CN110520767A - 用于基于激光器的光源的可靠的光转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种光转换装置（130），其包括：‑光转换器（132），其中光转换器（132）被适配为将初级光（10）转换为转换光（20），其中转换光（20）的峰值发射波长处于比初级光（10）的峰值发射波长更长的波长范围内，‑反射结构（134），耦合到光转换器（132）的耦合表面的至少一部分，其中在反射结构（134）被布置为反射入射在反射结构（134）上的初级光（10）的至少55%和透射入射在反射结构（134）上的转换光（20）的至少50%的意义上，反射结构（134）是窄带反射器。本发明还描述了一种包括这种光转换装置（130）的基于激光器的光源（100）。本发明还涉及一种包括基于激光器的光源（100）的车辆前灯。

Description

用于基于激光器的光源的可靠的光转换装置
技术领域
本发明涉及一种光转换装置和包括该光转换装置的基于激光器的光源。本发明还涉及一种包括基于激光器的光源的车辆前灯。
背景技术
用于例如基于激光器的白色光源（比如例如汽车前灯）的光转换器的可靠性，强烈地取决于对光转换器的有效冷却。因此，有必要在光转换器（例如磷光体）和散热结构（散热器）之间能够实现可靠且有效的热耦合。此外，应当避免增加转换器的温度并因此降低光转换器的效率的光学损耗。
发明内容
本发明的一目的是提供一种光转换装置，其能够在光转换器和散热器之间实现可靠的热耦合和光学耦合。在独立权利要求中描述了本发明。从属权利要求包括优选实施例。
根据第一方面，提供了一种光转换装置。该光转换装置包括光转换器。光转换器被适配为将初级光转换成转换光。转换光的峰值发射波长处于比初级光的峰值发射波长更长的波长范围内。光转换装置还包括耦合到光转换器的耦合表面的至少一部分的反射结构。反射结构是窄带反射器，其被布置成反射入射在反射结构上的初级光的至少55％，更优选至少70％，并且最优选至少90％。
激光器应用（例如用于汽车前灯）通常基于蓝色激光（初级光的示例），使用比如磷光体的光转换器将蓝色激光部分地转换为黄色光（转换光的示例），以便实现期望的整体白光颜色。在这些情况下，通常，具有1W或更大的能量的激光束撞击结合到散热器上的相对小的磷光体面积（<< 1mm2）。散热器在反射方案中（例如，蓝光正在从一侧进入到光转换器/散热器结中并且在相同侧收集白光）包括比如包括例如银层的反射层的反射镜结构，以便避免转换光（例如黄色）和初级光（例如蓝色）的损耗。
一个主要的挑战是制造一种光转换器/散热器结，其可以有效地消散在蓝光的转换期间产生的热量（斯托克斯损耗，磷光体封装中的吸收损耗等），并且从而防止由于过热所致的整个光转换器的灾难性故障。结的特别热敏感的部分是光转换器和散热器之间的界面，其例如可以是薄胶层，与激光器封装的其他组件相比，该薄胶层对高温和蓝色激光的照射可能不那么稳健。
硅树脂胶可以例如用于这种胶合的结中。通过对材料的分子结构的适当优化，可以将硅树脂的温度稳定性提高到接近磷光体开始热淬火的点的温度（~150-200°C）。然而，实验已经表明，尽管硅树脂具有温度稳定性，但是不能避免随着时间推移的光学退化以及因此的磷光体封装的过早退化（使其在进一步应用中无用）。初步的实验结果表明，最有可能与例如高于100°C的相对高的温度组合的强烈的蓝光触发反射镜或胶的光学性能的退化。一种可能的解释是，例如，来自银镜的银原子或离子扩散到胶层中。由于导致光学退化的强烈的蓝光，银原子或离子似乎与周围的胶层材料或气体反应。因此，银镜似乎对强烈的蓝光敏感。
与窄带反射结构组合的光转换装置防止蓝光或通常超过阈值强度的初级光到达反射镜结构，并且根据窄带反射器的位置，还防止到达胶层。抑制扩散过程（假设对实验结果的该分析是正确的）所需的光转换器的耦合表面处的反射结构的反射率取决于激光的初始强度、光转换器的厚度、掺杂和散射属性以及初级光的束和光转换器之间的入射角度（光转换器相对于束的有效厚度）。初步实验表明，尤其是在蓝色初级光的情况下，入射在散热器的反射镜结构上的初级光的强度必须小于1 W/mm²，更优选小于0.1 W/mm²，并且最优选小于0.01 W/mm²。窄带反射结构的反射率必须依照上述因素（初始强度、厚度、掺杂等）来布置，以便相应地减小强度。
基于实验结果不能排除由强烈的蓝光触发或引起的胶层中的其他机理并且尤其是其他反应机理，是光学性能退化的原因。但是发明人的实验结果清楚地证明了窄带反射器延迟或甚至抑制了光学性能的退化。
初级光可以例如是具有450 nm的激光器峰值发射波长的激光。
反射结构是窄带反射器，意味着主要只有初级光被（部分）反射，而转换光（大部分）被透射。这意味着，入射在反射结构上的转换光的至少50％，优选地至少70％，并且更优选地至少90％透射通过反射结构。
优选地，光转换器由致密烧结的陶瓷体制成。例如，(Lu,Y,Gd,Ce)3(Al,Ga)5O12。蓝光的吸收和发射发生在铈（III）离子处。Ce的浓度为0.1至0.5原子百分比。
陶瓷光转换器的厚度可能在40 µm至150 µm之间。
在优选的实施例中，陶瓷光转换器由混合氧化物起始材料与过量的Al2O3烧结，从而烧结成多晶陶瓷光转换器。以直径计的晶粒尺寸在3 µm至30 µm之间。在优选的实施例中，陶瓷光转换器由石榴石微晶和Al2O3微晶的随机混合物组成，其中Al2O3微晶的体积分数范围从陶瓷体的1体积百分比至80体积百分比。烧结后，从两侧研磨陶瓷光转换器板，以产生Ra <300 nm，更优选Ra <150 nm，并且最优选Ra <30 nm的表面粗糙度。陶瓷光转换器被烧结成“孔致密的”并且可以至少在一个表面上涂覆有交替的高折射率和低折射率材料的二向色覆层。二向色层在一侧处构造，以减少入射初级光的反射，从而为入射初级光产生抗反射覆层，而在光转换器的另一侧，二向色层用于增加初级光的反射，从而在光转换器的耦合表面上产生本发明的窄带反射器。
光转换器可以借助于耦合层机械地耦合到散热器。散热器包括如上所述的反射镜结构。反射镜结构被布置成将入射在反射镜结构上的转换光的至少90％，优选至少95％，并且最优选至少98％反射回到光转换器。如上所述，窄带反射结构被布置在光转换器的耦合表面和反射镜结构之间，以便减小入射在反射镜结构上的初级光的强度。
耦合层可以例如是如上所述的具有高温和光学稳定性的硅树脂胶或其他胶或粘合剂的层。
根据第一实施例，窄带反射结构可以包括沉积在耦合表面上的至少一个层，使得耦合层被布置在窄带反射结构和反射镜结构之间。布置窄带反射结构使得减小入射在耦合层上的初级光的强度可以具有附加的效果，即可以抑制耦合层的其他老化机理被初级光触发或至少增强。
根据另一实施例，窄带反射结构可以包括沉积在反射镜结构之上的至少一个层，使得耦合层被布置在窄带反射结构和光转换器之间。布置窄带反射结构使得避免反射镜结构与耦合层之间的直接接触可以具有以下效果：窄带反射结构抑制或至少阻止了反射镜结构和耦合层之间的扩散，即，提供了扩散阻挡。然后，在这样的实施例中，由反射镜结构所包括的颗粒（特别是银离子）的生成和/或扩散被延迟或甚至被抑制。仅在耦合层和反射镜结构之间提供扩散阻挡而没有初级光的反射属性甚至可能足够。然后，扩散阻挡在初级光的波长范围内也可以是基本上透明的。扩散阻挡可以延迟或甚至抑制如上所述的反射镜结构所包括的颗粒的扩散。在这种情况下，窄带反射结构和/或扩散阻挡用作被布置为延迟光转换装置并且特别是耦合层的退化的保护层。
耦合表面可以被布置为与光转换器的光发射表面相对。在这种情况下，初级光可以在进入光转换器之前通过光发射表面。
窄带反射结构可以包括电介质反射镜。电介质反射镜包括具有不同折射率的多个层。可以借助于层的数量、层的厚度和层的折射率来定制反射率，以便提供所需的反射率，其取决于初级光、光转换器的材料及其光学属性或入射初级光相对于光转换器之间的几何布置（例如，入射角度）。电介质反射镜的多层结构还可以提供改进的扩散阻挡。如果反射镜结构包括沉积在散热器的靠近光转换器的一侧上的银层或其他反射金属层，则这种扩散阻挡可能是特别有用的。
根据本发明的第二方面，提供了一种基于激光器的光源。
基于激光器的光源包括：
-至少一个激光器，其中，所述至少一个激光器被适配为发射激光，以及
-根据上述实施例中的任一个的光转换装置。
基于激光器的光源还可以包括发射例如蓝色激光的两个、三个、四个或更多个激光器（例如，以阵列的形式）。激光器可以优选是发射蓝色激光的半导体激光器。
根据另一方面，提供了一种车辆前灯。车辆前灯包括至少一个如上所述的基于激光器的光源。车辆前灯可以包括两个、三个、四个或更多个如上所述的基于激光器的光源。
用于前照明的车辆前灯（比如汽车前灯）的白点优选地以5700K的相关色温（CCT）或约0.48的v’坐标为特征。白光区域在标准中定义。例如。ANSI C78.377是美国国家标准协会规定的色度标准。如上所述，大多数汽车前灯使用5700 K范围。可替代地，还可以有可能的是使用6000 K的色温。包括如上所述的基于激光器的光源的车辆前灯可以支持提供高质量的白光。
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任意组合。
下面定义了其他有利的实施例。
附图说明
根据下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚明白并将参考下文描述的实施例得以阐述。
现在将参考附图基于实施例以示例的方式描述本发明。
在附图中：
图1示出了包括第一光转换装置的基于激光器的光源的第一实施例的主要简图。
图2示出了包括第二光转换装置的基于激光器的光源的第二实施例的主要简图。
在附图中，相同的数字始终指代相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
现在将借助于附图描述本发明的各种实施例。
图1示出了基于激光器的光源100的第一实施例的主要简图，该基于激光器的光源100包括激光器110和第一光转换装置130。第一光转换装置130包括具有光发射表面131和窄带反射结构134的光转换器132，窄带反射结构134附接到光转换器132的耦合表面（在这种情况下为光转换器132的与光发射表面131相对的背表面）。光转换器132借助于耦合层136机械地耦合（胶合）到散热器140，使得耦合层136被布置在窄带反射结构134和散热器140之间。散热器140的表面的至少一部分至少在转换光20的波长范围内是反射的，优选地是高度反射的。激光器110向光转换装置130发射初级光10（例如，蓝色激光）。蓝色激光经由光发射表面131进入光转换器132。借助于光转换器132的光转换材料，蓝色激光的一部分被转换为黄色转换光20。转换光20的一部分在穿过窄带反射结构134和耦合层136之后入射在由散热器140包含的反射镜结构138上。基本上入射在反射镜结构138上的转换光20的全部都被反射回到光转换器132。因此，耦合层136至少在转换光20的波长范围内应当是透明的。在光转换器132内未被转换的初级光10可以入射在窄带反射结构134上。在这种情况下，窄带反射结构134包括反射入射在窄带反射结构134上的初级光10的98-99％的层，使得反射的初级光12与转换光20一起经由光发射表面131发射。
窄带反射结构134在转换光20的波长范围内基本上是透明的。窄带反射结构134降低了在窄带反射结构134后面的蓝色初级光10的强度，使得抑制或至少延迟了耦合层136的退化。光转换装置130被布置为经由光发射表面131发射26％蓝色激光和74％黄色转换光，使得光发射表面131发射基本上白色光。
图2示出了包括激光器110和第二光转换装置130的基于激光器的光源100的第二实施例的主要简图。总体配置与关于图1讨论的实施例非常相似。光转换装置130还包括耦合到光转换器132的耦合表面的散热器140。散热器140包括反射镜结构138，其是沉积在散热器上的银层。但是，与图1不同的是，这里散热器140包括窄带反射结构134。
窄带反射结构134包括具有以交替顺序沉积在银层之上的高折射率和低折射率的薄层的叠层，从而在相对于窄带反射结构的表面的法线的+/- 60°的入射角度范围内，产生了在初级光的波长范围内具有97％的反射率的电介质反射镜。窄带反射结构134在转换光20的波长范围内可以基本上是透明的。
光转换器132是黄色磷光体石榴石（YAG：Ce），其借助于窄带反射结构134之上的耦合层136结合，使得耦合层136被布置在光转换器132和窄带反射结构134之间。在这种情况下，耦合层136在初级光10的波长范围内和在转换光20的波长范围内是透明的。沉积在银层138之上的电介质反射镜134最有可能也抑制银原子或离子向耦合层136的扩散，从而银原子可能已经借助于初级光被电离了。转换光20几乎被银层138 100％反射，但是几乎被窄带反射结构134完全透射。
尽管已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述应被认为是说明性或示例性的而不是限制性的。
通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员来说将是清楚明白的。这样的修改可以涉及本领域中已经已知的以及可以代替本文已经描述的特征而被使用或附加于本文已经描述的特征而被使用的其他特征。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以理解和实现所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一（a或an）”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。
附图标记列表：
10 初级光
12 反射的初级光
20 转换光
100 基于激光器的光源
110 激光器
130 光转换装置
131 光发射表面
132 光转换器
134 窄带反射结构
136 耦合层
138 反射镜结构
140 散热器

Claims (9)

1.一种光转换装置（130），包括：
-光转换器（132），其中，所述光转换器（132）被适配为将初级光（10）转换为转换光（20），其中，所述转换光（20）的峰值发射波长处于比所述初级光（10）的峰值发射波长更长的波长范围内，
-反射结构（134），耦合到所述光转换器（132）的耦合表面的至少一部分，其中在所述反射结构（134）被布置为反射入射在所述反射结构（134）上的所述初级光（10）的至少55%和透射入射在所述反射结构（134）上的所述转换光（20）的至少50%的意义上，所述反射结构（134）是窄带反射器。
2.根据权利要求1所述的光转换装置（130），其中，所述光转换器（132）借助于耦合层（136）机械地耦合到散热器（140），其中，所述散热器（140）包括反射镜结构（138），其中，所述反射镜结构（138）被布置成将入射在所述反射镜结构（138）上的所述转换光（20）的至少90％反射回到所述光转换器（132），并且其中所述反射结构（134）被布置在所述光转换器（132）的所述耦合表面和所述反射镜结构（138）之间。
3.根据权利要求2所述的光转换装置（130），其中，所述反射结构（134）包括沉积在所述耦合表面上的至少一个层，使得所述耦合层（136）被布置在所述反射结构（134）和所述反射镜结构（138）之间。
4.根据权利要求2所述的光转换装置（130），其中，所述反射结构（134）包括沉积在所述反射镜结构（138）之上的至少一个层，使得所述耦合层（136）被布置在所述反射结构（134）和所述光转换器（132）之间。
5.根据权利要求1或2所述的光转换装置（130），其中，所述耦合表面被布置成与所述光转换器（132）的光发射表面（131）相对。
6.根据权利要求1或2所述的光转换装置（130），其中，所述反射结构（134）包括电介质反射镜。
7.根据权利要求2所述的光转换装置（130），其中，所述反射镜结构（138）包括沉积在所述散热器（140）的与所述光转换器（132）相邻的一侧上的银层。
8. 一种基于激光器的光源（100），包括：
-至少一个激光器（110），其中，所述至少一个激光器（110）被适配为发射初级光（10），以及
-根据权利要求1至7中的任一项所述的光转换装置（130）。
9.一种车辆前灯，包括根据权利要求8所述的基于激光器的光源（100）。
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