JP2016522984A - 光出力を発生する蛍光体に基づく照明デバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、２つの単色光ビーム１，１ａ，１ｂにより光励起される蛍光体層２を有する照明デバイスを提供するもので、上記２つの単色光ビームは蛍光体層２内を逆方向に伝搬し、これにより蛍光体層２外で励起光の相殺的干渉をもたらす。励起光源は、蛍光体のピーク吸収波長よりも大きな出力波長を有する。このことは、一層効率的な光の変換及び発熱の低減を可能にする。

Description

本発明は、異なる波長の光を放出するために蛍光体が光源により光励起される蛍光体に基づく照明デバイスに関する。

蛍光体に基づく照明デバイスは既知である。例えば、光源が第１波長（又は複数の波長）の光を放出し、該光は発光蛍光体層を光励起するために使用され、該蛍光体層が異なる（所望の）波長（又は複数の波長）の光を発生する。

このようなデバイスにおいては、固体ポンプ源（例えば、レーザダイオード）を当該系のための単色光源として使用することができる。この光源は変換蛍光体をポンピングするために使用され、該変換蛍光体はポンピングされた光を吸収して、１以上の所望の波長で光を再放出する。該蛍光体により放出される光は、典型的に、上記ポンプ源により放出されるものと比較して改善された発光効率を有する。上記単色源及び蛍光体を変えることにより、斯様なデバイスの出力として一連の放出波長を得ることができる。

上記ポンプ源に典型的に使用される半導体は、GaAs、InP、GaSb及びGaNを含む。普通に使用される蛍光体はイットリウムアルミニウムガーネット（“YAG”）等のガーネットペレットであるが、CdSe/CdS又はInP等の量子ドット及び有機色素も採用される。

蛍光体は、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）及び全ダウン変換ベースのデバイス等の応用例に見られる。後者は、特に非変換ＬＥＤからの直接放射が相対的に非効率である（即ち、所謂“イエローギャップ”にある）波長範囲内の高色純度光の生成にとり非常に将来性があると考えられ、そうであることが分かっている。典型的に、琥珀色ＬＥＤは、自動車用途又は交通信号に用いられており、フォトリソグラフィ室の照明にとり将来性があると信じられている。

例示として、Ce3+ドープイットリウムアルミニウムガーネット、Y₃Al₅O₁₂（YAG:Ce）は、優れた発光特性、化学的耐性及び熱的安定性故に照明用途にとって重要な蛍光体である。該蛍光体は約４６０nmに吸収ピークを有し、その放射スペクトルは５００〜７５０nmの範囲に跨がる。

一般的に、可能な限り多くの変換光を発生させるために、蛍光体による光の吸収が最大化されることが望ましい。吸収を向上させる１つの直接的な方法は、YAG結晶におけるCe3+の量を増加させることである。しかしながら、該濃度が閾値よりも高いと（典型的には、＞５mol%）、YAG:Ceが濃度消光を呈し始め、結果として量子効率が低下すると共に発光強度が減少する。一定のパーセンテージのドーピングに対して、全吸収は当該蛍光体層から逃れる反射され透過されるポンピング光の量により妨げられる。

YAG:Ceペレットを介して透過した後に逃れる光の量を制限するためには、一般的に、当該蛍光体を吸収ピークの波長でポンピングすると共に、吸収されないポンピング光を反射及び再循環させるためにロングパスフィルタを使用することが好都合である。しかしながら、この構成は、当該デバイスに蛍光体のストークシフト特性に関連する自然損失（量子欠損（quantum deficit）として知られている）を生じさせる。該量子欠損は、励起波長と最大発光波長との間の差として定義される。蛍光体のストークシフト特性は、当該蛍光体における吸収と発光との間の波長の差（又はエネルギ差）を表す（当該媒体の屈折率の虚数成分が最大となる波長に基づく）。

この量子欠損は一般的に不可避であると考えられている。量子欠損は、蛍光体変換ＬＥＤのパワー効率に関する方程式に現れ、発光スペクトルの重心に対する励起波長の比により定量化されるので、重要である。

従来の照明デバイスにおいて、光ルミネッセンスの強度はポンピング光源からの入射光の強度によってのみ決定される。ポンピング光の効率的な吸収を達成するために、蛍光体の厚さは吸収長と同程度でなければならない。

イットリウムアルミニウムガーネット等の普通に使用される蛍光体の場合、ポンプ源の十分な吸収のために要する材料の厚さは、数十ミクロンの程度である。この厚さを最小にするために、蛍光体は、吸収係数が最大であり且つ量子欠損も大きい波長においてポンピングされる。上記量子欠損は、斯様なデバイスの効率の限界を表し、蛍光体の発熱を生じる。過熱すると（蛍光体の温度が３００℃を越え得る）、当該蛍光体の効率は著しく低下し、結果的に付加的な電力損失及び制御されない更なる発熱が生じ、これは当該照明デバイスを損傷させかねない。

米国特許出願公開第2004/0150997号公報は、励起光を受ける蛍光体層を備えたＬＥＤを開示している。該蛍光体層は上記励起光により照明された場合に可視光を放出する。高分子多層光学フィルムが、さもなければ蛍光体層上に戻されて浪費される光を反射することにより当該ＬＥＤの効率を向上させる。

本発明は、添付請求項により定義されるものを提供する。

本発明によれば、
蛍光体層と、
前記蛍光体層をポンピング又は光励起するように構成された光源装置であって、前記蛍光体層内を逆方向に伝搬（counter propagate）する２つの単色光のビームを供給し、これにより前記蛍光体層外で前記光の相殺的干渉（destructive interference）をもたらすように構成された光源装置と、
を有する照明デバイスが提供され、
前記蛍光体層は波長に関して第１波長にピーク吸収を持つ吸収スペクトルを有し、前記光源装置は前記第１波長よりも大きな第２波長のピーク出力を有する。

このデバイスは、より長い波長の励起光源が使用されることを可能にするために、上記蛍光体層外での相殺的（弱め合う）干渉を利用する。このことは、励起と発光との間の波長差を減少させ、これにより量子欠損（quantum deficit）の悪影響を低減し、かくして、上記蛍光体層の発熱を低減すると共に当該デバイスの効率を上昇させるようにする。

実施態様において、前記蛍光体層の材料、前記蛍光体層の厚さ及び前記励起の波長は、前記光源装置の出力の完全な吸収を達成するように選択される。このことは、上記蛍光体がコヒーレント完全吸収（ＣＰＡ）に適して動作されることを意味する。このように、本発明は蛍光体に基づく照明系に関してＣＰＡを利用する。上記光源装置は単色光ビームを供給するが、所望の波長の周辺に狭い線幅を有する光ビームも許容可能である。

この原理を適用することにより、蛍光体の厚さは、弱くしか吸収しない蛍光体の場合でさえも、出力に妥協することなしに例えば百ミクロンまでの量により低減することができ、これにより、より小さく、より安価で、それでいて一層効率的な、この種の照明デバイスの製造を可能にすることができる。

従来のデバイスとは対照的に、上記励起源の波長は、当該蛍光体が余り吸収しない波長に選択することができる。特に、選択される波長は、当該蛍光体の最大吸収の波長に対して赤方偏移される。

当該蛍光体層の厚さは、好ましくは、前記光源装置の出力の完全な吸収を達成するように選択される。この場合、本発明は、本質的に、蛍光体に基づく照明デバイス内でコヒーレント完全吸収（“ＣＰＡ”）を利用する。

第１構成例において、前記光源装置は等しい強度及び波長の第１及び第２ビームを発生し、該光源装置は、これら第１及び第２ビームを前記蛍光体層内で逆方向に伝搬するように指向させるよう構成される。

所与の角度及びスペクトル窓に対して、これら２つの逆方向に伝搬するビームの位相差を調整することにより、当該蛍光体の外側で相殺的干渉を生じさせることができ、入射が該蛍光体により実質的に完全に消散されるようにする。

従って、当該蛍光体は前記光源装置からの実質的に全ての吸収光を光ルミネッセンスに変換するようになされ得る。このことは、電力効率が増加され、発熱が低下された効率的な照明デバイスをもたらす。

前記光源装置の構成は、前記第１及び第２ビームを前記蛍光体層の相反する側から該蛍光体層に垂直に向けるためのものとすることができる。この構成は、前記所望の逆方向の伝搬をもたらす。各ビームは、代わりに、当該蛍光体層に対して或る角度で導入することもできる。

当該デバイスは、前記逆方向に伝搬するビームの一方の他方に対する経路長（即ち、位相）を調整し、これにより前記逆方向に伝搬するビームの前記一方の位相を制御する位置決め装置を有することができる。当該蛍光体に当たる複数のコヒーレントなビームの位相関係を操作することにより、該蛍光体により消散されるポンピングされた光の量を、従って、生成される光ルミネッセンスの量を制御することが可能になる。

上記位置決め装置は、ピエゾステージ又は空間光変調器とすることができる。

他の構成例において、前記光源装置は単一のビームを発生し、当該デバイスは前記蛍光体層における該単一のビームが導入される側とは反対の側にダイクロイックミラーを有する。

この構成は、上記蛍光体の第１界面における入射励起ビームの反射部分と該ビームの上記ダイクロイックミラーにおける反射との間での相殺的干渉をもたらす。上記ダイクロイックミラーは、好ましくは、前記光源装置の出力の波長の光（即ち、ポンプ光）を反射するためのものである。

前記蛍光体層における前記単一のビームが導入される側に第２のダイクロイックミラーを設けることもでき、該第２のダイクロイックミラーは前記蛍光体層の光出力の波長の光を反射するためのものである。この第２の反射器は、変換された光が当該照明デバイスの一方の面から逃れるのを防止するために使用される。

前記光源装置の波長を調整するために同調器（tuner）を設けることができ、前記蛍光体層に出力される前記光源装置の入射角を制御するためにコントローラを使用することができる。

前記光源装置の波長を或る範囲にわたり変化させることにより、前記蛍光体による最大の吸収を達成することができる。上記同調器は、かくして、光ルミネッセンスの強度を制御するように動作することができる。

本発明による照明デバイスに使用するための好適な蛍光体は、ＹＡＧ、更に詳細には３.３％でドーピングされたCeYAGである。このような蛍光体の特定の例は、Philips Lumileds Lighting Companyにより市販されており、lumiramic（登録商標）なるブランド名で入手可能である。

本発明は、光出力を発生する方法であって、
光出力を発生するステップと、
蛍光体層をポンピング又は光励起するために該蛍光体層に前記光出力を導入するステップと、
前記蛍光体層外で前記光出力の相殺的干渉をもたらすステップと、
を有し、
前記蛍光体層が波長に関して第１波長にピーク吸収を持つ吸収スペクトルを有し、前記光出力が前記第１波長よりも大きな波長のピーク出力を有する方法も提供する。

図１は、本発明による照明デバイスの第１実施態様の概略図を示す。 図２は、本発明による照明デバイスの第２実施態様の概略図を示す。 図３は、本発明による照明デバイスの第３実施態様の概略図を示す。 図４は、本発明による照明デバイスの特定の実施態様における入射光の全吸収を達成するために考察される光学特性を示す。 図５は、ＣＰＡに適した波長で動作する場合の蛍光体層からの光ルミネッセンスの変調を説明するための種々の関数を示す。 図６は、ＣＰＡに適した波長で動作しない場合の蛍光体層からの光ルミネッセンスの変調を説明するための種々の関数を示す。

以下、本発明の実施態様を、添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明は、光励起蛍光体層を有し、該蛍光体層の外部で励起光の相殺的（弱め合う）干渉（destructive interference）を伴う照明デバイスを提供する。励起光源は、蛍光体のピーク吸収波長よりも大きな出力波長を有する。このことは、励起波長と発光波長との間の一層小さな差を可能にし、かくして、量子欠損（quantum deficit）から通常生じる発熱効果が低減される。

図１は、本発明の照明デバイスの第１実施態様を示す。

図１において、例えばレーザダイオードからの１対の単色光ビーム１ａ，１ｂは、厚さｄを有する蛍光体２の薄板材の２つの反対側面上に垂直に入射する等しい強度の第１及び第２の重なり合う共線的（即ち、コリメートされ平行な）で逆方向に伝搬するビームＩの形態で励起光を供給するように配されている。これらビームは、２つのビームを供給するためにビームスプリッタ及び反射器装置を備えて、同一の光源から発することができる。

ビームＩの各々は、部分的に反射される（Ｒ）と共に部分的に透過され（Ｔ）て、上記蛍光体により吸収される。吸収の後、該蛍光体は上記入射光に対して異なる波長の光Ｅを放出する。

上記２つの逆方向に伝搬するビームの位相を調整することにより、上記光源ビームのうちの第１のビームの反射された部分Ｒと、上記光源ビームのうちの第２のビームの透過された部分Ｔとの間で相殺的干渉が生じ、蛍光体２による吸収を改善する。

図示された垂直照明に代えて、上記２つの光源による斜めの照明（傾斜照明）も可能である。

この方法は、蛍光体による入射光の全吸収を制御するために二重ビーム照明を使用する。これら２つのビームの強度は同一に設定され、該２つのビームの一方のビームの位相は、例えばナノメータ精度の動きを持つ圧電アクチュエータ又は同様のデバイスにより外部的に制御される。

この位相制御は、入射光の吸収が、１００％と当該蛍光体の界面における屈折率の差（コントラスト）により決まる最小値との間で調整されることを可能にする。

相殺的干渉パターンは前記板材の外部で形成され得、そこでは前記第１ビームの反射部分Ｒが前記第２ビームの透過部分Ｔと干渉する。

当該層の厚さ及び励起光の波長は、完全な又は略コヒーレントな完全な吸収を達成するために所与の蛍光体のために調整される。利点は、当該波長を当該蛍光体が劣った吸収性のものとなる波長に選定することができることである。この波長は当該蛍光体の最大吸収の波長に対して赤方偏移させることができ、このことは発光の量子欠損の低減につながる。

図２は、単一の単色光ビーム１が薄い蛍光体板材２の第１面に励起光を供給するように配された第２実施態様を示す。入射ビームＩは、部分的に反射される（Ｒ）一方、当該蛍光体を介して部分的に透過される。上記ビームの透過された部分は、当該薄い蛍光体板材２における上記第１面とは反対側の第２面上に配設されたダイクロイックミラー３の表面に入射する。該ダイクロイックミラー３は、入射ビームＩの当該蛍光体を介して透過された波長においてのみ動作するように特別に選定されている。該ダイクロイックミラー３において反射される透過光は、図１の実施態様における第２の入射単色光源と実質的に同一の効果を有する。蛍光体の厚さｄの適切な値が選択されることを条件に、適切な位相差を生じさせることができ、ダイクロイックミラー３からの反射された透過ビームと当該薄い蛍光体板材２の第１面からの反射ビームＲとの間の相殺的干渉が達成される。

図３は、図２のものと実質的に同一であるが、第２ダイクロイックミラー４を含んだ第３実施態様を示す。この第２ダイクロイックミラー４は、当該蛍光体により放出される光Ｅの波長においてのみ動作するように特別に選定されている。

当該蛍光体は単一方向的に発光するものではないことが理解される。上記第２ダイクロイックミラーは、放出が望ましくない又は必要とされない方向に放出される放出光Ｅを反射する。結果的に、放出光Ｅの強度を選択方向において増加させることができる。

本発明の照明デバイスは、コヒーレント完全吸収（coherent perfect absorption）として知られている作用を利用する。２つの逆方向に伝搬する共線形ビームが空気中の板材に垂直に入射する場合におけるコヒーレント完全吸収（ＣＰＡ）のための理論的条件は、Y.D. Chong, L.Ge, H.Cao及びA. Douglas Stoneにより著されたPhysical Review Letters, 105, 053901 (2010)の論文“Coherent Perfect Absorbers: Time-Reversed Lasers”から既知であり、該論文に詳細に説明されている。

該作用は、空洞が入射光を完全に吸収するようにされることを可能にする。コヒーレント完全吸収は、入射光が空洞を特定のやり方で照射する場合に生じる。コヒーレント完全吸収は、指定された複素屈折率ｎ_ｍを持つ空洞媒体を作製し、該空洞を適切な計算可能な方法で照射することにより達成することができる。

コヒーレント完全吸収作用は、干渉及び吸収の相互作用から生じる。前述したように、図１の２チャンネル系では、第１入射ビームの反射部分が第２入射ビームの透過部分と相殺的に（弱め合うように）干渉し、及びその逆となる。特定の量の損失の存在の下では、入射光を吸収層に捕捉する干渉パターンが存在する。

本発明は、この理論の照明用途への適用に基づくもので、特に前述した量子欠損の問題に対処することにより電力効率を改善するものである。

前記文献“Coherent Perfect Absorbers: Time-Reversed Lasers”に説明されているように、波長と吸収体の厚さとの間には或る関係が存在する。このことは、ＣＰＡを達成するためのシステムパラメータを設計するために使用することができる。

ここで、詳細な例を、ルミラミック（Lumiramic：登録商標）（３.３％でのセリウムドーピングのＹＡＧ）の１１０ミクロン厚の板材を有する蛍光体板材に基づいて説明する。当該系の動作が、この蛍光体板材の設計で試験され、以下に提示される結果は、この分析に基づくものである。当該ルミラミック板材は、両面が化学機械的処理により研磨された。次いで、該サンプルの厚さが、ハイデンハインのＶＲＺ厚みゲージ装置により測定された。光学顕微鏡及びＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により、表面の特徴が明らかにされた。当業者であれば、記載される原理は他の既知の蛍光体及び蛍光体光源の組み合わせに適用することができることを理解し、更なる発明的思想を要せずに、そのようにする能力を有するであろう。

試験されたデバイスの構成は、実質的に図１に示され該図に関連して説明された通りである。この例は、本発明の全ての実施態様に関して制限しようとするものではない。

図１に示したもののような理想的な系は、完全に平らで平行な界面を持つ３層系、即ち、屈折率ｎ_０の２つの半無限媒体に埋め込まれた厚さｄで複素屈折率ｎの層、として説明することができる。この情報を用いれば、この系に対してＣＰＡが生じる波長を分析的に計算することができる。前述したY.D. Chong, L.Ge, H.Caoによる文献“Coherent Perfect Absorbers: Time-Reversed Lasers”Physical Review Letters, 105, 053901 (2010)に示されているように、解かなければならない方程式は、系の散乱行列の固有値を零に設定することにより得られ：
ここで、ｒ及びｔは、各々、当該３層系の反射及び透過係数である。
この結果：
が得られる。

式（２）において、ｎは当該蛍光体板材の屈折率であり、ｋは屈折率ｎ_０の周囲物質における波動ベクトルであり、ｄは該蛍光体板材の厚さであり、ｉは虚数単位である。
調査中のケースにおいて、当該層は空気中に埋め込まれているので、ｎ_０＝１である。

全ての固定の波長及び厚さの場合であって、弱く吸収する層の場合、式（２）は、概ね、複素屈折率の関数として解くことができる。従って、式（２）は、当該屈折率の実数及び虚数成分により定義される複素面内の曲線を定める。

図４の（ａ）は、連続した黒のラインにより、λ_CPA＝４９６nmの波長及び１１０ミクロンの層厚に対する計算の結果を示している。この固定された波長λ_CPAに関して、図４の（ａ）における黒のライン上の各点は異なる物質を表す。この図における十字印は４９６nmにおけるCeYAGの実及び虚屈折率に対応する。該十字印の実線との重なりは、CeYAGの１１０ミクロンの板材の場合、ＣＰＡ状態がλ_CPA＝４９６nmにおいて達成され得ることを示している。

図４の（ｂ）は、当該蛍光体層の屈折率の虚数成分４０を波長の関数として示すと共に、CeYAGの典型的に発光スペクトル４２も示している。最大の蛍光体層吸収は、４６０nmに見られる。

図４の（ｃ）は、当該蛍光体層の屈折率の実数成分を波長の関数として示している。

これらの測定は、複素屈折率値を導出するための偏光解析法を用いてなされた。図４の（ｂ）及び（ｃ）における十字印は、λ_CPA＝４９６nmにおけるCeYAG板材の屈折率を示している。

図４の（ｂ）は、サンプルのCeYAG板材のλ_CPAが、CeYAGの最大吸収の波長（λ_max＝４６０nm）より長い波長で、即ちCeYAGの吸収が低い波長で、達せられることを示している。前記ＣＰＡ状態を利用することにより、４９６nmにおける吸収は４６０nmにおけるよりも更に高くなり得る一方、量子欠損は、４９６nmで発光を励起する場合、３６％低減される。

吸収は、２つの入射ビームの間の相対位相φに影響を与えることにより１００％から最小まで変調することができる。光ルミネッセンス（ＰＬ）は、非線形現象を回避するために照明強度が十分に低い場合、同一の変調を有するであろう。

光ルミネッセンス変調は、吸収の変調を計算することにより決定することができる。ビームの各々におけるＩに等しい強度の場合、波長λ_CPAにおけるφの関数としての吸収は：
により与えられ、ここで、
である。

この計算は、理想的に平らで平行な界面を仮定している。従って、吸収度は１００％とＩ_０により与えられる最小値との間で変調することができる。当該板材と周囲の媒体との間の屈折率のコントラストが高いほど、達成することが可能な変調度が高くなる。一般性の喪失無しに、初期位相差は０に等しくとることができる。分析中のケースにおいて、強度の予測される変調度は：
により与えられ、２３.５％の値を有する。

図５は、CeYAG層からの光ルミネッセンスの測定された変調度を示す。当該蛍光体をポンピングするために使用された光源は波長λ_exp＝４９５.９nm（計算されたλ_CPAに非常に近い）を発生するAr-Krレーザである。

図５の（ａ）は、入射波長λ_exp＝４９５.９nmの場合の光ルミネッセンスの最大値の変調の測定値５０を２つの入射ビームの間の位相差φの関数として示す。該実験の変調度は２.３％に等しい。連続したライン５２は、これらの測定値のコサイン二乗タイプの関数との合致を示す。点線５４は、２つのビームが当該サンプルに別々に（位相が相関されないで）衝突する場合の光ルミネッセンスの最大値の和を示す。プロット５６は、４５７nm（λ_maxに非常に近い）の入射レーザ波長の場合の測定された光ルミネッセンスを示す。このプロットは、比較の目的で提示されたもので、従来最大の吸収及び発光を達成するために使用された波長を表す。

実験の変調度（Ｍ_exp＝２.３％）と、理論的な予測（Ｍ_calc＝２３.５％）との間には倍数１０の大きな差が存在する。式（３）により予測される理論的結果は、正確な単一の波長λ_CPAに対して及び完全に平らで平行な滑らかな界面に対してのみ有効である。当該蛍光体をポンピングするために使用された光源はAr-Krレーザであり、該レーザはλ_exp＝４９５.９nmのレーザ光を発生するために原子遷移を利用している。従って、このラインは当該理論において仮定される条件を満足するほど十分に鋭いと考えられる。

光学顕微鏡によれば、当該サンプルの表面上にはポンプ光の効率的な散乱を可能にするような寸法を持つ散乱体が視認される。これらの視認可能な散乱体はYAG:Ceを構成する結晶のエッジを異なる速度でエッチングする化学研磨の副産物である。斯かる散乱体の寸法は、数ミクロンの程度である。散乱体が存在しない領域では、ＡＦＭにより決定される表面の粗さは、３５nmの測定値となる。従って、表面粗さが、実験と計算との間の矛盾の主たる原因となる。より高い品質の機械研磨を実行すると共に、化学研磨を回避することにより、上記粗さは劇的に低減することができる。このようにして、散乱体の形成を回避して、当該サンプルをＣＰＡ理論により仮定される状態に近くすることができる。

スペクトルの測定と同時に、当該サンプルの一方の側からの全輝度がカメラにより記録された。図５の（ｂ）は、遠視野輝度の測定値を示す。図５の（ｂ）において、各点は、上記カメラにおける各ビームスポットの輝度の半値全幅にわたる平均の結果である。該輝度は、一方のビームの透過部分と他方のビームの反射部分との間の干渉の結果である。従って、該輝度は前記光ルミネッセンスに対して逆位相であることが予測される。即ち、当該層の外部に形成される干渉パターンが相殺的である場合（図５の（ｂ）における最小部）、エネルギは該層内に捕捉され、最終的に光ルミネッセンスに変換される（図５の（ａ）の光ルミネッセンス変調における最大部）。

一般的に（如何なる波長に対しても）、３層系の吸収率は転送行列法及び重ね合わせの原理により分析的に計算することができる。この方法は、λ_CPAとは異なる波長に対しても当該系の応答を計算することを可能にする。先ず、当該３層系の複素屈折率及び透過係数が、単一ビーム照明に関して光の進行方向を考慮に入れて計算される。これらから、当該系における複素電界の空間分布が評価される。これらのステップは、２つの逆方向伝搬ビームに関して別個に行われる。次いで、各位置において、上記２つのビームに関連する複素電界が加算される。この場合、当該層における吸収率は、全電界のモジュラス平方の積分を介して評価される。ＣＰＡ状態において、この計算は式（３）と同一の結果を生じる。

図５の（ｃ）において、連続したライン５８は、上記吸収率の計算を、λ_exp＝４９５.９nmの入射波長に関して２つのビームの間の位相差の関数として示している。結果としての吸収率は、λ_CPAとλ_expとの間の小さな差により、式（３）により予測されるもの（図示略）とは僅かに異なっている。図５の（ｃ）におけるライン６２は、４５７nmの入射波長（λ_maxに近い）に対する計算された吸収率を示している。この波長（ＣＰＡ状態から離れている）に対して、吸収率は単一のビームのものの約２倍である。λ_exp＝４９５.９nmの場合、４５７nm（λ_maxに近い）において得られる吸収率と比較して一層高い吸収率が達成され、このことは、ＣＰＡが量子欠損を低減するためのみならず、所与のサンプルが発生することができる最大の光ルミネッセンスの量及び吸収率を達成するためにも有益であることを意味する。

量子欠損を更に低減すると共に、発光のコヒーレント制御及び変調がλ≠λ_CPAに対しても可能であることを示すために、光ルミネッセンスの入射波長λ＝５１４nmに対するφの関数としての測定が、図６の（ａ）に示されている。

測定された値はプロット７０として示され、連続するライン７２は該測定された光ルミネッセンスのコサイン二乗関数との合致である。点線７４は、２つのビームが当該サンプルに別個に当たった場合の光ルミネッセンスの最大値の和を示す。当該光ルミネッセンスの実験の変調度は２.５％である。

図６の（ｂ）において、連続したライン７６は、φの関数としての５１４nmの波長に関して計算された吸収率である。理論との食い違いは、λ_CPAの場合と同様に表面粗さにより説明することができる。

５１４nmにおける測定値のプロットは、光ルミネッセンスをＣＰＡに対する条件の外側で変調することができることを示している。予測されるように、完全な吸収（４９６nm）の波長に対する光ルミネッセンスの強度は５１４nmに対するよりも高い。

ＣＰＡは、発光材料の厚さを小さく維持する助けにもなる。確かなことに、５１４nmにおけるＣＰＡのための条件は、１００％の吸収率が達成されるためにはYAG:Ceの厚さが３００ミクロンであることを課すが、この波長における単一ビーム照明による最大吸収率は９０％であり（第１界面における反射は相殺することができない）、５００ミクロンより大きな厚さを必要とする。

前述した詳細な分析は、２つの逆方向に伝搬する励起光ビームを用いる図１の構成に基づくものである。図２及び３の系の場合、分析は余り複雑ではなく、図２の３層系（空気−蛍光体−ミラー）又は図３の４層系（空気−ミラー−蛍光体−ミラー）に関する反射係数を計算すると共に、この反射係数を零に設定することを含むものである。これらの量に関する分析的表現は光学における基本的知識である。

当該系がどの様に動作するかについての直感的な説明に関しては、W. Wan, Y. Chong; L. Ge; H. Noh; A. D. Stone; H. Caoによる“Time Reversed Lasing and Interferometric Control of Absorption”, Science, 2011, 331, 889-892を参照されたい。

以上要約すると、本発明はYAG:Ceの薄いレーザにより放出される光の輝度の外部制御及び変調に基づくものである。該原理は、サンプル層の外部に相殺的干渉パターンを形成する、当該サンプルを照明する２つの逆方向に伝搬するビームの使用に基づいて示された。ポンプ光は当該蛍光体層に捕捉され、そこで最終的に吸収されて、効率的に変換される。ＣＰＡは、薄い層による入射光の全吸収を可能にし、従って、所与の発光サンプルにより発生される光の量の上限を確立する。発光に適用されるＣＰＡは、如何なる蛍光体変換発光デバイスに関しても電力効率における基本的要因を表す量子欠損の低減も可能にする。例示した系においては、３６％の低減が達成された。本発明は、完全なダウン変換が、材料を減少させて得られることを可能にする。

尚、当業者によれば、請求項に記載された本発明を実施するに際して、図面、当該開示内容及び添付請求項の精査から、開示された実施態様に対する種々の変形例を理解し、実施することができる。また、請求項において、“有する”なる文言は他の構成要素又はステップを排除するものではなく、単数形は複数を排除するものではない。また、特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。また、請求項における如何なる符号も、当該範囲を限定するものと見なしてはならない。

Claims (15)

1. 蛍光体層と、
   前記蛍光体層をポンピング又は光励起する光源装置であって、前記蛍光体層内を逆方向に伝搬する２つの単色光のビームを供給し、これにより前記蛍光体層外で前記光の相殺的干渉をもたらす光源装置と、
   を有する照明デバイスであって、
   前記蛍光体層は波長に関して第１波長にピーク吸収を持つ吸収スペクトルを有し、前記光源装置が前記第１波長よりも大きな第２波長のピーク出力を有する、照明デバイス。
2. 前記蛍光体層の材料、前記蛍光体層の厚さ及び前記励起の波長が前記光源装置の出力のコヒーレント吸収を達成するように選択される、請求項１に記載の照明デバイス。
3. 前記光源装置は等しい強度及び波長の第１及び第２ビームを発生し、前記光源装置は前記第１及び第２ビームを前記蛍光体層の相反する側から該蛍光体層に垂直に向けて該蛍光体層内で逆方向に伝搬させる、請求項１又は請求項２に記載の照明デバイス。
4. 前記逆方向に伝搬するビームの一方の他方に対する直線的配置を調整し、これにより前記逆方向に伝搬するビームの前記一方の位相を制御する位置決め装置を有する、請求項３に記載の照明デバイス。
5. 前記位置決め装置が圧電アクチュエータ又は空間光変調器である、請求項４に記載の照明デバイス。
6. 前記光源装置は単一のビームを発生し、前記蛍光体層内で逆方向に伝搬する前記２つの単色光のビームは、該蛍光体層における前記単一のビームが導入される側とは反対の側におけるダイクロイックミラーにより供給される、請求項１又は請求項２に記載の照明デバイス。
7. 前記ダイクロイックミラーは前記光源装置の出力の波長の光を反射するためのものである、請求項６に記載の照明デバイス。
8. 前記蛍光体層における前記単一のビームが導入される側に設けられた第２のダイクロイックミラーを更に有し、該第２のダイクロイックミラーは前記蛍光体層の光出力の波長の光を反射するためのものである、請求項６又は請求項７に記載の照明デバイス。
9. 前記光源装置の波長を調整する同調器を更に有する、請求項１ないし８の何れか一項に記載の照明デバイス。
10. 前記蛍光体層に出力される前記光源装置の入射角を制御するコントローラを更に有する、請求項１ないし９の何れか一項に記載の照明デバイス。
11. 前記光源装置がレーザダイオードである、請求項１ないし１０の何れか一項に記載の照明デバイス。
12. 光出力を発生する方法であって、
    光出力を発生するステップと、
    蛍光体層をポンピング又は光励起するために該蛍光体層に前記光出力を導入するステップと、
    前記蛍光体層内で逆方向に伝搬する２つの単色光ビームを供給し、これにより前記蛍光体層外で前記光出力の相殺的干渉をもたらすステップと、
    を有し、
    前記蛍光体層は波長に関して第１波長にピーク吸収を持つ吸収スペクトルを有し、前記光出力が前記第１波長よりも大きな波長のピーク出力を有する、方法。
13. 前記光出力のコヒーレント完全吸収を達成するために、前記蛍光体層の材料、前記蛍光体層の厚さ及び前記励起の波長を選択するステップを有する、請求項１２に記載の方法。
14. 等しい強度及び波長の第１及び第２ビームを発生するステップ、及び前記第１及び第２ビームを前記蛍光体層内で逆方向に伝搬するように指向させるステップを有する、請求項１２又は請求項１３に記載の方法。
15. 単一のビームを発生するステップ、及び該蛍光体層における前記単一のビームが導入される側とは反対の側におけるダイクロイックミラーを用いて反射を行うステップを有する、請求項１２又は請求項１３に記載の方法。