CN110911960A - 一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置 - Google Patents

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康健
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Abstract

本发明公开了一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，包括蓝光激光器、光纤、光纤接头、法兰转接头、荧光陶瓷棒；其中，所述光纤的一端连接所述蓝光激光器，光纤的另一端连接所述光纤接头，构成带尾纤激光器模组；所述法兰转接头的一端连接所述荧光陶瓷棒，构成荧光转换器件，法兰转接头的另一端连接所述光纤接头，从而实现带尾纤激光器模组与荧光转换器件的连接；所述荧光陶瓷棒采用Ce:YAG或者Ce:LuAG透明陶瓷制成；其中，Ce3+掺杂浓度为0.01～0.10at％，且透明陶瓷两端面之间的透过率为50.0～80.0％。本发明器件封装方式简单，生产成本低，极大地提高器件的发光效率，适于工业化生产。

Description

一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置
技术领域
本发明涉及激光照明和显示领域，具体涉及一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置。
背景技术
激光照明技术已经应用在汽车车灯、激光手电等照明场所，在扫海灯、高铁前照灯、军用手电等高亮度应用领域具有更大的发展空间；激光显示技术也是大屏幕投影、激光电视、数码影院、手机投影等未来高端显示的主流技术。
在获得激光照明和显示背光源的技术方案中，最常使用的技术方案是荧光转换方案，即激光器激发荧光转换材料方案。然而，在高功率密度的激光和高强度的热辐射下，荧光粉面临的碳化问题(300℃)将制约荧光粉在激光照明的广泛应用。例如：文献Whitelight source with laser-excited phosphor将荧光粉和硅胶涂覆在玻璃套上，最高承受功率为1W；并在此功率下，荧光粉温度的升高造成色温漂移极其严重；且利用面积低，且存在碳化，更换拆解困难。种种问题使此方案对于高功率、高流明密度激光照明和显示几乎完全不适用。因此，基于荧光陶瓷转换材料逐渐成为研究的热点。
当前，荧光陶瓷的封装方式是将陶瓷封装在散热铜、铝基底上，如肖特公司目前的主打激光照明和显示的陶瓷转换器；且荧光陶瓷都为片状陶瓷，掺杂浓度较高，尺寸较小，在光转换过程中引起单位面积内引起的热聚焦温度极高，极易造成发光热猝灭。因此，对于外观尺寸为4mm*4mm的陶瓷片，其基底尺寸高达20mm*20mm*4mm。然而，陶瓷本身的热导率较高(约为9.0W/m-1·K-1)，如果可以其在高能激光激发下的解决热聚焦问题，通过陶瓷自身与外界空气进行热交换的方式便可以采用，这可免去外界热沉器件的使用。同时，激光照明器件成本居高不下，各厂家都针对自己的主要还是由于没有统一的规格和要求，产业化难度很大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，成本低，且发光效率高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，包括蓝光激光器、光纤、光纤接头、法兰转接头、荧光陶瓷棒；其中，所述光纤的一端连接所述蓝光激光器，光纤的另一端连接所述光纤接头，构成带尾纤激光器模组；所述法兰转接头的一端连接所述荧光陶瓷棒，构成荧光转换器件，法兰转接头的另一端连接所述光纤接头，从而实现带尾纤激光器模组与荧光转换器件的连接；
所述荧光陶瓷棒采用铈掺杂的钇铝石榴石(Ce:Y3Al5O12,Ce:YAG)或者铈掺杂的镥铝石榴石(Ce:Lu3Al5O12,Ce:LuAG)透明陶瓷制成；其中，Ce3+掺杂浓度为0.01～0.10at％，且透明陶瓷两端面之间的透过率为50.0～80.0％。
优选的，所述光纤接头的型号为FC型、PC型、ST型、SC型、APC型中的一种，作为光纤末端的输出端子。
优选的，所述法兰转接头的型号与所述光纤接头匹配，为FC型、PC型、ST型、SC型、APC型中的一种，起到对接作用。
优选的，所述荧光陶瓷棒呈圆柱状，端面半径为8.0～16.0mm，长度为20.0～60.0mm。
所述蓝光激光器发射的激光光束经所述光纤入射至荧光陶瓷棒，所述荧光陶瓷棒将入射蓝光转换为黄光或绿光；光纤接头和法兰转接头用于连接蓝光激光器和荧光陶瓷棒，输出高亮度光源。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.采用棒状荧光陶瓷器件取代现有的片状陶瓷器件，有利于解决光转换材料面临的“热猝灭”和“浓度猝灭”效应带来的低转换效率问题，极大提高器件的发光效率。
2.器件封装方式简单高效，有利于产业化生产。根据尾纤LD的输出端口类型，选择荧光陶瓷左端的适配方式，通过法兰转接头直接实现带尾纤的激光器模组与荧光转换器件之间的连接。荧光转换器件采用法兰转接头连接荧光陶瓷，荧光陶瓷发光性能稳定，长期工作无光衰。当激光器寿命达到临界值时，只需更换新的带尾纤激光器模组，对后续设计(荧光转换器件等)不会产生任何影响，极大降低了激光照明器件的成本，有利于激光照明与显示器件的产业化。
附图说明
图1为本发明的一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置的结构示意图。
图中，10蓝光激光器、20光纤、30光纤接头、40法兰转接头、50荧光陶瓷棒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，包括蓝光激光器10、光纤20、光纤接头30、法兰转接头40、荧光陶瓷棒50；其中，所述光纤20的一端连接所述蓝光激光器10，光纤20的另一端连接所述光纤接头30，构成带尾纤激光器模组；所述法兰转接头40的一端连接所述荧光陶瓷棒50，构成荧光转换器件，法兰转接头40的另一端连接所述光纤接头30，所述光纤接头30采用FC型光纤接头，所述法兰转接头40也采用FC型法兰，光纤接头30与法兰转接头40匹配，从而实现带尾纤激光器模组与荧光转换器件的连接；
所述荧光陶瓷棒50采用铈掺杂的钇铝石榴石(Ce:Y3Al5O12,Ce:YAG)透明陶瓷制成；其中，Ce3+掺杂浓度为0.01at％，且透明陶瓷两端面之间的透过率为50.0％，透明陶瓷的制备参考专利申请CN108516818A公开的制备工艺。所述荧光陶瓷棒50呈圆柱状，其端面半径为8.0mm，长度为20.0mm。
所述蓝光激光器10发射的激光光束经所述光纤20入射至荧光陶瓷棒50，所述荧光陶瓷棒50将入射蓝光转换为黄光；光纤接头30与法兰转接头40用于连接蓝光激光器10和荧光陶瓷棒50；当蓝光的功率为2W时，测得器件总光通量为320lm，输出的高亮度黄光光源的转换效率为160lm/W，运行温度80℃；当蓝光的功率为5W时，测得的总光通量为750lm，输出高亮度黄光光源的转换效率为150lm/W，运行温度120℃。温度猝灭和浓度猝灭对器件的发光效率的影响较低，可用于激光照明与显示场所。
实施例2
如图1所示，一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，包括蓝光激光器10、光纤20、光纤接头30、法兰转接头40、荧光陶瓷棒50；其中，所述光纤20的一端连接所述蓝光激光器10，光纤20的另一端连接所述光纤接头30，构成带尾纤激光器模组；所述法兰转接头40的一端连接所述荧光陶瓷棒50，构成荧光转换器件，法兰转接头40的另一端连接所述光纤接头30，所述光纤接头30采用PC型光纤接头，所述法兰转接头40也采用PC型法兰，光纤接头30与法兰转接头40匹配，从而实现带尾纤激光器模组与荧光转换器件的连接；
所述荧光陶瓷棒50采用铈掺杂的钇铝石榴石(Ce:Y3Al5O12,Ce:YAG)透明陶瓷制成；其中，Ce3+掺杂浓度为0.04at％，且透明陶瓷两端面之间的透过率为80.0％，透明陶瓷的制备参考专利申请CN108516818A公开的制备工艺。所述荧光陶瓷棒50呈圆柱状，端面半径为16.0mm，长度为60.0mm。
所述蓝光激光器10发射的激光光束经所述光纤20入射至荧光陶瓷棒50，所述荧光陶瓷棒50将入射蓝光转换为黄光；光纤接头30与法兰转接头40用于连接蓝光激光器10和荧光陶瓷棒50；当蓝光的功率为2W时，测得器件总光通量为360lm，输出的高亮度黄光光源的转换效率为180lm/W，运行温度70℃；当蓝光的功率为5W时，测得的总光通量为800lm，输出高亮度黄光光源的转换效率为160lm/W，运行温度100℃。温度猝灭和浓度猝灭对器件的发光效率的影响较低，可用于激光照明与显示场所。
实施例3
如图1所示，一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，包括蓝光激光器10、光纤20、光纤接头30、法兰转接头40、荧光陶瓷棒50；其中，所述光纤20的一端连接所述蓝光激光器10，光纤20的另一端连接所述光纤接头30，构成带尾纤激光器模组；所述法兰转接头40的一端连接所述荧光陶瓷棒50，构成荧光转换器件，法兰转接头40的另一端连接所述光纤接头30，所述光纤接头30采用ST型光纤接头，所述法兰转接头40也采用ST型法兰，光纤接头30与法兰转接头40匹配，从而实现带尾纤激光器模组与荧光转换器件的连接；
所述荧光陶瓷棒50采用铈掺杂的钇铝石榴石(Ce:Y3Al5O12,Ce:YAG)透明陶瓷制成；其中，Ce3+掺杂浓度为0.10at％，且透明陶瓷两端面之间的透过率为80.0％，透明陶瓷的制备参考专利申请CN108516818A公开的制备工艺。所述荧光陶瓷棒50呈圆柱状，端面半径为8.0mm，长度为40.0mm。
所述蓝光激光器10发射的激光光束经所述光纤20入射至荧光陶瓷棒50，所述荧光陶瓷棒50将入射蓝光转换为黄光；光纤接头30与法兰转接头40用于连接蓝光激光器10和荧光陶瓷棒50；当蓝光的功率为2W时，测得器件总光通量为380lm，输出的高亮度黄光光源的转换效率为190lm/W，运行温度65℃；当蓝光的功率为5W时，测得的总光通量为900lm，输出高亮度黄光光源的转换效率为180lm/W，运行温度95℃。温度猝灭和浓度猝灭对器件的发光效率的影响较低，可用于激光照明与显示场所。
实施例4
如图1所示，一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，包括蓝光激光器10、光纤20、光纤接头30、法兰转接头40、荧光陶瓷棒50；其中，所述光纤20的一端连接所述蓝光激光器10，光纤20的另一端连接所述光纤接头30，构成带尾纤激光器模组；所述法兰转接头40的一端连接所述荧光陶瓷棒50，构成荧光转换器件，法兰转接头40的另一端连接所述光纤接头30，所述光纤接头30采用SC型光纤接头，所述法兰转接头40也采用SC型法兰，光纤接头30与法兰转接头40匹配，从而实现带尾纤激光器模组与荧光转换器件的连接；
所述荧光陶瓷棒50采用铈掺杂的镥铝石榴石(Ce:Lu3Al5O12,Ce:LuAG)透明陶瓷制成；其中，Ce3+掺杂浓度为0.05at％，且透明陶瓷两端面之间的透过率为80.0％，透明陶瓷的制备参考专利申请CN108516818A公开的制备工艺。所述荧光陶瓷棒50呈圆柱状，端面半径为8.0mm，长度为40.0mm。
所述蓝光激光器10发射的激光光束经所述光纤20入射至荧光陶瓷棒50，所述荧光陶瓷棒50将入射蓝光转换为绿光；光纤接头30与法兰转接头40用于连接蓝光激光器10和荧光陶瓷棒50；当蓝光的功率为2W时，测得器件总光通量为400lm，输出的高亮度绿光光源的转换效率为200lm/W，运行温度62℃；当蓝光的功率为5W时，测得的总光通量为950lm，输出高亮度绿光光源的转换效率为190lm/W，运行温度93℃。温度猝灭和浓度猝灭对器件的发光效率的影响较低，可用于激光照明与显示场所。
实施例5
如图1所示，一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，包括蓝光激光器10、光纤20、光纤接头30、法兰转接头40、荧光陶瓷棒50；其中，所述光纤20的一端连接所述蓝光激光器10，光纤20的另一端连接所述光纤接头30，构成带尾纤激光器模组；所述法兰转接头40的一端连接所述荧光陶瓷棒50，构成荧光转换器件，法兰转接头40的另一端连接所述光纤接头30，所述光纤接头30采用APC型光纤接头，所述法兰转接头40也采用APC型法兰，光纤接头30与法兰转接头40匹配，从而实现带尾纤激光器模组与荧光转换器件的连接；
所述荧光陶瓷棒50采用铈掺杂的镥铝石榴石(Ce:Lu3Al5O12,Ce:LuAG)透明陶瓷制成；其中，Ce3+掺杂浓度为0.01at％，且透明陶瓷两端面之间的透过率为80.0％，透明陶瓷的制备参考专利申请CN108516818A公开的制备工艺。所述荧光陶瓷棒50呈圆柱状，端面半径为8.0mm，长度为40.0mm。
所述蓝光激光器10发射的激光光束经所述光纤20入射至荧光陶瓷棒50，所述荧光陶瓷棒50将入射蓝光转换为绿光；光纤接头30与法兰转接头40用于连接蓝光激光器10和荧光陶瓷棒50；当蓝光的功率为2W时，测得器件总光通量为440lm，输出的高亮度绿光光源的转换效率为220lm/W，运行温度60℃；当蓝光的功率为5W时，测得的总光通量为1000lm，输出高亮度绿光光源的转换效率为200lm/W，运行温度90℃。温度猝灭和浓度猝灭对器件的发光效率的影响较低，可用于激光照明与显示场所。
对比例
参考专利申请CN108516818A公开的制备工艺制备Ce:YAG透明荧光陶瓷，Ce3+掺杂浓度为0.50at％。Ce:YAG透明荧光陶瓷呈圆片状，直径为16.0mm，厚度为1.0mm。将该陶瓷替换荧光陶瓷棒应用于本发明专利，当蓝光的功率为2W时，测得器件总光通量为320lm，输出的高亮度黄光光源的转换效率为160lm/W，运行温度80℃；当蓝光的功率为5W时，测得的总光通量为600lm，输出高亮度黄光光源的转换效率为120lm/W，运行温度160℃。温度猝灭和浓度猝灭对器件的发光效率的影响较大，且发光效率明显低于本发明实施例的装置。

Claims (4)

1.一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，其特征在于，包括蓝光激光器(10)、光纤(20)、光纤接头(30)、法兰转接头(40)、荧光陶瓷棒(50)；其中，所述光纤(20)的一端连接所述蓝光激光器(10)，光纤(20)的另一端连接所述光纤接头(30)，构成带尾纤激光器模组；所述法兰转接头(40)的一端连接所述荧光陶瓷棒(50)，构成荧光转换器件，法兰转接头(40)的另一端连接所述光纤接头(30)，从而实现带尾纤激光器模组与荧光转换器件的连接；
所述荧光陶瓷棒(50)采用铈掺杂的钇铝石榴石或者铈掺杂的镥铝石榴石透明陶瓷制成；其中，Ce3+掺杂浓度为0.01～0.10at％，且透明陶瓷两端面之间的透过率为50.0～80.0％。
2.根据权利要求1所述的一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，其特征在于，所述光纤接头(30)的型号为FC型、PC型、ST型、SC型、APC型中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，其特征在于，所述法兰转接头(40)的型号与所述光纤接头(30)匹配，为FC型、PC型、ST型、SC型、APC型中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于荧光陶瓷棒的激光照明与显示装置，其特征在于，所述荧光陶瓷棒(50)呈圆柱状，端面半径为8.0～16.0mm，长度为20.0～60.0mm。
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