TWI384165B - 晶體光纖白光光源及其色溫調控方法 - Google Patents

晶體光纖白光光源及其色溫調控方法 Download PDF

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Description

晶體光纖白光光源及其色溫調控方法
本創作係關於一種白光光源，尤指一種晶體光纖白光光源及其色溫調控方法。
近年來光電產業不斷蓬勃發展，在影像顯示、訊號傳遞及照明等等，各方面都有長足的進步。
就照明而言，大部分照明需求的光源為白光光源。以往使用的鎢絲燈，因耗電量高且發光效率差而逐漸被淘汰。現今產生白光光源的方式種類很多，較常被使用的方式係利用藍光發光二極體(LED)為發光源，並在燈罩外緣鍍上黃色的螢光劑(yellow phosphors)。藉由藍光LED發出藍光，藍光通過燈罩時，黃色螢光劑吸收部份藍光後，產生與藍光為互補色的黃光。經由混色之後，即可產生白光。
然而，目前市面上販售的白光光源受限於藍光LED的發光面積太小，故而有發光率效偏低的問題。此外，此一類型之雙色混合白光光源，由於僅僅由兩個單色的光波組合而成，光譜分佈太過單調，導致其演色性係數(Color Rendering Index;CRI)較差，應用範圍有較大的侷限性。
例如印刷廠、紡織廠、飯店、商店、醫院、學校、精密加工、辦公大樓及住宅等等，對於照明光源演色性係數要求較高的場所，一般的白光LED照明燈具是無法滿足需求的。對於顏色檢查、臨床檢查及美術館照明等方面的應用，則對於光源的演色性係數的要求更高。
本發明之一目的，在於提供一種白光光源，尤指一種晶體光纖白光光源、其晶體光纖之製作方法及其色溫調控方法。
本發明之另一目的，在於提供一種晶體光纖白光光源，利用一激發光源提供第一色光，並激發一晶體光纖而產生第二色光及第三色光，藉以混合出具高演色性係數之白光。
本發明之又一目的，在於提供一種晶體光纖白光光源，利用一漸變折射率透鏡將激發光耦合至晶體光纖，可大幅提高發光亮度者。
本發明之又一目的，在於提供一種晶體光纖白光光源，其激發光源係為一藍光雷射二極體，提供藍光作為第一色光。
本發明之又一目的，在於提供一種晶體光纖白光光源，其晶體光纖係為一鈰釤釔鋁石榴石晶體光纖，可吸收部分藍光而產生黃光及紅光者。
本發明之又一目的，在於提供一種晶體光纖白光光源，其中該晶體光纖係可選擇為單層纖衣晶體光纖及雙層纖衣晶體光纖之其中之一，可利於與後端裝置耦光者。
本發明之又一目的，在於提供一種晶體光纖白光光源，其中該晶體光纖可依需求製作為錐狀纖心之晶體光纖。
本發明之又一目的，在於提供一種晶體光纖白光光源，其中該晶體光纖係可為釔鋁石榴石與稀土族氧化物共摻雜之晶體光纖。
本發明之又一目的，在於提供一種晶體光纖白光光源，其中該激發光源係可為倍頻雷射、雷射二極體及發光二極體之其中之一者。
本發明之又一目的，在於提供一種晶體光纖白光光源之色溫調控方法，其主要係調整激發光源在晶體光纖端截面上聚焦點的位置，而可調整產出光源之色溫者。
為達成上述目的，本發明提供一種晶體光纖白光光源，其主要係包含有：一激發光源，用以提供一第一色光為激發光；一晶體光纖，可吸收部份該第一色光而產生一第二色光及一第三色光；及一漸變折射率透鏡，用以將該第一色光耦合至該晶體光纖；其中，該第一色光、第二色光及第三色光係可混合為白光者。
本發明尚提供一種晶體光纖白光光源之色溫調控方法，包含有下列步驟：提供一激發光源，以產生一第一色光；提供一晶體光纖，用以吸收部份該第一色光而產生一第二色光及一第三色光，該第一色光、第二色光及第三色光可混合為白光；提供一漸變折射率透鏡，將該第一色光聚焦至該晶體光纖之端截面；及調整該第一色光聚焦點於該晶體光纖端截面上之位置，藉以調整所產生之白光之色溫。
請參閱第1圖，係本發明晶體光纖白光光源一實施例之示意圖。如圖所示，本發明之晶體光纖白光光源10主要包含有：一激發光源12、漸變折射率(Gradient Index;GRIN)透鏡14一及一晶體光纖16。
其中，該激發光源12係用以提供一激發光，在本發明中激發光需位於可見光範圍中，例如第一色光。而晶體光纖16則可吸收部份該第一色光，並產生一第二色光及一第三色光。藉由第一色光、第二色光及第三色光混合而可得到具有高演色性係數(Color Rendering Index;CRI)之白光。
在本實施例中，該激發光源12係選擇以藍光雷射二極體為例進行說明，該第一色光則為藍光。晶體光纖16可吸收部分藍光而產生第二色光及第三色光，例如黃光及紅光。其中，藍光與互補光黃光混合即可產生白光，在該白光中添加適當比例的紅光，則可提高該白光之演色性係數，藉以擴大該白光光源之應用範圍。
為了提高激發光源12與晶體光纖16之間的耦光效率，尚可於激發光源12與晶體光纖16之間設置一GRIN透鏡14，藉以將激發光聚焦至晶體光纖16端截面之預定位置，例如纖心161。利用GRIN透鏡14進行耦光，可大幅提高晶體光纖白光光源10所產出之白光亮度。
該激發光源12除了使用雷射二極體之外，尚可選擇倍頻雷射及發光二極體等，藉以提供高效率之激發光。
請參閱第2圖，係本發明晶體光纖20一實施例之構造示意圖。如圖所示，本發明之晶體光纖可依用途及後端元件選用雙層纖衣晶體光或單層纖衣晶體光纖。本實施例之晶體光纖係為一雙層纖衣晶體光纖20，其主要構造包含有：一纖心22、一內層纖衣24及一外層纖衣26。
其中，該纖心22係為一釔鋁石榴石(Yttrium Aluminum Garnet;YAG)與一第一稀土族氧化物及一第二稀土族氧化物共摻雜而形成之單晶棒，該內層纖衣24為纖心22材質與二氧化矽之共熔體，外層纖衣26則為二氧化矽包覆。
該第一稀土族氧化物與該第二稀土族氧化物係可選擇為氧化鈰(cerium oxide)、氧化鐠(praseodymium oxide)、氧化釤(samarium oxide)、氧化銪(europium oxide)及氧化鋱(terbium oxide)之其中二者。
當激發光照射到雙層纖衣晶體光纖20之纖心22或內層纖衣24時，其中之兩種稀土族離子可分別吸收部分激發光之第一色光而分別產生第二色光及第三色光，藉以混合成一高亮度白光。
以氧化鈰及氧化釤為例，當纖心22為氧化鈰、氧化釤與釔鋁石榴石共摻雜所形成之鈰釤釔鋁石榴石(Ce,Sm:YAG)單晶棒時，激發光藍光照射到雙層纖衣晶體光纖20之纖心22，纖心22中之鈰離子因吸收藍光而被激發，並放射出黃光，而釤離子則可吸收部分的黃光而放射出紅光。未被吸收的藍光與適量的黃光混合，可獲得高發光效率的白光光源，而適當的混入紅光，則可有效提高白光光源的演色性係數。
雙層纖衣晶體光纖20中，各部位之折射率相對關係為纖心折射率最大，內層纖衣之折射率次之，外層纖衣之折射率最小。利用各層間折射率的差異可達到全反射的作用，形成近似光波導的特性，可減少光線在傳播時產生的損耗，亦可提高自發輻射放大的作用。因此，利用本發明之雙層纖衣晶體光纖20，可具有較高的光轉換效率與發光效率。
請參閱第3圖，係本發明晶體光纖另一實施例之構造示意圖。本實施例之晶體光纖係為一單層纖衣晶體光纖30，其主要構造包含有：一纖心32及一外層纖衣34。
其中，該纖心32係為一釔鋁石榴石、一第一稀土族氧化物、一第二稀土族氧化物與二氧化矽之共熔體，外層纖衣為二氧化矽包覆。
該第一稀土族氧化物與該第二稀土族氧化物同樣可選擇為氧化鈰、氧化鐠、氧化釤、氧化銪及氧化鋱之其中二者。
單層纖衣晶體光纖30纖心32之折射率大於外層纖衣34之折射率，同樣可形成光波導特性，與上述雙層纖衣晶體光纖20同樣具有提高自發輻射放大之功效。惟，因構造上的不同，單層纖衣晶體光纖30可製造為具有較大直徑的纖心32，可應用於較大範圍之照明需求。
請參閱第4圖，係本發明晶體光纖之製作方法流程圖。以鈰釤釔鋁石榴石為例，本發明之晶體光纖之製作方法包含有下列步驟，首先提供一釔鋁石榴石單晶棒，並於該釔鋁石榴石單晶棒之側面蒸鍍氧化鈰及氧化釤，如步驟401。側鍍完成後，將該單晶棒以雷射加熱基座生長法(Laser-Heated Pedestal Growth method;LHPG)進行1：1縮徑比之提拉，令鈰離子與釤離子有效滲入單晶棒內部，形成鈰釤釔鋁石榴石單晶棒，如步驟403。
步驟401及403亦可直接以一鈰釤釔鋁石榴石塊材切割為單晶棒使用。
將鈰釤釔鋁石榴石單晶棒以雷射加熱基座生長法提拉為一適當直徑(例如70微米)之單晶棒，如步驟405，之後將該單晶棒置入一適當口徑(例如內徑76微米，外徑320微米)之玻璃毛細管中，如步驟407。
最後，將包覆於玻璃毛細管中之鈰釤釔鋁石榴石單晶棒以雷射加熱基座生長法，提拉為單層纖衣或雙層纖衣之形式，並具有目標直徑之晶體光纖，如步驟409。
其中，若製作為雙層纖衣晶體光纖形式，其纖心為共摻雜之鈰釤釔鋁石榴石，直徑約介於5微米至50微米之間。其內層纖衣為鈰釤釔鋁石榴石與二氧化矽之共溶體，直徑約為100微米。外層纖衣為二氧化矽包覆，直徑約為320微米。
若製作為單層纖衣晶體光纖形式，則其纖心為共摻雜之鈰釤釔鋁石榴石與二氧化矽之共溶體，直徑可依需求製作為介於10微米至300微米之間。外層纖衣為二氧化矽包覆，直徑可依需求製作為介於320微米至500微米之間。
請參閱第5圖，係本發明晶體光纖又一實施例之構造示意圖。在本實施例中，不論雙層纖衣晶體光纖52或單層纖衣晶體光纖54，皆可依需求製作為錐狀晶體光纖(tapered crystal fiber)。即其纖心521、541直徑由小而大或由大而小，可應用於具有不同耦光需求之前後端元件之間。
請參閱第6圖，係本發明晶體光纖白光光源另一實施例之示意圖。如圖所示，本發明之晶體光纖白光光源60應用於較大面積之照明需求時，可將複數個晶體光纖641聚集為一晶體光纖束(crystal fiber bundle)64，並令激發光源62產生之激發光照射於該晶體光纖束64之一端，藉由晶體光纖束64中多數的晶體光纖641產生白光光源，而可進行大面積的照明。
請參閱第7圖，係本發明晶體光纖白光光源之色溫調控示意圖。一般而言，暖色系(如黃色至橙色、紅色至紫紅色)在視覺感受上趨近於觀察者，具有溫暖感；寒色系(如藍紫色至藍色、藍綠色至黃綠色)在視覺感受上為遠離觀察者，具有清冷感。而光的色調(color tones)在運用上亦可令人產生不同的觀感。同樣的白光照明，其色溫(color temperature)的變化亦可影響觀察者的心理感受。
本發明之晶體光纖白光光源70亦具有可調控色溫之功能。
本發明晶體光纖白光光源70之色溫調控方法包含有下列步驟：首先，提供一激發光源72，藉以產生一第一色光。其次，提供一晶體光纖76，可吸收部份第一色光而產生一第二色光及一第三色光，藉以混合為白光。
提供一漸變折射率透鏡74，藉以將該第一色光聚焦至該晶體光纖76之端截面。再調整該第一色光之聚焦點在晶體光纖76端截面上之位置，藉由改變聚焦點與晶體光纖軸心767之相對位置，即可改變所產出白光之色溫。
其中，該晶體光纖76係為一釔鋁石榴石與一第一稀土族氧化物及一第二稀土族氧化物共摻雜之晶體光纖，可為單層纖衣或雙層纖衣形式之晶體光纖。
由於晶體光纖在製作過程中，其稀土族離子具有向單晶棒軸心767滲透之特性，造成晶體光纖76中，稀土族離子之濃度係由軸心767位置往外緣遞減。亦即軸心767處相對週圍的部分具有較高濃度的稀土族離子。
因此，當第一色光之聚焦點745完全落於纖心761的範圍中，或是涵蓋軸心767週邊最大的範圍時，由於稀土族離子濃度較高，可吸收較多的第一色光而產出較多的第二色光與第三色光。隨著第一色光聚焦點745往外圍移動，因稀土族離子濃度降低，通過晶體光纖76之第一色光強度增加，而第二色光與第三色光之強度減弱。藉由此一特性而可調整晶體光纖白光光源70所產出白光之色溫。
以藍光激發光、鈰釤釔鋁石榴石晶體光纖為例，當藍光激發光之聚焦點745靠近纖心761之中心部位時，亦即涵蓋軸心767週邊最大的範圍時，晶體光纖76對於藍光具有較高的吸收率，故藍光強度下降而黃光與紅光之強度增加，其產出之白光色溫較低。反之，當聚焦點745往軸心767之外緣移動時，晶體光纖76對於藍光之吸收率降低，故藍光強度增加而黃光與紅光之強度下降，故其產出之白光具有較高的色溫。
請參閱第8圖，係本發明晶體光纖白光光源之輸出頻譜圖及演色性係數關係圖。如圖所示，本發明之晶體光纖白光光源中，其產出之各色光之比例，以黃光於頻譜上之面積大於或等於藍光之6倍，紅光於頻譜上之面積大於或等於藍光之7倍為較佳，可獲得高演色性係數高達83以上之白光。
控制黃光於頻譜上之面積小於或等於藍光之20倍，可確保產出之白光為高亮度白光。於一適當條件下，本發明所產出之白光亮度可高達2.56×1010 cd/m2 。
上述各色光於頻譜上之面積，係將各色光分別藉由高斯公式擬合所獲得之曲線積分而得。詳細的實驗步驟及資料分析請參閱附件“High-Brightness White Light Point Source using Ce,Sm:YAG Crystal Fiber”,Yen-Sheng Lin et al,2009 Optical Society of America,JTHE39.pdf。
以上所述者，僅為本發明之實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵、方法及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10．．．晶體光纖白光光源
12．．．激發光源
14．．．GRIN透鏡
16．．．晶體光纖
161．．．纖心
20．．．雙層纖衣晶體光纖
22．．．纖心
24．．．內層纖衣
26．．．外層纖衣
30．．．單層纖衣晶體光纖
32．．．纖心
34．．．外層纖衣
52．．．雙層纖衣晶體光纖
521．．．纖心
54．．．單層纖衣晶體光纖
541．．．纖心
60．．．晶體光纖白光光源
62．．．激發光源
64．．．晶體光纖束
641．．．晶體光纖
70．．．晶體光纖白光光源
72．．．激發光源
74．．．GRIN透鏡
745．．．聚焦點
76．．．纖衣晶體光纖
761．．．纖心
767．．．軸心
第1圖：係本發明晶體光纖白光光源一實施例之示意圖。
第2圖：係本發明晶體光纖一實施例之構造示意圖。
第3圖：係本發明晶體光纖另一實施例之構造示意圖。
第4圖：係本發明晶體光纖之製作方法流程圖。
第5圖：係本發明晶體光纖又一實施例之構造示意圖。
第6圖：係本發明晶體光纖白光光源另一實施例之示意圖。
第7圖：係本發明晶體光纖白光光源之色溫調控示意圖。
第8圖：係本發明晶體光纖白光光源之輸出頻譜圖及演色性係數關係圖。
10．．．晶體光纖白光光源
12．．．激發光源
14．．．聚焦單元
16．．．晶體光纖
161．．．纖心

Claims (7)

  1. 一種晶體光纖白光光源之色溫調控方法，包含有下列步驟：提供一激發光源，以產生一第一色光；提供一晶體光纖，用以吸收部份該第一色光而產生一第二色光及一第三色光，該第一色光、第二色光及第三色光可混合為白光；提供一漸變折射率透鏡，將該第一色光聚焦至該晶體光纖之端截面；及調整該第一色光聚焦點於該晶體光纖端截面上之位置，藉以調整所產生之白光之色溫。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之色溫調控方法，其中該晶體光纖係為一釔鋁石榴石與一第一稀土族氧化物及一第二稀土族氧化物共摻雜之晶體光纖。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之色溫調控方法，其中該第一稀土族氧化物及第二稀土族氧化物係可選擇為氧化鈰、氧化鐠、氧化釤、氧化銪及氧化鋱之其中之二者。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之色溫調控方法，其中該激發光源係可選擇為一倍頻雷射、雷射二極體及發光二極體之其中之一。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之色溫調控方法，其中該晶體光纖係可選擇為一單層纖衣晶體光纖及雙層纖衣晶體光纖之其中之一，包含有一纖心及至少一纖衣。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之色溫調控方法，其中該第一稀土族離子與該第二稀土族離子之濃度係由該晶體光纖之軸心往外緣遞減。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之色溫調控方法，其中該第一色光、第二色光及第三色光係分別為藍光、黃光及紅光。
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