DE102016201308A1

DE102016201308A1 - Leuchtstoffelement

Info

Publication number: DE102016201308A1
Application number: DE102016201308.4A
Authority: DE
Inventors: Dirk Amsbeck
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2017-08-03
Also published as: US20170219185A1; CN107017553A; US10371355B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtstoffelement mit einem Monokristall (1) aus einem Leuchtstoffelementmaterial zur Konversion einer Pumpstrahlung (2) in eine Konversionsstrahlung (3), wobei der Monokristall (1) als Volumenstreuer mit einer Vielzahl in den Monokristall (1) eingelagerter Streuzentren (20) ausgebildet ist, davon abgesehen das Leuchtstoffelementmaterial in dem Monokristall (1) jedoch monokristallin vorliegt, wobei die Streuzentren (20) zur Streuung der Konversionsstrahlung (3) in den Monokristall (1) eingelagert sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtstoffelement zur Konversion einer Pumpstrahlung in eine Konversionsstrahlung.
Stand der Technik
Ein Leuchtstoffelement der genannten Art kann bspw. mit einer lichtemittierenden Diode (LED) oder einer lichtemittierenden Laserdiode eingesetzt werden, um deren bspw. blaues Primärlicht (die Pumpstrahlung) in z. B. gelbes Konversionslicht (die Konversionsstrahlung) zu konvertieren. Das Leuchtstoffelement emittiert die Konversionsstrahlung auf die Anregung mit der Pumpstrahlung hin. Dabei muss in dem Leuchtstoffelement nicht notwendigerweise die gesamte Pumpstrahlung konvertiert werden, sondern kann auch anteilig nicht konvertierte Pumpstrahlung gemeinsam mit der Konversionsstrahlung in Mischung genutzt werden, können also im eben genannten Beispiel nicht konvertiertes blaues Primärlicht und das gelbe Konversionslicht in Mischung dann bspw. Weißlicht ergeben.
Das Leuchtstoffelement ist dabei typischerweise aus Leuchtstoffpartikeln mit einem üblichen Durchmesser von nicht mehr als 5 µm, je nach Anwendungsgebiet ggf. auch etwas mehr, aufgebaut und kann bspw. durch Aufbringen einer Suspension (Matrixmaterial) mit den Leuchtstoffpartikeln darin und Aushärten dieser Suspension hergestellt werden, sodass dann die Leuchtstoffpartikel in das Matrixmaterial eingebettet sind. Das Leuchtstoffelement kann bspw. auf der Emissionsfläche einer LED oder auf einem anderen geeigneten Substrat angeordnet sein. Nachteilig können bei einem solchen Leuchtstoffelement bspw. die thermischen Eigenschaften sein, insbesondere eine geringe Wärmeleitfähigkeit.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Leuchtstoffelement anzugeben.
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe ein Leuchtstoffelement mit einem Monokristall aus einem Leuchtstoffelementmaterial zur Konversion einer Pumpstrahlung in eine Konversionsstrahlung, wobei der Monokristall mit einer Vielzahl in den Monokristall eingelagerter Streuzentren ausgebildet ist, also als Volumenstreuer ausgebildet ist, davon abgesehen das Leuchtstoffelementmaterial in dem Monokristall jedoch monokristallin vorliegt, wobei die Streuzentren zur Streuung der Konversionsstrahlung in den Monokristall eingelagert sind.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Eine Grundidee der Erfindung besteht also darin, zwar einen Monokristall des Leuchtstoffelementmaterials vorzusehen, in diesen jedoch Streuzentren einzulagern und ihn so als Volumenstreuer auszubilden. Einerseits können so Vorteile der Monokristallinität zum Tragen kommen, es fällt nämlich bspw. die Quanteneffizienz eines Monokristalls bei erhöhten Temperaturen, bspw. oberhalb von 150 °C, nur geringfügig ab, wohingegen sie im Falle desselben Leuchtstoffmaterials in polykristalliner Form / Partikelform stark abfällt, vgl. 3 zur Illustration. So lässt sich die Betriebstemperatur des Leuchtstoffelements ohne wesentliche Einbußen bei der Quanteneffizienz anheben. Zudem kann der Monokristall bspw. auch hinsichtlich seiner Wärmeleitfähigkeit Vorteile bieten. Weiterhin zeichnen sich monokristalline Leuchtstoffmaterialien dadurch aus, dass bei gleicher konvertierter Leistung die Temperatur des Leuchtstoffes aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit geringer ausfällt als bei polykristallinen Leuchtstoffmaterialien.
Der Erfinder hat jedoch andererseits festgestellt, dass die Auskopplung der in dem Monokristall erzeugten Konversionsstrahlung problematisch sein kann; so kann es bspw. zu einer Spot-Verbreiterung kommen, also einer Vergrößerung des Bereichs, aus welchem heraus an einer Abstrahlfläche die Konversionsstrahlung abgegeben wird. Dies kann etwa bei Anwendungen nachteilig sein, die eine hohe Leuchtdichte erfordern. Vereinfacht gesprochen wird zwar (bei erhöhter Temperatur) mehr Konversionsstrahlung erzeugt, kann diese aber schlechter ausgekoppelt werden. Ursächlich hierfür können bspw. auch Grenzflächeneffekte sein, sodass etwa beim Übergang aus dem Monokristall in Luft Rückreflexionen auftreten, bspw. Totalreflexion bzw. auch Fresnel-Reflexionen. Bildlich gesprochen wird die Konversionsstrahlung innerhalb des Monokristalls omnidirektional emittiert, kann beim Übergang in Luft an einer Abstrahlfläche aber nur ein Kegel davon nach vorne austreten, weil zu flach auf die Abstrahlfläche treffende Strahlung dort totalreflektiert und so zur Seite hin weg reflektiert wird.
Mit den eingelagerten Streuzentren kann nun zumindest ein Teil der sich zur Seite hin, unter einem für die Auskopplung zu flachen Winkel zur Abstrahlfläche ausbreitenden Konversionsstrahlung nach vorne gestreut und so doch ausgekoppelt werden. Ferner kann bspw. auch an der Abstrahlfläche originär nicht ausgekoppelte, sondern zurückreflektierte Konversionsstrahlung gestreut und damit (statistisch verteilt) erneut in Richtung der Abstrahlfläche geführt werden. Insgesamt helfen die eingebetteten Streuzentren jedenfalls den Anteil an ausgekoppelter Konversionsstrahlung zu erhöhen.
Zusammengefasst kann mit dem Monokristall einerseits die Temperaturcharakteristik verbessert werden, also bspw. bei erhöhter Temperatur mehr Konversionsstrahlung erzeugt bzw. die Wärmeabfuhr optimiert werden; andererseits macht die Ausgestaltung als Volumenstreuer (verbesserte Auskopplung) diese dann auch tatsächlich nutzbar, ergibt sich also in der Gesamtschau eine erhöhte Effizienz.
In den Monokristall sind eine „Vielzahl“ Streuzentren eingelagert, bspw. mindestens 100, 1.000, 5.000, 10.000, 20.000, 30.000, 40.000 bzw. 50.000 Streuzentren; mögliche Obergrenzen können (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 5·10⁶, 1·10⁶ bzw. 500.000 Streuzentren liegen. Die Streuzentren sind „zur Streuung der Konversionsstrahlung“ in den Monokristall eingelagert, sollen also insoweit optisch wirksam sein und eine entsprechende Mindestgröße haben.
In bevorzugter Ausgestaltung hat jedes der Streuzentren hat ein Volumen von jeweils mindestens 1 µm³, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 5 µm³, 10 µm³, 15 µm³, 20 µm³, 25 µm³ bzw. 30 µm³; mögliche Obergrenzen können (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 30.000 µm³, 20.000 µm³, 10.000 µm³, 1.000 µm³, 500 µm³, 300 µm³, 200 µm³ bzw. 100 µm³ liegen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Generell gilt im Rahmen dieser Offenbarung 1 µm³ = 1∙10^–18 m³ und 1 mm³ = 1∙10^–9 m³.
Im Allgemeinen muss nicht jedes der insgesamt in dem Monokristall vorliegenden Streuzentren eine entsprechende Mindestgröße haben, sondern soll es eben zumindest eine „Vielzahl“ mit entsprechender Mindestgröße geben und kann es darüber hinaus auch noch kleinere Streuzentren geben; bevorzugt haben sämtliche Streuzentren in dem Monokristall eine entsprechende Mindestgröße.
Die Ausgestaltung als „Volumenstreuer“ meint, dass die Streuzentren innerhalb des Monokristalls, in einem von dessen Außenflächen umschlossenen Volumen verteilt angeordnet sind. Jedenfalls für die Konversionsstrahlung erfolgt die Streuung an den Streuzentren bevorzugt passiv, also ohne Änderung der Wellenlänge. „Streuung“ meint im Rahmen dieser Offenbarung ganz allgemein die Änderung der Ausbreitungsrichtung eines Strahls der Konversionsstrahlung (oder auch der Pumpstrahlung) in Folge einer Wechselwirkung mit einem jeweiligen Streuzentrum, wobei diese Richtungsänderung bspw. auch durch Brechungseffekte, etwa beim Übergang zwischen Materialien unterschiedlicher Beschaffenheit, bedingt sein kann.
Generell ist die Konversion bevorzugt eine Down-Konversion, wird die Pumpstrahlung also in längerwellige Konversionsstrahlung umgesetzt. Die Konversionsstrahlung, die auch als Konversionslicht bezeichnet werden kann, hat zumindest Anteile im sichtbaren Spektralbereich (380 nm bis 780 nm), bevorzugt liegt der überwiegende Teil der Strahlungsleistung davon, bspw. mindestens 60 %, 70 %, 80 % bzw. 90 %, im sichtbaren Spektralbereich, besonders bevorzugt die Konversionsstrahlung insgesamt. Bei der Pumpstrahlung kann es sich bspw. auch um UV-Strahlung handeln, bevorzugt ist jedoch blaues Licht, welches dann weiter bevorzugt bei nur teilweiser Konversion anteilig in Mischung (welche die Streuzentren begünstigen können) mit der Konversionsstrahlung genutzt werden kann.
In bevorzugter Ausgestaltung nimmt der Monokristall mit den eingelagerten Streuzentren ein Volumen von mindestens 1·10^–3 mm³, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 5·10^–3 mm³, 1·10^–2 mm³, 2,5·10^–2 mm³, 5·10^–2 mm³, 7,5·10^–2 mm³, 1·10^–1 mm³, 2,5·10^–1 mm³ bzw. 5·10^–1 mm³, ein; mögliche Obergrenzen können (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 100 mm³, 50 mm³, 10 mm³ bzw. 5 mm³ liegen. Das von dem Monokristall eingenommene Volumen wird zwischen seinen Außenflächen genommen, es werden also die Streuzentren mit einbezogen. Bevorzugt ist also ein makroskopischer Monokristall.
Im Allgemeinen ist jedoch auch ein submakroskopischer Monokristall denkbar, etwa mit einem Volumen von in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 5·10^–6 mm³, 7,5·10^–6 mm³, 1·10^–5 mm³, 2,5·10^–5mm³, 5·10^–5 mm³, 7,5·10^–5 mm³ bzw. 1·10^–4 mm³; mögliche Obergrenzen können (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 1·10^–3 mm³, 5·10^–4 mm³ bzw. 1·10^–4 mm³ liegen. Ein solcher submakroskopischer Monokristall kann dann in dem Leuchtstoffelement bevorzugt mit weiteren Monokristallen des Leuchtstoffelementmaterials kombiniert sein, die entweder als Körner direkt aneinandergrenzen oder im Falle einer Zweiphasenkeramik auch in eine zweite Phase als Matrix eingebettet sein können. Da der Monokristall auch bei dieser „submakroskopischen“ Variante vergleichsweise groß ist, können gleichwohl die vorstehend beschriebenen Vorteile (thermische Leitfähigkeit bzw. Quanteneffizienz) zum Tragen kommen und können andererseits die eingebetteten Streuzentren die Auskopplung verbessern helfen. Bevorzugt ist gleichwohl ein makroskopischer Monokristall, besonders bevorzugt ist das gesamte Leuchtstoffelementmaterial des Leuchtstoffelements monokristallin, zumindest von den Streuzentren abgesehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bildet jedes der Streuzentren ein diskretes Volumen in dem Monokristall, hängen die Streuzentren also nicht unmittelbar zusammen, sondern liegt zwischen zwei Streuzentren jeweils immer Leuchtstoffelementmaterial in monokristalliner Form vor. Jedes der Vielzahl in den Monokristall eingelagerten Streuzentren ist für sich vollständig von monokristallinem Leuchtstoffelementmaterial umgeben.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die diskreten Volumina gleichmäßig über den Monokristall verteilt. Dies meint, dass bei einer (gedanklichen) vollständigen Unterteilung des Monokristalls in gleich große, gleichförmige und zueinander disjunkte Subvolumina die Anzahl der Streuzentren (also der diskreten Volumina) in jedem der Subvolumina um einen Mittelwert normalverteilt ist (mit µ = 0 und σ²= 1). Dabei dürfen die Subvolumina nicht kleiner einer Mindestgröße gewählt werden, sodass in jedem der Subvolumina mindestens 10, vorzugsweise mindestens 20, weiter bevorzugt mindestens 30, der Streuzentren (diskreten Volumina) angeordnet sind; mögliche Obergrenzen können bspw. bei höchstens 1.000, 500 bzw. 100 Streuzentren liegen. Die „Subvolumina“ sind Gegenstand der gedanklichen Zerlegung für die Bewertung der „Gleichmäßigkeit“, wohingegen sich „Volumina“ auf die Streuzentren bezieht.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die diskreten Volumina in dem Monokristall in Form eines regelmäßigen Punktgitters angeordnet, also in Form eines Bravais-Gitters. So können die Streuzentren (die diskreten Volumina) in einer Basiszelle des Bravais-Gitters bspw. an den Ecken eines Würfels (kubisch-primitiv), an den Ecken eines Würfels und zusätzlich in dessen Mittelpunkt (kubisch-raumzentriert) oder an den Ecken eines Würfels und zusätzlich mittig auf jeder seiner Seitenflächen (kubisch-flächenzentriert) angeordnet sein, oder eben einem anderen der Bravais-Gitter im Dreidimensionalen entsprechend.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die diskreten Volumina in dem Monokristall derart angeordnet, dass senkrecht auf eine Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements blickend die Streuung um einen Einstrahlbereich der Einstrahlfläche nach außen hin, also in den lateralen Richtungen zunimmt (die lateralen Richtungen liegen senkrecht zu einer Flächennormalen auf die bevorzugt plane Einstrahlfläche). Die zunehmende Streuung wird durch eine entsprechend zunehmende Dichte der Streuzentren erreicht. Indem die Streuung in dem Einstrahlbereich geringer als außen herum ist, wird eine Streuung der Pumpstrahlung verringert bzw. vermieden.
Für die in den lateralen (radialen) Richtungen um den Einstrahlbereich nach außen zunehmende Dichte der Streuzentren können diese bspw. entlang einer Tiefenrichtung (die zur Flächennormalen entgegengesetzt liegt) gleichmäßig verteilt sein, aber in den dazu senkrechten lateralen Richtungen zunehmend dichter gestaffelt, vgl. 4a zur Illustration. Andererseits können die Streuzentren aber auch jeweils in einer zur Tiefenrichtung senkrechten Ebene hinsichtlich der lateralen Richtungen gleichbleibend dicht verteilt sein, kann dabei jedoch je Ebene ein unterschiedlich großer (entlang der Tiefenrichtung abnehmender) Bereich um den Einstrahlbereich frei von Streuzentren sein, vgl. 4b zur Illustration. Bevorzugt bleibt ein kegelförmiger Bereich frei Streuzentren. Selbstverständlich sind auch Mischformen aus „lateraler Staffelung“ und „Tiefenstaffelung“ möglich.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Leuchtstoffelementmaterial Ce-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce). Im Allgemeinen kann als Leuchtstoffelementmaterial aber auch dotiertes Lutetium-Aluminium-Granat (LuAG), z. B. Ce-dotiertes Lutetium-Aluminium-Granat (LuAG), oder können dotierte Siliziumnitrid-Materialien vorgesehen sein, z. B. Eu-dotiertes CaAlSiN₃. Dotiermaterialien können generell bspw. Ce, Tb, Eu, Yb, Pr, Tm und/oder Sm sein. Weiterhin sind auch zusätzliche Dotierungen möglich, also Co-Dotierungen, etwa YAG-Material dotiert mit Gd oder Lu und co-dotiert mit mindestens einem der Co-Dopanden Ce, Tb, Eu, Yb, Pr, Tm und/oder Sm.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Streuzentren Defektstellen in dem davon abgesehen monokristallinen Leuchtstoffelementmaterial, liegt also bspw. auch in den Streuzentren zumindest teilweise Leuchtstoffelementmaterial vor, jedoch nicht in einer dem Monokristall entsprechenden Form, sondern bspw. amorph. In einer Defektstelle kann das Leuchtstoffmaterial auch lokal gerissen/aufgebrochen sein.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Defektstellen Aufschmelzungen des Leuchtstoffelementmaterials, werden also die Streuzentren in dem Monokristall thermisch induziert bzw. durch lokale Ionisation erzeugt, vorzugsweise mit einem gepulsten Laserstrahl (siehe unten im Detail). Es wird also bspw. ein zuvor im Gesamten monokristallines Leuchtstoffelementmaterial in seinem Innern an einer Vielzahl von Stellen lokal modifiziert und werden so die Streuzentren erzeugt.
Die Erfindung betrifft auch eine Bestrahlungsvorrichtung, insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung, bei welcher ein vorliegend offenbartes Leuchtstoffelement mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission der Pumpstrahlung kombiniert ist. Die beiden sind dabei derart relativ zueinander angeordnet, dass im Betrieb jedenfalls ein Teil der emittierten Pumpstrahlung auf das Leuchtstoffelement fällt. Aus Effizienzgründen kann bevorzugt sein, dass die gesamte Pumpstrahlung auf das Leuchtstoffelement trifft, anordnungsbedingt kann es jedoch bspw. auch Obergrenzen von 99 %, 97 % bzw. 95 % geben; bevorzugt fallen mindestens 60 %, 70 % bzw. 80 % der von der Pumpstrahlungsquelle emittierten Pumpstrahlung auf das Leuchtstoffelement (den Prozentangeben liegt die Strahlungsleistung zugrunde).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Laser, vorzugsweise ein Halbleiter-Laser, als Pumpstrahlungsquelle vorgesehen und ist das Leuchtstoffelement dazu beabstandet angeordnet (sogenannte Remote Phosphor Konzepte, in Kombination mit Laseranregungsquellen auch unter dem Namen LARP bzw. Laser Activated Remote Phosphor bekannt). Dem Leuchtstoffelement vorgelagert durchsetzt die Pumpstrahlung dann optisch wirksam ein Gasvolumen, vorzugsweise Luft. „Optisch wirksam“ meint, dass es beim Übergang Gasvolumen/Leuchtstoffelement dann zu Brechungen kommt. Zwischen Laser und Leuchtstoffelement ist bevorzugt eine Optik vorgesehen, bspw. eine Linse, welche die Pumpstrahlung kollimiert (Kollimationslinse), und/oder eine Linse, welche die Pumpstrahlung auf die Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements bündelt. „Linse“ kann hierbei sowohl auf eine Einzellinse als auch auf ein System mehrerer Einzellinsen zu lesen sein.
Mit der Kombination aus Laserquelle und beabstandet dazu angeordneten Leuchtstoffelement lassen sich Lichtquellen hoher Leuchtdichte realisieren; mit der Erhöhung der Betriebstemperatur, welche das erfindungsgemäße Leuchtstoffelement ermöglicht (siehe vorne), kann mehr Pumpstrahlung in das Leuchtstoffelement eingebracht werden, was die Leuchtdichte bzw. den Lichtstrom im Gesamten erhöhen helfen kann. Weiterhin kann das erfinderische Leuchtstoffelement bei gleicher Kühlung mit höherer Pumpleistung beaufschlagt werden, da die bessere Wärmeleitfähigkeit dafür sorgt, dass der Leuchtstoff generell kühler bleibt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist eine lichtemittierende Diode (LED), im Allgemeinen auch auf organischer Basis (OLED), bevorzugt auf anorganischer Basis, als Pumpstrahlungsquelle vorgesehen. Vorzugsweise ist dann das Leuchtstoffelement in direktem optischen Kontakt mit einer Emissionsfläche der LED vorgesehen, durchsetzt die Pumpstrahlung also dazwischen kein optisch wirksames, den Strahlengang beeinflussendes Gasvolumen, insbesondere kein Luftvolumen. Das Leuchtstoffelement kann also bspw. über eine Fügeverbindungsschicht an der Emissionsfläche befestigt sein; das Leuchtstoffelement kann insbesondere auch Teil einer Häusung der LED sein („LED“ meint vorliegend den LED-Chip), also diese bspw. gemeinsam mit einem Verfüllmaterial (z. B. Pressmasse oder Silikon) und/oder einem Montagekörper (Leadframe) einfassen.
Die Kombination mit einem erfindungsgemäßen Leuchtstoffelement kann bspw. insoweit vorteilhaft sein, als so die Betriebstemperatur der LED erhöht werden kann (limitierend sind in der Regel die Eigenschaften des Leuchtstoffelements, die übrigen Bestandteile können meist auch bei höheren Temperaturen betrieben werden). Die LED kann dann bspw. bei einer im Vergleich zum Stand der Technik unveränderten thermischen Anbindung mit einer höheren Stromdichte betrieben werden, womit sich die Lichtausbeute verbessern lässt. In Ergänzung oder alternativ kann bspw. auch das Kühlkonzept vereinfacht, kann also bspw. ein Aufbau ohne gesonderten Kühlkörper realisiert werden.
Generell können bei einer vorliegend beschriebenen Bestrahlungsvorrichtung bzw. einem entsprechenden Leuchtstoffelement eine Einstrahl- und/oder eine Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements dichroitisch beschichtet sein. Es kann bspw. auch die Oberflächenbeschaffenheit modifiziert, bspw. aufgeraut sein, um die Koppeleffizienz zu erhöhen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines vorliegend beschriebenen Leuchtstoffelements mit Defektstellen/Aufschmelzungen als Streuzentren bzw. einer Bestrahlungsvorrichtung mit einem solchen Leuchtstoffelement, wobei die Defektstellen mit einem oder mehreren Laserstrahlen eingebracht werden, der bzw. die innerhalb des Monokristalls fokussiert wird/werden. Im Fokus des Laserstrahls ist die räumliche und zeitliche Energiedichte dann so hoch, dass das Kristallgitter lokal modifiziert wird, das Leuchtstoffelementmaterial wird bspw. lokal aufgeschmolzen bzw. wird lokal in seiner Kristallstruktur oder seiner lokalen Dichte verändert bzw. werden lokal zusätzliche null-, ein- oder mehrdimensionale Gitterdefekte eingebaut (bspw. Leerstellen, Versetzungen, Korngrenzen, Mikrorisse).
Der Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Bestrahlung des Monokristalls im Betrieb zu Konversionszwecken (vgl. die vorstehenden Absätze) liegt insbesondere in der Fokussierung innerhalb, die dann die hohe Energiedichte ergibt. Da der Laserstrahl innerhalb des Monokristalls fokussiert wird, ist er an dessen Außenflächen in seinem Spot-Durchmesser noch nicht allzu klein, tritt dort also idealerweise keine Beschädigung ein.
In bevorzugter Ausgestaltung wirkt der Laserstrahl gepulst auf den Monokristall ein. Dies kann insbesondere die Herstellung eines Leuchtstoffelements mit als diskreten Volumina ausgebildeten Streuzentren betreffen, wobei der Laserstrahl dann jedenfalls beim „Versetzen“ zwischen zwei Streuzentren (das bspw. auch durch Verkippen eines Umlenkspiegels erfolgen kann) nicht auf den Monokristall einwirkt; bevorzugt wird jedes Streuzentrum mit genau einem Puls erzeugt. Das Pulsen kann im Allgemeinen bspw. auch mittels eines Shutters erfolgen, vorzugsweise wird der den Laserstrahl emittierende Laser jedoch mit gepulster Ausgangsleistung betrieben. Weiterhin können auch modengekoppelte Ultrakurzpulslaser eingesetzt werden.
Das gepulste Einwirken erfolgt in bevorzugter Ausgestaltung mit einer Wiederholfrequenz von mindestens 500 Hz, vorzugsweise mindestens 750 Hz, besonders bevorzugt mindestens 1 kHz; mögliche Obergrenzen können bspw. bei höchstens 30 kHz, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 20 kHz, 15 kHz, 10 kHz bzw. 8 kHz, liegen. Dabei kann im Allgemeinen eine Obergrenze auch unabhängig von einer Untergrenze von Interesse sein, und umgekehrt, und sollen die Werte auch entsprechend offenbart sein. Die Pulslänge wird bevorzugt nicht größer als 100 µs sein, wobei mögliche Untergrenzen (davon unabhängig) bspw. bei mindestens 10 fs bzw. 100 fs liegen können, bzw. auch bei mindestens 1 ps, 10 ps bzw. 100 ps.
In bevorzugter Ausgestaltung ist zum Einbringen der Streuzentren ein Nd:YAG-Laser vorgesehen, der den dann im Monokristall fokussierten Laserstrahl emittiert. Generell ist für das Fokussieren des Laserstrahls bei der Herstellung des Leuchtstoffelements bevorzugt eine fokussierende Optik mit variabler Brennweite zwischen dem Laser und dem Monokristall angeordnet, bevorzugt eine Planfeldoptik bzw. ein f-theta-Linsensystem. Der bevorzugte Nd:YAG-Laser kann einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von bspw. 1.064 nm oder frequenzverdoppelt von 532 nm emittieren (vorteilhaft kann eine von der Anregungswellenlänge der Pumpstrahlung abweichende Wellenlänge sein).
Auch andere YAG-basierte Lasersysteme sind einsetzbar, z.B. Cr-, Yb-, Ho-, Tm- oder Er-YAG Lasersysteme. Prinzipiell sind aber alle Lasersysteme einsetzbar, die eine ausreichende Pulsenergie liefern können, bevorzugt in einem Wellenlängenbereich, in dem der Monokristall möglichst wenig absorbiert. Die Pulsenergie soll bspw. bei mindestens 100 J/cm² liegen, wobei eine mögliche Obergrenze (davon unabhängig) bspw. bei 3 kJ/cm² liegen kann; vorteilhaft können bspw. rund 1,4 kJ/cm² sein.
In bevorzugter Ausgestaltung wird der Laserstrahl beim Einbringen der Defektstellen in veränderlicher Tiefe innerhalb des Monokristalls fokussiert, werden also in der Tiefenrichtung versetzte Fokuspunkte erzeugt, und zwar zusätzlich zu einem lateralen Versatz.
Bevorzugte Anwendungsgebiete der Bestrahlungsvorrichtung bzw. eines entsprechenden Leuchtstoffelements können bspw. im Bereich der Kraftfahrzeug-Beleuchtung liegen, insbesondere der Kfz-Außenbeleuchtung, etwa der Straßenausleuchtung mit einem Frontscheinwerfer, bspw. auch variabel, also etwa in Abhängigkeit vom Gegenverkehr maskiert. Weitere vorteilhafte Anwendungsgebiete können im Bereich der Effektbeleuchtung liegen; andererseits kann die Bestrahlungsvorrichtung aber auch zur Operationsfeld-Beleuchtung dienen. Die Bestrahlungsvorrichtung kann ferner als Lichtquelle eines Projektionsgeräts (zur Daten-/Filmprojektion), Endoskops oder auch Bühnenscheinwerfers genutzt werden, etwa zur Szenenbeleuchtung im Film-, Fernseh- bzw. Theaterbereich. Es ist generell auch ein Einsatz im industriellen Umfeld möglich, aber auch im Bereich der Gebäude- bzw. Architekturbeleuchtung, insbesondere Außenbeleuchtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt
1 in schematischer Darstellung einen nicht erfindungsgemäßen YAG:Ce-Monokristall ohne Streuzentren darin;
2 in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen YAG:Ce-Monokristall mit Streuzentren darin sowie deren Einbringung mit einem Laserstrahl;
3 einen Vergleich der internen Quanteneffizienz für einen pulverförmigen und einen monokristallinen YAG:Ce-Leuchtstoff;
4 mit variierender Dichte in einem YAG:Ce-Monokristall angeordnete Streuzentren.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt einen Monokristall 1 aus mit Cer-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce). Dieser wird im Betrieb mit einer Pumpstrahlung 2 bestrahlt, nämlich vorliegend blauem Pumplicht; die Pumpstrahlung 2 wird in dem Monokristall 1 in Konversionsstrahlung 3 umgesetzt, vorliegend in gelbes Konversionslicht. Die Emission der Konversionsstrahlung 3 erfolgt innerhalb des Monokristalls 1 omnidirektional, exemplarisch sind die Ausbreitungspfade einiger Strahlen dargestellt.
Das Leuchtstoffelement mit dem Monokristall 1 wird in Reflexion betrieben, es fallen also eine Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche 4 und eine Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 5 zusammen. Die entgegengesetzte, in 1 untere Seitenfläche ist mit einem Spiegel 6 verspiegelt, um die anteilig nach unten abgegebene Konversionsstrahlung 3 gleichwohl zur Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 5 zu führen.
Da der YAG:Ce-Monokristall einen deutlich höheren Brechungsindex als Luft hat (dieser kann bei einer Wellenlänge von 589 nm in etwa bei n ≈ 1,8 liegen, im Gegensatz zu n ≈ 1 bei Luft), treten an der Pumpstrahlungs-Abstrahlfläche 5 nur vergleichsweise steil auftreffende Strahlenbündel aus und werden unter einem flacheren Winkel auftreffende Strahlen zur Seite hin totalreflektiert und sind sie somit nicht nutzbar (jedenfalls nicht an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 5). Bei den „steil“ auftreffenden Strahlen ist der Winkel zwischen Strahlrichtung und Flächennormale (die in den Monokristall 1 hineinweist) klein, bei den „flach“ auftreffenden Strahlen (strichpunktiert dargestellt) hingegen groß, eben größer als der kritische Winkel für Totalreflexion (θ_c).
Bei dem Monokristall 1 des erfindungsgemäßen Leuchtstoffelements gemäß 2 sind in den Monokristall 1 Streuzentren 20 eingelagert, und zwar Defektstellen bzw. Aufschmelzungen. Deren Wirkungsweise ist in 2 in der rechten Hälfte illustriert, die Einbringung in der linken Hälfte (siehe dazu unten im Detail). Trifft ein Strahl der Konversionsstrahlung 3 auf eines der Streuzentren 20, ändert er seine Richtung und fällt dementsprechend mit gewisser Wahrscheinlichkeit steiler auf die Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 5. So wäre bspw. der erste Strahl 21a so flach auf die untere Seitenfläche und nach einer Reflexion dort entsprechend flach auf die Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 5 getroffen, dass er dort nicht ausgetreten, sondern totalreflektiert worden wäre (siehe 1 zum Vergleich). Durch die Streuung wird er hingegen steiler auf die Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 5 geführt und tritt dort aus.
Der zweite Strahl 21b illustriert, wie ein Teil der originär an der Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 5 zurückreflektierten Strahlung eine „zweite Chance“ bekommt, nämlich nach der Rückreflexion gestreut wird und dann steiler auf die Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche 5 trifft und dort austritt. Zusammengefasst lässt sich mit den erfindungsgemäß in den Monokristall 1 eingelagerten Streuzentren 20 die Auskopplung der Konversionsstrahlung (ggf. auch von anteilig nicht konvertierter Pumpstrahlung im Falle einer Teilkonversion) erhöhen.
In der linken Hälfte von 2 ist die Einbringung der Streuzentren 20 schematisch illustriert; dies erfolgt mit einem innerhalb des Monokristalls 1 fokussierten Laserstrahl 22, der von einem Laser 23, nämlich einem Nd:YAG-Laser, emittiert und mit einer (nicht dargestellten) Optik innerhalb des Monokristalls 1 fokussiert wird. Der Laser 23 wird gepulst betrieben; in einem jeweiligen Fokuspunkt ist die Energiedichte dann so hoch, dass eine Defektstelle bzw. Materialaufschmelzung und damit eines der Streuzentren 20 entsteht.
3 illustriert den Vorteil, der sich bei monokristallinem YAG:Ce im Vergleich zu konventionellen YAG:Ce ergeben kann. Dazu ist die interne Quanteneffizienz (QE) als einheitslose Größe über die Betriebstemperatur des YAG:Ce in monokristalliner Form (durchgezogene Linie) bzw. in konventioneller Pulverform (strichlierte Linie) aufgetragen. Dabei zeigt sich, dass bei erhöhten Temperaturen oberhalb von 150 °C die Quanteneffizienz des pulverförmigen YAG:Ce deutlich abfällt, wohingegen sie bei dem Monokristall zwar eine geringe Veränderung zeigt, insgesamt aber vergleichsweise hoch bleibt. Zusammengefasst kann YAG:Ce in monokristalliner Form bei höheren Betriebstemperaturen betrieben werden als in konventioneller Pulverform, ohne dass sich die Quantenausbeute dadurch merklich verringert.
Die 4a, b zeigen jeweils einen Monokristall 1, in dem die Streuzentren 20 mit variierender Dichte angeordnet sind. Blickt man senkrecht auf die Einstrahlfläche 4, nimmt die Dichte der Streuzentren 20 um einen Einstrahlbereich 40, in welchem die Pumpstrahlung 2 auf die Einstrahlfläche 4 fällt, nach außen hin zu. Indem die Streuung in dem Einstrahlbereich 40 geringer als außen herum ist, wird eine Streuung der Pumpstrahlung 2 weitgehend vermieden.
Bei der Ausführungsform gemäß 4a sind die Streuzentren 20 entlang einer Tiefenrichtung 41 gleichmäßig verteilt, aber in den dazu senkrechten lateralen Richtungen 42 zunehmend dichter gestaffelt. Im Falle von 4b sind die Streuzentren 20 hingegen jeweils in den lateralen Richtungen 42 gleichbleibend dicht verteilt; es ist aber ein kegelförmiger Bereich frei von Streuzentren 20.
Bezugszeichenliste

1: Monokristall
2: Pumpstrahlung
3: Konversionsstrahlung
4: Pumpstrahlungs-Einstrahlfläche
5: Konversionsstrahlungs-Abstrahlfläche
6: Spiegel
20: Streuzentren
21a: Erster Strahl
21b: Zweiter Strahl
22: Laserstrahl
23: Laser
40: Einstrahlbereich
41: Tiefenrichtung
42: Laterale Richtungen

Claims

Leuchtstoffelement mit einem Monokristall (1) aus einem Leuchtstoffelementmaterial zur zumindest teilweisen Konversion einer Pumpstrahlung (2) in eine Konversionsstrahlung (3), wobei der Monokristall (1) mit einer Vielzahl in den Monokristall (1) eingelagerter Streuzentren (20) ausgebildet ist, davon abgesehen das Leuchtstoffelementmaterial in dem Monokristall (1) jedoch monokristallin vorliegt, wobei die Streuzentren (20) zur Streuung der Konversionsstrahlung (3) in den Monokristall (1) eingelagert sind.
Leuchtstoffelement nach Anspruch 1, bei welchem jedes der Streuzentren ein Volumen von jeweils mindestens 1 µm³ einnimmt.
Leuchtstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Monokristall (1) mit den eingelagerten Streuzentren (20) ein Volumen von mindestens 1∙10^–3 mm³ einnimmt.
Leuchtstoffelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem jedes der Streuzentren (20) ein diskretes Volumen in dem Monokristall (1) bildet.
Leuchtstoffelement nach Anspruch 4, bei welchem die diskreten Volumina gleichmäßig über den Monokristall (1) verteilt sind.
Leuchtstoffelement nach Anspruch 4, bei welchem die diskreten Volumina in dem Monokristall (1) derart angeordnet sind, dass senkrecht auf eine Einstrahlfläche (4) des Monokristalls (1) blickend die Streuung um einen Einstrahlbereich (40) der Einstrahlfläche (4) nach außen hin zunimmt.
Leuchtstoffelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Leuchtstoffelementmaterial Cer-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat ist.
Leuchtstoffelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Streuzentren (20) Defektstellen in dem davon abgesehen monokristallinen Leuchtstoffelementmaterial sind.
Leuchtstoffelement nach Anspruch 8, bei welchem die Defektstellen Aufschmelzungen des Leuchtstoffelementmaterials sind.
Bestrahlungsvorrichtung mit einem Leuchtstoffelement nach einem der vorstehenden Ansprüche und einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission der Pumpstrahlung (2), die so relativ zueinander angeordnet sind, dass das Leuchtstoffelement im Betrieb bestrahlt wird.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die Pumpstrahlungsquelle ein Laser (23) ist, zu welchem das Leuchtstoffelement derart beabstandet angeordnet ist, dass die Pumpstrahlung (2) zwischen dem Laser (23) und dem Leuchtstoffelement optisch wirksam ein Gasvolumen, vorzugsweise Luft, durchsetzt.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die Pumpstrahlungsquelle eine lichtemittierende Diode (LED) mit einer Emissionsfläche zur Emission der Pumpstrahlung (2) ist, wobei das Leuchtstoffelement in direktem optischen Kontakt mit der Emissionsfläche vorgesehen ist.
Verfahren zum Herstellen eines Leuchtstoffelements nach Anspruch 8 oder 9 oder einer Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 mit einem Leuchtstoffelement nach Anspruch 8 oder 9, bei welchem Verfahren die Defektstellen mit einem Laserstrahl (22) eingebracht werden, der innerhalb des Monokristalls (1) fokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem der Laserstrahl (32) gepulst auf den Monokristall (1) einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das gepulste Einwirken mit einer Wiederholfrequenz von mindestens 500 Hz und höchstens 30 kHz erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei welchem beim Einbringen der Defektstellen der Laserstrahl (32) in veränderlicher Tiefe innerhalb des Monokristalls (1) fokussiert wird, also in einer Tiefenrichtung (41) versetzte Fokuspunkte erzeugt werden, und zusätzlich lateral versetzte Fokuspunkte erzeugt werden.