CN110872514A - 近红外发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种近红外发光装置，包括：导热基板；近红外发光层，设置于所述导热基板上，用于接收激发光并出射受激光，其中，所述近红外发光层包含具有Ce3+离子和Yb3+离子共掺杂的石榴石结构的荧光材料，Ce3+离子的掺杂浓度为0.1～1mol％，Yb3+离子的掺杂浓度为2～20mol％；以及漫反射层，夹设于所述导热基板与所述近红外发光层之间，用于反射所述近红外发光层出射的受激光。本发明的近红外发光装置发出亮度较高且均匀性较好的近红外光。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种近红外发光装置。
背景技术
随着社会的日益发展，人们对监控***的要求越来越高，但目前仍存在一个突出问题未得到很好的解决，即夜间的视频监控问题。为解决此问题，安防行业提出了很多方案，如主动监测***的LED(Light Emission Diode，发光二极管)红外、激光红外和被动红外监测***的热像仪及微光夜视等等。
目前，应用较广的主要是主动红外监测***，利用目标反射红外源，通过发光源主动照射红外光来实施监控的。该监测***中红外源至关重要，因为红外光的亮度决定了被监控物体的清晰程度，而红外光的光学扩展量决定了被监控的范围。LED红外的主要问题在于其光学扩展量较大，难以实现远距离红外监控，且LED红外光源为提高其亮度难以实现小型化；激光红外的主要问题在于激光相干性较强，出射光散斑现象严重。
发明内容
鉴于上述状况，有必要提供一种具有较高亮度且发光均匀性较好的近红外发光装置。
一种近红外发光装置，包括：导热基板；近红外发光层，设置于所述导热基板上，用于接收激发光并出射受激光，其中，所述近红外发光层包含具有Ce3+离子和Yb3+离子共掺杂的石榴石结构的荧光材料，Ce3+离子的掺杂浓度为0.1～1mol％，Yb3+离子的掺杂浓度为2～20mol％；以及漫反射层，夹设于所述导热基板与所述近红外发光层之间，用于反射所述近红外发光层出射的受激光。
本发明提供的近红外发光装置，通过石榴石结构中掺杂的Ce3+离子吸收光功率密度为10W/mm2以上的蓝色激发光，并将高亮度的蓝色激发光转化为郎伯分布的黄光，Ce3+离子发射的黄光通过能量传递给Yb3+离子，Yb3+离子发射具有高亮度的近红外受激光。且由于近红外受激光为朗伯分布，因此所述近红外发光装置发出的光的均匀性较好。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的近红外发光装置的结构示意图。
主要元件符号说明
| 近红外发光装置 | 100 |
| 导热基板 | 10 |
| 漫反射层 | 30 |
| 红外发光层 | 50 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似应用，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，图1为本发明一实施例提供的近红外发光装置100的结构示意图。所述近红外发光装置100包括导热基板10、漫反射层30以及近红外发光层50。所述导热基板10用于导热。所述红外发光层50设置于所述导热基板10上，用于接收激发光，并出射受激光。所述漫反射层30夹设于所述导热基板10与所述红外发光层50之间，用于反射所述近红外发光层50发射的近红外受激光。
所述导热基板10为热导率大于80W/mK的氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷或单晶硅片等。
具体地，所述红外发光层50用于接收高功率密度的蓝色激发光，并发射波长范围为800～1200nm的近红外受激光。其中，蓝色激发光的光功率密度为10W/mm2以上。所述红外发光层50包含具有三价铈离子(Ce3+)和三价镱离子(Yb3+)共掺杂的石榴石结构的荧光材料。其中，Ce3+离子用于吸收高功率密度的蓝光，并发射黄光；Ce3+离子发射的黄光通过能量传递给Yb3+离子，Yb3+离子发射波长大致为1081nm的近红外受激光。所述红外发光层50出射的受激光为郎伯分布，其均匀性较好。
优选地，石榴石结构选自钇铝石榴石YAG以及镥铝石榴石LuAG中的一种或两种。Ce3+离子和Yb3+离子共掺杂钇铝石榴石(YAG：Ce3+/Yb3+)的荧光材料，以及Ce3+离子和Yb3+离子共掺杂镥铝石榴石(LuAG：Ce3+/Yb3+)的荧光材料中，Ce3+离子的掺杂浓度为0.1～1mol％，Yb3+离子的掺杂浓度为2～20mol％。
YAG：Ce3+/Yb3+荧光材料以及LuAG：Ce3+/Yb3+荧光材料中，由于Ce3+离子跃迁吸收截面大，其激发态寿命为纳秒量级，使得YAG：Ce3+/Yb3+以及LuAG：Ce3+/Yb3+中的Ce3+离子能够吸收光功率密度为10W/mm2以上的蓝色激发光，且Ce3+离子所吸收的能量传递给Yb3+离子，促进Yb3+离子发射近红外受激光，从而将高亮度的蓝色激发光转化为郎伯分布的红外受激光，其光功率密度大大下降。同时，能够有效避免光饱和的问题，且保证高亮度近红外受激光发射。
优选地，所述红外发光层50为YAG：Ce3+/Yb3+荧光粉及/或LuAG：Ce3+/Yb3+荧光粉与玻璃粉混合烧结形成的荧光玻璃，或者为YAG：Ce3+/Yb3+荧光粉或LuAG：Ce3+/Yb3+荧光粉与陶瓷粉体烧结形成的单相陶瓷，或者为YAG：Ce3+/Yb3+荧光粉及LuAG：Ce3+/Yb3+荧光粉和第二相粘接剂混合烧结形成的复相陶瓷，或者为YAG：Ce3+/Yb3+或LuAG：Ce3+/Yb3+的单晶。其中，第二相粘接剂可以为氧化铝、氧化钇、氮氧化铝、镁铝尖晶石。
Ce3+离子掺杂LuAG(LuAG：Ce3+)更容易实现短波发射，波长越短能量越高，Ce3+离子所吸收的能量更容易传递给Yb3+离子，因此LuAG：Ce3+更适合共掺杂Yb3+发射红外受激光。
更优选地，所述红外发光层50包含Ce3+离子和Yb3+离子共掺杂镥铝镓石榴石LuAGG(LuAGG：Ce3+/Yb3+)的荧光材料。其中，镓(Ga)的掺杂浓度不超过30mol％，Ce3+离子的掺杂浓度小于0.5mol％，且Ce3+离子掺杂LuAGG(LuAG：Ce3+)的出射光波长为500nm以下。通过Ga来取代LuAG：Ce3+/Yb3+(即Lu3Al5O12：Ce3+/Yb3+)中Al的位置，用以调节Ce配位体的晶格环境，使Ce的发光波长变短。其中，Ga的掺杂量越高，Ce的发光波长越短，但Ga的掺杂浓度的提升，会降低Lu3Al5O12基质的导带底到Ce3+的5d1能级的相对位置，进而影响能量传递，容易造成在Lu3Al5O12：Ce3+/Yb3+在高功率密度蓝激光激发下出现发光饱和现象。经发明人研究，目前掺杂浓度不超过30mol％。
所述漫反射层30用于反射所述红外发光层50的出射光。蓝色激发光通过所述红外发光层50后，会有部分蓝光未被Ce3+离子吸收，因此，优选地，所述漫反射层30对蓝光具有反射作用。Ce3+离子发射的黄光，会有部分未通过能量传递给Yb3+离子，因此，优选地，所述漫反射层30对黄光具有反射作用。Ce3+离子发射的黄光传递给Yb3+离子后，Yb3+离子出射近红外受激光，因此，优选地，所述漫反射层30对近红外受激光具有反射作用。具体地，所述漫反射层30对波长在400～1200nm范围内的光都具有较强的反射。所述漫反射层30包括球状氧化钛粒子和棒状氧化钛粒子，其中球状氧化钛粒子的直径为0.1～0.5um，棒状氧化钛粒子的棒长为2～10um，棒状氧化钛粒子的直径为0.1～1um。其中，球状氧化钛粒子用于对位于可见区的光(波长范围400～800nm)进行反射。通过添加棒状氧化钛粒子，使得所述漫反射层30能够同时对位于可见区以及近红外区(波长范围800～1200nm)的光进行漫反射。
由于高折射率的氧化钛粒子对光的高效散射-折射效率，高浓度掺杂的氧化钛粒子会出现光遮蔽效应，从而降低反射率。通过在球状氧化钛和棒状氧化钛中掺杂少量的具有低折射率的亚微米-纳米级别的球状氧化铝粒子，同时结合玻璃粉粒径的选择和含量的调配，能够有效的减少光遮蔽效应，进而提升反射率。
具体地，所述漫反射层30为球状氧化钛粒子、棒状氧化钛粒子、球状氧化铝粒子以及玻璃粉混合烧结形成的无机漫反射层。其中，球状氧化铝粒子的粒径为0.01～0.5um，其折射率小于1.8。球状氧化钛粒子的含量为20～35％，棒状氧化钛粒子的含量为20～30％，玻璃粉的含量为20～30％，球状氧化铝粒子的含量为9～30％。优选地，球状氧化铝粒子的含量为10～20％。其中，玻璃粉的粒径小于3um。优选地，玻璃粉的粒径小于1um。通过调控氧化钛、玻璃粉以及具有低折射率的氧化铝的相对含量，保证粉体间混合均匀，即可防止氧化钛的团聚，进而减少光遮蔽效应。
制备所述漫反射层30时，首先将球状氧化钛粒子和球状氧化铝粒子按照比例加入有机载体中混合均匀形成浆料A，其次将棒状氧化钛粒子和球状氧化铝粒子按照比例加入有机载体中混合均匀形成浆料B，最后将浆料A和浆料B混合均匀形成漫反射浆料层。采用上述方法制备漫反射浆料层，可防止氧化钛粒子之间发生团聚，使得粉体间混合均匀。
所述漫反射层30还可为球状氧化钛粒子、棒状氧化钛粒子球状氧化铝粒子和有机硅胶混合加热固化形成的有机漫反射层。
实施例一
提供氮化铝导热基板。将含有球状氧化钛粒子、棒状氧化钛粒子、球状氧化铝粒子以及玻璃粉的漫反射浆料涂覆在所述氮化铝导热基板上。其中球状氧化钛粒子的含量为20～35％，棒状氧化钛粒子的含量为20～30％，玻璃粉的含量为20～30％，球状氧化铝粒子的含量为9～30％，且球状氧化钛粒子的粒径为0.1～0.5um，棒状氧化钛粒子的棒长为2～10um，棒状氧化钛粒子的直径为0.1～1um，球状氧化铝粒子的粒径为0.01～0.5um，玻璃粉的粒径小于3um。将漫反射浆料层在60～150℃下进行预烘干。将YAG：Ce3+/Yb3+荧光粉、玻璃粉以及有机载体按比例配置形成的荧光浆料涂覆在预烘干的漫反射浆料层上。其中YAG：Ce3+/Yb3+荧光粉中，Ce3+离子的掺杂浓度为0.1～1mol％，Yb3+离子的掺杂浓度为2～20mol％。将荧光浆料层在60～150℃下进行预烘干。最后，将预烘干后的涂覆有漫反射浆料层以及荧光浆料层的氮化铝导热基板置于高温炉中，在600～1000℃烧结形成所述红外发光装置。
实施例二
本发明实施例二提供的红外发光装置的结构以及制备方法与实施例一提供的红外发光装置的结构以及制备方法大致相同，其不同仅在于：实施例二提供的红外发光装置的近红外发光层的组分与实施例一提供的红外发光装置的近红外发光层的组分不同。
具体地，实施例二提供的近红外发光层包含LuAG：Ce3+/Yb3+荧光材料。YAG：Ce3+/Yb3+荧光材料中，Y3+的离子半径为101.9pm，而LuAG：Ce3+/Yb3+荧光材料中，Lu3+的离子半径为97.7pm，Yb3+的离子半径为98.5pm，即Lu3+的离子半径与Yb3+的离子半径相接近，且Yb3+的原子序数与Lu3+的原子序数相差1，因此，相较YAG：Ce3+/Yb3+荧光材料中的Y3+与Yb3+，LuAG：Ce3+/Yb3+荧光材料中的Yb3+与Lu3+的性质更为接近，因此，相较实施例一的近红外发光层，包含LuAG：Ce3+/Yb3+荧光材料的近红外层在光功率密度为10W/mm2以上的蓝光激光的激发下的热稳定性更好，提高了近红外荧光发射的可靠性。
实施例三
本发明实施例三提供的红外发光装置的结构以及制备方法与实施例一提供的红外发光装置的结构以及制备方法大致相同，其不同仅在于：实施例三提供的红外发光装置的近红外发光层的组分与实施例一提供的红外发光装置的近红外发光层的组分不同。
具体地，实施例三提供的近红外发光层包含LuAGG：Ce3+/Yb3+荧光材料，其中，镓(Ga)的掺杂浓度不超过30mol％，Ce3+离子的掺杂浓度小于0.5mol％。包含LuAGG：Ce3+/Yb3+荧光材料的近红外发光层的出射光波长为500nm以下，实现短波发射。
制备LuAGG：Ce3+/Yb3+荧光材料时，首先将氧化物原料Lu2O3、CeO2、Al2O3以及Ga2O3按照化学式[(Lu1-xCexYby)3(Al1-zGaz)5O12,0.001≤x≤0.005,0.02≤y≤0.2，z≤0.3]配比称重，其次，将各原料研磨混合均匀后压片成型，最后在1500～1800℃范围内烧结2～10小时以成形LuAGG：Ce3+/Yb3+荧光材料。
实施例四
提供氮化铝导热基板。提供YAG：Ce3+/Yb3+荧光陶瓷，或者提供LuAG：Ce3+/Yb3+荧光陶瓷。其中，Ce3+离子的掺杂浓度为0.1～1mol％，Yb3+离子的掺杂浓度为2～20mol％。将球状氧化钛粒子、棒状氧化钛粒子、球状氧化铝粒子以及硅胶按比例混合形成混合物涂覆在所述氮化铝导热基板上形成有机漫反射层。其中球状氧化钛粒子的粒径为0.1～0.5um，棒状氧化钛粒子的棒长为2～10um，棒状氧化钛粒子的直径为0.1～1um，球状氧化铝粒子的粒径为0.01～0.5um。将YAG：Ce3+/Yb3+荧光陶瓷或LuAG：Ce3+/Yb3+荧光陶瓷抛光减薄后，放置于有机漫反射层上，加热固化后形成所述近红外发光装置。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种近红外发光装置，其特征在于，包括：
导热基板；
近红外发光层，设置于所述导热基板上，用于接收激发光并出射受激光，其中，所述近红外发光层包含具有Ce3+离子和Yb3+离子共掺杂的石榴石结构的荧光材料，Ce3+离子的掺杂浓度为0.1～1mol％，Yb3+离子的掺杂浓度为2～20mol％；以及
漫反射层，夹设于所述导热基板与所述近红外发光层之间，用于反射所述近红外发光层出射的受激光。
2.如权利要求1所述的近红外发光装置，其特征在于，所述石榴石结构为钇铝石榴石及/或镥铝石榴石。
3.如权利要求2所述的近红外发光装置，其特征在于，所述近红外发光层为荧光玻璃、单相陶瓷、复相陶瓷或单晶。
4.如权利要求3所述的近红外发光装置，其特征在于，所述红外发光层为Ce3+离子和Yb3+离子共掺杂钇铝石榴石的荧光粉及/或Ce3+离子和Yb3+离子共掺杂镥铝石榴石的荧光粉与玻璃粉混合烧结形成的荧光玻璃。
5.如权利要求3所述的近红外发光装置，其特征在于，所述红外发光层为Ce3+离子和Yb3+离子共掺杂钇铝石榴石的荧光粉及Ce3+离子和Yb3+离子共掺杂镥铝石榴石的荧光粉和第二相粘接剂混合烧结形成的复相陶瓷。
6.如权利要求5所述的近红外发光装置，其特征在于，所述第二相粘接剂为氧化铝、氧化钇、氮氧化铝或镁铝尖晶石。
7.如权利要求1所述的近红外发光装置，其特征在于，所述石榴石结构为镥铝镓石榴石，其中，镓的掺杂浓度不超过30mol％，Ce3+离子的掺杂浓度小于0.5mol％。
8.如权利要求1所述的近红外发光装置，其特征在于，所述漫反射层包含球状氧化钛粒子和棒状氧化钛粒子，其中球状氧化钛粒子的直径为0.1～0.5um，棒状氧化钛粒子的棒长为2～10um，棒状氧化钛粒子的直径为0.1～1um。
9.如权利要求8所述的近红外发光装置，其特征在于，所述漫反射层还包含球状氧化铝粒子以及玻璃粉，其中球状氧化铝粒子的粒径为0.01～0.5um，球状氧化铝粒子的折射率小于1.8，玻璃粉的粒径小于3um，球状氧化钛粒子的含量为20～35％，棒状氧化钛粒子的含量为20～30％，玻璃粉的含量为20～30％，球状氧化铝粒子的含量为9～30％。
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