CN111396755A

CN111396755A - 一种新的半导体激光照明显示方法

Info

Publication number: CN111396755A
Application number: CN202010197749.5A
Authority: CN
Inventors: 刘宝林; 黄要然; 陈炳泽
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2020-07-10

Abstract

一种新的半导体激光照明显示方法，属于激光照明技术领域。采用几何体耐高温容器，上壁开口，在内壁镀上具有高反射率的材料形成镜面层；选取环氧与荧光粉混合，形成掺有荧光粉的混合物，并在几何容器内高温固化；在几何体侧面上凿一个小孔，使孔径大小刚好能使激光光束通过，并使激光器发射的激光与容器侧壁层一定角度发射，以使得该激光发射器发射的激光束在几何体耐高温容器内部传播，激光光束与荧光粉原子触碰发生反射和折射，并碰到镜面层时发生全反射，使容器内荧光粉受到激发发出黄光，这一黄光与蓝光混合成肉眼可见的白光，最终从容器顶以漫反射的形式发出所需求的光束。便于携带，还可减少原材料的消耗；提高照明强度，寿命长，成本低。

Description

一种新的半导体激光照明显示方法

技术领域

本发明属于激光照明技术领域，具体是涉及一种新的半导体激光照明显示方法。

背景技术

20世纪90年代中期以来，半导体制造技术的发展以及与激光技术的结合，催生了半导体激光二极管，这类兼具半导体和激光器特性的激光源，具有更高的峰值功率和较低的能耗，且它的发射脉宽也较窄，本身不需要温度和光学补偿，比传统的发射光源具有明显的优势，并成为中紫外波段AlGaN发展的重点方向。因为该波段紫外辐射的激发效率最高，其输出效率也比较高。

激光二极管(Laser Diode)自发展以来，其生产技术已经相对成熟。目前，激光二极管已实现多种波长激光的输出，除了红外波段及近紫外波段的激光输出外，在可见光波段也实现了蓝光、绿光、红光波段的激光输出。激光二极管具有很多优点：体积小(LD单元元件的尺寸可做到几到几十μm，与常规LED元件尺寸相当或更小；目前激光二极管的工作寿命可达数万小时以上。因此，在产品的应用中，无需多次更换激光器；激光二级管的电光转换效率很高，现在，产品化的半导体激光器的电光转换效率达到45％～55％。

综上所述，使用激光二极管进行白光照明有以下优点：

(1)体积小，光源模块总成体积可以做到更小，使终端照明体的设计拥有了更大的设计自由度。

(2)电光转换效率更高，更节能。

(3)激光二极管在高电流密度下工作仍有高的转换效率，无“效率骤降”(droop效应)现象，因此可以通过提高单芯片的出光强度来降低光源成本，而且激光二极管的L-I(Light-current)曲线呈线性关系，增加了光色的稳定性。

由于大功率GaN基蓝光LED的发展，蓝光LED激发荧光粉产生的白光光源作为照明光源得以迅速发展。但LED存在“效率骤降”现象，即随着驱动功率密度增加，出光效率会快速衰减，这导致单个蓝光LED只能产生少量的光通量。由于半导体激光器(LD)的发光原理是受激辐射，无“效率骤降”现象，近年来采用蓝光LD激发荧光粉合成白光光源逐渐成为研究热点。激光模块产生的白光光源强度远大于传统光源，能够在夜间各种道路获得更好的能见度。LD白光照明关键技术在宝马车灯上的应用使半导体激光器直接应用在白光照明领域成为可能。

由上可见，采用蓝色激光源，匹配发射黄光的荧光材料。荧光材料受到激发发射出黄光后，与剩余未被吸收的蓝光部分合成白光。有时为了改善显色性，需要适当的配合红色或绿色荧光粉来提高显色指数。最终形成色性合适的白光照明，该发明具有成本低、性能稳定、流明效率高等特点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供具有成本低、性能稳定、流明效率高等特点，可解决现代LED灯存在“效率骤降”(droop效应)现象，只产生少量的光通量等诸多弊端的一种新的半导体激光照明显示方法。

本发明包括如下步骤：

1)采用几何体耐高温容器，上壁开口，在内壁镀上具有高反射率的材料形成镜面层；

2)选取环氧与荧光粉混合，形成掺有荧光粉的混合物，并在几何容器内高温固化；

3)在几何体侧面上凿一个小孔，使孔径大小刚好能使激光光束通过，并使激光器发射的激光与容器侧壁层一定角度发射，以使得该激光发射器发射的激光束在几何体耐高温容器内部传播，激光光束与荧光粉原子触碰发生反射和折射，并碰到镜面层时发生全反射，使容器内荧光粉受到激发发出黄光，这一黄光与蓝光混合成肉眼可见的白光，最终从容器顶以漫反射的形式发出所需求的光束。

在步骤1)中，所述几何体耐高温容器的材料可包括石英、耐高温玻璃或一些耐高温有机材料等；所述几何体包括正方体、长方体、圆柱体或一系列底面可变且高与底面垂直的几何体；所述高反射率的材料可采用铝或银等高反射率的材料，且不与环氧、荧光粉发生化学反应而使性质发生改变。

在步骤2)中，所述荧光粉的掺杂量可自由改变，显色指数也可根据需求进行改变；荧光粉掺杂量远低于环氧用量，掺杂在环氧中间可被激光束照射的一薄层内；所述荧光粉的颜色可变，激光器发出光的波长可变，可根据色度学原理合成出所需要的颜色；所述荧光粉可采用黄色荧光粉、红绿蓝三基色荧光粉。

在步骤3)中，所述激光发射器的发射角度根据几何体的形状进行调整，以避免出射光线直接与入射口平面所对的法线重合，便于激光束在几何体耐高温容器内传播，避免激光沿相应路线往复发射，无法使光路覆盖整个几何体；所述激光发射器为半导体激光二极管(LD)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明实用性强，适用范围广，生产简单，成本低廉，性价比高，寿命长，设计灵活，高效低耗，环保健康；解决了现代用LED灯照明显示的诸多弊端：首先，半导体激光照明显示流明效率高，无“效率骤降”(droop效应)，而LED灯照明会存在“效率骤降”，只产生少量的光通量的现象，相较之下半导体激光照明能最大限度的提升照明效率，稳定光色；其次半导体激光照明器件体积小，便于携带也便于设计，还可减少原材料的消耗；半导体激光照明还能很大程度提高照明强度，可广泛应用于汽车夜间照明，路灯夜间照明或者家用灯光照明等；再然后具有寿命长的特点，可省去经常更换LED灯所带来的的经济损失，也更加的安全；最后它的生产材料很常见，成本也低；所以本发明在未来市场很有应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例黄色荧光粉环氧固化混合物的灯罩示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明实施例提供一种新的半导体激光照明途径，与半导体激光照明及显示有关。采用半导体激光器作为光源，照明腔体内有YAG:Sr荧光粉与环氧混合物，部分激光打到荧光粉上并被吸收转换成黄光，黄光与蓝光混合成白光，实现白光照明。本发明实施例包括一个蓝色激光二极管，一个装有黄色荧光粉环氧固化混合物的灯罩(如图1)。其中核心元器件半导体激光二极管(LD)，它具有半导体器件的特点：体积小、结构简单、效率高、能直接调制。尤为重要的是它的出射光都垂直于发光面，发光效率很高，因此功率也高，在相同大小或更小面积的器件中，功率可以高于LED一个数量级，利用LD作为半导体照明比LED具有明显的效率优势。

本发明实施例提供一种新的半导体与激光显示途径，提供一蓝色激光器，包括如下步骤，

S1、采用几何体耐高温容器，上壁开口，在内壁镀上具有高反射率的材料(如铝、银)形成镜面层。

S2、选取环氧与适当浓度的黄色荧光粉混合，形成掺有黄色荧光粉的混合物，并在几何容器内高温固化。

S3、在几何体侧面上凿一个小孔，使孔径大小刚好能使激光光束通过，并使激光器发射的激光与容器侧壁层一定角度发射，以使得该激光发射器发射的激光束在几何体内部传播，激光光束与荧光粉原子触碰发生反射和折射，并碰到镜面层时发生全反射，使容器内荧光粉受到激发发出黄光，这一黄光与蓝光混合成肉眼可见的白光，最终从容器顶以漫反射的形式发出所需求的光束。

当蓝色激光与黄色荧光材料相遇时，蓝光被黄色荧光粉所吸收，激发出黄光，黄光与蓝光混合成白光。光束不断碰触到几何容器内壁的反光材料，发生一系列的全发射，最终反射光和折射光充斥整个几何容器，最终白光从容器顶打出用于照明。

通过选择激光和荧光粉的颜色，甚至可以使装置发出不同颜色的光，适用于不同场合，非常灵活便捷。

内壁高反射率材料可为铝、银等，不影响环氧、荧光粉的性质。

几何体可为长方体、正方体、圆柱体、球体等，可视具体应用与终端搭配而定。

荧光粉的颜色可选择黄、蓝、红等，可与激光器搭配选择颜色。

激光发射器的发射角度可以根据几何体的形状进行调整，以便于激光束在几何体内沿着不同的路径产生全反射的效果。

激光发射器一般选用半导体激光器，相对于其他激光器具有很多优势。

腔体的形状可灵活多变，具体设计可根据产品的选择而设计。

腔体内部介质为光介质，介质本身不均匀。介质成分可为：黄色荧光粉环氧混合物，红绿蓝荧光粉环氧混合物。

容器顶可固化任何几何形状的环氧物质，类似于LED灯可采用球面形式。

以下为本发明的具体实例：

实施例1

半导体激光器采用蓝光。采用几何体耐高温容器，上壁开口，在内壁镀上具有高反射率的材料(如铝、银)形成镜面层。选取环氧与适当浓度的黄色荧光粉混合，形成掺有黄色荧光粉的混合物，并在容器内高温固化。在几何体侧面上凿一个小孔，使孔径大小能使激光光束通过，并使激光器发射的激光与容器侧壁成一定角度发射(例如在正方体中，激光入射角度不能为90°的整数倍；在底面为椭圆的柱体中，入射光线不能经过椭圆的焦点)，以使得该激光发射器发射的激光束在几何体内部传播，激光光束与荧光粉原子触碰发生反射和折射，并碰到镜面层时发生全反射，使容器内荧光粉受到激发发出黄光，这一黄光与蓝光混合成肉眼可见的白光，最终从容器顶以漫反射的形式发出所需求的光束。

实施例2

半导体激光器采用红、绿、蓝三色激光器混合。采用几何体耐高温容器，上壁开口，在内壁镀上具有高反射率的材料(如铝、银)形成镜面层。选取环氧掺杂一定量的反射粒子(如Al₂O₃粉末)在几何容器内高温固化。在几何体侧面上凿三个小孔，使孔径大小稍微大于入射光束，能使激光光束通过，并使激光器发射的激光与容器侧壁层一定角度发射(例如在正方体中，激光入射角度不能为90°的整数倍；在底面为椭圆的柱体中，入射光线不能经过椭圆的焦点)，以使得该激光发射器发射的激光束在几何体内部传播，红绿蓝三色激光束在环氧内，按亮度比例混合成肉眼可见的白光。最终从容器顶以漫反射的形式发出所需求的光束。

实施例3

半导体激光器采用紫外光激光器(波长为短于380nm)，荧光粉采用发射峰值波长分别红、绿、蓝(RGB)三基色荧光粉。采用几何体耐高温容器，上壁开口，在内壁镀上具有高反射率的材料(如铝箔)形成镜面层。选取环氧与三基色荧光粉混合并在几何容器内高温固化(实验证明加入TiO₂粉末在荧光粉层上面，吸收漫反射出的紫外光)。在几何体侧面上凿一个小孔，使孔径大小稍微大于入射光束，能使激光光束通过，并使激光器发射的激光与容器侧壁层一定角度发射(例如在正方体中，激光入射角度不能为90°的整数倍；在底面为椭圆的柱体中，入射光线不能经过椭圆的焦点)，以使得该激光发射器发射的激光束在几何体内部传播，激光光束与荧光粉触碰发生反射和折射，并碰到镜面层时发生全反射，使容器内荧光粉受到激发发出红、绿、蓝三光，红、绿、蓝三色光混合，这一混合光及为白光，最终从容器顶以漫反射的形式发出所需求的光束。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种新的半导体激光照明显示方法，其特征在于包括如下步骤：

2.如权利要求1所述一种新的半导体激光照明显示方法，其特征在于在步骤1)中，所述几何体耐高温容器的材料包括石英、耐高温玻璃或一些耐高温有机材料。

3.如权利要求1所述一种新的半导体激光照明显示方法，其特征在于在步骤1)中，所述几何体包括正方体、长方体、圆柱体或一系列底面可变且高与底面垂直的几何体。

4.如权利要求1所述一种新的半导体激光照明显示方法，其特征在于在步骤1)中，所述高反射率的材料采用铝或银。

5.如权利要求1所述一种新的半导体激光照明显示方法，其特征在于在步骤2)中，所述荧光粉的掺杂量可自由改变，显色指数也可根据需求进行改变。

6.如权利要求1所述一种新的半导体激光照明显示方法，其特征在于在步骤2)中，所述荧光粉的掺杂量低于环氧用量，掺杂在环氧中间可被激光束照射的一薄层内。

7.如权利要求1所述一种新的半导体激光照明显示方法，其特征在于在步骤2)中，所述荧光粉的颜色可变，激光器发出光的波长可变，可根据色度学原理合成出所需要的颜色。

8.如权利要求1所述一种新的半导体激光照明显示方法，其特征在于在步骤2)中，所述荧光粉采用黄色荧光粉或红绿蓝三基色荧光粉。

9.如权利要求1所述一种新的半导体激光照明显示方法，其特征在于在步骤3)中，所述激光发射器的发射角度根据几何体的形状进行调整，以避免出射光线直接与入射口平面所对的法线重合，便于激光束在几何体耐高温容器内传播，避免激光沿相应路线往复发射，无法使光路覆盖整个几何体。

10.如权利要求1所述一种新的半导体激光照明显示方法，其特征在于在步骤3)中，所述激光发射器采用半导体激光二极管。