CN111033113B - 基于结晶磷光体的宽带光源 - Google Patents

基于结晶磷光体的宽带光源 Download PDF

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Abstract

一种基于磷光体的光源，包括：入射光束，该入射光束被聚焦到片状磷光体的前表面上；其中，所述磷光体具有抛光的后表面，该后表面涂覆有夹在磷光体和散热器之间的高反射性、高导热性的涂层，并且磷光体发射光通过单个透镜或透镜组收集到光纤或光纤束中。

Description

基于结晶磷光体的宽带光源
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年8月18日提交的美国临时申请号62/547485的权益。美国临时申请No.62/547485的内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明一般涉及宽带光源设备，并且更具体地涉及基于结晶磷光体的宽带光源。
背景技术
光遗传学和科学成像应用需要具有主要在可见光波段中的特定波长和带宽的高亮度、非相干光源。诸如激光泵浦等离子体光源和白光LED的目前的解决方案展现出很高的输出光功率，但由于此类光源相对大的光学扩展量，其自身亮度受到限制。超连续激光器具有相当高的亮度，但其中大部分的输出光功率都位于红外(IR)光谱中，对上述应用没有帮助。
基于磷光体的光源提供了另一种可能性以满足此需求：结晶磷光体材料显示出满足大多数用途的合适的发射光波长和带宽，以及可持续性的高泵浦功率，这意味着磷光体将相对短波长的高亮度入射光转换为更长波长的高强度发射光。
在宽波段的磷光体光源的发展过程中，本发明的申请人发现难处在于提高磷光体的发光亮度。这背后的原因有以下几点：(1)在没有适当地限制泵浦光的情况下，磷光体发射存在于大量的磷光体中。因此，即使总发射功率高，磷光体发射功率集中度也相对较低。简单地将入射光聚焦到磷光体上并不能解决问题，因为磷光体会过热且磷光体的光转换效率显著降低。(2)即使泵浦光以狭角入射，磷光体的发射也是准各向同性的。如果光学装置设计不当，则只有小部分的磷光体发射光被聚集到外耦合光纤中。必须先解决这两个问题，才能通过输出光纤或输出光纤束实现高输出光功率。
然而，目前磷光体光源的光学设计尚待优化。在设计基于磷光体的光源上已经付出了一些努力。
例如，文献US8709283B2，US8770773B2和US2011/0175510A1聚焦于LED泵浦磷光体光源。在这些设计中，LED发出短波长的光，例如蓝光或紫外光。磷光体被制成覆盖层、平板或管。LED发射光被磷光体吸收，磷光体反过来又发射更长波长的光。但是，这些设计不涉及将LED发射光聚焦到磷光体的小区域上的光学装置。因此，光转换存在于相对较大体积的空间中，该空间的体积等于磷光体本身的尺寸。由于发射量大，因而磷光体的发射亮度相对较低，这限制了磷光体在光遗传学和科学成像中的应用。
在US8709283B2和US8770773B2中公开了两种典型的使用LED和LED阵列作为泵浦光源的磷光体光源设计。这些设计还没有引入任何特殊的光学设计来改善磷光体的发射亮度。这是因为这些产品设计用于一般照明应用，而高亮度并不是其设计的主要目标。
M.坎托尔(M.Cantore)等人在他们的出版物“来自单结晶磷光体转换的基于激光的白色照明系统的高光通量”中已经关注了激光泵浦磷光体光源的发光效率(生物医学光学快报(Opt.Expr.)，第24卷，第2期，2016年1月)。但没有特殊的聚光设计，磷光体光源在14W激光泵浦功率下的最大光通量是1100lm，各向同性地发射。
在文献US2014/0253882A1和欧司朗(OSRAM)光源ITOS相位器中，有经过精心设计的光聚焦装置，可以将入射光聚集到磷光体上，从而提高磷光体的发射亮度。然而，在两种设计中都使用了多个激光光源，这使得难以将激光光点限制在磷光体表面上的最小尺寸上。欧司朗相位器实现约2100lm的光通量，几乎是M.坎托尔的记录的两倍，但是亮度(光纤芯每单位面积的光通量)仅为～200lm/mm2，对于科学应用来说仍然不够高。
磷光体发射亮度的进一步提高需要泵浦光源在磷光体上的更小的光点(例如使用单个高功率激光器，而不是低功率激光器阵列)。然而，对于如此高的泵浦光功率集中度，磷光体的散热成为一个挑战。恩卡纳西翁·维洛拉(Encarnacion Villora)等人已经在论文“用于高亮度白光LED和LD的单结晶磷光体”中(日本晶体生长协会(J.of JapaneseAssoc.for Crystal growth)，第42卷，第2期，2015年)报道了磷光体材料的过热现象。他们分析得出的结论是，单结晶磷光体比常规陶瓷磷光体能承受更高的温度，但是如果涉及到高集中度的激光泵浦，仍然需要优化的主动冷却设计。
在另一文献US2014/0253882A1中，采用透镜组将输入的泵浦激光光束聚焦到磷光体的一小部分上。然而，这种装置涉及涂覆有不同种类的磷光体的轮，以便在依次泵浦不同的磷光体时获得不同的光发射光谱。他们付出的代价是发射光谱不是恒定且稳定的，而是以预设频率不断翻转。当泵浦磷光体的每一个单域的时间少于1/3总运行时间(如依次泵浦红色部分、绿色/青色部分、黄色部分和蓝色部分)时，也会牺牲特定波长的发射亮度。该设计原理对于商业显示应用是必需的，而对不需要全彩色成像、但对磷光体发射的亮度和稳定性有更高要求的上述科学应用可能并不适用。
此外，这种磷光体轮的设计不涉及任何散热器或其它主动冷却装置，而是依靠于向空气中的热辐射以及向轮底座中的热传导。这限制了施加在磷光体上的最大泵浦激光强度，进而限制了最大磷光体发射亮度。
因此，提出一种具有优化的光学设置的新型磷光体光源以解决上述问题。
发明内容
本文献公开了基于结晶磷光体的宽带光源设计。光学设计经过优化，以将泵浦光聚焦到磷光体上，并将来自于磷光体的发射光有效地聚集到输出耦合光纤中。在泵浦光强度较高的情况下，采用散热设计来防止磷光体过热。
在第一实施例中，入射光束通过透镜或透镜组聚焦到结晶磷光体表面上。磷光体吸收入射光并重新发出更长波长的光。可以优化光的入射角以使反射最小，例如布鲁斯特角。聚光透镜/透镜组以另一角度放置，将磷光体发射光聚焦到光纤/光纤束中。可以在聚光透镜(透镜组)中放置可选的滤光片或滤光片组，以用于微调输出光谱。
在该第一实施例中，对磷光体的前表面进行处理，以使入射的泵浦光的反射最小，并使磷光体发射光的输出耦合最大，例如但不限于微结构设计和抗反射涂层。(现有文献中，以US6164790为例，给出了微结构可以微调光耦合效率，其中在液晶显示屏的背光模块中采用微结构以优化光耦合效率和分布。)磷光体的后表面被抛光并涂覆有高反射性、高导热性的涂层，例如银涂层。该涂层的后侧表面与散热器或其它冷却装置接触。当入射光功率高时，该涂层将磷光体中的热量传递到散热器中，以使得磷光体不会过热并且保持最高的光转换效率。为了使传热效率最大化，可以将高反射性、高导热性的涂层焊合或焊接到冷却装置上，或者通过导热粘剂粘在冷却装置上，或者光学接触该冷却装置的抛光表面。
第二实施例也是反射式磷光体光源。与第一实施例类似，一束入射光通过透镜或透镜组聚焦到结晶磷光体的前表面上。磷光体吸收入射光并重新发射具有比入射光更长波长的光。磷光体发射光再次通过上述相同的透镜/透镜组聚集。入射光和磷光体发射光被短反长通式滤光片分开，诸如分色镜，该分色镜反射出波长短于其截止波长的光，并且发射出波长长于其截止波长的光。在经过长通滤光片后，磷光体的发射光通过第二透镜或透镜组重新聚焦到光纤或光纤束的端部。可以在该透镜(透镜组)中放置了可选的滤光片或滤光片组，用于微调输出光谱。
在该第二实施例中，对磷光体的前表面进行处理，以使入射的泵浦光的反射最小，并使磷光体发射光的输出耦合最大，例如但不限于微结构设计和抗反射涂层。磷光体的后表面被抛光并涂覆有高反射性、高导热性的涂层，例如银涂层。该涂层的背面与散热器或其它冷却装置接触。为了使传热效率最大化，可以将高反射性、高导热性的涂层焊合或焊接到冷却装置上，或者通过导热粘剂粘在冷却装置上，或者光学接触该冷却装置的抛光表面。
在第三实施例中，第一实施例和第二实施例的设计被组合在一起。入射光束通过透镜或透镜组沿法线方向聚焦到结晶磷光体表面上。磷光体吸收入射光并重新发射具有比入射光更长波长的光。在法线方向附近的发射光被上述透镜/透镜组准直。然后，发射光通过短反长通式滤光镜(例如分色镜)与入射光分开，并且通过第二聚光透镜或透镜组聚焦到光纤或光纤束的端部。此外，在磷光体周围还放置有其它透镜或透镜组，以聚集远离法线方向的磷光体发射光。由这些透镜/透镜组聚集的光随后会被聚集到其它光纤或光纤束中。所有的光纤/光纤束通过光纤组合器合并在一起，以使得全部透镜聚集的所有的磷光体发射光在单个光纤/光纤束中输出。可以在每个光耦合透镜(光耦合透镜组)中放置可选的滤光片或滤光片组，以用于微调输出光谱。对于这种多光纤实施例，其允许在每个输出光路上使用不同的滤光片，从而在输出光谱控制方面实现更大的灵活性。
在该第三实施例中，对磷光体的前表面进行处理，以使入射的泵浦光的反射最小，并使磷光体发射光的输出耦合最大，例如但不限于微结构设计和抗反射涂层。磷光体的后表面被抛光并涂覆有高反射性、高导热性的涂层，例如银涂层。该涂层的背侧表面与散热器或其他冷却装置接触。为了使传热效率最大化，可以将高反射性、高导热性的涂层焊合或焊接到冷却装置上，或者通过导热粘剂粘在冷却装置上，或者光学接触该冷却装置的抛光表面。
附图说明
图1示出了根据一种实施例的基于磷光体的光源设计。
图2示出了根据另一种实施例的基于磷光体的光源设计。
图3示出了根据又一种实施例的基于磷光体的光源设计。
图4示出了涂覆有高反射性、高导热性涂层并与散热器或其它冷却装置接触的磷光体的制造过程。
图5A-5C示出了用于改善光耦合效率的磷光体表面处理(横截面图)的一些实施例，例如微钉、微球体和抗反射(AR)涂层。
具体实施方式
旨在结合附图阅读根据本发明的原理的说明性实施例的描述，这些附图应被认为是整个书面描述的一部分。在本发明所公开的实施例的描述中，对方向或取向的任何引用仅仅是为了便于描述，而不是以任何方式限制本发明的范围。相关术语例如“下”“上”“水平”“垂直”“上面”“下面”“向上”“向下”“顶部”和“底部”以及它们的派生词(例如，“水平地”“向下地”“向上地”等)应解释为当时所描述的方向或在所讨论的附图中所显示的方向。这些相关术语仅仅是为了便于描述，并且除非明确地指出，否则不需要以特定的方向构造或操作该装置。诸如“附接”“沾上”“连接”“耦接”“互连”等类似的术语是指一种关系，其中除非另有明确说明，否则结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接，以及两者可移动地或刚性地附接或关联。此外，通过参考示例性实施例来阐明本发明的特征和优势。因此，本发明明确的是，不应限制于示出了可以单独存在的特征或以特征的其他组合存在的特征的一些可能的非限制性组合的示例性实施例；本发明的范围由本发明所附的权利要求书限定。
本公开描述了目前所计划的实施本发明的最佳模式或模式。该描述并非旨在以限制性的意义来理解，而是参考本发明的附图提供了仅出于说明性目的的本发明的实施例，以用于向本领域的普通技术人员告知本发明的优势和结构。在附图的各种视图中，相同的参考字符表示相同或相似的部分。
在本专利申请的一些实施例中，设计重点在于基于准直光源的光学效率的优化。准直的入射光使磷光体表面上的光点非常小，并且集中在该光点上的功率非常高。磷光体的光学装置设计和前表面处理确保了入射光的最小表面反射和磷光体中最大的光转换。此外，磷光体的后表面设计在光学和热方面都得到了优化：磷光体后表面的涂层具有高反射性，以抑制磷光体向后发射，从而最大限度地增加了前侧的光输出耦合，并且该涂层也是一个传热层，用于将来自于磷光体的热量散发到后侧的冷却装置。光耦合设计和冷却设计相结合，可实现系统的高输出亮度，而不会有磷光体过热的风险。
基于此设计，根据一种实施例，磷光体光源系统设计表现出约3000lm/mm2的亮度，这不仅比欧司朗相位器高一个数量级，而且还超过了市场上其它系统的宽带光源，例如，竞争对手的类似磷光体光源(来自鲁门科(Lumencor)/纽波特(Newport)的SOLA SE II，<400lm/mm2)，激光泵浦等离子体光源(来自Energetiq的EQ-99XFC，来自ISTEQ的XWS-65)以及白色LED(来自Thorlabs的MCWHF2)。因此，本发明的实施例在科学系统的宽带光源的市场中将具有竞争力和吸引力，并有望在商业上获得成功，因为它们将满足市场的长期需求。
图1示出了在一种实施例中所描述的光源的基本设计。泵浦光110的准直入射光束朝向片状结晶磷光体120的表面传播，并被透镜130聚焦。磷光体120被放置在透镜130的后焦点上，以使得聚焦的泵浦光在磷光体的表面上达到最小的光点尺寸和最高的功率密度。光的入射角被优化以使得泵浦光的反射最小化。这种入射角的一个例子是布鲁斯特角入射。
磷光体吸收入射的泵浦光，然后重新发出更长波长的光。一个透镜或透镜组140以另一角度放置。磷光体发射光被该透镜/透镜组140聚集并聚焦到该透镜/透镜组的后焦点。光纤或光纤束150的一个端口放置在该后焦点上，以使得聚焦的光进入光纤端口并以最大效率通过该光纤的另一端口输出。可以在透镜140的前侧或后侧插入可选的滤光片或滤光片组160，使得光源的输出光谱可以通过在这里插入不同种类的滤光片进行微调，或者通过移除滤光片达到最大输出光。
图2描述了在另一实施例中的光源的第二设计。来自左侧的准直入射泵浦光束210到达夹在两个透镜230、250之间的长通短反式滤光片240，例如但不限于分色镜。泵浦光的波长短于分色镜的截止波长，以使得所有入射光被分色镜向下反射，穿过分色镜下方的透镜230。
在上述透镜230的后焦点上放置片状磷光体220。该磷光体220吸收由透镜230聚焦的泵浦光，然后重新发出光。发射光波长长于泵浦光波长，并且也长于分色镜的截止波长。发射光被透镜230准直，然后以最小的反射通过分色镜。透射光被分色镜上方的透镜250重新聚焦。光纤或光纤束260的一个端口放置在透镜250的后焦点上，以使得聚焦的光进入光纤端口并以最大效率通过该光纤的另一端口输出。可以在透镜250的前侧或后侧插入可选的滤光片或滤光片组270，使得光源的输出光谱可以通过在这里插入不同种类的滤光片进行微调，或者通过移除滤光片达到最大输出光。
图3描述了在第三实施例中的光源的另一种设计。在该设计中，准直的入射泵浦光束310的波长短于诸如分色镜的长通短反式滤光片340的截止波长，以使得入射泵浦光束被分色镜完全反射。然后，所反射的泵浦光被透镜330聚焦到磷光体320的表面上。磷光体320被放置在透镜330的后焦点上，因此，泵浦光点在磷光体上具有最小可能的尺寸。
磷光体吸收入射的泵浦光，然后重新发出波长比分色镜的截止波长更长的光。部分磷光体发射光被透镜330准直，完全透射分色镜，然后重新聚焦到透镜350的后焦点362中。光纤或光纤束360的一个端口放置在该焦点上，因此，聚焦的磷光体发射光以最大可能的效率进入该光纤端口。
在磷光体周围的其他方向上还有其他透镜或透镜组，例如透镜354、356。部分磷光体发射光由这些透镜/透镜组354、356收集，并且分别聚焦到它们的后焦点364、366中。将光纤或光纤束360的一个端口放置在这些后焦点中的每个上，并收集所聚焦的磷光体发射光。在每个透镜350、354、356的前侧或后侧可以插入可选的滤光片或滤光片组，使得光源的输出光谱可以通过在这里插入不同种类的滤光片进行微调，或者通过移除滤光片达到最大输出光。前面提到的所有光纤或光纤束都由光纤组合器合并在一起，并通过光纤组合器的单个输出端口输出其收集的全部的磷光体发射光。
图4示出了上述所有实施例中提到的磷光体的具体结构。对磷光体410的顶表面进行处理，以实现最小的光反射和最大的光输出耦合。高反射性、高导热性的涂层420被涂覆在磷光体的底表面上。该涂层表面被放置在散热器440上，导热粘剂430介于涂层表面和散热器440之间。磷光体的厚度的范围为0.1mm至10mm。磷光体的前表面设计成使入射光的反射最小，并使发射光的输出耦合最大，例如但不限于微结构和抗反射(AR)涂层。图5A-5C示出了磷光体顶表面结构设计的一些实施例的横截面图，例如磷光体540的顶部上的微钉510、微球体520和/或AR涂层530，其被设计用于最小化入射的泵浦光反射。磷光体的后表面被抛光并涂有高反射性、高导热性的涂层，例如银涂层或铝涂层。该涂层接触散热器或其它主动冷却装置，包括但不限于半导体制冷器(TEC)或水冷板。为了使传热效率最大化，可以将高反射性、高导热性的涂层焊合或焊接到冷却装置上，或者通过导热粘剂粘在冷却装置上，或者光学接触该冷却装置的抛光表面。
参考文献
参考[1]US8709283/B2
参考[2]US8770773/B2
参考[3]US2006/0066209A1
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参考[11]“来自单结晶磷光体转换的基于激光的白色照明系统的高光通量”，生物医学光学快报，第24卷，第2期，251040，2015年
虽然本发明已经以一定长度描述了关于几个所述的实施例的一些特征，但是本发明并不限于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而应以参考所附的权利要求来解释，以基于现有技术而提供对权利要求书的最广泛的解释，并因此有效地涵盖了本发明的预期范围。此外，前述内容根据发明人预见的实施例描述了本发明，尽管如此，对于本发明的非实质性修改(目前尚不能预见)仍然可以表示其等同形式。

Claims (23)

1.一种磷光体光源，包括：
入射光的准直光束(110，210，310)；
片状结晶磷光体(120，220，320)；以及
第一聚焦透镜或透镜组(130，230，330)，该第一聚焦透镜或透镜组(130，230，330)被配置为将所述入射光聚焦到所述磷光体的顶表面上；
其中，具有第一波长的所述聚焦的入射光被所述磷光体吸收，并且所述磷光体在吸收入射光时发射具有第二波长的光，所述第二波长长于所述第一波长；
其中，从所述磷光体的顶表面到所述磷光体的底表面的最大厚度大于0.1mm且小于10mm，所述磷光体的顶表面(410)被微结构化并且涂覆有薄膜，以在所述磷光体的顶表面上反射所述第一波长的光并最大化所述第二波长的光输出耦合。
2.根据权利要求1所述的磷光体光源，还包括涂覆在所述磷光体的底表面上的高反射性、高导热性的涂层(420)，以及与所述涂层接触的散热器或冷却装置(440)。
3.根据权利要求2所述的磷光体光源，其中，所述入射光的准直光束通过所述第一聚焦透镜或透镜组(130)以倾斜的角度聚焦到所述磷光体的顶表面上。
4.根据权利要求3所述的磷光体光源，还包括第二聚焦透镜或透镜组(140)；以及
可选的滤光片或滤光片组(160)；将所述可选的滤光片或滤光片组(160)插入以阻挡部分光通过，或者将所述可选的滤光片或滤光片组(160)移除以允许所有光通过。
5.根据权利要求4所述的磷光体光源，其中，所述磷光体发射光被所述第二聚焦透镜或透镜组重新聚焦。
6.根据权利要求5所述的磷光体光源，还包括光纤或光纤束(150)，该光纤或光纤束(150)传输与磷光体发射光相同波长的光，以使得所述磷光体发射光通过所述光纤或光纤束输出。
7.根据权利要求6所述的磷光体光源，其中，所述重新聚焦的磷光体发射光被耦合到所述光纤或光纤束中。
8.根据权利要求7所述的磷光体光源，其中，所述磷光体的底表面涂覆有与冷却装置接触的高反射性、高导热性的涂层。
9.根据权利要求2所述的磷光体光源，还包括短反长通式滤光片(240，340)，所述短反长通式滤光片的截止波长长于所述入射光的准直光束的波长，以使得所述入射光的准直光束(210，310)被分色镜反射到所述第一聚焦透镜或透镜组(220，330)上。
10.根据权利要求9所述的磷光体光源，其中，由所述短反长通式滤光片反射的所述准直入射光被所述第一聚焦透镜或透镜组聚焦到所述磷光体的顶表面上。
11.根据权利要求10所述的磷光体光源，其中，所述磷光体发射光的波长长于所述短反长通式滤光片的截止波长。
12.根据权利要求11所述的磷光体光源，其中，所述磷光体发射光被所述第一聚焦透镜或透镜组准直，并且穿过所述短反长通式滤光片(240，340)。
13.根据权利要求12所述的磷光体光源，还包括第二聚焦透镜或透镜组(250，350)；以及
可选的滤光片或滤光片组(270，370)；将所述可选的滤光片或滤光片组(270，370)组插入以阻挡部分光通过，或者将所述可选的滤光片或滤光片组(270，370)移除以允许所有光通过。
14.根据权利要求13所述的磷光体光源，其中，所述被准直的磷光体发射光被所述第二聚焦透镜或透镜组重新聚焦。
15.根据权利要求14所述的磷光体光源，还包括光纤或光纤束(260，360)，该光纤或光纤束(260，360)传输与磷光体发射光相同波长的光，以使得所述磷光体发射光通过所述光纤或光纤束输出。
16.根据权利要求15所述的磷光体光源，其中，所述被重新聚焦的磷光体发射光被耦合到所述光纤或光纤束中。
17.根据权利要求16所述的磷光体光源，其中，所述磷光体的底表面涂覆有与冷却装置接触的高反射性、高导热性的涂层。
18.根据权利要求16所述的磷光体光源，所述磷光体光源还包括多个聚焦透镜或透镜组(350，354，356)；以及
多个可选的滤光片(370，374，376)；将所述多个可选的滤光片(370，374，376)插入以阻挡部分光线通过，或者将所述多个可选的滤光片(370，374，376)移除以允许所有光线通过。
19.根据权利要求18所述的磷光体光源，其中，所述磷光体发射光被所述多个聚焦透镜或透镜组重新聚焦。
20.根据权利要求19所述的磷光体光源，所述磷光体光源还包括多个光纤或光纤束(360)，所述多个光纤或光纤束(360)传输与磷光体发射光相同波长的光，以使得所述磷光体发射光通过所述多个光纤或光纤束输出。
21.根据权利要求20所述的磷光体光源，其中，所述重新聚焦的磷光体发射光被耦合到所述多个光纤或光纤束中。
22.根据权利要求21所述的磷光体光源，还包括光纤组合器(380)，以使得从所述多个光纤或光纤束输出的聚焦的磷光体发射光通过所述光纤组合器相加并之后输出。
23.根据权利要求22所述的磷光体光源，其中，所述磷光体的底表面涂覆有与冷却装置接触的高反射性、高导热性的涂层。
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