CN112955692A - 包括抛物面镜和平凸荧光体的紧凑型高光谱辐射光源 - Google Patents

包括抛物面镜和平凸荧光体的紧凑型高光谱辐射光源 Download PDF

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Abstract

一种泵送荧光光源，包括将来自一个或多个泵源的泵送光引导到具有平面顶表面和凸后表面的荧光体上的一个或多个镜。顶表面可以涂覆有抗反射涂层，并且后凸表面可以涂覆有反射涂层以提高效率。主体顶表面也可以被粗糙化以散射从镜提供的一部分激发光，以产生白色输出光束。镜具有设置在光源的输出光束的收集区域之外的反射表面，使得该收集区域不会被镜遮挡。光源还包括用于收集由主体发射的光的收集透镜。该镜可以是单个抛物面镜，其将激发光聚焦在主体上以激发发射。

Description

包括抛物面镜和平凸荧光体的紧凑型高光谱辐射光源
技术领域
本发明总体上涉及光源，尤其涉及包括将激发光引导至平凸荧光体的抛物面镜的高辐射荧光光源。
背景技术
在生物医学应用以及需要激发荧光或其他类似照明要求的其他应用中，通常需要宽带光源(broadband optical source)，因为由窄带照明产生的散斑场使窄带照明不适用于许多生物医学和成像应用，例如荧光成像应用。历史上的宽带非相干光源(lightsources)是相对较大的光学系统，并且需要大的透镜和/或反射器以产生具有低发散的输出光束。这种光学系统(optical system)的尺寸限制了将输出光束耦合到诸如光纤之类的波导中的效率。
当前的立体宽带荧光光源，例如所谓的“白色LED”(发光二极管)，经常采用LED泵送(pump)(光学激发)荧光材料，例如嵌入环氧树脂的荧光晶体粉末或单个荧光晶体。尽管将LED用作泵可降低成本和尺寸，但这些荧光光源的光谱辐射度(W/Hz/m2/sr)被泵LED的辐射度(W/m2/sr)限制在荧光材料的吸收带内以及从激发传递到荧光材料的热量的热量管理中。使用低辐射度光泵源(例如LED)会导致发出低光谱辐射度的荧光。这种低光谱辐射度源要么提供不适合长距离应用的、较差的平行光(collimated light)光束，要么提供不适合高分辨率应用的，尤其是不适合在光导(例如液体光导和亚毫米芯光导纤维的光导)中耦合的、聚焦差的光束。
为了在更高辐射度的应用中冷却荧光体，可以采用正面表面或前端(front-end)泵方案。在这样的几何形状中，输出荧光光束与输入泵光束在同一侧。这些正面侧泵方案通常需要将泵送光源(激光二极管、LED或其他光源)以及光束控制和将这些泵源的光学器件(optics)聚焦放置在荧光材料的正面。这种布置具有几个缺点。首先，将光学元件放置在荧光体正面存在实际的空间限制。然后，必须将输出荧光光束的光收集光学器件以及其他光学组件(例如：带通滤波器、光束组合器，纤维耦合光学器件等)放置在荧光体的正面。其次，当泵源位于荧光体的正面时，由于每个泵源除了泵送的荧光材料之外还产生自己的热负荷，因此该设备的热量管理变得复杂。所产生的布置需要使用彼此远离设置的多个散热器(heat sinks)，从而使所产生的光源的热交界(thermal interface)由于被动或主动冷却系统而复杂化。最后，所得到的光源需要组装程序，这在大批量制造和光学对准中增加了难度。
因此，期望在保持紧凑的设计和较低的制造成本的同时提供一种具有高光谱辐射度的光源。
发明内容
通过一种光源和光源的操作方法，实现上述的提供低制造成本、具有高光谱辐射度的、紧凑的光源的目的。
光源包括：主体，该主体的材料掺杂有激发时在激发波长下具有荧光特性的材料，并且具有平凸形状；收集透镜，用于收集由体发出的光；一个或多个镜；一个或多个用于提供激发波长的激发光的光源。光源具有指向相应的镜的输出，使得镜将由一个或多个光源提供的激发光指向主体处，以激发由主体发射的光的发射。一个或多个镜具有设置在输出光束的收集区域之外的反射表面，使得该收集区域不会被(一个或多个)镜遮挡。一个或多个镜可以是单个抛物面镜，其被定位成具有指向主体的顶面的聚焦轴，以将光源的输出聚焦在主体的顶面上。
根据以下对本发明优选实施例的描述，如附图所示，本发明的前述和其他目的，特征和优点将变得显而易见。
附图说明
在所附权利要求中提出被认为具有本发明特性的新颖性特征。然而，当结合附图阅读时，参考下文示例性实施例的具体描述将更好理解本发明本身及其优选的使用方式、其他目的和优点在结合附图，其中，相同的附图标记指示相同组件并且：
图1A和图1B是在本公开的各种实施例中采用的轴对称抛物面镜的侧视截面图。
图2A是根据本公开的实施例的侧面截面图，图2B是根据本公开的实施例的俯视截面图，图2C是根据本公开的实施例的透视截面图，图2D是根据本公开的实施例的爆炸图，图2E是根据本公开的实施例的光源200的透视图。
图3是图2A-2E的光源200的简化示意图，并包括可替代的热管理子系统。
图4是根据本公开的另一实施例的光源的侧视截面图。
图5是根据本公开的又一个实施例的光源的侧视截面图。
具体实施方式
本公开揭示了一种在紧凑的封装中提供高光谱辐射度的光源，该紧凑的封装由于减少了组件数量而提高了可制造性。通过包括多个激发荧光体以发射荧光光束的泵光源，并通过布置在输出荧光光束的外侧的抛物镜表面来收集泵送光，可以增加光源产生的光量，同时提供通过将泵光源放置在光源输出之后，可以更好地进行热管理。荧光体具有平凸形状，并且凸下表面可以涂覆有反射涂层。主体的平面顶面可以涂覆有抗反射涂层，该抗反射涂层有利于发射的荧光离开，同时不抑制从抛物面镜接收的激发光的引入。可以将顶面打磨以使顶面粗糙以散射通常处于蓝色波长的某些激发光，以“增白”所得的输出光束，因为荧光体通常会发出“黄色”光，例如，红色和绿色波长范围内的波长混合。抛物面镜的轮廓可以是圆形的，或者轮廓可以是环形的，以便提供用于提取发射后的输出光束的孔(aperture)。泵光源可以耦合到与荧光体相同的散热器。光源也提供系统且简化的对准过程。通过去除原本会位于荧光体正面的障碍物，大的收集立体角(collection solidangle)由形成光源输出光束的收集器(collector)支撑。由于泵光束的方向在输出光束收集光学器件的立体角之外，此处所示的光源配置还可以提供更安全的操作以防故障。所示光源的光学对准过程还具有降低的复杂度，适合于自动光学对准和组装系统，因此适合于大批量制造。所得的配置可在较大的立体角上提供高效地输出荧光光束收集，对泵光源、荧光材料和输出光收集光学器件进行紧凑包装，以及通过位于与输出荧光光束相对的光源的背面上的单个平面热表面进行的紧凑且简化的热管理。光学元件的数量也可以减少，并且设备的几何形状与紧凑的防风封装兼容，该防风封装类似于电信行业中使用的蝶形防风封装，尤其类似于通常与高功率激光二极管和量子级联激光器使用的高热负荷(HHL)防风封装。
为了说明本文公开的光源的各个实施例的操作，参考图1A和图1B提供了抛物面镜的基本特性的说明。图1A显示了轴对称抛物面镜的横截面，该轴对称抛物面镜的反射表面100由方程z(x，y)＝(x2+y2)/(4f)描述，对于任何(x，y)使得(x2+y2)≤(d2/4)，其中z是镜的反射表面的位置，x和y是用笛卡尔坐标表示的横向位置，d是抛物面镜的外径，参数f是焦距。这种镜在位于坐标(x，y，z)＝(0，0，f)的镜的焦点F 102处反射平行于z轴的平行光束，或等效地平行于z轴到达的入射光束101。抛物面镜有两个众所周知的优点。首先，即使对于高数值孔径(NA)，即，即使对于镜径d在焦距f上的较大的比率d/f，也没有导致焦点模糊的球面差相。第二，像任何纯反射光学组件一样，没有色差，这意味着镜的特性，更具体地说是焦距f，与反射表面100反射带宽内的波长无关。因此，焦点F 102的位置与波长无关，这导致即使对于诸如荧光光束之类的宽带光束，也会聚焦紧密(a tight focus)。色差的缺失还意味着单个抛物面镜可用于泵送光束的聚焦和宽带荧光光束的平行。由于需要表面精度和质量(即低表面粗糙度)，与抛物面镜相关的主要缺点是制造困难，因为需要亚微米精度才能在可见光谱中提供足够的抛物面反射器，例如用于波长在400-700nm范围内。但是，光学表面整形技术现在变得越来越容易获得和负担得起，其中包括：计算机数控(CNC)研磨和抛光、金刚石车削、玻璃或塑料成型以及磁流变表面精加工(MRF)，这些技术可用于制造在下面公开的光源的实施例中采用的抛物面镜。
现参考图1B，进一步说明了本文公开的实施例中采用的抛物面镜的运行原理。光线101A的光路源自位于P点的泵源，并在A点被反射表面100反射。光线101A最初平行于z轴，位于由坐标y＝0定义的平面中的坐标x＝r处。位于坐标z＝-f的线是抛物线的轴103。已知抛物线是到焦点F 102与到轴103等距的所有点的轨迹。因此，在点A和点B之间延伸的线段AB的长度，与在点A和焦点F102之间延伸的线段AF的长度相等。因此，三角形ABF是等腰三角形，角角φ和β相等。由于在点A和点P之间延伸的线段AP平行于z轴，因此在点P和点B之间延伸的线段PB也平行于z轴，要求角度γ和β等于内错角。因此，作为内错角(alternateinternal angle)，角度δ＝∠SFA＝γ+φ。因此，γ＝φ＝β,以及δ＝2β。光线101A(例如，泵送光线)在具有荧光特性的主体的正面表面104(位于平面z＝f上)上的入射角θi是角度∠SFA，其中S是位于原点(x，y，z)＝(0，0，0)的抛物线的顶点，∠A是光线101A被反射面100反射的点。通过直接识别，角度θi＝∠SFA＝γ+φ＝2β，因此r＝2f×tan(β)和r＝2f×tan(θi/2)。连系r，f和θi的等式r＝2f×tan(θi/2)是在此公开的实施例中使用的抛物面镜的基本设计等式。由于所示的抛物面镜是轴对称的，因此所示的示例适用于位于距z轴距离r处的任何泵源。尽管本文的示例使用轴对称抛物面镜将光从泵源引导到荧光体(即具有荧光特性的材料体)，但不需要轴对称抛物面镜，而其他抛物面镜(例如具有沿单个轴的抛物线焦点的抛物面柱面镜)可用于替代实施例中。在另一个实施例中，可以使用多个有限共轭透镜和平面镜将泵源输出重新成像在荧光体上。
在下面描述的实施例中，多个高功率激光泵光束聚焦在包括荧光材料的主体的正面表面上。在这样的布置中，泵功率密度可以达到非常高的值，从而导致包含荧光材料的主体的显着局部热量。这种局部热量可能是具有挑战性的环境，其中在主体的正面表面上提供抗反射涂层。为了最小化激发光的反射损失并保持紧凑的组装，可以提供入射角θi等于布鲁斯特角θB＝tan-1(n)，其中n是荧光材料的折射率，以有利地减少激发光的反射。对于θi＝θB，，消除了正面空气-主体界面处p偏振光束(即，其电场平行于入射平面的光束)的菲涅耳反射。由于激光二极管的输出光束通常以100：1的偏振比被TE极化(TE polarized)，因此，通过将每个泵激光二极管的接合面沿径向轴定向，例如，对于如图1B所示位于点P的泵激光二极管，平行于x轴定向的接合，无需采用AR涂层，就可以基本上消除所有泵光束的菲涅耳反射径向轴。例如，Ce：YAG单晶体在泵波长为450nm处的折射率n＝1.85。因此，θB＝tan-1(n)＝61.6°，泵源的径向位置r和抛物面镜的焦距f之间的关系变为rB＝2f×tan(θB/2)＝1.19×f。为了实现紧凑的设计，可以将rB的值设置为例如10mm。则抛物面镜的焦距为：f＝rB/1.19＝8.39mm。这样的设计还通过穿过抛物面镜的中心提供的孔径，与非常大的NA上的荧光收集兼容。作为第一近似，抛物面镜中心孔可以接近2rB，从而提供接近NA＝sin(θB)＝0.871的数值孔径。以上示例示出了与布鲁斯特角正面侧泵方案兼容的本公开的实施例，同时允许在非常大的NA上收集发射后的荧光光束而不会阻塞泵激光光束，尽管该示例不限制包括由本公开揭示的原理的其他布置，如权利要求及其等同物中所述的可能性。此外，本公开的实施例不限于布鲁斯特角泵送，并且可以以非布鲁斯特角设置泵光束。为了使荧光发射最大化，本文公开的实施方式可以采用抗反射涂层来增加来自荧光体的发射。在发射波长处提供这种抗反射涂层会影响上述激发光的布鲁斯特角条件，但薄层(film)设计(通常是具有不同折射率的材料叠层)可特别调整为减少在指定角度范围内发射波长的内部二次反射，同时减小在另一指定角度范围内激发波长处的主体外部边界处的反射。
现在参考图2A，示出了根据第一实施例的光源200的侧视截面图。所示示例提供了将荧光材料的平凸荧光体201进行光泵送，该荧光体201通过热和机械方式粘合到散热器202上，该散热器位于安装基座203的中心，并且轮廓与荧光体201的凸背表面(底部)相匹配。散热器202和安装基座203最好由高导热率的材料制成，例如铜、铝或钨铜(W-Cu)合金。散热器202可以替代性地形成为多种材料的叠层，以改善热管理，包括用于将荧光体201安装在光源200内的导热胶和粘合剂。通过环形抛物面镜204进行光泵送，该抛物面镜将多个泵激光二极管206提供的多个泵光束合并并聚焦。发散从泵激光二极管206射出的泵光束205A(在示例中以晶体管外形罐(TO-can)封装提供)首先使用具有适当形状和焦距的透镜207(例如，高NA非球面模制玻璃透镜)、快轴和慢轴平行透镜的组合、或适合提供基本平行光束的任何单或多元件光束形成器进行平行或近乎平行。然后，在从环形抛物面镜204的高反射涂层204A反射后，将所得平行或近乎平行的泵光束205B重定向并聚焦在荧光体201的正(顶)面上。环形抛物面镜204由镜架(mirror mount)208固定在泵激光二极管206和透镜207上并定位成环形抛物面镜204的焦点位于荧光体201正面的中心。环形抛物面镜204定义了一个孔211，用于输出光束209A通过固定在孔211内的平行透镜210射出。平行透镜210对输出光束209A进行平行以形成平行的输出光束209B。对泵激光二极管206和透镜207提供的每个激发光束进行控制和聚焦，使泵光束205C合并在荧光体201正面的中心。荧光体201的正面表面可能会变粗糙，以引起泵光束205C提供的一部分光反射，从而使泵激光二极管206提供的通常为蓝色的波长与荧光体201发出的通常为红绿色的波长在光源200的光输出中结合在一起，以产生比黄色(主要是红绿色)更白(光谱上的宽带)的光谱。荧光体201的正面表面也可以涂有抗反射涂层，该涂层在发射波长处具有活性，以增加荧光体201的输出效率，同时又不会破坏布鲁斯特角定向泵光束205C。
图2A还示出了在荧光体201的背面侧实现的热管理子系统的特定实施例。空气导向器220装配在散热器202背面侧的锥形凹槽内，该锥形凹槽包括进气通道222A和排气通道222B，穿过其间的空气通过安装在散热器202下方的外壳216背面的凹槽的电动风扇212的出气口212A供给。风扇212供给的空气由入口通道222A引导通过靠近荧光体201背面侧的腔221，空气穿过外壳216背面的一个或多个管道从出口通道222B排出，位置在使得安装了光源200的任何基座上都提供通风孔。图示的整个热管理子系统(包括空气导向器220和风扇212)都位于光源200的气密部分之外，使得热量管理子系统不会损害光源200的内部光学组件的运行。除了图中所示的基于气流的冷却方式之外，如果需要，液体冷却可以类似地通过带有适当外部配件的入口通道222A和出口通道222B进行。
另请参阅图2B，显示了图2A光源200的简化俯视图，其中可以看到五个泵激光二极管206排列成围绕荧光体201一圈。图示的光源200在外壳216内包括多个泵激光二极管206，并围绕系统的对称轴分布，但是，非对称布置以及全部布置在荧光体201一侧的布置也是可能的，并更改为环形抛物面镜204，在某些实施例中，不需要穿过环形抛物面镜204的孔。所有的泵光束205C(在图2A中仅作为示例说明了其中的三个)至少部分地被荧光体201吸收，响应于泵光束205A-205C提供的激发，荧光体201在平均荧光寿命后(例如，对于用作荧光体201的Ce：YAG晶体约为70ns)对掺杂元素进行去激发时发射荧光输出。荧光通常是各向同性的，即在4π立体弧度的立体角上发出。因此，有利的是在荧光体201的后凸表面上提供宽带高反射涂层，或者提供与荧光体201光学粘合的散热器202的高反射顶表面，以反射荧光发射，否则对输出光束209A无贡献。输出光束209A在穿过环形抛物面镜204延伸的孔211时会发散，通常会受到其他光学元件或设备的空间或光谱光束成形。在该示例中，孔211由平行透镜210填充，该透镜具有较大的数值孔径(NA)，并且设计为将平行透镜210的后焦点放在荧光体201的被泵送位置，以收集荧光发射。平行透镜210产生平行后的输出光束209B，以提供光源的输出。大NA平行透镜210优选地是非球面和消色差的，以最小化球差和色差对平行后的输出光束209B的残差发散(residual divergence)的影响。或者，在本文所述的每个实施例中，平行设备，例如平行透镜210，可以由同轴或偏轴抛物面镜、菲涅耳透镜或任何其他折射、反射或衍射光学设备提供。虽然平行透镜210位于孔211内，但为了减小封装尺寸，这种并置(co-location)不是必需的，并且只要平行设备的焦点与荧光体201的泵位置重合，可以将平行设备放置在环形抛物面镜204的上方或下方，以收集和平行从环形抛物面镜204提供较大的孔射出的光。
在采用布鲁斯特角激光二极管泵送的特定实施例中，每个泵激光二极管206的接合均沿径向排列，即，这些接合排成一行后垂直于所示的圆形，以在荧光体201的表面获得所需的p偏振光束。如上所述，有利的是在荧光体201的背面上放置高反射率(HR)宽带涂层，或将荧光体201光学粘合到散热器202上，可以对其进行高度抛光以朝向光学输出(即朝向收集和平行透镜210)反射发出的荧光光线。还优选将HR涂层的带宽扩展到泵波长，以便使荧光材料内部的每个泵光束的光路长度(OPL)加倍。泵光束的光路长度加倍允许使用吸收系数μα更低的荧光材料，或者对于给定值为μα使用更薄荧光材料，从而通过减小荧光体201的最大厚度来改善荧光体201的热负载移除。例如，可用吸收系数为μα＝60.0cm-1的Ce：YAG晶体材料。此外，泵光束在HR涂层处的反射可防止泵光束降解用于将荧光体201粘合到散热器202的材料(例如，焊料或粘合剂)，从而提高光源200的可靠性。
图2C显示了光源200的透视截面图，其中可见位于散热器202下方的风扇212的位置，并且可以更详细地看到泵激光二极管206和泵光束205A的位置。图2D显示了光源200的分解图，其中的各个组件包括泵激光二极管206、风扇212、空气导向器220和散热器202，带有集成安装底座203的外壳216，以及多个穿过外壳216设置的密封的电气导线215。示出了环形抛物面镜204以及可见的高反射涂层204A的位置，并且还显示了平行透镜210。
如上所述，散热器202可以由单一材料或具有适当选择的热性质的材料的叠层制成，每一个的材料最重要的性质是：热传导率κ(以W/m/K表示)以及热膨胀线性系数α(通常以ppm/K表示)。如果采用图2A-2E所示的主动冷却系统，则还可以选择空气导向器220。材料的选择旨在通过使用高导热率的材料来促进荧光材料的冷却，同时避免机械应力，特别是避免荧光体201和散热器202组装的各自的热膨胀系数(CTE)很大的不匹配引起的翘曲(热致弯曲)。因此，在某些实施例中，散热器是使用不同的材料的叠层实现的，例如包括非常高导热率的板(例如CVD(化学气相沉积)金刚石板(κ>1800W/m/K))的叠层。荧光体201和散热器202可以使用以下方式粘合：例如粘合剂(光学、热、导热等)、焊接技术、表面接触技术，粘合技术(扩散粘合)或有或没有热界面材料(TIM)的机械夹紧，例如导热胶。如图所示，散热器202和安装基座203可以由连续的导热材料制成，也可以将散热器202和安装基座203进行热隔离。散热器202和/或安装基座203可以被动或主动冷却。在替代的热管理方案中，可以通过散热器202与安装基座203之间的导热路径实现被动冷却，该路径可以使用TIM进行热耦合，例如：导热胶、导热粘合剂、导热垫等。可以通过空气射流、对准安装基座203背面侧的液体射流或热粘合到安装基座203背面的液体环路冷却器来提供光源200的主动冷却。可以在安装基座203中形成一个或多个用于空气或液体流动的腔，并延伸到荧光体201的背面或附近，以优化从荧光体201离开的传热。通过将包括安装基座203、外壳216和可气密的平行透镜210的外表面(凸面)封装，可以保护光源200免受环境灰尘和湿气的影响。可以通过外壳216侧壁之一上的密封电导线215进行电气连接。可以在安装基座203底部的平坦表面上提供具有高导热率的机械连接，以从光源200被动散热，这通常是通过在安装基座203的安装处提供一个外部散热器来实现的，最好使用TIM层以减少界面的热阻。可替代地，可以采用上述的空气或液体冷却布置，将空气或液体直接对安装基座203冷却或通过在荧光体201的背面附近延伸的通道。另外，可以使用强制对流或传导(例如：风扇、空气射流或循环液体冷却系统等)对“被动”冷却器进行主动冷却。图2E以透视图显示了完整的封装光源200。
现在参考图3，示出了根据本公开的另一实施例的光学光源300的简化示意图。可以实施所公开的光源300，以提供比图2A-2E所示的上述实施例更宽的带宽或多波长的光学输出。在替代的热管理配置中，使用TIM层302将光源200安装到散热器301。用诸如带通或有色玻璃滤波器之类的光学滤波器304对输出的平行后的荧光光束303A进行滤波。将所得的平行光束303B与诸如激光器、LED或诸如与光源200类似的另一荧光光源的任何其他发光设备的次级光源306的平行光束305合并。诸如二向色性光束组合器立方体的光束组合器307合并来自光源200和次级光源306的光。可以沿着平行光束303B的路径添加附加次级光源和光束组合器(未显示)。最终合并的平行光束303C可以直接使用，也可以使用聚焦透镜309聚焦在点308上。在需要纤维耦合的应用中，可以将光纤的输入尖端(未显示)精确定位在焦点308上，以使纤维耦合的输出功率最大化。可选地，在本文公开的每个示例性实施例中，聚焦设备，例如聚焦透镜309，可以由抛物面镜、菲涅耳透镜或任何其他折射、反射或衍射光学元件来提供。聚焦设备在焦点处生成荧光体201的泵送后位置的图像。可以使光导的输入尖端(例如光导纤维面)与图像位置(即荧光体201的泵送后位置的图像平面)重合，以便将光源200的输出光束耦合到另一个设备/位置。
现在参考图4，示出了根据本公开的另一实施例的光源400。光源400与光源200相似，但包括第二(底部)抛物面镜406，该第二抛物面镜406可将光源(即荧光体404)的视在位置(apparent position)移至靠近封装的输出窗口409的位置，以使平行透镜420可以定位成该平行透镜420收集并使封装外部的输出荧光平行，以产生平行光束405E。光源400还允许在封装的顶盖处直接进行光导纤维耦合，类似于下面参考图5中描述的实施例所述。顶部抛物面镜401和底部抛物面镜406布置成彼此面对。顶部抛物面镜401有两个用途。如在图2A-2E的光源200中一样，顶部抛物线镜401将每个泵激光二极管403的泵光束402聚焦到由荧光材料形成的荧光体404上。与图2A-2E的光源200相比，顶部抛物面镜401具有非常小的中心孔401B，和反射除了泵光束波长之外荧光体404发出的光的整个带宽(或选定的子带)的光学涂层401C。顶面抛物面镜401的第二个目的是使发散的荧光光束405A平行。反射的荧光光束405B平行并被导向底部抛物面镜406。底部抛物面镜406具有小孔406A，该小孔由荧光体404所位于的中心孔提供。特别地，如果不存在小孔径406A，则荧光体404位于底部抛物面镜406的顶点。小中心孔401B的直径通常小于导向圆直径的20％(图4中未具体显示)，但位于入射时在顶抛物面镜401上泵光束402圆的中点,如图2B的导向圆204B所示。底部抛物面镜406中提供的小孔406A的直径通常等于小中心孔401B的直径。例如，小中心孔401B和小孔406A的直径可以是导向圆直径的10％。底部抛物面镜406包括附加孔406B，每个泵光束402均通过该孔定向。为了清楚起见，仅显示了一个泵激光二极管403和相应的平行透镜407和小孔406A。实际上，多个泵激光二极管403以类似于图2B所示的布置围绕系统的中心轴分布。
荧光光束405B被底部抛物面镜406反射，导致朝焦点408聚焦的光束405C。荧光体404的泵送后体积(pumped volume)由底部抛物面镜406在底部抛物面镜406的焦点408处成像。该图像提供了输出发散的荧光光束405D的源，该光束通过在气密封装(hermeticallypackage)的顶盖410的中心处涂有AR涂层的气密的(hermetically sealed)输出窗口409传输。如上所述，荧光材料404后面的宽带HR涂层将向后的荧光重导向回穿过荧光体404，以合并到输出发散的荧光光束405A中。荧光体404机械和热耦合到散热器411，该散热器411在泵激光二极管支架412的中心支撑荧光体404。荧光材料404的热管理类似于图2A-2E的散热器202的操作，并且可以相同的方式进行冷却。密封封装由侧壁416和导热基座417制成，导热基座417耦合到如图3所示的光源中的散热器，或者以其他方式直接冷却。在图4的光源400中，顶部抛物面镜401和底部抛物面镜406在界面418处使用光学UV固化粘合剂固定在一起。所得的双镜装配体(assembly)通过环形金属垫片419和合适的粘合材料安装在泵激光二极管支架412的顶部。
在示例光源400中，顶部抛物面镜401和底部抛物面镜406具有相等的焦距，使得图像荧光体404的放大倍数M＝1，并且每个抛物面镜401、406的焦点与相对的抛物面镜的顶点重合。顶部抛物面镜401的光学涂层具有两个目的：有效反射高功率密度泵激光光束(至少在它们各自的区域中)以及在大立体角和适当光学范围内有效反射荧光体404发出的荧光。底部抛物面镜406通常仅用于聚焦来自荧光体404的荧光发射。因此，可以优化底部抛物面镜406上的光学涂层，使其仅在荧光发射的带宽内反射光。光源400的实施例不限于所描述的镜装配体的构造。例如，与光源400的操作一致的其他实施例可以包括在任一侧上被涂覆的单个双凸透镜，在每一侧上都具有适当的涂层，以提供顶部抛物面镜401和底部抛物面镜406。
现在参考图5，示出了根据本公开的另一实施例的光源500。所示实施例类似于图4的光源400(窗口409和平行透镜420除外)相似，并且特别适用于输出荧光光束的紧凑型光导纤维耦合。光导纤维502的输入连接器501尖端在图4所示的底部抛物面镜406的焦点408处精确对准。然后，荧光光束被引导进入并穿过光导纤维502，直到荧光束离开光导纤维502的输出连接器503，然后作为输出荧光光束504自由发散。
虽然已经参考本发明的优选实施例对本发明进行了具体显示和描述，但是本领域技术人员将理解，上述和其他形式的改变以及在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对其进行详细描述。

Claims (22)

1.一种光源，其特征在于，包括：
主体，所述主体具有平面顶表面和凸后表面，并且由掺杂以在激发时激发波长下具有荧光特性的材料形成，从而该主体在发射带中发光；
平行设备，所述平行设备用于将由主体发射的至少一部分光收集在收集区域上，以产生平行的输出光束；
一个或多个镜，所述一个或多个镜被定位成使得聚焦轴指向所述主体，并且具有反射表面设置在收集区域的外部，使得收集区域不会被所述的一个或多个镜遮挡；以及
一个或多个光源，所述一个或多个光源用于提供激发波长的激发光，并具有沿一个或多个相应光路指向一个或多个镜的相应一个或多个输出，从而一个或多个镜基本上引导所有由所述主体上的一个或多个光源提供的激发光以激发由所述主体发射的光发射。
2.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，所述一个或多个镜由抛物面镜组成，所述抛物面镜被定位成具有指向所述主体的聚焦轴，并且其中，所述一个或多个光源的所述一个或多个输出具有沿着平行于所述抛物面镜的聚焦轴方向的一个或多个相应的光路，指向所述抛物面镜的输出，使得抛物面镜将由一个或多个光源提供的基本上所有激发光聚焦在主体上，以激发由主体发射的光发射。
3.根据权利要求2所述的光源，其特征在于，所述抛物面镜包括穿过其中的中心孔，以允许所述体所发射的一部分光进入，并且其中，所述平行设备位于所述抛物面镜的中心孔处以收集所述主体所发射的至少一部分光。
4.根据权利要求3所述的光源，其特征在于，所述抛物面镜是具有小中心孔的第一抛物面镜，并且其中，所述光源还包括第二抛物面镜，所述第二抛物面镜被定位为反射从所述体发射的、在孔外部所述第一抛物面镜的入射的光，所述光指向所述第二抛物面镜，以增加由荧光体发射的、离开第一抛物面镜的小中心孔并被平行设备收集的一部分光。
5.根据权利要求4所述的光源，其特征在于，所述第二抛物面镜将所述主体的图像聚焦在图像平面处，并且其中，所述光源还包括光波导，所述光波导的输入表面位于所述图像平面处，以接收由所述第二抛物面镜生成的所述主体的图像。
6.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，所述体的平面顶表面被粗糙化以散射一部分激发光，使得所述一部分激发光与所述主体发出的光合并。
7.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，所述主体的平面顶表面涂覆有抗反射涂层，所述抗反射涂层在所述发射带中对于小于布鲁斯特角的入射角是抗反射的，并且在所述激发带中对于等于或约等于布鲁斯特角的入射角是抗反射的。
8.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，所述一个或多个光源是在所述中心孔朝向所述主体的投影的外侧围绕所述主体以圆形布置定位的多个光源。
9.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，所述一个或多个光源和对应的一个或多个镜被定位成使得所述激发光以基本上等于布儒斯特角的角度入射到所述荧光体上，其中，所述一个或多个光源发射具有横向偏振的激发光，并且其中一个或多个光源具有旋转对准，使得激发光在入射到荧光体上时呈p偏振。
10.根据权利要求1所述的光源，其特征在于，还包括散热器，所述散热器热和机械地耦合到所述荧光体的所述凸后表面，以从所述主体去除热量。
11.根据权利要求10所述的光源，其特征在于，所述一个或多个光源是一个更多个激光二极管，并且其中，所述一个或更多个激光二极管中的每一个的基板被机械地和热地粘合到所述散热器。
12.一种光源，其特征在于，包括：
主体，所述主体具有平坦的顶表面和凸的背面，该体由掺杂材料制成，该材料掺杂有被激发时在激发波长下具有荧光特性的材料，使得所述主体在发射带中发光，其中该主体的平坦顶表面被涂覆具有在发射带中抗反射的抗反射涂层；
平行设备，所述平行设备用于将由体发射的至少一部分光收集在收集区域上；
抛物面镜，所述抛物面镜被定位为使得聚焦轴指向主体，并且具有反射表面设置在由穿过抛物面镜的中心孔所提供的收集区域的外部，使得收集区域不会被抛物面镜遮挡；
多个激光二极管，所述多个激光二极管用于在激发波长处提供激发光，并在所述中心孔朝向所述主体的投影的外侧围绕所述主体以圆形布置，其中多个激光二极管的每个具有指向抛物面镜的输出，使得抛物面镜将由多个激光二极管提供的基本上所有的激发光聚焦在所述主体上，以激发由所述主体发射的光发射，其中，多个激光二极管和抛物面镜被定位成使得激发光以基本等于布儒斯特角的角度入射到抛物面镜，并且其中一个或多个激光二极管具有平行于抛物面镜激发光的反射平面定向的接合面，其中主体的平面顶表面被粗糙化以散射一部分激发光，使得一部分激发光与由主体发射的光合并；和
散热器，所述散热器热和机械地耦合到主体以从主体去除热量，并且其中一个或多个激光二极管中的每一个的基体被机械地和热粘合到散热器。
13.一种产生光的方法，其特征在于，包括：
提供主体，该主体具有平面顶表面和凸后表面，并且由掺杂以激发时在激发波长下具有荧光特性的材料形成；
用一个或多个光源激发主体，所述光源产生相应的一个或多个激发光束，所述激发光束的波长基本上等于激发波长，其中一个或多个激发光束通过相应的一个或多个镜指向所述主体，以引起主体在发射带中发射光；和
通过平行设备收集并平行由主体发射的光的至少一部分，以产生平行的输出光束。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述一个或多个镜是具有
指向所述主体的聚焦轴，其中所述一个或多个光源的输出具有沿着与所述抛物面镜的聚焦轴平行的方向的一个或多个对应的光路，指向所述抛物面镜的输出，使得所述抛物面镜将由一个或多个光源提供的基本上所有激发光聚焦在所述主体上。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述抛物面镜包括穿过其中的中心孔，以允许所述主体所发射的一部分光进入，并且其中，所述收集由被定位成收集由主体在抛物面镜的中心孔处所发射的一部分光的平行设备执行。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述抛物面镜是第一抛物面镜，并且其中，所述方法还包括：反射从所述主体发射的、在所述孔外部的所述第一抛物面镜入射并指向第二抛物面镜的光以增加由主体发射的、由带有第二抛物面镜的收集透镜收集的一部分光。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
第二抛物面镜将主体的图像聚焦在图像平面上；和
用光波导接收由第二抛物面镜产生的主体图像，所述光波导具有位于像平面的输入表面。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述主体的平面顶表面被粗糙化以散射一部分激发光，使得所述一部分激发光与所述主体发射的光合并。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述主体的平面顶表面涂覆有抗反射涂层，所述抗反射涂层在所述发射带中对于小于布鲁斯特角的入射角是抗反射的，并且在所述激发带中对于等于或约等于布鲁斯特角的入射角是抗反射的。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述一个或多个光源是在所述中心孔朝向所述主体的投影的外侧围绕所述主体以圆形布置定位的多个光源。
21.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
定位一个或多个光源和相应的一个或多个镜，以使激发光以基本上等于布儒斯特角的角度入射到荧光体上，其中所述一个或多个光源发射具有横向偏振的激发光；和
旋转对准一个或多个光源，使得激发光在入射到一个或多个镜上时呈p偏振。
22.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括提供热和机械地耦合到所述主体的凸后表面的散热器，用于从所述主体去除热量。
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