CN105190164B - 固态照明设备 - Google Patents

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Abstract

一种SSL照明设备(1)包括：壳体(2)，具有反射内表面(3)；和细长光导(6)，包括用于将第一波长范围的光转换成第二波长范围的光。细长光导(6)包括两个端部(7a、7b)、光接收部(18)和光出射部(19)。光接收部(18)配置在壳体(2)内部，光出射部(19)配置在壳体(2)外部，两个端部(7a、7b)中的至少一个形成光出射部(19)。SSL照明设备(1)还包括多个SSL光源(4)，与细长光导(6)隔开一定距离地配置在壳体(2)内部。从多个SSL光源(4)发射到壳体(2)中的光的一部分经由光接收部(18)进入光导(6)，并且由波长转换材料(10)吸收并转换。通过将光源(4)和部分光导(6)包围在具有反射内表面(3)的壳体(2)内，并且通过在光导(6)内发生波长转换过程，该结构使得能够使用来自若干个光源(4)的光提供单一光强度和高功率光源。

Description

固态照明设备
技术领域
本公开涉及投影照明应用、汽车照明和通用照明应用的领域，更具体地涉及固态照明(SSL)设备。
背景技术
已知不同类型的投影照明系统，在不同的照明应用中被使用。典型的应用包括视频投影机、显示照明、汽车照明和科学仪器。
超高压汞灯、金属卤化物灯、氙灯、卤钨灯和激光是用在投影照明系统中的传统类型的光源的示例。近年来，SSL技术的发展导致试图构造使用不同类型的发光二极管的投影系统。与传统光源比较，SSL光源具有更宽范围的色域、更高的色饱和度和更小的线宽。SSL光源还具有长寿命并且无汞。使用SSL光源的照明配置的示例在US2013/0021822A1中被公开。该公开涉及光学波导板。
所要求的光源特性取决于应用。视频投影例如要求以小光展度发射光的小的蓝、红或绿高强度光源。可以在这些方面改善现有的SSL照明设备。
发明内容
目的在于提供用于投影照明应用、汽车照明和通用照明应用的改善或可选的SSL照明设备。具有特别兴趣的方面是光源以高强度和小光展度(etendue)产生绿光的能力。
本发明由所附的权利要求限定。实施方式在所附权利要求、说明书和附图中阐述。
根据第一方面，提供了一种SSL照明设备，包括壳体，其具有反射内表面；和细长光导，其包括用于将第一波长范围的光转换成第二波长范围的光的波长转换材料。所述细长光导在两个端部之间延伸并且进一步包括光接收部和光出射部。所述光接收部配置在所述壳体内部，所述光出射部配置在所述壳体外部，所述两个端部中的至少一个形成所述光出射部。所述SSL照明设备还包括多个SSL光源，该多个SSL光源被构造成发射第一波长范围的光并且沿着所述细长光导的纵向与所述细长光导隔开一定距离地配置在所述壳体内部。
SSL光源可以例如是从以下群中选择的光源，所述群由半导体发光二极管、有机发光二极管、聚合物发光二极管和激光二极管组成。
在使用时，从所述多个SSL光源发射到所述壳体中的光的一部分经由所述光接收部进入所述光导，并且由所述波长转换材料吸收并转换，转换光中的一部分在所述光导内被波导并且通过所述光出射部出射。
通过将光源和一部分光导包围在具有反射内表面的壳体内并且通过在光导内部发生波长转换过程，该结构使得来自若干光源的光能够被用于提供单个高强度和高功率光源。
根据以上说明的SSL照明设备的光强度和功率输出可以高于多个SSL光源的单个SSL光源的光强度和功率输出。SSL光源沿着细长光导的纵向或长度配置。SSL光源的发光面可以面对细长光导。
出射部可以设计成例如通过调节出射部的表面面积的尺寸等以发出对于投射系统而言足够小的光展度的光。细长光导具有两个端部，出射部可以由至少两个端部中的一个形成。
SSL照明设备可以是可升级的，即增大SSL光源的输出功率可以在不增大由细长光导发射的光的光展度的情况下增大细长光导的输出功率。
在根据以上说明的SSL照明设备中，光导较少的受SSL光源产生的热的影响。因为光导与SSL光源隔开一定距离地配置在所述壳体内部。该配置可以导致较冷的光导，因此导致SSL照明设备的增大的效率、即输出功率与输入功率的比。
可以通过对细长光导设置绕圈而增大细长光导的配置在壳体内部的长度。例如，细长光导可以被卷绕。增大细长光导的配置在壳体内部的长度可以增大SSL照明设备的输出功率。此外，增大细长光导的配置在壳体内部的长度将进一步增大能够消散热的表面面积。这可以改善细长光导的冷却。
转换光可以经由全内反射被波导。全内反射是帮助减小光在通过光导行进时经历的衰减的引导光的有效方式。
根据一个实施方式，在波长转换材料呈现吸收性的第一波长范围和波长转换材料呈现发射性的第二波长范围之间实质上不存在重叠。“实质上不存在重叠”是指重叠小于最短波长范围的15％，可选地小于10％、小于5％或者等于0％。第一和第二波长范围之间的重叠越小，则转换光子被波长转换材料再次吸收的可能性越小。SSL照明设备的效率、即输出功率与输入功率的比率因此随着第一和第二波长范围之间的减小的重叠而增大。典型地，第一波长是针对容易制造的高强度的廉价SSL光源的波长范围，并且在该SSL光源中至少一部分内，波长转换材料呈现吸收。第一波长可以是从大约300nm至大约550nm。第二波长范围可以是从大约400nm至大约800nm。
波长转换材料可以是发光材料。这类材料包括具有适当的吸收和发射谱的若干物质。波长转换材料可以例如从以下群选择，所述群由磷光体、纳米尺寸的非有机磷光体、稀土复合物、发光有机分子、量子棒和量子点组成。波长转换材料可以是掺杂有稀土元素的钇铝石榴石粉和/或掺杂有稀土元素的镥铝石榴石粉。稀土元素可以是铈。
波长转换材料可以包括Ce掺杂的钇铝石榴石粉(YAG、Y3AL5O12)、镥铝石榴石粉(LuAG)、LuGaAG5，或者具有适当的折射率的LUYAG。YAG、LUAG、LuGaAG和LuYAG。
波长转换材料可以从以下群中选择，所述群由(MI 1-x-yMII xMIII y)3(MIV 1-zMV z)5O12组成，其中MI从包括Y、Lu或其混合物的10群选择，MII从包括Gd、La、Yb或其混合物的群选择，MIII从包括Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu或其混合物的群选择，MIV是铝，MV从包括Ga、Sc或其混合物的群选择，并且0≤x≤1、0≤y≤0.1、0≤z≤1；(MI 1-x-yMII x,MIII y)2O3，其中MI从包括Y、Lu或其混合物的群选择，MII从包括Gd、La、Yb或其混合物的群选择，MIII从包括Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu、Bi、Sb或其混合物的群选择，并且0≤x≤1、0≤y≤0.1；(MI 1-x-yMII xMIII y)S1-zSez，其中MI从包括Ca、Sr、Mg、Ba或其混合物的群选择，MII从包括Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr、Sb、Sn或其混合物的群选择，MIII从包括K、Na、Li、Rb、Zn或其混合物的群选择，并且0≤x≤0.01、0≤y≤0.05、0≤z≤1；(MI 1-x-yMII xMIII y)O，其中MI从包括Ca、Sr、Mg、Ba或其混合物的群选择，MII从包括Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr或其混合物的群选择，MIII从包括K、Na、Li、Rb、Zn或其混合物的群选择，并且0≤x≤0.1、0≤y≤0.1；(MI 2-xMIIxMIII 2)O7，其中MI从包括La、Y、Gd、Lu、Ba、Sr或其混合物的群选择，MII从包括Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或其混合物的群选择，MIII从包括Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或其混合物的群选择，并且0≤x≤1；(MI 1-xMII xMIII 1-yMIV y)O3，其中MI从包括Ba、Sr、Ca、La、Y、Gd、Lu或其混合物的群选择，MII从包括Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或其混合物的群选择，MIII从包括Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或其混合物的群选择，30和MIV从包括Al、Ga、Sc、Si或其混合物的群选择，并且0≤x≤0.1、0≤y≤0.1；或者以上物质的混合物。
波长转换材料可以包括有机磷光体。适于用作波长转换材料的有机磷光体材料的示例包括基于苝类衍生物的发光材料，例如由BASF以商标名称在出售d的发光材料。适于商业可用产品的示例因此包括但不限于红色F305、橙色F240、黄色F170、以及其组合。
发光材料可以从由量子点、量子棒、量子四脚体和纳米晶组成的群中选取。量子点或量子棒是大体具有几纳米的宽度或直径的半导体材料的小晶体。当被入射光激发时，量子点发射由晶体的尺寸和材料确定的颜色的光。特定颜色的光因此可以通过改变点的尺寸来产生。最广为所知的在可见光范围发光的量子点基于具有诸如硫化镉(CdS)和硫化锌(ZnS)等壳的硒化镉(CdSe)。也可以使用诸如磷化铟(InP),硫铟铜(CuInS2)和/或硫铟银(AgInS2)等不含有镉的量子点。量子点呈现非常窄的发射宽度，因此它们呈现饱和的颜色。此外，通过改变量子点的尺寸能够容易的转变发射颜色。在本发明中可以使用本领域已知的任意类型的量子点。然而，为了环境安全以及关注的原因，可以优选使用不含有镉的量子点或者具有非常少的镉含量的量子点。
细长光导可以包括用于波长转换材料的载体材料，例如诸如硅树脂、腈纶、玻璃、共聚物或者透明陶瓷等聚合物。诸如钇铝石榴石粉和/或镥铝石榴石粉等陶瓷可以形成载体材料。通过使用载体材料，可以使用具有适当的波长转换特征但是自身不能够形成刚性光导的波长材料。如果细长光导包括由例如石英和玻璃中的一种制成外壁，则载体材料可以是液体的。
壳体的反射内表面可以反射第一波长的入射光的至少95％，可选地为至少97％或者至少99％。入射光中被反射的部分越高，则光引擎的效率越高，壳体越是较少地被加热。因为热对于SSL照明设备的效率可以具有不利的效果，所以这是理想的。
为了在操作过程中冷却SSL照明设备，壳体可以热连接到热沉。其他类型的冷却技术也是可以的。例如，可以提供用于在壳体内部产生流体流以冷却壳体内部和细长光导的装置。SSL照明设备可以具有在细长光导内部产生流体流以冷却细长光导的装置。该结构使得能够构造紧凑且高功率的SSL照明设备。
SSL照明设备可以具有发射不同波长的光的SSL光源，其可以具有包括多于一种波长转换材料的细长波导。该SSL照明设备可以具有发射具有不同颜色的光的能力。例如，SSL照明设备可以具有第一和第二类型的SSL光源，细长光导可以包括第一和第二类型的波长转换材料。当打开第一类型的SSL光源时，SSL照明设备发射由第一类型的波长转换材料产生的光。类似地，当打开第二类型的SSL光源时，SSL照明设备发射由第二类型的波长转换材料产生的光。当打开两种类型的SSL光源时，发射由两种波长转换材料产生的光。
要注意的是，本发明涉及权利要求中提到的特征的所有可能的组合。
附图说明
现在将参照示出本发明的实施方式的附图更详细地说明本发明的这些和其他方面。
图1是SSL照明设备的组件的示意性透视图。
图2是具有环形壳体和具有位于壳体外部的两端部的光导的SSL照明设备的组件的示意性透视图。
具体实施方式
下文中将参照附图更完整地描述本发明，其中示出了本发明的优选的实施方式。然而，本发明可以具体实施为多种不同的形式，并且不应当解释成限制为这里说明的实施方式；相反，提供这些实施方式用于全面和完整，完全地将本发明的范围传达给本领域技术人员。
图1示出具有壳体2的SSL照明设备1，其中壳体2具有反射内表面3。图1中的壳体2的形状为直管，但是可以是其他形状。壳体2可以由铝制成。反射内表面3可以由硅树脂基体中的钛氧化物,多孔氧化铝中的钛氧化物或者诸如由Gigahertz Optik制造的OPDIMA等聚四氟乙烯材料组成。
壳体2起到光的混合腔室的作用，其中由SSL光源4发出的光由反射内表面反射，其中SSL光源4被配置成将光发射至壳体2中。SSL光源4可以焊接在一个或若干个印刷电路板5上，并且SSL光源4可以是圆顶的或裸露的(domed or bare)。SSL光源4可以以大约1mm至大约2cm分隔开地配置在印刷电路板上。SSL光源4的适当的数量取决于诸如各个SSL光源4的功率和SSL照明设备1的冷却效率等因素。
壳体2部分地包围细长光导6(“纤维”)。细长光导6的长度典型地在从大约5cm至大约5m的范围，但是可以达到20m。细长光导6可以具有至少为10的纵横比、即其长度除以其直径，可选地为至少100或至少500。细长光导6的由壳体2包围的部分可以是直的、折曲的或者具有多圈，该多圈例如形成卷。反射壳体的内径可以例如是细长光导的外径长度的大约二倍至大约五倍。SSL光源4沿着细长光导6的长度或者纵向配置。
可选地，为了防止壳体2的内壁与细长光导6的由壳体2包围的部分之间接触，可以在壳体2内部设置用于支撑细长光导6的定心装置9。定心装置9可以具有供细长光导6通过的孔。定心装置9可以具有例如环、超环形(toroid)、隆凸(torus)或者球形等形状，定心装置9中的孔可以具有尖锐边。定心装置9可以是高度透明或者高度反射的，即定心装置9可以不吸收任何光或者吸收非常少量的光。定心装置9可以包括石英或金属。定心装置9可以包括金属上的钛氧化物和硅树脂。
为了防止光从细长光导6离开，细长光导6可以涂覆以具有低折射率的履层材料。
光接收部18配置在光导6的被壳体2包围的部分上的某一些位置。光接收部18可以沿着光导6的长度或纵向由光导6的被壳体2包围的整个部分形成，使得由沿着光导6的长度配置的SSL光源4发出的光的相当大部分进入光导6的光接收部18。光出射部19可以配置在光导6的伸到壳体2外部的部分上的某一位置。
细长光导6可以形成连续的环。然而，在图1中，光导6个有两个端部7a、7b，两个端部中的至少一端部配置在壳体2外部并且形成光出射部19。配置在壳体内部的端部可以由反射镜8覆盖或密封。反射镜8可以由金属制成。可以利用活性焊接(active soldering)将反射镜8固定到细长光导6。注意两个端部7a、7b可以配置在壳体2外部。
细长光导6具有波长转换材料10，该波长转换材料10用于将第一波长范围内的光子转换成光子第二波长范围内的光子。第二波长范围可以表现为比第一波长范围长的波长。例如，第一波长范围可以从大约300nm至大约550nm，可选地从大约400nm至大约495nm，第二波长范围可以从大约495nm至大约800nm，可选地从大约495nm至大约570nm或者从大约620nm至740nm。这意味着第一波长范围可以包括可见蓝光，第二波长范围可以包括可见绿光或可见红光。优选地，波长转换材料10的吸收光谱和发射光谱具有很少重叠或者不具有任何重叠，以提高SSL照明设备1的效率。
细长光导6可以包括薄壁管11，该薄壁管11可以覆有光学涂层。薄壁管11的折射率可以在从大约1.3至大约2.5的范围内。薄壁管11可以由石英、低光吸收玻璃或者挤塑聚合物制成。薄壁管11的端部7a、7b的形状可以是平坦的或者球形的。
细长光导6可以包括用于波长转换材料10的载体材料12。载体材料12具有比壳体2内部的周围介质高的折射率。载体材料12的折射率可以在从大约1.3至大约2.5的范围内。载体材料12可以是例如硅树脂等聚合物或者诸如PMMA等腈纶材料。载体材料12可以是玻璃或透明陶瓷。载体材料12可以是包含在薄壁管11中的例如二甲基甲酰胺等液体。载体材料12和波长转换材料10的示例是溶解在二甲基甲酰胺中的磷光体。另一示例是掺杂有磷光体的PMMA的纤维。
为了在SSL照明设备1的操作过程中冷却SSL光源4和/或壳体2，印刷电路板5可以热连接到热沉13。细长光导6的冷却可以通过在薄壁管11的壁设置用于使流体流到薄壁管11中和从薄壁管11流出的一个或若干入口16和一个或若干出口17来实现。流体可以是波长转换材料10。
在操作过程中，SSL光源4将第一波长范围内的光射入壳体2中。一些发射光子直接碰撞细长光导6，其他的发射光子在碰撞细长光导6之前在壳体的反射内表面3反射一次或若干次。一些光子被反射内表面3或SSL光源4吸收。碰撞细长光导6的一些光子从细长光导6的表面反射，其他光子进入细长光导6。
进入细长光导6的第一波长范围的光子可以离开细长光导6并且再次进入壳体2。然而，进入细长光导6的一些第一波长范围的光子可以由波长转换材料10吸收，该波长转换材料10随后发射转换光子、即第二波长范围内的光子。
转换光子沿随机方向发射。一些转换光子将离开细长光导6。然而，由于载体材料12的折射率大于壳体2内部的周围介质的折射率，所以大多数转换光子将由全内反射而在细长光导6中被波导朝向细长光导6的端部7a、7b的一个端部。转换光子是否被波导取决于所谓的由asin(θ)＝ns/nc限定的所谓的全内反射角θ，其中ns是周围介质的折射率，nc是载体材料的折射率。这些折射率之间的差值越大，被波导的转换光子的部分越大。注意，第一波长范围的光子在细长光导6从不被波导；一旦在细长光导6内部，这些光子或者离开细长光导6或者被波长转换材料10吸收。还要注意，定心装置和细长光导之间的小接触面积可以减少由于例如散射或吸收而损失的风险。
离开细长光导6的转换光子随后可以再次进入但是然后将不再被波导。被波导的转换光子沿着细长光导6的两个纵向中的一个在细长光导6内行进，直到该转换光子到达两个端部7a、7b中的一个。到达安装有反射镜8的端部7a、7b的转换光子在反射镜8反射并且继续返回到细长光导6中。到达未安装有反射镜8的端部7a、7b的转换光子可以在端部和周围介质之间的边界处反射，并且继续返回到细长光导6中。然而，这些转换光子中的大多数通过端部离开细长光导6并且可以用于照明目的。影响通过开口端部7a、7b提取的光的两个因素是端部的几何形状以及端部和周围介质之间的折射率的差异。简言之，光沿着光导6的纵向进入光导6并且在光导6的端部7a、7b中的一个端部离开。照明设备的光强度和功率输出比使用单个SSL光源4高，这是因为多个SSL光源4发射如下的光，光沿着光导6的纵向或长度在光接收部18处至少部分地进入光导6，该光端部7a、7b(该端部具有比光接收部18的面积小的面积)的至少其中之一至少部分地离开、至少部分地被转换。换言之，根据本发明的照明设备起到提供单个高强度和高功率光源的集光器的作用。
图1中的照明设备1具有单个细长光导6。然而，SSL照明设备1可以包括多于一个的细长光导，每一个细长光导具有相应端部并且可以产生不同颜色的光。例如，SSL照明设备1可以具有第一和第二细长光导。在该配置中，第二细长光导的波长转换材料能够吸收漏到第一细长光导外部的波长范围。该光然后能够由第二细长光导的波长转换材料吸收并且转换成另一波长。例如，第一细长光导可以用于产生绿光，而第二细长光导产生红光。
在SSL照明设备操作时，不可避免地产生热。该热主要由于波长转换过程，热的其他来源是SSL光源4、量子损耗、以及波长转换材料10和壳体2的光吸收。可以使用各种技术冷却SSL照明设备1的不同组件。例如，可以通过将热沉13连接到SSL光源4和/或壳体2来实现冷却。来自SSL4的热由此可以消散到环境中。如果细长光导6包括填充有液体的薄壁管11，则可以进行细长光导6的液体冷却。液体经由配置于薄壁管11中的入口16和出口17被泵入和泵出薄壁管11。液体在薄壁管11外部被冷却。通过使入口16和出口17相对于薄壁管11的截面小可以减少散射损耗。
图2示出壳体2具有环形形状的SSL照明设备1。壳体2可以具有其他形状，例如立方体、直角棱镜或者圆形容器的形状。在本实施方式中，细长光导的两个端部7a、7b都配置在壳体2外部，它们被接合以形成用于发光的接合部19。壳体2具有用于冷却流体的一个或若干入口14和一个或若干出口15，以冷却壳体2内部、SSL光源4和光导6的配置在壳体2内部的部分。入口14和出口15配置在壳体2的壁中。流体可以是气体、气体的混合物、液体或液体的混合物。流体可以是空气。
图2中的SSL照明设备2以与图1中的SSL照明设备基本上相同的方式操作。区别在于壳体2及其内部通过对流来冷却。流体(典型地为空气)经由入口14和出口15被泵入和泵出壳体2，并且在壳体外部被冷却。注意，可以提供通过对流冷却以及通过热传导冷却的SSL照明设备。
本领域技术人员认识到，本发明决不限定于上述优选的实施方式。相反，在所附权利要求的范围内能够进行许多改变和变形。例如，壳体可以是矩形，可以存在多于一个的细长光导，用于发光的部分可以配置成使得它们沿不同的方向发射光，以及SSL照明设备可以设置有用于对流冷却和液体冷却的装置。
另外，本领域技术人员通过研究附图、公开和所附权利要求书能够理解和实施公开的实施方式的变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，未限定数量的部件不排除有多个。特定的措施在相互不同的从属权利要求中被提及这一事实不表明这些措施的组合不能够用于产生有益效果。

Claims (12)

1.一种SSL照明设备(1)，包括：
壳体(2)，其具有反射内表面(3)；
细长光导(6)，其包括用于将第一波长范围的光转换成第二波长范围的光的波长转换材料，所述细长光导(6)在两个端部(7a、7b)之间延伸并且进一步包括光接收部(18)和光出射部(19)，其中所述光接收部(18)配置在所述壳体(2)内部并且所述光出射部(19)配置在所述壳体(2)外部，并且其中所述两个端部(7a、7b)中的至少一个端部形成所述光出射部(19)，其中所述细长光导包括入口，所述入口配置成用于接收液体载体材料的流，所述液体载体材料包含所述波长转换材料的至少一部分；和
多个SSL光源(4)，其被构造成发射第一波长范围的光并且沿着所述细长光导(6)的纵向与所述细长光导(6)隔开一定距离地配置在所述壳体(2)内部；
其中，从所述多个SSL光源(4)发射到所述壳体(2)中的光的一部分经由所述光接收部(18)进入所述光导(6)，并且由所述波长转换材料(10)吸收并转换，
转换光中的一部分在所述光导(6)内行进并且通过所述光出射部(19)出射。
2.根据权利要求1所述的SSL照明设备(1)，其中所述细长光导(6)的配置在所述壳体(2)内部的部分的长度设置有绕圈和折曲中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的SSL照明设备(1)，其中所述转换光经由全内反射被波导。
4.根据前述权利要求1-3中任一项所述的SSL照明设备(1)，其中在所述第一波长范围和所述第二波长范围之间实质上不存在重叠。
5.根据前述权利要求中1-3任一项所述的SSL照明设备(1)，其中所述波长转换材料(10)是发光材料。
6.根据前述权利要求1-3中任一项所述的SSL照明设备(1)，其中所述细长光导(6)包括管。
7.根据前述权利要求中1-3任一项所述的SSL照明设备(1)，其中所述壳体(2)具有环形形状，所述光接收部(18)环绕环形的中心轴线。
8.根据前述权利要求中1-3任一项所述的SSL照明设备(1)，其中所述壳体(2)被热连接到热沉(13)。
9.根据前述权利要求中1-3任一项所述的SSL照明设备(1)，其中所述SSL照明设备(1)包括在所述壳体(2)内流动以冷却所述壳体(2)的内部和所述细长光导(6)的流体。
10.根据前述权利要求1-3中任一项所述的SSL照明设备(1)，其中在所述光出射部(19)处的光强度和功率输出高于所述多个SSL光源(4)的单个SSL光源的光强度和功率输出。
11.根据前述权利要求1-3中任一项所述的SSL照明设备(1)，其中所述SSL照明设备(1)包括多个细长光导(6)。
12.根据权利要求11所述的SSL照明设备(1)，其中在所述多个细长光导(6)的所述细长光导的第二波长范围之间实质上不存在重叠。
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