CN109578823B - 一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光白光光源领域,并公开了一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源。该激光白光光源包括激光二极管、透镜、反射镜、荧光粉膜、荧光粉基板、水平底座和液冷散热机构,激光二极管作为蓝色光源,透镜将来自激光二极管的光线沿竖直方向出射,反射镜将来自透镜的折射光线反射至荧光粉膜,荧光粉膜与荧光粉基板相互配合将来自反射镜的光线转化为白光并射出;水平底座的下方设置有液冷散热机构,用于降低水平底座的温度,以此降低所述激光二极管和荧光粉膜的温度,从而实现二者的同时冷却。通过本发明,实现高效的同时冷却激光二极管和荧光粉膜,工艺简单,操作方便。
Description
技术领域
本发明属于激光白光光源领域,更具体地,涉及一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源。
背景技术
目前,LED照明被广泛应用于固态照明领域。但是LED在高电流密度下会存在“效率下降”的现象,限制了LED应用于高亮度照明领域。激光二极管(LD)被认为是下一代照明光源,在高电流密度下不存在效率下降的现象并能维持较高的发光效率。另外与LED相比,LD的发光面积和光束发散角都要更小,这都有利于实现高亮度照明。因此,LD在未来高功率和高亮度照明领域具有巨大的市场潜力。
激光白光通常是由双波长光(蓝色光+黄色光)或者三波长光(蓝色光+绿色光+红色光)混合而成。目前广泛应用的激光白光是通过蓝色光激光二极管(GaN/InGaN)和黄色光荧光粉(YAG或TAG)组成。现有的LD的光电转化效率一般都较低并且LD芯片的尺寸很小,导致LD芯片的热流密度非常大,尤其是在高光功率需求下LD散热更具有挑战性。此外为了实现高亮度照明,激发荧光粉的光斑直径都很小,导致激发光能量密度非常高。在荧光粉层中除了光致发光过程(吸收蓝光发出黄光),同样伴随着光致发热现象,因此荧光粉层可以被认为是一个具有高热流密度的小型化热源。研究表明在没有散热措施下,荧光粉温度极易上升至热淬灭温度,导致效率下降、性能衰减甚至失效。现有激光白光光源更多地关注LD散热,很少关注荧光粉散热或者仅采用传统的被动散热方式对荧光粉进行单独散热,其冷却效果有限。分别对LD和荧光粉进行散热设计导致激光白光光源整体体积偏大和结构更复杂。目前仍缺少一种简单的激光白光光源结构,同时实现LD和荧光粉的有效散热。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源,其中通过对激光光路的布局设计和冷却机构的结构设计,使得激光二极管和荧光粉膜安装在同一水平底座上,并通过在水平底座上设置液冷散热机构加强散热效果,由此解决现有激光白光光源由于采用LD和荧光粉分别冷却的方式所导致的工艺繁琐、结构复杂、整体体积大、散热效果有限的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明,提供了一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源,其特征在于,该激光白光光源包括激光二极管、透镜、反射镜、荧光粉膜、荧光粉基板、水平底座和液冷散热机构,其中,所述激光二极管作为蓝色光源设置在所述水平底座的一端上,所述透镜设置在所述激光二极管的上方,用于将来自所述激光二极管的光线进行折射,并沿竖直方向出射,所述反射镜设置在所述透镜上方,用于将来自所述透镜的折射光线反射至所述荧光粉膜,所述荧光粉基板设置在所述水平底座的另一端,所述荧光粉膜设置在所述荧光粉基板上,二者相互配合将来自所述反射镜的光线转化为白光并射出;
所述水平底座的下方设置有所述液冷散热机构,用于降低所述水平底座的温度,然后通过该水平底座与所述激光二极管和荧光粉膜进行热交换,以此降低所述激光二极管和荧光粉膜的温度,从而实现二者的同时冷却。
进一步优选地,所述荧光粉基板的上表面镀有金属基板,来自所述反射镜的光线一部分蓝色光直接透射所述荧光粉膜照射在所述金属基板上,另外一部分经所述荧光粉膜后转化为黄色光照射在所述金属基板上,所述蓝色光和黄色光均被所述金属基板全部反射至所述荧光粉膜,然后经所述荧光粉膜混光后,从该荧光粉膜的上方射出。
进一步优选地,所述荧光粉基板为透明基板,且该荧光粉基板的上下表面均镀有抗反射涂层,用于增加蓝光的透射率,来自所述反射镜的光线一部分蓝色光直接透射所述荧光粉膜照射在所述金属基板上,另外一部分经所述荧光粉膜后转化为黄色光照射在所述金属基板上,所述蓝色光和黄色光均经所述金属基板透射,并在出射时发生混光形成白光从所述金属基板的底部出射。
进一步优选地,所述激光白光光源包括一块反射镜,其设置在所述透镜的正上方,与水平方向的夹角为θ,该θ的取值范围优选为10°~45°。
进一步优选地,所述激光白光光源包括两块关于竖直方向对称轴镜像对称的反射镜,其中一块反射镜设置在所述透镜的正上方,与水平方向的夹角为θ,该θ的取值范围优选为10°~45°,另一块反射镜设置在所述荧光粉膜的正上方,两块所述反射镜配合使得所述荧光粉膜的入射光竖直入射。
进一步优选地,所述激光二极管的发射波长为420nm~470nm.
进一步优选地,所述荧光粉膜为玻璃荧光粉、透明荧光粉陶瓷、单晶荧光粉中的任一种,其峰值发射波长为520~570nm。
进一步优选地,所述水平底座的材料优选为铝/铝合金、铜/铜合金、碳化硅或氮化铝。
进一步优选地,所述荧光粉膜的材料优选为玻璃荧光粉、透明荧光粉陶瓷或单晶荧光粉中的一种。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
1、本发明与现有技术中分别对LD和荧光粉进行散热设计的方式不同,本发明通过光路设计实现对LD和荧光粉的同时散热设计,大大节约了设计成本,简化了散热结构,实现了更紧凑的激光白光光源;
2、本发明采用液冷散热机构对LD和荧光粉同时进行液冷散热,与现有技术中采用热电制冷加风扇的方式对LD进行散热,或者采用被动散热方式(如翅片)对荧光粉进行散热的方式相比,大大增强了散热效率,同时降低了LD芯片和荧光粉的工作温度,提升了激光白光光源的热可靠性,有利于实现高功率和高亮度激光白光照明。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例1所构建的激光白光光源的结构示意图;
图2是按照本发明的优选实施例1所构建的水平底座和液冷散热机构的结构示意图;
图3是按照本发明的优选实施例1所构建的水平底座上热传导的原理示意图;
图4是按照本发明的优选实施例2所构建的激光白光光源的结构示意图;
图5是按照本发明的优选实施例2所构建的水平底座和液冷散热机构的结构示意图;
图6是按照本发明的优选实施例2所构建的水平底座上热传导的原理示意图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:
1-激光二极管 2-透镜 3-反射镜 4-荧光粉膜 5-荧光粉基板 6-水平底座 7-液冷散热机构 11-激光二极管产生热量,41-荧光粉产生热量,61-LD安装槽 62-荧光粉基板安装槽 63-水平底座螺纹孔
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1
图1是按照本发明的优选实施例1所构建的激光白光光源的结构示意图,如图1所示,激光白光光源包括激光二极管1、透镜2、反射镜3、荧光粉膜4、荧光粉基板5、水平底座6和液冷散热机构7。激光二极管1发射出的蓝色激光向上入射到透镜2;根据透镜2的设计曲面形状发生折射,光线从透镜2出射时为准直光束。准直光束入射到反射镜3的镜面发生镜面反射,反射镜3与水平面的夹角为θ,取值范围为10°~45°。经过反射镜3的镜面反射后,光线以一定角度入射到水平放置的荧光粉膜4上,部分蓝光被荧光粉膜4吸收并转化为黄光,通过调整夹角θ,可以实现入射光斑与荧光粉膜4的尺寸匹配,从而提高光能量的利用率。荧光粉膜4直接沾涂在荧光粉基板5上,两者具有相同的截面形状和尺寸。荧光粉基板5为顶面镀有高反射率涂层的金属基板,直接透过荧光粉膜4的蓝光和在荧光粉膜4产生的黄光在荧光粉基板5的顶面会发生镜面反射,重新在荧光粉膜4中发生吸收和转化,最后向上出射的蓝光和黄光混合形成白光。
图2是按照本发明的优选实施例1所构建的水平底座和液冷散热机构的结构示意图,如图2所示,激光二极管1和荧光粉膜4分别通过LD安装槽61和荧光粉安装槽62安装在水平底座6上;水平底座6通过四角的四个螺纹孔63采用螺钉固定安装在液冷散热机构7上面,两者之间涂有导热硅脂或其他高导热界面材料。
图3是按照本发明的优选实施例1所构建的水平底座上热传导的原理示意图,如图3所示,LD产生热量11从激光二极管内部传导到水平底座6,另外荧光粉产生热量41从荧光粉膜4传导到荧光粉基板5,再传导到水平底座6,由于荧光粉基板5和水平底座6都具有较高的导热系数,热量能迅速传递到液冷散热机构7中,通过液冷散热机构7的不断循环冷却,LD产生热量11和荧光粉产生热量41能被不断带走,从而将LD结温和荧光粉温度维持在一个较低的水平。
激光二极管1的发射波长为420~470nm,采用的是TO形式封装的激光二极管光源,透镜2透镜为单个自由曲面透镜或自由曲面透镜组,用于对LD发射的激光光束进行准直或聚焦,材料为玻璃材料、丙烯酸类树脂PMMA或其他种胶体类材料,反射镜3的镜面反射率≥95%,荧光粉膜4为玻璃荧光粉、透明荧光粉陶瓷、单晶荧光粉中的任一种,其峰值发射波长为520~570nm,水平底座6为铝/铝合金、铜/铜合金、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)或其他高导热材料,荧光粉基板反射蓝光和黄光,用于实现反射型激光白光光源;荧光粉基板为铝/铝合金、铜/铜合金或其他金属/金属合金材料;液冷散热机构为微通道、均温板或其他液冷散热机构的任一种。
实施例2
图4是按照本发明的优选实施例2所构建的激光白光光源的结构示意图,如图4所示,本实施例与实施例1的区别在于:反射镜3为一对反射镜组,其作用为让竖直向上入射的激光光束经过两次镜面反射竖直向下出射;这两个反射镜与水平面的夹角均为45°,经过反射镜3的激光光束竖直向下入射到荧光粉膜4的顶面,荧光粉膜直接沾涂在荧光粉基板5上,荧光粉基板5为蓝宝石基板或其他透明高导热基板,荧光粉基板5的两面镀有抗反射涂层,用于增加蓝光透射率,入射到荧光粉膜上的激光部分被吸收、转化为黄光,部分直接透射的蓝光和转化的黄光直接透过透明荧光粉基板5,混合形成白光。通过以上光路设计形成了一种透射型激光白光光源。
图5是按照本发明的优选实施例2所构建的水平底座和液冷散热机构的结构示意图,如图5所示,激光二极管1和荧光粉基板5分别通过LD安装槽61和荧光粉安装槽62安装在水平底座6上的不同位置。为了不遮挡出射的白光,液冷散热机构7与荧光粉基板5不直接接触。图6是按照本发明的优选实施例2所构建的水平底座上热传导的原理示意图,如图6所示,LD产生热量11到水平底座6的传递方式与实施例1相同,而荧光粉产生热量41只通过荧光粉基板5的左边传递到水平底座6。
激光二极管为通过引脚焊接在驱动电路板上的TO形式封装的激光二极管,其发射波长为420~470nm,发射光功率为0.001~10W;透镜为单个自由曲面透镜或自由曲面透镜组,用于对LD发射的激光光束进行准直或聚焦;荧光粉膜的截面尺寸大于或等于激发光斑尺寸,以便充分利用光能量;激发光斑面积为0.1~100mm2;透明基板的两面镀有抗反射涂层,用于增加蓝光透射率,透明基板为蓝宝石或其他高导热透明材料,透明基板直接透射蓝光和黄光,用于实现透射型激光白光光源;荧光粉膜和所述荧光粉基板的截面形状为圆形、矩形或其他形状;水平底座为铝/铝合金、铜/铜合金、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)或其他高导热材料;水平底座具有两个安装槽,分别用于安装所述激光二极管和所述荧光粉基板;液冷散热机构为微通道、均温板或其他液冷散热机构的任一种,液冷散热机构顶面通过螺钉与所述水平底座底面连接,两者之间涂有导热硅脂或其他高导热界面材料。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源,其特征在于,该激光白光光源包括激光二极管(1)、透镜(2)、反射镜(3)、荧光粉膜(4)、荧光粉基板(5)、水平底座(6)和液冷散热机构(7),其中,
所述激光二极管(1)作为蓝色光源设置在所述水平底座(6)的一端上,所述透镜(2)设置在所述激光二极管(2)的上方,用于将来自所述激光二极管的光线进行折射,并沿竖直方向出射,所述反射镜(3)设置在所述透镜(2)上方,用于将来自所述透镜的折射光线反射至所述荧光粉膜,所述荧光粉基板(5)设置在所述水平底座的另一端,所述荧光粉膜(4)设置在所述荧光粉基板上,二者相互配合将来自所述反射镜的光线转化为白光并射出;
所述水平底座(6)的下方设置有所述液冷散热机构,用于降低所述水平底座的温度,然后通过该水平底座与所述激光二极管和荧光粉膜进行热交换,以此降低所述激光二极管和荧光粉膜的温度,从而实现二者的同时冷却。
2.如权利要求1所述的一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源,其特征在于,所述荧光粉基板(5)的上表面镀有金属基板,来自所述反射镜的光线一部分蓝色光直接透射所述荧光粉膜照射在所述金属基板上,另外一部分经所述荧光粉膜后转化为黄色光照射在所述金属基板上,所述蓝色光和黄色光均被所述金属基板全部反射至所述荧光粉膜,然后经所述荧光粉膜混光后,从该荧光粉膜的上方射出。
3.如权利要求2所述的一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源,其特征在于,所述荧光粉基板(5)为透明基板,且该荧光粉基板的上下表面均镀有抗反射涂层,用于增加蓝光的透射率,来自所述反射镜的光线一部分蓝色光直接透射所述荧光粉膜照射在所述金属基板上,另外一部分经所述荧光粉膜后转化为黄色光照射在所述金属基板上,所述蓝色光和黄色光均经所述金属基板透射,并在出射时发生混光形成白光从所述金属基板的底部出射。
4.如权利要求1所述的一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源,其特征在于,所述激光白光光源包括一块反射镜(3),其设置在所述透镜的正上方,与水平方向的夹角为θ,该θ的取值范围为10°~45°。
5.如权利要求1所述的一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源,其特征在于,所述激光白光光源包括两块关于竖直方向对称轴镜像对称的反射镜(3),其中一块反射镜设置在所述透镜的正上方,与水平方向的夹角为θ,该θ的取值范围为10°~45°,另一块反射镜设置在所述荧光粉膜的正上方,两块所述反射镜配合使得所述荧光粉膜的入射光竖直入射。
6.如权利要求1所述的一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源,其特征在于,所述激光二极管(1)的发射波长为420nm~470nm。
7.如权利要求1所述的一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源,其特征在于,所述荧光粉膜(4)为玻璃荧光粉、透明荧光粉陶瓷、单晶荧光粉中的任一种,其峰值发射波长为520nm~570nm。
8.如权利要求1所述的一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源,其特征在于,所述水平底座(6)的材料为铝/铝合金、铜/铜合金、碳化硅或氮化铝。
9.如权利要求1所述的一种激光二极管和荧光粉膜同时冷却的激光白光光源,其特征在于,所述荧光粉膜(4)的材料为玻璃荧光粉、透明荧光粉陶瓷或单晶荧光粉中的一种。
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