CN106958753A - 一种波长转换装置及光源 - Google Patents

Abstract

本发明通过将波长转换层涂覆在基底的凹槽中，并在基底上设置密封装置，将所述凹槽密封形成密封腔，并在密封腔中填充但未填满冷却液，使得波长转换层浸没在所述冷却液中，这样可以借助冷却液的汽化来带走波长转换层局部区域产生的大量的热，避免了波长转换层局部温度过高带来的波长转换材料饱和或损坏。

Description

一种波长转换装置及光源

技术领域

本发明涉及照明光源领域，特别是涉及一种波长转换装置以及使用该波长转换装置的光源。

背景技术

随着半导体技术的发展，LED光源正在取代传统的白炽灯和节能灯成为一种通用的照明光源，它具有高效，节能，环保以及寿命长等优点。然而，在一些特殊的应用领域，例如舞台灯光照明，汽车大灯，投影显示等需要超高亮度光源的应用领域，此时LED就难以满足要求了。与LED同属半导体光源的半导体激光器（以下简称LD），也具有LED的优点，同时由于其光学扩展量（Etendue）小，特别适合用来制作超高亮度的特种光源。利用LD制作高亮度特种光源时，通常将LD出射的激光会聚成一个很小的光斑入射到荧光粉上，由于会聚光斑小，能量集中，荧光粉局部将产生大量的热甚至引起荧光粉热淬灭。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种波长转换装置，以及利用该波长转换装置的光源。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是，提供一种波长转换装置，保证其具有良好的散热效果能经受高能量密度的激发光激发，且其作为发光单元的光学扩展量小，同时，提供了一种使用该波长转换装置的高亮度激光光源。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种波长转换装置，包括：带有凹槽的基底；涂覆在基底凹槽内的波长转换层；设置在所述基底上的密封装置，它将凹槽密封从而形成一个密封腔；还包括冷却液，冷却液填充但未填满所述密封腔，密封腔内还保留有空气隙，所述波长转换层浸没在冷却液中。

附图说明

图1是本发明的波长转换装置的第一实施例的结构示意图；

图2是将波长转换层嵌在凹槽底部的结构示意图；

图3是使用透镜作为密封装置的结构示意图；

图4是本发明的波长转换装置的第二实施例的结构示意图；

图5是将波长转换装置倒置使用时的示意图；

图6是本发明的波长转换装置的第三实施例的结构示意图；

图7是气泡在液体中受到液体压力而变形的原理示意图；

图8是气泡吸附在波长转换层表面时的示意图。

具体实施方式

请参见图1，图1是本发明的波长转换装置的第一实施例的结构示意图。如图所述，本实施例的波长转换装置包括：基底101，波长转换层103，冷却液104，密封装置105。其中，基底101上带有凹槽102，波长转换层103涂覆在凹槽102的底面，密封装置105设置在基底101上，它将凹槽102密封从而形成一个密封腔，冷却液104填充但未填满所述密封腔，密封腔内还保留有空气隙108。106为入射的激发光，107为出射的受激光。其中，激发光106从密封装置105一侧入射，透过密封装置105后入射到凹槽102底面的波长转换层103上，波长转换层103受到激发光106的激发而产生受激光107，所产生的受激光107再透过密封装置105出射。

在本实施例中，基底101选用导热良好的材料，优选的，可以使用金属、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷等，良好的导热系数能快速带走波长转换层103所产生的热。基底101上加工出一个合适大小的凹槽102，波长转换层103涂覆在凹槽102的底面。为了使波长转换层103产生的受激光能尽可能多的出射，用于涂覆波长转换层103的底面应具有较高的光反射率，镜面反射或漫反射均可，可以在凹槽102的底面镀一层高反射膜层，例如金属银膜，优选的，基底101本身具有较高的光反射率，例如高反射率的金属铝或氧化铝陶瓷等。本实施例中，凹槽102可以加工成任意的形状，如方形，圆形，矩形或其他不规则形状等，优选的，其深度控制在2-5mm，太深会使得后续受激光的收集透镜变大系统庞大，太浅又使得密封腔内冷却液体减少影响散热。

在本实施例中，波长转换层103涂覆在凹槽102的底面，并与底面形成良好粘附。波长转换层103可以由波长转换材料和某种透明粘接剂组成，先涂覆在凹槽102的底面然后固化，在固化过程中自然与底面形成良好粘附；也可以先将波长转换层103固化之后再通过其他粘接工艺将其粘附到凹槽102的底面。良好的粘附一方面可以保证波长转换层103位置的固定，另一方面也利于波长转换层103产生的热向基底101的传导。优选的，可以将波长转换材料与硅胶或者玻璃粉混合，然后涂覆到凹槽102的底面再固化。在本实施例中，波长转换材料可以根据需要选用各种颜色的荧光粉，例如，为了得到白光输出，激发光106可选用蓝光，波长转换材料选用黄色荧光粉，激发光中剩余的蓝光和黄色荧光粉产生的黄光混合形成白光输出；波长转换材料还可以是绿色荧光粉和红色荧光粉按一定比例的混合，同样利用蓝色激发光去激发，最后剩余的蓝光和荧光粉产生的红绿光一起混合成白光输出；再例如，为了得到绿光输出，可以使用蓝色激发光去激发绿色荧光粉。此外，为了使输出光中剩余的激发光和波长转换层产生的受激光混合均匀，波长转换层中还可以掺入散射粒子。对本领域的技术人员，可以利用此波长转换装置得到各种不同颜色的光，此处不再一一赘述。

在本实施例中，凹槽102被密封装置105密封从而形成了一个密封腔，冷却液104填充但不完全填满所述密封腔，密封腔内还保留有部分空气隙108。空气隙108的作用在于：入射激发光106通常都是聚焦入射到波长转换层103上，由于会聚光斑小，波长转换层103的局部会产生大量的热，此时由于冷却液104的存在，一方面可以通过热对流来对波长转换层103进行散热，将热量传递给基底101，另一方面当波长转换层103局部区域温度过高时，会引起冷却液104在该局部区域的汽化，从而形成气泡，气泡上升到冷却液表面破灭，并将蒸汽释放到空气隙108，当所述蒸汽遇到密封装置105或凹槽102的内壁时，又会液化并将热量传给密封装置105或基底101，最后经由基底101导走。这样，通过冷却液104先汽化后液化的相态变化，可以快速带走波长转换层103局部区域产生的大量的热，避免了其局部温度过高带来的波长转换材料饱和或损坏，提高其激发效率。

在本实施例中，为了使冷却液104中产生的气泡能及时导走，冷却液104选用某种透明、低粘滞系数的液体。透明能保证激发光106和受激光107在透过冷却液104时不会被吸收；低粘滞系数能保证冷却液中产生的气泡能及时排出到液体表面。优选的，冷却液体104的粘滞系数小于2×10-3pas。由于波长转换层103浸没在所述冷却液104中，所以还应保证波长转换层103与冷却液104之间不会发生物理化学反应。

在本实施例中，密封装置105固定在基底101上，它将基底101上的凹槽102密封并形成密封腔。密封装置105选用透明材料，以保证激发光106和受激光107透过它时不会被吸收。优选的，可以使用玻璃片作为密封装置105，通过密封胶或玻璃粉固化在基底101上并形成完全密封。若使用低温玻璃粉作为密封材料，可以借助激光熔融来实现密封。优选的，玻璃片的前后表面镀上对激发光106和受激光107增透的增透膜，以减小或消除激发光和受激光在其表面的界面反射损耗，提高光源效率。

在本实施例中，波长转换层103涂覆在凹槽102的底面，但并没有限制凹槽102的形状。优选的，可以在凹槽102的底面加工出第二凹槽，波长转换层103嵌在第二凹槽内，与第二凹槽的底面和侧壁都形成良好粘附，如图2所示，这样增加了波长转换层103与基底101的接触面积，既有利于波长转换层103通过热传导直接向基底101的散热，又增加了波长转换层103与基底101粘附的牢固程度，防止波长转换层103由于长期浸泡在冷却液104中而发生脱落。

在大多数应用中，通常需要在密封装置105之后使用透镜来对波长转换层103出射的受激光进行收集，为了减少光学元件的数量并使系统简单紧凑，可以直接将透镜作为密封装置105固定在基底101上，如图3所示，这样，密封装置105同时具有了光收集的作用：入射的激发光106透过密封装置105后会聚到波长转换层103上，从波长转换层103出射的受激光再次透过密封装置105后被收集出射。关于透镜与基底101的密封装配与前面相同，不再赘述。

在本实施例中，通过将波长转换层103涂覆在基底101上的凹槽102的底面，并在基底上设置密封装置105，将所述凹槽102密封形成密封腔，在密封腔中填充但未填满冷却液104，波长转换层103浸没在所述冷却液104中，这样，借助冷却液104的汽化液化的相态变化来带走波长转换层103局部区域产生的大量的热，避免了波长转换层103局部温度过高带来的饱和或损坏，提高激发效率。

图4是本发明的波长转换装置的第二实施例的结构示意图。如图所述，本实施例的波长转换装置包括：基底201，波长转换层203，冷却液204，密封装置205。其中，基底201上带有凹槽202，波长转换层203涂覆在凹槽内，密封装置205设置在基底201上，它将凹槽202密封从而形成一个密封腔，冷却液204填充但未填满所述密封腔，密封腔内还保留有空气隙208。206为入射的激发光，207为出射的受激光。与第一实施例的区别在于，本实施例中，凹槽202的底面具有高低不同的台面，波长转换层203的水平位置高于凹槽202中最低台面的水平位置，且保证波长转换装置倒置时冷却液体204仍然能将波长转换层203浸没，如图5所示。在实际应用中，可能遇到将本发明的波长转换装置侧放或倒置使用的情况，本实施例可保证在任何情况下波长转换层203上的激光入射点都能浸没在冷却液204中。

在本实施例中，并没有限制凹槽202的底面有多少个台面，也没有限制波长转换层203应位于第几台面，只要满足本发明的波长转换装置在侧放或倒置的任何情况下波长转换层203上的激光入射点都能浸没在冷却液204中即可，本领域的技术人员据此设计出的各种不同的凹槽结构，都应在本发明的保护范围之内。

图6是本发明的波长转换装置的第三实施例的结构示意图。如图所述，本实施例的波长转换装置包括：基底301，波长转换层303，冷却液304，密封装置305。其中，基底301上带有凹槽302，波长转换层303涂覆在凹槽内，密封装置305设置在基底301上，它将凹槽302密封从而形成一个密封腔，冷却液204填充但未填满所述密封腔，密封腔内还保留有空气隙308。306为入射的激发光，307为出射的受激光。与第二实施例的区别在于，本实施例中，凹槽302的底面带有曲面凸台，波长转换层303涂覆在所述曲面凸台上，因而表面形成凸曲面。通过控制密封腔内冷却液304的量，本实施例同样可以保证该波长转换装置在侧放或倒置的任何情况下波长转换层303上的激光入射点都能浸没在冷却液304中。

在本实施例中，由于波长转换层表面形成了凸曲面，它还具有另一个优点：图7是气泡在液体中受到液体各个方向的压力而形变的示意图，其中，401为液体中的气泡，402为气泡所受到的来自液体各个方向的压力，显然左右压力相等，上方的压力最小，下方的压力最大，在这样的压力综合作用下气泡将发生形变，上方曲率半径变小，下方曲率半径变大。图8是气泡离开波长转换层之前吸附在其表面的示意图，其中401为气泡，403为波长转换层。左图表示波长转换层表面为平面时的情况，右图表示波长转换层表面为凸曲面时的情况。由于气泡在液体中形变以及波长转换层表面与液体分子之间的作用力，气泡在变得足够大之前会吸附在波长转换层表面，它与波长转换层表面将形成一个接触面，该接触面区域的波长转换层没有与冷却液接触，冷却液无法起作用，所以该区域可能会因温度过高而引起波长转换材料饱和或损坏。所以该接触面的面积越小越好。参照图8，在气泡大小相同的情况下，当波长转换层表面为凸曲面时，其与气泡的接触面积要小于波长转换层表面为平面时的情况。所以，当波长转换层表面为凸曲面时，更能有效防止波长转换层表面因局部温度过高而引起的波长转换材料饱和或损坏。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分相互参见即可。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种波长转换装置，其特征在于，包括：

带有凹槽的基底；

涂覆在基底凹槽内的波长转换层；

设置在所述基底上的密封装置，它将凹槽密封从而形成一个密封腔；

还包括冷却液，冷却液填充但未填满所述密封腔，密封腔内还保留有空气隙，所述波长转换层浸没在冷却液中。

2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述冷却液为透明、低粘滞系数的液体。

3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述基底的材料为导热良好的陶瓷或金属。

4.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述凹槽的底面镀一层高反射膜层，波长转换层涂覆在反射膜层上。

5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层嵌在凹槽底部。

6.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层中还包含有散射粒子。

7.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述密封装置为透明材料。

8.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述凹槽的底面具有高低不同的台面，所述波长转换层的水平位置高于最低台面的水平位置。

9.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层表面为凸曲面。

10.一种发光装置，其特征在于，包括激光源和根据权利要求1至9中任一项所述的波长转换装置；其中，激光源发出的激发光聚焦地入射并透射所述密封装置以激发波长转换层。