning）和选择将直接增大泵浦激光器和整个系统的成本。此外，激光二极管的发射随着二极管电流和温度而移动。
铈掺杂钇铝石榴石（Ce:YAG）作为磷光体在发光二极管（LED）中得到广泛的应用。不同于在可见光范围内为不同4f态之间的电偶极禁戒跃迁的Pr3+离子中的光学跃迁的是，Ce3+离子中的相关跃迁处于4f能级与5d能级之间且为电偶极允许的。在YAG:Ce中，这导致在蓝色波长区域内的强而宽的吸收，以及从500nm延伸至650nm的宽而强的发射带，最大值处于黄色波长处。
由于这些有利的特征，Ce:YAG也作为用于固态激光器的材料而被研究。然而，从预期的上激光能级至导带或者Ce离子的另一个高位5d能级的强吸收防止了该材料中的激光产生。该吸收现象称为激发态吸收（ESA）。相同的情形在Ce:Lu3Al5O12（Ce:LuAG）中给出。在Ce:Lu3Al5O12中，ESA过程终止于高能位置，其中激发光谱表现出强信号。该强信号是ESA的相关能量处的高密度状态的指示；因此，ESA防止了Ce:LuAG中的激光作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种在绿色波长区域内发射的固态激光器，其发射从480nm至580nm的波长区域或者该波长区域的任何子区内的光，该固态激光器可以由像LED或者激光二极管那样的在更短波长处发射的发光器件泵浦。
这个目的是利用依照权利要求1的固态激光器来实现的。有利的实施例是从属权利要求的主题和/或在包括用于实现本发明的实施例的后续描述中进行描述。
所提出的固态激光器包括增益介质，该增益介质基本上具有掺杂有稀土离子的固态基质材料的主相，其中稀土离子的至少一部分是具有高能地位于基质材料的最高价态与最低导通状态之间的4f基态和至少一个5d带的Ce3+离子，其中最高4f态和5d带的下边缘具有第一能级距离并且最低4f态和5d带的上边缘具有第二能级距离，其中基质材料被选择成使得得到的增益介质具有不含空置状态的能量范围，所述能量范围禁用激发态吸收（ESA），该能量范围位于较低能量与较高能量之间，所述较低能量比5d带的下边缘高出第一能级距离的值，所述较高能量比5d带的上边缘高出第二能级距离的值。优选地，固态基质材料为石榴石。
措词“基本上”特别地表示≥95%的、优选地≥98%的以及最优选地≥99.5%的增益介质的基质材料具有希望的结构和/或组成。
术语“主相”表示可能存在例如由上述材料与可以例如在陶瓷加工期间添加的添加剂的混合物得到的另外的相。这些添加剂可以完全地或者部分地结合到最终的材料中，该最终的材料于是也可以是若干化学上不同的物种的复合物，并且特别地包括本领域中称为熔剂（flux）的这样的物种。
适当的固态基质材料可以通过制备Ce掺杂固态基质材料并且测量得到的增益介质在从大约150nm至大约700nm的波长区域内的光学激发光谱和光学发射光谱以及光电导谱而找到。
关于本发明，措辞“不含空置状态的能量范围，所述能量范围禁用激发态吸收”特别地表示激发光谱在与所述空置状态对应的相应光谱能量范围内不表现出任何可观察的信号结构。
依照本发明的一个优选的实施例，激光产生过程中涉及的5d带与导带热隔离。用于将5d带与导带热隔离的能量差为至少0.5eV。
依照本发明的一个优选的实施例，稀土离子为Ce3+离子或者Ce3+离子和其他稀土离子的混合物，所述其他稀土离子选自Pr3+离子、Sm3+离子、Eu3+离子、Tb3+离子、Dy3+离子和Tm3+离子的组。
依照本发明的一个优选的实施例，基质材料选自以下材料：(Y1-x-yGdxLuy)3Al5-zGazO12（1≤z ≤5；0≤x ≤1；0≤y ≤1和x+y ≤1）。该基质材料优选地为Y3AlGa4O12。
依照本发明的另一个优选的实施例，基质材料被选择为以下材料：Ca3Sc2Si3O12。优选地，掺杂有稀土离子的固态基质材料为：Ca3-xCexSc2Si3O12（0.005≤x≤0.2）；更优选地，掺杂有稀土离子的固态基质材料为：Ca2.97Ce0.03Sc2Si3O12。
依照本发明的一个优选的实施例，基质材料具有0.005mol%-5mol%（摩尔百分比）的范围内，特别地0.1mol%-1mol%的范围内的稀土离子掺杂浓度。
依照本发明的一个优选的实施例，基质材料为陶瓷材料或单晶材料。所提出的材料可以通过标准的晶体生长技术以及通过陶瓷烧结技术来制备。这两种方法对于基于YAG的激光材料是相当普通的，并且可以容易地转移到所提出的石榴石结构。用于陶瓷加工的可能性是与Pr:YLF相比的关于蓝色二极管泵浦固态激光器（bDPSSL）的成本结构的另一优点。
依照本发明的一个优选的实施例，所述固态激光器进一步包括发射蓝色光和/或紫外光的泵浦光源，其中增益介质处于泵浦光源的光路上。泵浦光源优选地为半导体泵浦二极管；特别地为用于泵浦增益介质的激光二极管。
依照本发明的一个优选的实施例，所述激光器件为发射绿色激光的激光器件。术语“绿色激光”特别地表示和/或包括增益材料表现出可见光范围内的发射（在适当激发时），发射的最大值介于480nm与580nm之间。
依照本发明的一个优选的实施例，增益介质发射的激光被调整为平行于或垂直于光路的主轴。
依照本发明的一个优选的实施例，基质材料具有超过5.5eV的最低导通状态与最高价态之间的能隙。
此外，本发明涉及一种照明系统，该照明系统包括至少一个前述固态激光器件，其中该系统用在一个或多个以下应用中：
- 聚光照明系统，
- 影院照明系统，
- 光纤应用系统，
- 投影系统，
- 自点亮显示系统，
- 像素化显示系统，
- 分段显示系统，
- 警告标志系统，
- 医疗照明应用系统，
- 指示符号系统，
- 便携式系统，以及
- 汽车应用。
依照本发明的一个优选的实施例，所述系统的激光器件是发射绿色激光的激光器件。
依照本发明的一个优选的实施例，所述系统为包括另外的激光器件的RGB系统（R：红色；G：绿色；B：蓝色），其中这些另外的激光器件中的一个发射红色光并且这些另外的激光器件中的另一个发射蓝色光。
上述部件以及要求权利保护的部件和所述实施例中依照本发明使用的部件在其尺寸、形状、材料选择和技术构思方面不经受任何特殊例外，从而可以不受限制地应用相关领域中已知的选择准则。
附图说明
从属权利要求、附图以及各附图和实例的以下描述中公开了本发明目的的附加细节、特征、特性和优点，所述附图和实例以示例性方式示出了依照本发明的固态激光器的一个实施例和实例。
在附图中：
图1为依照本发明一个优选实施例的横向泵浦固态激光器件的实例的顶视图；
图2示出了增益介质的一个优选实施例的激发方案；
图3示出了不同的0.2mol% Ce掺杂石榴石材料的激发光谱；
图4示出了0.2mol% Ce掺杂Y3AlGa4O12（Ce3+:Y3AlGa4O12）材料的发射光谱；以及
图5示出了Ce掺杂Ca3Sc2Si3O12（Ce3+:Ca3Sc2Si3O12）材料的激发光谱和发射光谱。
具体实施方式
图1示出了包括泵浦光源2的固态激光器件1，该泵浦光源形成为发射360-480nm的波长区域内的光（激光）的泵浦二极管3。固态激光器件1进一步包括增益器件4和光学器件5。增益器件4和光学器件5设置在泵浦光源2的光路6上，其中光学器件5包括用于准直和光束定形的设置在泵浦光源2与增益器件4之间的聚焦透镜7和另一光学元件8。光路6具有主轴9。
增益器件4包括腔体（未示出）和增益介质10。增益介质10包括掺杂有稀土离子的固态基质材料。
该固态基质材料选自以下材料：(Y1-x-yGdxLuy)3Al5-zGazO12（1≤z ≤5；0≤x ≤1；0≤y ≤1和x+y ≤1）。稀土离子为Ce3+离子或者Ce3+离子和其他另外的稀土离子的混合物，所述另外的稀土离子选自Pr3+离子、Sm3+离子、Eu3+离子、Tb3+离子、Dy3+离子和Tm3+离子的组。
泵浦激光器2发射蓝色光和/或紫外光。泵浦光源2发射的蓝色光和/或紫外光用于泵浦增益器件4以便创建离开增益器件4的绿色激光。固态激光器件1可以被配置成纵向泵浦的固态激光器件1（未示出）或者横向泵浦的固态激光器件1，其中激光束11被调整为与泵浦光的光路6的主轴9垂直或者成一定角度。光路7的焦斑或焦线12位于增益器件4内。
图2示出了增益介质10的一个优选实施例的激发方案。在左侧，示出了固态基质材料15的价带13和导带14。在右侧，示出了Ce3+离子19的两个4f态16、17和一个5d带18。4f态16、17和5d带18高能地位于基质材料15的最高价带状态（价带13的上边缘）与最低导带状态（导带14的下边缘）之间，最高4f态17和5d带18的下边缘具有第一能级距离Δ1并且最低4f态16和5d带18的上边缘具有第二能级距离Δ2，其中基质材料15被选择成使得得到的增益介质10具有不含空置状态的用于禁用激发态吸收的能量范围20，该能量范围位于较低能量21与较高能量22之间，所述较低能量比5d带18的下边缘高出第一能级距离Δ1的值，所述较高能量比5d带18的上边缘高出第二能级距离Δ2的值。增益介质10利用泵浦光源2发射的蓝色光23来泵浦。增益介质10经由Ce3+离子中的偶极允许4f-5d跃迁（箭头24）吸收蓝色光23的辐射。能量从Ce3+离子的5d带转移（箭头25）到Ce3+离子（或者可替换地另外的稀土离子）的上激射态，该离子于是通过上激射态与下激射态之间的跃迁（箭头27）发射希望的激光26（特别是绿色激光）。可替换的激发态吸收过程（ESA过程——箭头28）不可能发生，因为在增益介质10（在该实例中为Ce3+:Y3AlGa4O12）的较低能量21与较高能量22之间的能量范围20内，不存在用于激发辐射以及激光的该激发态吸收过程的空置最终状态。
在本发明公开中，提出Ce3+:Y3AlGa4O12作为用于蓝色光23泵浦固态激光器1的适当材料。在图3中，示出了五种不同的铈掺杂增益介质基质材料15的激发光谱：（Ce3+:Y3AlGa4O12）29，（Ce3+:Gd3Ga5O12）30，（Ce3+:Y3Ga5O12）31，（Ce3+:Y2GdAl5O12）32和（Ce3+:YGd2Al5O12）32。
所有这些材料都是石榴石。根据这些材料可知，Y3Ga5O12（YGG）和Gd3Ga5O12（GGG）是不可使用的，因为它们不仅在激发光谱内表现出非常低的信号，而且在可见光波长范围内表现出非常弱的发射。其他三种材料（Y2GdAl5O12、YGd2Al5O12和Y3AlGa4O12）在200nm处表现出陡峭的结构，这可能归因于涉及基质材料15的导带14的下边缘的带隙吸收。Ce:Y2GdAl5O12和Ce:YGd2Al5O12在200nm与250nm之间表现出最大值，这可以归因于Ce3+的较高位5d能级之一。
令人惊奇的是，对于Ce:Y3AlGa4O12不能检测到该5d能级。由于这是其中预期来自Ce3+的最低5d能级的绿色激光波长处的激发态吸收（ESA）的最终状态的波长范围，因而激发态吸收在该材料中不起作用并且激光产生在Ce:Y3AlGa4O12中在绿色波长处是可能的。因此，增益介质Ce3+:Y3AlGa4O12具有掺杂有Ce3+离子的固态基质材料Y3AlGa4O12的主相，其中4f态16、17和至少一个5d带18高能地位于基质材料15的最高价态与最低导通状态之间。
图4示出了0.2mol% Ce掺杂Y3AlGa4O12（Ce3+:Y3AlGa4O12）的发射光谱34。
对于 Ce掺杂Y3AlGa4O12而言，吸收和发射光谱相对较宽。感兴趣光谱范围内的吸收光谱可以从图3中所示的激发光谱29推断为从380nm延伸到470nm。发射是宽的，最大值位于520nm处，并且示于图4的发射光谱34中。由于宽吸收光谱的原因，不必进行激光二极管3的特定选择，这与Pr:YLF相比将允许急剧的成本降低。宽发射光谱34允许实现可调谐激光器，或者在投影应用中允许抑制干扰散斑和干涉效应。
在本发明公开中，进一步提出Ce3+:Ca3Sc2Si3O12作为用于蓝色光23泵浦固态激光器1的另一种适当的材料。在图5中，铈掺杂增益介质基质材料Ca3Sc2Si3O12（Ca2.97Ce0.03Sc2Si3O12）的归一化激发光谱（虚线）35和归一化发射光谱（实线）36被示为处于从大约150nm至800nm的波长区域内。感兴趣光谱范围内的吸收光谱可以从激发光谱35推断为从390nm延伸至大约520nm。发射光谱36表现出最大值在520nm处的宽结构。
在本发明中，所提出的用于蓝色泵浦固态激光器1的材料是组成为Ce3+:Y3AlGa4O12或Ce3+:Ca3Sc2Si3O12的晶体或透明多晶石榴石。激活剂Ce3+的典型浓度处于0.005mol%-5mol%的，优选地0.1mol%-1mol%的范围内。该材料已经通过许多不同方法制备。所述制备涉及不同的连续合成步骤。
组成为Ce3+:Y3AlGa4O12的晶体通过像所谓的Bridgman或Czochralski方法那样的任何已知的晶体生长方法从熔体中生长。适当数量的氧化物（Y2O3、Al2O3、Ga2O3、CeO2）在惰性坩锅中混合并且在空气中加热以便形成石榴石相的均质熔体（T>= 1750℃）。熔体经过冷却以形成所述组成的晶体，或者如果使用Czochralski方法的话，利用种子晶体从熔体中拉出晶体。
具有前述优选化学计量的任一组成的石榴石相的透明多晶陶瓷主体的制备涉及不同的连续合成步骤。首先，合成具有适当石榴石组成的细粒度粉末或者在加热之后形成石榴石相的细粒度氧化物粉末的混合物。该粉末或粉末混合物受压以形成所谓的绿色主体，该绿色主体进一步通过等静压或单轴压力而增加密度以形成小于50%的孔隙率的紧密主体。该紧密主体在大约1400-1700℃下烧结。透明陶瓷主体被形成为具有>98%的理论密度。如果该陶瓷主体表现出包含封闭的孔隙，那么通过热等静压炉内的后处理移除这些孔隙。
下面给出描述组成为Ce3+:Y3AlGa4O12的透明陶瓷体的形成的优选实施例。
粉末组成通过混合正确化学计量的阳离子成分的例如高纯度氧化物（>99.9%）并且在有机溶剂中利用1mm的氧化铝珍珠在球磨机中碾磨该混合物以便对粉末去聚集而制备。将少量的烧结辅助物（1mol%）添加到磨基料（mill base）。
不同的方法也用来制备更均质的粉末混合物。希望的化学计量的阳离子成分溶解到酸性介质中。溶解的阳离子通过像草酸盐工艺、尿素工艺或者铵碳酸氢盐工艺那样的熟练的专家已知的方法均质地沉淀。这些方法导致草酸盐、氢氧化物或者羟基碳酸盐的白色沉淀物。前驱粉末在600-950℃下干燥和煅烧以便形成密切混合的氧化物的粉末。如果用于前驱混合物的煅烧温度设置为大约1200℃，那么发生相变并且形成希望的立方石榴石相Y3AlGa4O12。
制备的粉末中的任一种在球磨机中碾磨以便对煅烧期间形成的聚集体去聚集。在该碾磨工艺期间，可以添加烧结辅助物。此外，添加少量的有机粘合剂和增塑剂（例如分别为聚乙烯醇缩丁醛和乙二醇），其支持以下致密化步骤。
碾磨的粉末在模具（die）中干燥和受压，并且随后暴露于等静压以形成希望形状的紧密物（例如15mm直径和5mm厚度的圆盘）。在另一种优选的方法中，将粉末填充到热单轴压力炉的模具中。
受压的紧密物在真空中或者在空气中在1400-1550℃的温度下烧结到近乎理论的密度达3-9小时。热单轴压力炉（HUP）的模具中填充的粉末在烧结到高达50MPa期间受压。
前述温度范围的低温范围内的烧结导致具有残余封闭孔隙率的陶瓷紧密物。这些紧密物在热等静压炉（HIP）内进一步被致密化为近乎理论的密度。
尽管在所述附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。
本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求书的研究，能够理解并实施所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。在相互不同的从属权利要求中记载了特定技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。权利要求中的任何附图标记不应当被视为对范围的限制。

Claims (14)

1.固态激光器件（1），包括增益介质（10），该增益介质基本上具有掺杂有稀土离子的固态基质材料（15）的主相，其中稀土离子的至少一部分是具有高能地位于基质材料（15）的最高价态与最低导通状态之间的至少一个4f态（16，17）和至少一个5d带（18）的Ce3+离子（19），其中
- 最高4f态（17）和5d带（18）的下边缘具有第一能级距离（Δ1），并且
- 最低4f态（16）和5d带（18）的上边缘具有第二能级距离（Δ2），
其中基质材料（15）被选择成使得得到的增益介质（10）具有不含空置状态的用于禁用激发态吸收的能量范围（20），该能量范围（20）位于较低能量（21）与较高能量（22）之间，
- 所述较低能量（21）比5d带（18）的下边缘高出第一能级距离（Δ1）的值，并且
- 所述较高能量（22）比5d带（18）的上边缘高出第二能级距离（Δ2）的值。
2.依照权利要求1的固态激光器件，其中至少以0.5eV将5d带与导带热隔离。
3.依照权利要求1的固态激光器件，其中稀土离子为
- Ce3+离子（19），或者
- Ce3+离子（19）和其他稀土离子的混合物，所述其他稀土离子选自Pr3+离子、Sm3+离子、Eu3+离子、Tb3+离子、Dy3+离子和Tm3+离子的组。
4.依照权利要求1的固态激光器件，其中基质材料（15）选自以下材料：(Y1-x-yGdxLuy)3Al5-zGazO12（1≤z ≤5；0≤x ≤1；0≤y ≤1和x+y ≤1）。
5.依照权利要求1的固态激光器件，其中基质材料（15）被选择为以下材料：Ca3Sc2Si3O12。
6.依照权利要求1的固态激光器件，其中基质材料（15）具有0.005mol%-5mol%的范围内的稀土离子掺杂浓度。
7.依照权利要求1的固态激光器件，其中基质材料（15）为陶瓷材料或单晶材料。
8.依照权利要求1的固态激光器件，进一步包括发射蓝色光（23）和/或紫外光的泵浦光源（2），其中增益介质（10）处于泵浦光源（2）的光路（6）上。
9.依照权利要求1的固态激光器件，其中激光器件（1）为发射绿色激光（26）的激光器件（1）。
10.依照权利要求8的固态激光器件，其中增益介质（10）发射的激光（26）被调整为平行于或垂直于光路（6）的主轴（9）。
11.依照权利要求1的固态激光器件，其中基质材料（15）具有超过5.5eV的最低导通状态与最高价态之间的能隙。
12.一种照明系统，包括至少一个依照权利要求1-11之一的固态激光器件（1），其中该系统用在一个或多个以下应用中：
- 聚光照明系统，
- 影院照明系统，
- 光纤应用系统，
- 投影系统，
- 自点亮显示系统，
- 像素化显示系统，
- 分段显示系统，
- 警告标志系统，
- 医疗照明应用系统，
- 指示符号系统，
- 便携式系统，以及
- 汽车应用。
13.依照权利要求12的照明系统，其中激光器件（1）是发射绿色激光（26）的激光器件（1）。
14.依照权利要求13的照明系统，其中所述系统为包括另外的激光器件的RGB系统，其中这些另外的激光器件中的一个发射红色光并且这些另外的激光器件中的另一个发射蓝色光。
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