CN112130411B - 一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置 - Google Patents

一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，包括激光器、反射镜、荧光转换棒、散热基底；其中，激光器倾斜放置在荧光转换棒的右端面上方，激光器的出光方向与水平面的夹角为30～40°；反射镜位于荧光转换棒的右端面一侧，反射镜与荧光转换棒右端的距离为1.0mm～5.0mm，荧光转换棒呈圆柱状，左端面为抛光斜面，抛光斜面的方向与激光器的出光方向垂直；激光器和荧光转换棒内置在散热基底中，与散热基底紧密贴合，散热基底左端面为斜面，倾斜角度与荧光转换棒左端面的倾斜角度相同。本发明采用斜面抛光的光转换材料，打破了传统竖直抛光的光材料的全反射效应和发光对称性，极大地提高了光转换材料的绿光输出效率和光源的发光效率。

Description

一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置
技术领域
本发明涉及激光显示技术领域，具体涉及一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置。
背景技术
激光显示技术(Laser display technique,LDT)具有色彩丰富、饱和度高、对比度强等显著优势，被广泛认为是大屏幕投影、激光电视、手机投影等未来高端显示的主流技术。其色域覆盖率可以达到人眼所能识别色彩空间的90％以上，最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，称为“人类视觉史上的革命”。激光显示主要有投影式和扫描式两种形态，核心背光源主要为三基色光源，即蓝光、绿光、红光。其中，绿光具有最高的视见函数，对人眼在可见光范围内最敏感，在混合的过程中占据极其重要的位置。因此，高亮度绿光光源的合成技术和集成器件是获得高亮度激光显示光源必不可少的一环。
当前高亮度绿光光源的合成方式主要有两种：一种是多个绿光半导体激光器(LD)组合作为泵浦源模组，但由于LD固有的半导体材料发光属性，其电光转换效率也只有10％，接近500RMB/W绿光光源((NUGM03T,520nm)；另外一种为“LED/LD+光转换材料”的荧光转换合成技术，此方案结构简单，效率更高，成本较低，是当前高亮度绿光光源最佳合成方案。其一般采用低浓度掺杂的棒状荧光材料作为光转换材料，有利于解决光转换材料的“热猝灭”和“浓度猝灭”效应引起低转换效率的问题，极大提高器件的发光效率。文献1(Light-emitting diode pumped luminescent concentrators:a new opportunity for low-cost solid-state lasers)和文献2(基于Ce:YAG荧光晶体的高流明密度光源)均提出采用蓝光LED模组作为泵浦源对单晶片(棒)进行侧面泵浦。但存在一些难以避免的问题：1)蓝光LED作为目前固态照明中应用最广泛的泵浦源，其固有的效率骤降和功率密度低(<2W/mm2)的特征限制其集成化和小型化；2)采用LED侧面泵浦，蓝光均匀照射，这会导致远离输出端面的荧光再吸收，如文献3(Low Etendue Yellow-Green Solid-State Light Generationby Laser-pumped LuAG:Ce Ceramic)，同样存在类似的现象；3)两篇文献中均选择镀膜方案来提高蓝光的吸收率和黄光的利用率，成本较高。综合来看，采用LED侧面泵浦源和进一步对棒状材料镀膜的方式不是获得高亮度光源及实现产业化最有效的途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，包括激光器、反射镜、荧光转换棒、散热基底；其中，
所述激光器倾斜放置在荧光转换棒的右端面上方，所述激光器的出光方向与水平面的夹角为30～40°；所述反射镜位于所述荧光转换棒的右端面一侧，反射镜与荧光转换棒右端的距离为1.0mm～5.0mm，所述荧光转换棒呈圆柱状，左端面为抛光斜面，抛光斜面的方向与激光器的出光方向垂直；所述激光器和荧光转换棒均内置在所述散热基底中，与散热基底紧密贴合，所述散热基底左端面为斜面，倾斜角度与荧光转换棒左端面的倾斜角度相同。
优选的，所述激光器的出光方向与水平面的夹角为33.3°。
优选的，所述激光器入射至反射镜的表面的光斑半径为0.5mm～1.0mm。
优选的，所述反射镜的半径为6.0mm～10.0mm。
优选的，所述荧光转换棒的长度为20.0mm～200.0mm，右端面半径与所述反射镜的半径相同。
优选的，所述荧光转换棒为荧光单晶棒或透明荧光陶瓷棒。
优选的，所述荧光转换棒为Ce掺杂的LuAG材料，Ce的掺杂浓度为0.001at％～0.01at％。
优选的，所述荧光转换棒的透过率为80.0～84.8％。
激光器发射的激光光束经过反射镜的表面反射入射至荧光转换棒；荧光转换棒将入射的蓝光转换为绿光。由于荧光转换棒的界面反射和反射镜的镜面反射，大部分绿光均能从左端斜面射出。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.斜面抛光的棒状光转换材料极大地提高了光转换材料的绿光输出效率和光源的发光效率。斜面抛光的光转换材料打破了传统竖直抛光的光材料的全反射效应和发光对称性，更多的绿光可从侧面出射。
2.LD倾斜入射棒状光转换材料，避免陶瓷表面反射的激光损坏激光器；同时LD是偏振光，可利用布鲁斯特角入射光转换材料，降低反射损失，提高蓝光利用率，进而提高绿光光源的发光强度。
3.陶瓷端面小，可输出高亮度绿光：即在保持高效率的前提下，可获得低光学扩展量的高亮度绿光光源。
4.以反射镜替换镀膜方案，显著降低了绿光光源成本，有利于绿光光源器件的产业化。
附图说明
图1为本发明的一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置示意图；
图中，10激光器、20反射镜、30荧光转换棒、40散热基底。
图2为本发明的一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源光路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，如图1所示，包括激光器10、反射镜20、荧光转换棒30、散热基底40；其中，
所述激光器10倾斜放置在荧光转换棒30的右端面上方，所述激光器10的出光方向与水平面的夹角为30°，激光器10入射至反射镜20的表面的光斑半径为0.5mm；反射镜20位于荧光转换棒30的右端面一侧，反射镜20的半径为6.0mm，反射镜20与荧光转换棒30右端的距离为1.0mm，所述荧光转换棒30呈圆柱状，左端面为抛光斜面，抛光斜面的方向与激光器的出光方向垂直，即抛光斜面与水平面的夹角为60°，右端面半径为6.0mm，长度为20.0mm；激光器10和荧光转换棒30内置在散热基底40中，与散热基底40紧密贴合，所述散热基底40左端面为斜面，斜面与水平面的夹角也为60°。
本实施例中，所述荧光转换棒30为Ce掺杂的LuAG单晶材料，掺杂浓度为0.001at％，透过率为80.0％。
上述基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源光路图如图2所示。激光器10发射的激光光束经过反射镜20的表面反射入射至荧光转换棒30；荧光转换棒30将入射的蓝光转换为绿光。由于荧光转换棒30的界面反射和反射镜20的镜面反射，大部分绿光均能从左端斜面射出。当激光器10输出的蓝光功率为10W时，在左端面测得绿光光源的光通量为2000lm，发光效率高达200lm/W。
实施例2
一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，包括激光器10、反射镜20、荧光转换棒30、散热基底40；其中，
所述激光器10倾斜放置在荧光转换棒30的右端面上方，所述激光器10的出光方向与水平面的夹角为40°，激光器10入射至反射镜20的表面的光斑半径为1.0mm；反射镜20位于荧光转换棒30的右端面一侧，反射镜20的半径为10.0mm，反射镜20与荧光转换棒30右端的距离为5.0mm，所述荧光转换棒30呈圆柱状，左端面为抛光斜面，抛光斜面的方向与激光器的出光方向垂直，即抛光斜面与水平面的夹角为50°，荧光转换棒30的长度为200.0mm，右端面半径为10.0mm；激光器10和荧光转换棒30内置在散热基底40中，与散热基底40紧密贴合，所述散热基底40左端面为斜面，斜面与水平面的夹角也为50°。
本实施例中，所述荧光转换棒30为Ce掺杂的LuAG透明陶瓷材料，掺杂浓度为0.01at％，透过率为84.8％。
上述基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源光路图如图2所示。激光器10发射的激光光束经过反射镜20的表面反射入射至荧光转换棒30；荧光转换棒30将入射的蓝光转换为绿光。由于荧光转换棒30的界面反射和反射镜20的镜面反射，大部分绿光均能从左端斜面射出。当激光器10输出的蓝光功率为10W时，在左端面测得绿光光源的光通量为1890lm，发光效率高达189lm/W。
实施例3
一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，包括激光器10、反射镜20、荧光转换棒30、散热基底40；其中，
所述激光器10倾斜放置在荧光转换棒30的右端面上方，所述激光器10的出光方向与水平面的夹角为33.3°，所述激光器10入射至反射镜20的表面的光斑半径为0.8mm；所述反射镜20位于荧光转换棒30的右端面一侧，反射镜20的半径为6.0mm，反射镜20与荧光转换棒30右端的距离为2.0mm；所述荧光转换棒30呈圆柱状，左端面为抛光斜面，抛光斜面的方向与激光器的出光方向垂直，即抛光斜面与水平面的夹角为56.6°长度为50.0mm，荧光转换棒30的右端面半径为6.0mm；激光器10和荧光转换棒30内置在散热基底40中，与散热基底40紧密贴合，所述散热基底40左端面为斜面斜面与水平面的夹角为56.6°。
本实施例中，所述荧光转换棒30为Ce掺杂的LuAG透明陶瓷材料，掺杂浓度为0.004at％，透过率为84.0％。
上述基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源光路图如图2所示。激光器10发射的激光光束经过反射镜20的表面反射入射至荧光转换棒30；荧光转换棒30将入射的蓝光转换为绿光。由于荧光转换棒30的界面反射和反射镜20的镜面反射，大部分绿光均能从左端斜面射出。当激光器10输出的蓝光功率为10W时，在左端面测得绿光光源的光通量为2200lm，发光效率高达220lm/W。

Claims (8)

1.一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，其特征在于，包括激光器(10)、反射镜(20)、荧光转换棒(30)、散热基底(40)；其中，
所述激光器(10)倾斜放置在荧光转换棒(30)的右端面上方，所述激光器(10)的出光方向与水平面的夹角为30～40°；所述反射镜(20)位于荧光转换棒(30)的右端面一侧，反射镜(20)与荧光转换棒(30)右端的距离为1.0mm～5.0mm，所述荧光转换棒(30)呈圆柱状，左端面为抛光斜面，抛光斜面的方向与激光器的出光方向垂直；所述激光器(10)和荧光转换棒(30)均内置在散热基底(40)中，与散热基底(40)紧密贴合，所述散热基底(40)左端面为斜面，倾斜角度与荧光转换棒(30)左端面的倾斜角度相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，其特征在于，所述激光器(10)的出光方向与水平面的夹角为33.3°。
3.根据权利要求1所述的一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，其特征在于，所述激光器(10)入射至反射镜(20)的表面的光斑半径为0.5mm～1.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，其特征在于，所述反射镜(20)的半径为6.0mm～10.0mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，其特征在于，所述荧光转换棒(30)的长度为20.0mm～200.0mm，右端面半径与所述反射镜(20)的半径相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，其特征在于，所述荧光转换棒(30)为荧光单晶棒或透明荧光陶瓷棒。
7.根据权利要求1所述的一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，其特征在于，所述荧光转换棒(30)为Ce掺杂的LuAG材料，Ce的掺杂浓度为0.001at％～0.01at％。
8.根据权利要求1所述的一种基于棒状光转换材料的高亮度绿光光源装置，其特征在于，所述荧光转换棒(30)的透过率为80.0～84.8％。
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