CN103733363A - 波长转换体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于从入射到波长转换体（1）中的初级光（P）中产生波长转换的光（S）的波长转换体（1），所述波长转换体具有对于初级光（P）和波长转换的光（S）而言透光的光导体（2）和具有至少一种发光材料的发光材料体（6），其中光导体（2）与至少一种发光材料体（6）单块地连接。本发明还涉及一种用于制造波长转换体（1；11）的方法。

Description

波长转换体及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于从入射到波长转换体中的初级光中产生波长转换的光的波长转换体。本发明还涉及一种用于制造波长转换体的方法。

背景技术

在LARP（“激光激励的远程磷光体Laser Activated RemotePhosphor”，激光激励的发光材料）应用中，借助于具有初级光的激光辐照发光材料（英语为“Phosphor（磷光体）”）。发光材料将初级光的至少一部分转换成波长转换的光，典型地转换成具有较大波长（“下转换”）的光。初级光和波长转换的光之间的能量差异作为“斯托克斯热量”输出，这导致发光材料的加热。所述发光材料的加热又能够导致波长转换的光的波长或峰值波长的移动（“斯托克斯转移”），导致量子效率的下降（“量子退化”）并且导致使用寿命下降。

使发光材料更好地退热的可能途径在于将发光材料定位在转动的发光轮的窗口中，其中窗口能够被激光辐照。通过周期地将窗口转入或转出穿过激光束对时间平均的辐照进而限制放热。然而，色彩轮的应用是相对耗费的，效率低的并且不能够实现连续地产生波长转换的光。

另一可能途径在于通过在发光材料和冷却体之间提供低的热阻来改进发光材料的散热。例如，发光材料能够嵌入到水玻璃中。发光材料层也构成为尽可能薄的。在此，发光材料层位于激光和冷却体之间并且本身为热阻挡部。

发明内容

本发明的目的是：至少部分地克服现有技术的缺点并且尤其提供一种波长转换体，所述波长转换体将发光材料的良好的退热与高的光输出结合在一起。

本发明的目的根据独立权利要求的特征来实现。优选的实施形式尤其能够由从属权利要求中得出。

所述目的通过一种波长转换体（即用于从入射到波长转换体中的初级光中产生波长转换的光的本体）来实现，所述波长转换体具有对于初级光和波长转换的光而言透光的光导体或光导区域和具有至少一种发光材料的发光材料体或发光材料区域，其中光导体与发光材料体单块地连接。

通过单块的连接提供尤其稳定的波长转换体，所述波长转换体此外在一侧的光导体和另一侧的至少一个发光材料体之间不再具有热阻或者不再具有显著的热阻。光导体能够用作为热导体或冷却体，使得也能够以相同的效率冷却至少一个发光材料体。因为光导体对于初级光还有波长转换的光而言是透光的，所以光导体能够设置在射出初级光的光源和至少一个发光材料体之间。由此，至少一个发光材料体的发光材料不用作为热阻挡物，这进一步简化了热限制。因此特别地，初级光能够射入到光导体中并且由光导体导向至少一个发光材料体。在那里，初级光至少部分地进行波长变换或者波长转换，并且后续地至少将波长转换的光再从光导体中进而从波长转换体中耦合输出。

光导体尤其对于初级光和/或波长转换的光而言是透明的。

至少一个发光材料体可以具有一种或多种发光材料。多种发光材料例如能够将初级光变换成不同颜色的波长转换的光（例如具有不同的峰值波长）。因此，至少一个发光材料体在一个改进形式中可以是尤其具有刚好一种发光材料的刚好一个发光材料体。所述改进形式尤其可以适合于：将蓝色的初级光部分地转换或变换成黄色光进而产生蓝色/黄色的混合光，所述混合光整体上具有白色。但是例如也可行的是，存在多个发光材料体，所述发光材料体具有不同的发光材料，因为因此能够抑制发光材料的相互影响。

发光材料能够在下文中尤其理解为下述发光的材料，所述发光的材料包含一种或多种主晶格以及结合到其中的活化剂并且必要时也包含感光剂。发光材料的结构和作用方式是众所周知的并且在此不需要进一步详述。为了产生发光材料体能够将（即例如具有自身的主晶格的）发光材料本身添加给基本材料。也能够添加活化剂，所述活化剂嵌入到作为主晶格的发光材料体的基本材料的晶格中。下面，能够将发光材料理解为至少一种活化剂或活化元素。如果没有明确地另作详述的话，尤其能够根据上下文将发光材料理解为嵌入主晶格中的活化剂或活化剂本身（或者其原料）。发光材料此外能够具有至少一种感光剂（或者其原料）。

通常，也能够将光导体和至少一个发光材料体理解和称作为波长转换体的至少一个发光材料区域或光导区域。

光导体尤其能够是基于内部的全反射来导光的本体（TIR本体）。

光导体例如能够以聚光器的形式存在，尤其以CPC（“CompoundParabolic Concentrator”，复合抛物面聚光器）本体的形式存在。

一个设计方案是：光导体具有用于初级光的入射的光入射表面和用于波长转换的光的出射的光出射表面，并且至少一个发光材料体以光学上连接在光入射表面下游的方式设置。因此初级光首先射入到光入射表面中，穿过光导体导向至少一个发光材料体，在那里借助于至少一种发光材料至少部分地变换成波长转换的光，并且至少波长转换的光在光出射表面处耦合输出。至少一个发光材料体以光学上连接在所述光入射表面下游的方式设置的内容包括：至少一个发光材料体与光入射表面间隔开地设置。这又辅助有效的光耦合输出。

对于光导体以CPC形的本体形式存在的情况而言，一个优选的改进形式是：光入射表面对应于两个覆盖面的较大的覆盖面并且至少一个发光材料体设置在两个覆盖面的较小的覆盖面上。

另一设计方案是，光入射表面和光出射表面至少局部地一致并且至少一个发光材料体与光入射表面相反地设置。由此，提供尤其简单构成的并且鲁棒的光导体进而也提供波长转换体。光入射表面和光出射表面的一致的区域也能够称作为光透射面。光入射表面和至少一个发光材料体尤其能够存在于光导体的相对置的端部处，这实现对至少一个发光材料体的简单的造型和用初级光进行有效的辐照。

对于光导体以CPC形的本体的形式存在的情况而言，一个优选的改进形式是：光透射表面对应于两个覆盖面的较大的覆盖面并且至少一个发光材料体设置在两个覆盖面的较小的覆盖面上或设置在其一部分上。

另一设计方案是，至少一个发光材料体通过（外部的）反射的覆盖件所覆盖。由此确保，波长转换的光完全地回到光导体中，使得波长转换的光的光输出是高的并且尤其能够以高的输出穿过光透射面进行辐射。

反射的覆盖件能够是镜面反射的或漫反射的。漫反射的覆盖件提供防止无尽通道的优点。那么在波长转换体中不存在闭合的光路，因为漫反射破坏所述光路。此外，这种反射器的热学连接是不重要的，因为其不具有光学活性的材料。

另一设计方案是，镜面反射的反射器借助于反射层形成。例如，镜面反射的反射器能够借助于施加、尤其是蒸镀金属的或介电的镜层来形成。

另一设计方案是，漫反射的反射器具有嵌入接合剂或基体中的强散射的材料，例如二氧化钛。

对于光导体和至少一个发光材料体之间的机械稳定的且光学可穿透的连接而言通常有利的改进形式是本体具有相同的基本材料。特别地，光导体由基本材料（不具有发光材料）构成并且至少一个发光材料体由用发光材料替代的基本材料构成。因此，尤其能够在本体之间的边界面处在烧结时抑制或者甚至完全地避免材料不匹配。

此外，一个设计方案是，光导体（或光导区域）和至少一个所述发光材料体（或发光材料区域）是基于石榴石的本体（或区域）或者包含基于石榴石的本体。基于石榴石的本体能够透光地、尤其透明地（无散射地）制造，并且此外目的明确地设有发光材料或用发光材料替代。特别地，基于石榴石的本体能够用发光材料的活化剂掺杂，其中基本材料（石榴石或似石榴石）提供主晶格。基于石榴石的本体此外是良好导热的。基于石榴石的本体能够除通过单晶生长之外有利地也通过烧结来制造。

基于石榴石的一种或多种本体的基本材料尤其可以具有YAG、YAGaG、LuAG或LuAGaG等。

另一设计方案是，光导体是（透光的）陶瓷光导体并且至少一个发光材料体具有至少一个陶瓷的发光材料体。陶瓷是良好导热的并且鲁棒的。

此外，一个设计方案是，光导体和至少一个发光材料体是相互嵌合（aufgesprengte）的本体。在此，波长转换体尤其能够通过下述方式来制造：光导体和至少一个发光材料体分开地制造，将这些本体的相应的接触表面弄平滑并且将光导体和至少一个发光材料体聚集到光导体和至少一个发光材料体的接触面上。

一个改进形式是，将两个要合并的接触面或小平面平坦化，尤其是平面地抛光。当将所述接触面聚集得极其近时，使用基于范德瓦耳斯力的本体的结合（所谓的“真空焊接”）。为了辅助结合，能够事先至少部分地借助于用于形成极其薄的层（理想地为单层）的不同材料对接触面覆层，所述极其薄的层的外侧包含高密度的氢原子。如果将所述被覆层的侧彼此叠加并且加热，那么形成氢桥。该方法称作“氢键结合”。在这两种情况下，结合的本体实际上是单块的。

另一改进形式是，将至少一个烧结的发光材料体嵌合到单晶生长的光导体上。此外一个改进形式是，将至少一个单晶生长的发光材料体嵌合到单晶生长的光导体上。

一个替选的设计方案是，光导体和至少一个发光材料体是共同烧结的烧结体或者包含共同烧结的烧结体。在烧结中能够放弃平坦化。

该制造尤其能够具有下述步骤：将由光导体的或至少一个发光材料体的坯体构成的泥浆填入到模具中；后续地将由相应另外的本体的坯体构成的泥浆填入到模具中；以及烧结已组合的坯体。

特别地，这种波长转换体能够在烧结之前通过结合坯体来得到。如果为此例如将泥浆浇注到模具中，那么有利地首先将（尤其薄的）层由借助至少一个发光材料体的发光材料（具有或者没有主晶格的活化剂）或者借助发光材料原料替代的坯体材料填充和干燥。剩余的模具接下来能够至少部分地用未掺杂的或无发光材料的坯体材料填充。填充泥浆的顺序不受限制并且首先通过波长转换体的模具来确定。接下来致密烧结如此得到的（整个）坯体。作为产物得到具有光导体的波长转换体，至少一个薄层的发光材料体单块地与所述光导体连接。

另一优选的设计方案是，光导体和至少一个发光材料体是基于氮化物的本体或者包含基于氮化物的本体。基于氮化物的陶瓷具有作为主组成部分的氮，例如AlN、SiN或AlSiN。基于氮化物的陶瓷具有能够以透光的、例如半透明的变型形式制造的优点。

一个尤其优选的设计方案是，至少光导体由塞隆陶瓷构成。塞隆陶瓷是由Si₃N₄、Al₂O₃以及AlN（SiAlON）构成的混合陶瓷。塞隆陶瓷相对于纯的基于氮化物的陶瓷具有改进的烧结特性，尤其是在大气压强下的较低的烧结温度。此外由于其可透光性，在此在塞隆陶瓷的不同的改型中优选为所谓的α塞隆陶瓷。因此，在以例如1950℃烧结时在氮气环境中由坯体制造密封的、透明的陶瓷。

尤其优选的是具有相对低份额Al₂O₃的塞隆陶瓷。

坯体能够具有烧结辅助材料，例如基于碱土金属和/或稀土。

此外，一个设计方案是，至少一种发光材料具有活化剂或活化元素Eu、Ce、Yb、Mn和/或Nd。所述活化剂能够无问题地嵌入并且刚好掺杂到多个陶瓷和基于石榴石的本体中。因此，Eu典型地得出琥珀色的波长转换的光并且Ce得出黄色的波长转换的光的发射。黄色的波长转换的光例如也从Eu、Yb和Mn中得出。

例如能够将基于石榴石的本体本身用作为主晶格和用至少一种活化剂、尤其是Ce替代、尤其是掺杂，例如成为YAG：Ce。

为了将发光材料引入到烧结的陶瓷体中，例如能够将适当的原料、例如发光材料的氧化物、氮化物或氟化物添加给坯体。例如，在塞隆陶瓷中，如果将Eu设作为活化剂，那么能够实现将相应的氧化物（Eu₂O₃、......）、氟化物（EuF₃）或氮化物（EuN）等添加至坯体。在烧结过程期间，将Eu作为活化剂还原等并且在制成的陶瓷体中作为Eu2+存在。类似地，例如能够引入Ce3+、Yb2+、Mn2+等作为活化剂。塞隆陶瓷、尤其是α塞隆陶瓷本身也能够已经是波长转换的材料。在陶瓷中能够将活化剂嵌入到陶瓷的作为主晶格的晶格中，或者将（制成的）发光材料（或者在烧结之前等，尤其也是适当的原料）添加给陶瓷，所述发光材料具有或产生自身的主晶格。

然而，本发明不受限制于光导体和至少一个发光材料体构成为塞隆陶瓷的系统。因此，光导体可以仅由塞隆陶瓷构成并且至少一个发光材料体由另外的基于氮化物的陶瓷构成。在此充分利用非常小的基于氮化物的陶瓷的晶格错配。

优选的是，用发光材料掺杂或替代的基于氮化物的陶瓷材料具有用Ca作为活化剂而替代的AlSiN或SiAlN，尤其是具有CaAlSiN或CaSiAlN。

附图说明

本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现上述内容的方式和方法更明白且更清楚地结合实施例的下面示意的描述来理解，结合附图详细阐明所述实施例。在此，为了概览，相同的或起相同作用的元件设有相同的附图标记。

图1以剖面图示出根据第一实施例的波长转换体的侧视图，以及

图2以剖面图示出根据第二实施例的波长转换体的侧视图。

具体实施方式

图1以剖面图示出根据第一实施例的波长转换体1的侧视图。波长转换体1用于从入射到波长转换体1中的初级光P中产生波长转换的光。初级光P例如能够是通过激光器产生的激光或者通过发光二级管产生的窄带宽的光。然而，产生初级光P的光源的类型原则上是不受限的并且例如也可以包括具有或不具有设置在下游的过滤器的宽带宽辐射的光源，或者具有线性发射或扩宽压强的波长发射范围的放电灯。也能够应用微粒束辐射器（例如电子束或离子束）。

波长转换体1具有对于初级光P可透射的、尤其是透明的光导体2。光导体2在此具有带有较大的覆盖面3、较小覆盖面4和侧向的侧表面5的截锥的形状。较大的覆盖面3用作为用于初级光P入射的光入射表面。光导体2构成为TIR本体，使得在较大的覆盖面3上入射的初级光P直接地或借助于内部的全反射导向较小的覆盖面4。

较小的覆盖面4用发光材料体6占据，其中光导体2和发光材料体6彼此单块地连接。发光材料体6构成为由透光的基本材料构成的薄的、片形的本体，所述基本材料例如用Eu或Ce作为活化剂替代。因此，初级光P渗入到发光材料体6中并且在那里至少部分地转换成波长转换的（次级）光S。因此，发光材料体6以光学上连接在用作为光入射表面的较大的覆盖面3的下游的方式设置、即在此与较大的覆盖面3相反地设置。

为了至少能够目的明确地利用波长转换的光S，通过呈在外部施加到发光材料体6上的金属层的形式的镜面反射的覆盖件7覆盖发光材料体6。如果波长转换的光S和必要时初级光P无论如何已经从发光材料体6中直接地放射到光导体2中，那么所述光借助于反射的覆盖件7向回反射到光导体2中。光导体2也对于波长转换的光S也是透光的，尤其是透明的。从发光材料体6中穿过较小的覆盖面4到达到光导体2中的光能够在较大的覆盖面3上从光导体2中耦合输出。因此，较大的覆盖面3也用作为光出射表面进而也用作为组合的光透射面。由于较大的覆盖面3和发光材料体6的相反的布置，发光材料体6不妨碍波长转换的光S从波长转换体1中耦合输出。

光导体2和发光材料体6在此纯示例地构成为基于石榴石的本体，所述光导体和发光材料体的区别尤其在于：发光材料体6用例如Ce或Eu活化的发光材料掺杂或替代。光导体2和发光材料体6例如能够通过烧结或嵌合彼此连接。在嵌合的情况下，光导体的较小的覆盖面4和发光材料体6的朝向较小的覆盖面4的一侧被平坦化并且作为接触面彼此连接。在利用泥浆作为坯体进行烧结的情况下，在制造方面有利的是，为了制造发光材料体6首先填入泥浆。

图2以剖面图示出根据第二实施例的波长转换体11的侧视图。波长转换体11类似于波长转换体1构成。然而，光导体12现在至少接近具有较大的覆盖面13、较小覆盖面14和外表面15的CPC形状。发光材料体16也在此作为薄的、片状的本体设置在较小的覆盖面14上并且与光导体12单块地连接。

反射覆盖件17在此构成为漫反射的覆盖件17，以便避免波长转换体11中的无尽光路。覆盖件17例如能够具有漫反射的TiO₂，所述漫反射的TiO₂作为填充材料包含在适当的接合材料中、例如硅树脂。

光导体12和发光材料体16在此构成为塞隆陶瓷体，所述光导体和发光材料体的区别尤其在于：发光材料体16用发光材料（例如包含作为活化剂的Eu）替代。光导体12和发光材料体16例如能够通过烧结或嵌合彼此连接。在嵌合的情况下，光导体的较小的覆盖面14和发光材料体16的朝向较小的覆盖面14的一侧被平坦化并且作为接触面彼此连接。在利用泥浆作为坯体进行烧结的情况下，在此在制造方面有利的是，为了制造发光材料体16首先填入泥浆。

尽管详细地通过所示出的实施例详细地阐明和描述本发明，然而本发明不受限制于此并且能够由本领域技术人员从中推导出其他的变型形式，而没有偏离本发明的保护范围。

因此，波长转换体1也能够由陶瓷构成并且波长转换体11是基于石榴石的本体。在两个实施例中也能够应用镜面反射的或漫反射覆盖件。此外，光导体的或波长转换体的形状不局限于所示出的形状。

Claims (13)

1.一种波长转换体（1；11），其用于从入射到所述波长转换体（1；11）中的初级光（P）中产生波长转换的光（S），所述波长转换体具有：

-对于所述初级光（P）和所述波长转换的光（S）而言透光的光导体（2；12）；和

-具有至少一种发光材料的发光材料体（6；16），

-其中所述光导体（2；12）与至少一个所述发光材料体（6；16）单块地连接。

2.根据权利要求1所述的波长转换体（1；11），其中

-所述光导体（2；12）具有用于所述初级光（P）的入射的光入射表面（3）和用于至少所述波长转换的光（S）的出射的光出射表面（3），并且

-至少一个所述发光材料体（6；16）以光学上连接在所述光入射表面（3）下游的方式设置。

3.根据权利要求2所述的波长转换体（1；11），其中所述光入射表面（3）和所述光入射表面（3）至少局部地一致并且至少一个发光材料体（6；16）与所述光入射表面（3）相反地设置。

4.根据上述权利要求中的任一项所述的波长转换体（1；11），其中至少一个所述发光材料体（6；16）通过镜面反射或漫反射的覆盖件（7；17）所覆盖。

5.根据上述权利要求中的任一项所述的波长转换体（1），其中所述光导体（2）和至少一个所述发光材料体（6）是基于石榴石的本体或者包含基于石榴石的本体。

6.根据上述权利要求中的任一项所述的波长转换体（11），其中所述光导体（12）是陶瓷光导体并且至少一个所述发光材料体（16）具有至少一个陶瓷的发光材料体。

7.根据权利要求6所述的波长转换体（1），其中所述光导体（2）和至少一个所述发光材料体（6）是相互嵌合的本体。

8.根据权利要求6所述的波长转换体（11），其中所述光导体（12）和至少一个所述发光材料体（16）是共同烧结的烧结体。

9.根据权利要求6至8中的任一项所述的波长转换体（11），其中所述光导体（12）和至少一个所述发光材料体（16）是基于氮化物的本体或者包含基于氮化物的本体。

10.根据权利要求9所述的波长转换体（11），其中至少所述光导体（12）由塞隆陶瓷构成或者包含塞隆陶瓷。

11.根据上述权利要求中的任一项所述的波长转换体（1；11），其中至少一种发光材料具有Eu、Ce、Yb、Mn和/或Nd。

12.一种用于制造根据权利要求7所述的波长转换体（1）的方法，其中所述方法至少具有下述步骤：

-制造所述光导体（2）；

-制造至少一个所述发光材料体（6）；

-将所述光导体（2）的和至少一个所述发光材料体（6）的相应的接触面（4）弄平滑；

-将所述光导体（2）和至少一个所述发光材料体（6）聚集到所述光导体和所述至少一个所述发光材料体的接触面（4）上。

13.一种用于制造根据权利要求8至10中的任一项所述的波长转换体（1；11）的方法，其中所述方法至少具有下述步骤：

-将由所述光导体（2；12）的或所述发光材料体（6；16）的坯体构成的泥浆填入到模具中；

-将由相应另外的本体（6，2；16，12）的坯体构成的泥浆后续地填入到所述模具中；以及

-烧结组合成的坯体。

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