CN104798203A - 采用泵送磷光体的基于iii族氮化物的激光二极管的白光源 - Google Patents

采用泵送磷光体的基于iii族氮化物的激光二极管的白光源 Download PDF

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Abstract

采用泵送一个或更多个磷光体的基于III族氮化物的激光二极管的白光源。III族氮化物激光二极管发射第一波长范围中的光，所述光通过磷光体下变频到第二波长范围中的光，其中，第一波长范围中的光与第二波长范围中的光结合以生成高度定向的白光。第一波长范围中的光包括紫外光、紫光、蓝光和/或绿光，而第二波长范围中的光包括绿光、黄光和/或红光。

Description

采用泵送磷光体的基于III族氮化物的激光二极管的白光源
相关申请的交叉参考
本申请根据美国专利法第119条第e款(35U.S.C Section 119(e))要求下面共同未决的和通常指定的专利申请的权益：
由Kathryn M.Kelchner,James S.Speck,Nathan A.Pfaff,and Steven P.DenBaars于2012年11月7日提交的美国临时专利申请序列号61/723,681，名称为“采用泵送磷光体的基于III-N的激光二极管的白光源(WHITE LIGHT SOURCE EMPLOYING A III-N BASED LASERDIODE PUMPING A PHOSPHOR)”，代理人案卷号为30794.471-US-P1(2013-319-1)；
该申请通过引用并入本文。
本申请与下面申请有关：
由Natalie Fellows DeMille,Hisashi Masui,Steven P.DenBaars,andShuji Nakamura于2009年8月5日提交的美国实用新型专利申请序列号12/536,253，名称为“基于极化敏感发光二极管的可调谐白光(TUNABLEWHITE LIGHT BASED ON POLARIZATION SENSITIVELIGHT-EMITTING DIODES)”，代理人案卷号为30794.277-US-U1(2008-653-3)，该申请根据美国专利法第119条第e款(35U.S.C Section119(e))要求共同未决的和通常指定的美国临时专利申请序列号61/086,428以及美国临时专利申请序列号61/106,035的优先权，美国临时专利申请序列号61/086,428于2008年8月5日由Natalie N.Fellows,Hisashi Masui,Steven P.DenBaars,and Shuji Nakamura提交，名称为“基于极化敏感发光二极管的可调谐白光(TUNABLE WHITE LIGHT BASEDON POLARIZATION SENSITIVE LIGHT-EMITTING DIODES)”，代理人案卷号为30794.277-US-P1(2008-653-1)；美国临时专利申请序列号61/106,035于2008年10月16日由Natalie N.Fellows,Hisashi Masui,Steven P.DenBaars,and Shuji Nakamura提交，名称为“具有极化光发射的发白光半导体设备(WHITE LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTORDEVICES WITH POLARIZED LIGHT EMISSION)”，代理人摘要号30794.277-US-P2(2008-653-1)；
由Ram Seshadri,Steven P.DenBaars,Kristin A.Denault,and MichaelCantore于2013年8月30日提交的P.C.T.国际专利申请序列号US2013/05753，名称为“使用一个或更多个磷光体的高功率、激光器驱动的白光源(HIGH-POWER,LASER-DRIVEN,WHITE LIGHT SOURCEUSING ONE OR MORE PHOSPHORS)”，代理人案卷号30794.467-WO-U1(2013-091-2)，该申请根据美国专利法第119条第e款(35U.S.C Section 119(e))要求共同未决的和通常指定的U.S.临时专利申请序列号61/695,120，其于2012年8月30日由Ram Seshadri,Steven P.DenBaars,Kristin A.Denault,and Michael Cantore提交，名称为“使用一个或更多个磷光体的高功率、激光器驱动的白光源(HIGH-POWER,LASER-DRIVEN,WHITE LIGHT SOURCE USING ONE OR MOREPHOSPHORS)”，代理人案卷号为30794.467-US-P1(2013-091-1)；以及
由Kathryn M.Kelchner and Steven P.DenBaars于2012年11月7日提交的美国实用新型专利申请序列号61/723,683，名称为“采用基于III-N的激光二极管及磷光体作为光源的户外路灯设备(OUTDOOR STREETLIGHT FIXTURE EMPLOYING III-N BASED LASER DIODE PLUSPHOSPHORS AS A LIGHT SOURCE)”，代理人案卷号为30794.472-US-P1(2013-321-1)；
所有申请通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体涉及采用泵送磷光体的基于III族氮化物的激光二极管的白光源。
背景技术
(注意：本申请引用若干不同的出版物，如在整个说明书中由一个或更多个括号内的标号(例如，[X])指示的。根据这些标号排序的这些不同的出版物的清单能够在下面标题为“参考文献”的章节中找到。这些不同的出版物的每一个都通过引用并入本文。)
先前的固态白光照明设备通常使用与一个或更多个磷光体结合的发光二极管(LED)，将LED光谱的一部分转换成可见光区域的其他波长，其结合显示为白色光。这些设备已经在传统的白炽光源和荧光光源上提供了许多优点，包括长使用周期，不需要汞的环保设计和巨大的节能。
然而，LED的总效率仍旧低。例如，随工作电流增加，LED遭受效率损耗及颜色不稳定。此外，当LED工作时，温度必然会增加，导致磷光体颗粒随着设备温度增加而损耗效率。
相比于LED，激光二极管(LD)没有出现这种效率损耗，随着电流增加，许多激光二极管出现增加的效率并维持颜色稳定性。因此，本领域需要改良的依赖LD的固态白光设备。本发明满足该需求。
发明内容
为克服上述现有技术中的限制，及克服在阅读和理解本说明书后将变得明显的其他限制，本发明公开采用泵送一个或更多磷光体的基于一个或更多个III族氮化物的激光二极管的白光源。基于III族氮化物的激光二极管发射第一波长范围中的光，所述光通过磷光体下变频为第二波长范围中的光，其中，第一波长范围中的光与第二波长范围中的光结合，以产生高度定向的白光。第一波长范围中的光包括紫外光、紫光、蓝光和/或绿光，而第二波长范围中的光包括绿光、黄光和/或红光。
附图说明
现在参考附图，其中在整个附图中类似的标记表示相应的部分：
图1是根据本发明的一个实施例的光学地耦合到发射第二波长的磷光体元件的发射第一波长的单个基于III族氮化物的激光二极管的示意图。
图2是根据本发明的另一个实施例的光学地耦合到发射第二波长的磷光体元件的发射第一波长的单个III族氮化物的激光二极管的示意图。
图3是根据本发明的又一个实施例的发射第一波长的单个III族氮化物的激光二极管的示意图，所述激光二极管通过光纤光学地耦合到发射第二波长的磷光体元件。
图4是使用粉末YAG、晶体YAG和加红光的晶体YAG的III族氮化物激光二极管和磷光体结合的光谱输出的曲线图。
图5是结合磷光体的III族氮化物激光二极管的光视效能值，以及激光二极管的转换效率的曲线图。
图6是根据本发明的实施例的发射第一波长的单个III族氮化物激光二极管的示意图，所述激光二极管通过分束器光学地耦合到发射不同波长的多个磷光体元件。
图7是根据本发明的实施例的发射不同波长的多个III族氮化物激光二极管的示意图，每一个III族氮化物激光二极管光学地耦合到发射不同波长的多个磷光体元件中的一个。
图8是根据本发明的实施例的发射相同或不同波长的多个III族氮化物激光二极管的示意图，所述激光二极管通过合成器光学地耦合到发射不同波长的单个磷光体元件。
具体实施方式
在优选实施例的以下描述中，描述本发明可以实施的具体实施例。应当理解，在没有脱离本发明范围的情况下，其他实施例可能被利用并且可以进行结构变化。
综述
本发明需要新颖的白光源，用于从室内照明到多种专业照明范围的应用以及显示应用。本发明的主要特点和新颖性是结合一个或更多个电注入的、基于III族氮化物的LD和一个或更多个远程磷光体元件。当来自III族氮化物LD的光被引导到磷光体上时，磷光体发射的波长比III族氮化物LD的波长的长，并且波长结合产生高度定向的白光。
特别地，使用III族氮化物LD替代磷光体转化的白光系统的LED元件，其中，与来自LED的光输出相比，来自III族氮化物LD的光输出具有相干的、窄的带宽和光束尺寸并且高度定向。磷光体元件可以包括粉末、嵌入到聚合物材料中的颗粒、多晶板或单晶体磷光体板，其具有维持来自III族氮化物LD的光输出的极化(偏振)的额外好处。与用于泵送磷光体的III族氮化物LD和只包含磷光体发射的光输出不同，最终“白”光输出的光谱是III族氮化物LD光发射和磷光体发射两者的结合，其中，III族氮化物LD光发射可以包括紫外(UV)光、紫光、蓝光、蓝绿光和/或绿光发射。例如，III族氮化物LD光可能没有被磷光体元件充分吸收，使得III族氮化物LD输出与磷光体元件输出一起在光谱上有助于整个光输出。
应当注意，因为LD光本质上是点光源，所以，使用现有的光学技术可以容易地将其收集和引导。以这种方式，与基于LED的要求更广泛的光提取技术的技术相比，操控LD光更简单。外部光学元件(如高反镜、低损耗透镜、低损耗光纤、光束整型器或准直器)可以与光源结合使用，以有助于引导激光光束到在磷光体板上，或对光束进行必要的改变以增加效率或改善光输出的外观。同样，相似的元件可以用于引导或改变磷光体以外的输出光束。
本发明可用作光源，用于多种照明应用，尤其那些要求定向的白光，如车头灯、聚光灯、探照灯、路灯、体育场照明及剧院照明。系统能够定制，以用于特别应用需求，如多个LD阵列、多个磷光体阵列或独立的或耦合发光体的远程磷光体。
技术说明
与传统基于电灯泡和基于LED的光源相比，除了更高的效率、速度和更长的使用周期外，使用直接发射III族氮化物激光二极管(LD)和远程磷光体元件的白光应用由于固有的定向性、小光束尺寸和来自III族氮化物LD的光谱纯光输出提供了若干优点。
电注入的III族氮化物LD的输出光束，当被引导到绿、黄和/或红发射磷光体上时，结合以产生高度定向的白光。本发明的效用是普遍的且在若干照明市场(包括一般照明(亦称室内照明)、室外照明，以及可以要求定向光的专业照明应用(如聚光灯、手电筒、车头灯、剧场照明、体育场照明等))中用作替代光源。本技术将目前最先进的固态照明设备(LED)的优点与LD的高效率、固有的定向性以及可完成的方便(ease)光传播结合。本技术也可以满足LED可能不容易实现的专业照明应用的需求。
由于固态LED和LD的高效率、长使用周期、小尺寸和机械鲁棒性，固态LED和LD作为照明源很有吸引力。近些年，由于基于III族氮化物LED的白光源极好的使用周期和效率、变暗能力以及在紧凑的日光灯上改良的光质量，其已经开始取代白炽灯。提高LED的效率是活跃的研究领域，且经常在转换效率(WPE)(设备的总光功率相对于总的电输入功率)方面被报道。
曾经报道过的来自固态发射器的最高WPE是基于砷化镓(GaAs)的LD，其具有在红外光谱中的发射的76％的峰值WPE[2]。III族氮化物LD在紫光、蓝光及绿光波长中的WPE值迅速提高。商业可用的蓝色LD已高达35％，并通过改进的波导的使用和替代晶面的使用正在迅速提高。
光视效能也经常以流明每瓦(lm/W)为单位报告，并且其是在给定输入电功率处对人眼可见的设备输出功率的测量。目前最先进的使用蓝色基于氮化铟镓(InGaN)的LED及磷光体的白光照明已实现接近250lm/W的光视效能及接近60％的WPE。[1]
双色或三色光源的相关色温(CCT)能够表示光谱如何好模拟黑体发射器的相关色温，并且在色度值方面其会遵从普朗克或国际照明委员会(CIE)色度坐标图的黑体轨迹。商业基于LED产品的典型CCT值从3000K的暖白光到7000K的冷白光。显色指数(CRI)定量测量光源如何照明好不同颜色，用于光源的典型值变化很大，但大多数室内照明值在50以上，其中完美的黑体发射器在100。
LD对于LED的好处
除其他优点外，基于LD的白光源可以证明比基于LED领域的白光的当前现状，尤其是那些可以要求定向或极化光的应用，更节能且制造更容易更便宜。
在理想的可见光发射器中，所有从有效面积发出的光子会发射进自由空间作为可用(可见)光。然而，从LED的有效区域发射的光是近似各向同性的，意味着光在所有方向等同地发射。对于氮化镓(GaN)，由于纤维锌矿晶体结构，来自有效区域的光发射不完全是各向同性的。对于氮化铟镓-氮化镓(InGaN-GaN)，平行于C轴的偶极跃迁未被观察到，且发射模式实际上倾向于沿着C轴发射。[2]
LED的有效区域中产生的光受制于若干损耗机理，如由衬底或金属触头吸收，以及由于衬底材料的高折射率的全内反射(TIR)。事实上，估计的有效区域中产生的90-95％光能够被TIR捕获，显著地减少了提取效率和WPE。[3]提高LED的提取效率，能够使用各种技术(如外部封装、表面粗加工、芯片塑形或光子晶体)实现。LED也可能分别采用倒装芯片配置或透明导电触头最小化衬底或金属触头的吸收；然而，这些技术难以制造且对整个WPE有副作用。对于白光，除了激励光提取外，高效的紫或蓝LED也要求认真设计封装以促进光输出与磷光体的混合。
不像LED，来自LD的光提取是非常直接的。激光器光输出受限于来自激光面元的高度聚集的光束，其几乎是完美的小于微米级的点源。边缘发射法布里-珀罗LD能够使用公知的、简单的加工技术来制造。由于LD源的光输出是相干的，光谱宽度比基于LED的源窄的多，相比于几十纳米而言，其小于一纳米。LD源的窄线宽和高度颜色纯度对于显示器应用是有益的，如多波长基于LD的显示器，与灯泡或基于LED的显示器相比，其已经示出产生能够呈现更宽的颜色范围的更大色域。
LD输出光束的尺寸和形状，例如，可通过调节脊形波导的大小来控制。高反射率(HR)面元涂层(如基于氧化物的分布的布拉格反射镜(DBR))能够应用在LD面元以降低光学损耗和激射阈值。通过离子束沉积容易应用的这些HR面元涂层可以结合抗反射(AR)涂层使用，以激励单个面元的高输出功率。
LD相对于LED的另一个优点是，单个LD管芯(～0.01mm2)占小面积LED(0.1mm2)的面积的十分之一以及大面积LED(1.0mm2)的面积的百分之一。与LED相比，这在单个衬底上产生每单元面积上10至100倍的更多的器件。此外，LD的制造能够使用公知的、简单的加工技术来完成。例如，LD可以采用金属触头，其在透明导电氧化物(如经常在LED制造中使用的ITO)上具有优越的电气性能。
此外，多个LD的阵列可以非常紧密地制造在一起。由于光在LD边缘发射，它们受益于相对于透明导电氧化物(如经常用于发射LED的ITO)具有优越的电气性能的厚的、高度导电的金属触头的使用，其应该允许低接触电阻、降低的工作电压和简单的加工技术。取决于面元如何形成，LD不需要可以帮助热管理的衬底移动。
与以A/cm2量级工作的LED设备相比，LD也以更高的电流密度(kA/cm2量级)工作。这种高电流密度点源导致非常集中的光输出，其容易耦合进外部光学元件以引导光朝向磷光体板，而没有显著的光学或散射损耗。在可见光谱中已经存在用于LD的外部元件，并且所述外部元件能够根据照明应用的需求而容易地实施。来自LD的光输出是固有极化的，当避免需求能够是显著效率损耗来源的外部极化器时，维持这种特性对于需求极化光的应用能够是有利的。
由于与自发辐射有关的相对长的辐射寿命，LED调制率在Mb/s范围，并且受益于与自发辐射有关的更短的辐射寿命的激光源能够实现的调制率在Gb/s范围。[5]快速调制固态设备的能力允许它们无线地高速感测和传输信息，从而使它们能够在过渡拥挤的射频带外用于通信目的。
无极化和半极化III族氮化物LD
III族氮化物材料(如GaN)的无极化和半极化晶体取向可以用作通过利用GaN纤锌矿晶体结构固有的非对称性而广泛使用的基底c平面GaN的替代。在这些替换的晶体平面上发展(grow)的III族氮化物LD受益于降低的极化相关电场效应，其导致增加的辐射效率、改善的载流子迁移、低透明电流强度、增加的增益、更稳定的波长发射和简化的波导设计。[6,7]激射模式的极化沿着特定的结晶方向对齐，这是设备设计利用固有的各向异性的重要因素。[8,9]无极化和半极化GaN LD的大光学带宽会导致降低的相干斑，这对于照明和投影应用是有利的。对于无极化c平面LD上的蓝激光，在单模式连续波(CW)操作下，WPE最近达到的20％以上且输出功率在750mW以上[10]，在设备性能方面与标准c平面晶体取向相媲美。
磷光体元件的使用
与高质量最先进的光子晶体LED(PC-LED)和白炽灯泡相比，没有磷光体的四色基于LD的光源的早期示范具有近乎难以区分的显色性。然而，这一示范使用倍频激光用于蓝色、绿色、黄色LD，与直接发射的LD相比，其本质上效率更低且有更大的形成因素。[11]尽管用于可见光谱中的照明和显示应用的III族氮化物LED和LD取得了显著成绩和快速发展，基于InGaN的发射器对于超出绿色且朝向黄色和红色光谱的更长的发射波长仍表现出降低的效率，这种现象称为绿色间隙。为此，基于LED的光源使用外部磷光体元件来发射更宽、更长波长的光。磷光体元件吸收来自LED或LD源的更高能量(更短的波长)光，然后以更低的能量(更长的波长)发射光，这一过程称为磷光体下变频。发射绿色、黄色或红色的磷光体结合发射紫色或蓝色的III族氮化物设备，例如，结合以产生白光。
由于InGaN和磷化铝铟镓(AlInGaP)效率在可见光谱的绿色和黄色部分的限制，当前高效率的基于LED的白光照明应用采用磷光体下变频用于宽的白色光谱。在这些系统里，InGaN LED发射紫光或蓝光且泵送磷光体，其发荧光且发射绿光、黄光和/或红光。这些波长结合以产生白光。
用于LED应用的磷光体元件跨越多种物质，以多种波长发射，且以多种形成因素(如粉末、高分子粘合剂中的粉末、多晶固体、和单晶固体)存在。目前用于磷光体转换LED的不同类型的磷光体(包括掺杂铈(III)的YAG(YAG:Ce3+,或Y3Al5O12:Ce3+)、其他的石榴石、非石榴石、硫化物和氮化物(氮氧化物))也可以用于LD源。YAG经常用于基于LED的应用，因为它吸收蓝光并发射以黄光为中心的宽光谱。
相对于其他含有磷光体的元件，单晶体磷光体板的使用具有若干优点，尤其在增加的光电输出(根据Mihóková等，30-40％)方面。[12]此外，来自单晶体磷光体板的光输出维持输入光源的极化，如利用顶发射无极化/半极化基于GaN的LED所示范的。在基底平面取向的基于GaN或无极化/半极化GaN的边缘发射激光波导与平行于c方向取向的波导一起也会发射线性极化光。[13]
朝向磷光体元件耦合激光可以非常简单：允许光束通过空气传播，且在所期望的入射角处拦截板。附加的光学元件也可以用于引导和成形激光束。磷光体的布置、角度、厚度和纹理的采取必须考虑到减少反射和激励耦合、光提取和色彩混合，抗反射涂层或板表面的粗加工对其会有帮助。要求优越的色温和显色性的应用可以采用单个或多个LD和单个或多个磷光体。下面描述了新颖的、基于激光的白光源的一些可能配置，包括初始示范的一些结果。
可能配置
单个LD和单个磷光体
图1是根据本发明的一个实施例的发射第一波长102的单个III族氮化物LD100的示意图，所述LD100光学地耦合到发射第二波长104的磷光体元件102。图2是根据本发明的另一个实施例的发射第一波长202的单个III族氮化物LD200的示意图，所述LD200光学地耦合到发射第二波长206的磷光体元件204。图3是根据本发明的又一个实施例的发射第一波长302的单个III族氮化物LD300的示意图，所述LD300通过光纤304光学地耦合到发射第二波长308的磷光体元件306。
图1、图2和图3的每一个实施例包括简单的配置，其包括电注入的基于III族氮化物的激光二极管直接照到垂直于光束取向的磷光体元件上。磷光体可以存在为粉末、嵌入到聚合物材料中的磷光体、多晶板或单晶体磷光体板。III族氮化物LD和磷光体配置可以实现若干方式以获取用于一般照明的有效白光，且能够容易适于专业照明应用以利用III族氮化物LD光源的固有定向性和极化。相隔距离和相对角度，或中间光学元件的使用可能会是必要的，这取决于特定应用需求，如输出功率、显色指数(CRI)、相关色温(CCT)以及定向性及光斑尺寸。
这个单个III族氮化物LD和磷光体元件组合的一些例子可以包括：
发射蓝光(440-470nm)的III族氮化物LD泵送基于单晶体YAG的磷光体，
发射蓝光(440-470nm)的III族氮化物LD泵送基于YAG的黄光发射磷光体，且
发射蓝绿光(440-500nm)的III族氮化物LD泵送红光发射磷光体。
许多附加光学元件可以帮助将激光二极管光束引导和对准到磷光体上，如校准激光二极管光束输出的物镜，以及将激光束的高斯分布重新配置到已校准的平顶分布以用于光在磷光体板上的更均匀分布的光束整形器。附加光学元件可以包括镜子或光纤，将来自远程光源的激光引导到磷光体板上。
使用发射442nm的、具有约35％的固有WPE的单个III族氮化物蓝光LD，和多种单晶体磷光体板(包括粉末YAG:Ce、单晶体YAG:Ce以及单晶体YAG:Ce+红光)，发明者执行一些基于LD的白光源的初始示范测量。这些示范测量以积分球的方式执行，而LD在脉冲的1％占空比下工作。调节磷光体元件的位置和角度以获得沿普朗克轨迹的色差值。
图4示出LD+三个磷光体元件的每一个的发射光谱。图4是LD+磷光体示范的曲线图，使用粉末YAG、晶体YAG和晶体YAG+红光。
图5示出照明效率和WPE。图5是LD+磷光体的照明效率值和LD元的WPE曲线图。
所有三个例子的相关色温(CCT)的范围从4250K到6550K，并且所有三个配置的显色指数(CRI)的范围从57到64。LD+磷光体的照明效率值(如图5所示)的范围从66到83lm/W。随着优化的磷光体、改进的激光耦合和光束整形，相信能够容易获得更高值的照明效率，从而表明本发明的甚至单个配置的商品性。
具有多个磷光体的单个LD
为了改进色温和CRI，采用多个磷光体元件可能是有用的。例如，蓝光LD可以泵送黄光和红光磷光体，或紫光LD可能泵送绿光、黄光和红光磷光体。
图6是根据本发明的实施例的发射第一波长602的单个III族氮化物LD600的示意图，所述LD600通过分束器604光学地耦合到发射不同波长608的多个磷光体元件606。具体地，在本实施例中，分束器棱镜604用于将光束602从单个III族氮化物LD600中分离，以激发多个远程磷光体板606。
此配置的例子包括：
发射紫光(390-420nm)的III族氮化物LD泵送发射蓝光、绿光和红光的磷光体，
发射蓝光(420-470nm)的III族氮化物LD泵送发射YAG黄光和红光的磷光体，以及
发射蓝光(420-470nm)的III族氮化物LD泵送发射YAG绿光、黄光和红光的磷光体。
具有多个磷光体的多个LD
相同或不同的激射波长的多个LD源可以用于提高光输出效率并避免由于磷光体变热和/或减少或消除斯托克斯位移损失引起的热量损失。
图7是根据本发明的实施例的发射不同波长702的多个III族氮化物LD700的示意图，其中每一个III族氮化物LD光学地耦合到发射不同波长706的多个磷光体元件704中的一个。具体地，在本实施例中，来自每一个III族氮化物LD700的单独的输出702被引导朝向不同磷光体元件704，这取决于III族氮化物LD700和磷光体704的波长702，以及期望的颜色输出。
实例可以包括：
发射多个紫光(390–420nm)的III族氮化物LD泵送发射YAG蓝光和绿光的磷光体，以及发射蓝光(420-470nm)的III族氮化物LD泵送发射红光的磷光体。
具有单个磷光体的多个LD
为了最大显色值和CRI值以及大范围和可维持性(tenability)，相同或不同波长的多个LD，可以使用单个磷光体合并到系统中。
图8是根据本发明的实施例的发射相同或不同波长802的多个III族氮化物LD800的示意图，所述LD800通过合成器804光学地耦合到发射不同波长808的单个磷光体元件806。
实例可以包括：
发射一个或更多个蓝光(420-470nm)的III族氮化物LD，和发射一个或更多个绿光(500-530nm)的III族氮化物LD泵送发射红光的磷光体。
其他注意事项
使用光束整型器或准直器耦合到光纤中，可以容易收集和引导激光，这会带来一些损耗。其它的外部光学元件(如镜子)可以结合使用，以帮助将激光光束引导到磷光体板上或对光束进行必要的修改以提高效率或提高光输出的外观。关于更散射的或更聚焦的光，相似的元件也可以用于引导或修正超出磷光体的输出光束。可调节光圈用来调节输出光束尺寸和方向。与直接的、恒定的发射到单晶磷光体不同，激光束可以通过使用机电元件(如MEMS(微电机系统)设备)被脉冲、快速扫描或光栅整个磷光体板。
由于LD的高电流密度和小尺寸，设备必须具有足够的散热以避免提早老化或降低设备的使用寿命。具有高导热性的机械元件可以用于防止单个元件过热，特别是激光二极管本身，也可以是磷光体元件。也应当有系统的良好的机械完整性以避免由于外部干扰引起的激光束和光学元件的未对准。
激光安全很重要，因为可见激光是高功率和高聚焦的，这会引起视网膜毁坏。来自磷光体的白光输出应当足够分散，以不造成眼部安全危害，而附加的安全预防应添加到系统中以避免意外暴露。例如，如果该系统被破坏，激光的功率可以移除以避免杂散激光逸出。
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术语
在本文中可交替使用的术语“III族氮化物(III-N)”或“第III组氮化物”或“III族氮化物”或“氮化物”是指与具有分子式BwAlxGayInzN的(B,Al,Ga,In)N半导体相关的任意成分或材料，其中，0≤w≤1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且w+x+y+z＝1。本文所用的这些术语旨在用以广泛地解释包括单一种类B、Al、Ga、和In的各自的氮化物，以及第III组金属种类的二元成分、三元成分和四元成分的各自的氮化物相同。因此，这些术语包括，但不限于，化合物AlN、GaN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN和AlGaInN。当出现(B,Al,Ga,In)N组分种类中的两个或更多个时，所有可能成分(包括化学计量比和非化学计量比(关于出现在成分中的(B,Al,Ga,In)N组分种类中的每一个相对摩尔分数))能够用于本发明的广阔范围中。此外，本发明范围内的成分和材料还包括，许多掺杂物和/或其他杂质材料和/或其他内含物材料。
本发明也涵盖第III组氮化物的特定的晶体取向、方向、终端和极化的选择。当使用密勒指数识别晶体取向、方向、终端和极化时，使用花括号{}指示一系列对称等价的平面，其由使用圆括号()表示。使用方括号[]指示方向，而使用尖括号<>指示一系列对称等价的方向。
许多第III组氮化物设备沿着极化取向发展，也就是晶体的c平面{0001}，虽然这由于强压电和自发极化的存在，导致非期望的量子约束斯塔克效应(QCSE)。一种减少第III组氮化物设备中的极化效应的方法是，沿着晶体的无极化或半极化取向的设备发展。
术语“无极化”包括统称为a平面的{11-20}平面，和统称为m平面的{10-10}平面。这种平面包含每个平面相等数量的第III组和氮原子，并且是电荷中性。随后的无极化层彼此等价，所以大块晶体不会沿着发展方向极化。
术语“半极化”能够用于指示不能分类为c平面、a平面或m平面的任何平面。在晶体术语中，半极化平面可能是具有至少两个非零的h、i或k密勒指数和非零的l密勒指数的任何平面。随后的半极化层彼此等价，所以晶体会沿着发展方向减少极化。
结论
这总结了本发明的优选实施例的描述。为了说明和描述的目的，已经提供了本发明的一个或更多实施例的前述描述。不旨在排除或限制本发明为已公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。旨在，本发明的范围不由具体实施方式限定，而是由所附权利要求限制。

Claims (27)

1.一种发光装置，包括：
至少一个电注入的基于III族氮化物的激光二极管，其光学地耦合到至少一个磷光体元件，其中，从所述激光二极管发射的光被引导到所述磷光体元件上，以光学地泵送所述磷光体元件，从所述磷光体元件发射的光具有比从所述激光二极管发射的所述光的波长更长的波长，并且从所述磷光体元件发射的所述光和从所述激光二极管发射的所述光结合以产生白光。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，从所述激光二极管发射的所述光包括紫外光即UV光、紫光、蓝光、蓝绿光或绿光。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，从所述磷光体元件发射的所述光包括绿光、黄光或红光。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，从所述激光二极管发射的所述光被收集并引导至在远程位置处的所述磷光体元件。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述磷光体元件包括，嵌入到聚合物材料中的磷光体、多晶板或单晶体磷光体板。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述磷光体元件垂直于从所述激光二极管发射的所述光取向。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个激光二极管包括单个激光二极管，并且所述至少一个磷光体元件包括单个磷光体元件。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述单个激光二极管发射约440-470nm的波长范围中的蓝光，并且所述单个磷光体元件是基于单晶体YAG的磷光体。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述单个激光二极管发射约440-470nm的波长范围中的蓝光，并且所述单个磷光体元件是发射黄光的基于YAG的磷光体。
10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述单个激光二极管发射约440-500nm的波长范围中的蓝绿光，并且所述单个磷光体元件是发射红光的磷光体。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个激光二极管包括单个激光二极管，并且所述至少一个磷光体元件包括发射不同波长的光的多个磷光体元件。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述单个激光二极管发射约390-420nm的波长范围中的紫光，并且所述多个磷光体元件是发射蓝光、绿光和红光的磷光体。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述单个激光二极管发射约420-470nm的波长范围中的蓝光，并且所述多个磷光体元件是黄光和红光的基于YAG的磷光体。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述单个激光二极管发射约420-470nm的波长范围中的蓝光，并且所述多个磷光体元件是绿光、黄光和红光的基于YAG的磷光体。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个激光二极管包括发射不同波长的光的多个激光二极管，所述至少一个磷光体元件包括发射不同波长的光的多个磷光体元件，并且根据从所述多个激光二极管发射的所述光的所述波长和期望的颜色输出，从所述多个激光二极管中的每一个发射的所述光被引导朝向所述多个磷光体元件中的不同的磷光体元件。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述多个激光二极管发射约390-420nm的波长范围中的紫光，从而泵送所述多个磷光体元件，所述多个磷光体元件是发射蓝光和绿光的基于YAG的磷光体，并且所述多个激光二极管发射约420-470nm的波长范围中的蓝光，从而泵送所述多个磷光体元件，所述多个磷光体元件是发射红光的磷光体。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个激光二极管包括发射相同或不同波长的光的多个激光二极管，并且所述至少一个磷光体元件包括发射不同波长的光的单个磷光体元件。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述多个激光二极管发射约420-470nm的波长范围中的蓝光和约500-530nm的波长范围中的绿光，并且所述单个磷光体元件是发射红光的磷光体。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述白光相比于由发光二极管产生的白光高度定向。
20.一种制造发光装置的方法包括：
将至少一个电注入的基于III族氮化物的激光二极管光学地耦合到至少一个磷光体元件，其中，从所述激光二极管发射的光被引导到所述磷光体元件上，以光学地泵送所述磷光体元件，从所述磷光体元件发射的光具有比从所述激光二极管发射的所述光的波长更长的波长，并且从所述磷光体元件发射的所述光与从所述激光二极管发射的所述光结合以产生白光。
21.一种白光源，包括：
III族氮化物激光二极管，其发射第一波长范围中的光，所述光通过一个或更多个磷光体转换为第二波长范围中的光。
22.根据权利要求21所述的白光源，其中，所述磷光体将由所述激光二极管发射的所述第一波长范围中的部分或全部所述光下变频到由所述磷光体发射的所述第二波长范围中的有更长波长的光。
23.根据权利要求21所述的白光源，其中，所述第一波长范围中的所述光与所述第二波长范围中的所述光结合以产生高度定向的白光。
24.根据权利要求21所述的白光源，其中，所述第一波长范围中的所述光包括紫外光、紫光、蓝光或绿光。
25.根据权利要求21所述的白光源，其中，所述第二波长范围中的所述光包括绿光、黄光或红光。
26.根据权利要求21所述的白光源，其中，所述磷光体包括单晶磷光体板，其维持从所述III族氮化物激光二极管发射的所述光的极化。
27.根据权利要求21所述的白光源，其中，所述第一波长范围中的所述光未被所述磷光体充分吸收，使得所述第一波长范围中的所述光和所述第二波长范围中的所述光结合以产生所述白光。
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