一种基于多功能荧光陶瓷的绿光光源
阅读说明：本技术 一种基于多功能荧光陶瓷的绿光光源 (Green light source based on multifunctional fluorescent ceramic ) 是由 陈浩 康健 邵岑 申冰磊 张永丽 罗泽 邱凡 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于多功能荧光陶瓷的绿光光源,包括激光器,散热基底,透镜,光纤,荧光陶瓷,外壳。激光器发射的蓝光经透镜耦合进入光纤,蓝光经光纤传输到荧光陶瓷的表面,激发荧光陶瓷变成绿光,随后经荧光陶瓷的整形输出高亮度绿光光源。本发明的荧光陶瓷为平凸透镜形状,集发光和整形为一体,节省照明元件,亮度更高。(The invention discloses a green light source based on multifunctional fluorescent ceramic, which comprises a laser, a heat dissipation substrate, a lens, an optical fiber, fluorescent ceramic and a shell. Blue light emitted by the laser enters the optical fiber through the lens in a coupling mode, the blue light is transmitted to the surface of the fluorescent ceramic through the optical fiber, the fluorescent ceramic is excited to become green light, and then the green light source with high brightness is output through shaping of the fluorescent ceramic. The fluorescent ceramic is in a plano-convex lens shape, integrates light emitting and shaping, saves lighting elements and has higher brightness.)
技术领域
本发明涉及激光照明领域，尤其涉及一种基于多功能荧光陶瓷材料的绿光光源。
背景技术
绿光在生物、工业、印刷、医疗、存储、显示和军事等方面具有广泛的应用。为了获得高亮度绿光光源，一般有两种方案：一是采用绿光半导体激光器或对其进行合束，二是采用蓝光激光激发光转换材料。两者均涉及激光照明领域。
在第一种技术方案可以获得极好的激光光谱和波束特性，可以获得高能量绿光输出。但是，绿光激光器相对蓝光激光器来说它，需要更高的铟组分；由此引发了主要的物理变化，使得晶格常数发生变化并且缩短了带隙，光输出功率将会下降，价格昂贵。若采用光纤合束的方案来提高光输出功率，价格和成本也由此提升，性价比不高。同时，此绿光为激光，只能将用于激光医疗或对其扩束后用于激光投影，不适合应用在一般照明领域。
第二种技术方案优势显著。其成本较低、工艺简单；在保持光转换材料稳定发光的前提下，只需增加蓝光激光器的功率便可获得更高亮度。近年来，国内学者紧跟世界潮流，针对蓝光半导体激光器进行开发，目前已经实现量产，成本进一步下降；同时，国内针对光转换材料的研究也不断拓展，由荧光粉到荧光玻璃，再到荧光陶瓷，目前均可实现量产化。
荧光转换方案，一种是采用透镜聚焦蓝光，用于传输到荧光陶瓷的表面，随后激发荧光陶瓷；另一种是光纤传导激光蓝光传输到荧光陶瓷的表面，随后激发荧光陶瓷。相比前者，光纤传导激光蓝光的方案能将激发源和发射源这两个热源分离，单独进行散热处理；两者的相对位置随意调节，设计灵活性高。同时，光纤直接导出蓝光相比采用透镜将蓝光聚焦到陶瓷表面的方式，系统稳定性更好。但是，荧光转换的两种方案存在以下问题：1）光学系统仍较为复杂；2）针对荧光陶瓷，还需采用二次光学设计元件诱导发光、设计相关散热装置稳定器件运行。因此，荧光转换绿光光源有待进一步设计与延伸，来获得高亮度的绿光光源。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出一种基于多功能荧光陶瓷的激光照明用绿光光源，简化激光照明光源系统构成。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于多功能荧光陶瓷的绿光光源，包括激光器，散热基底，透镜，光纤，荧光陶瓷，外壳。
所述荧光陶瓷为平凸透镜形状，集发光和整形为一体；所述激光器发射的蓝光经透镜耦合进入光纤，蓝光经光纤传输到荧光陶瓷的表面，激发荧光陶瓷变成绿光，产生的绿光经荧光陶瓷的整形变成平行光束。
优选的，所述激光器发射的波长为450~465 nm；
优选的，所述散热基底的材质为紫铜或铝；
优选的，所述透镜为球面透镜、渐变折射率透镜中的一种；
优选的，所述荧光陶瓷为Ce:LuAG荧光陶瓷；Ce掺杂浓度为0.05~1.0 at%。
优选的，所述“平凸透镜型荧光陶瓷”的制作方式为“凝胶注模成型+真空烧结”；即光学设计结合制备工艺过程。具体制作步骤如下：
按照Ce掺杂浓度为0.05~1.0 at%的LuAG荧光陶瓷的化学计量比进行配料，称量Al2O3、Lu2O3、CeO2，加入无水乙醇、Isobam104溶液、柠檬酸铵、聚乙烯亚胺(PEI)溶液进行球磨；球磨介质为Al2O3球，球磨转速为160～200 r/min，球磨时间为2 h，得到混合浆料。其中，所述无水乙醇为原料粉体总质量的1~1.5倍；Isobam104溶液为原料粉体总质量的0.025~0.06倍；柠檬酸铵为原料粉体总质量的0.02~0.05倍。
凝胶注模成型。将浆料倒入模具中，得到陶瓷素坯；模具为平凸透镜形状。
干燥：温度25~50℃，保温时间30 min。
预烧：温度为750~800℃，保温时间8 h。
真空烧结：温度为1800~1820℃，保温时间8h。
退火：温度为1400~1450℃，保温时间12h。
抛光：表面粗糙度Ra为0.05~0.10。
最终得到的多功能荧光陶瓷的直径Φ为20~50 mm；焦距f=30~50 mm。
优选的，所述荧光陶瓷在555 nm的透过率为80.0~84.8%。
优选的，所述外壳为金属材质。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1. 通过光学设计结合材料制备工艺，将陶瓷材料设计成集“荧光转换”、“透镜”、“光束整形”多功能于一体的器件。这种创新性，是陶瓷的制备过程和后端应用的结合过程，是材料学和光学的结合过程。除此之外，这种设计大大简化激光照明光源系统构成；光纤出光后，激光为点激发，产生的绿色荧光可直接用于照明，大幅降低光学器件使用而引入的损耗。
2. 在小光斑蓝光激发下，高透的荧光陶瓷器件相比采用半透或不透的荧光转换器件透过率更高，散射效应相应削弱，使光源发光面积更小，产生更高亮度光源并易于整形。
3. 荧光陶瓷具有较高的热导率，周围陶瓷可作为散热元件，用于传导发光点产生的热量，省去了陶瓷的金属热沉设计。
附图说明
图1-2为一种基于多功能荧光陶瓷的绿光光源示意图；
图中：1激光器，2散热基底，3透镜，4光纤，5荧光陶瓷，6外壳。
具体实施方式
实施例1：
一种基于多功能荧光陶瓷的激光显示绿光光源，参见图1和图2，包括激光器1，散热基底2，透镜3，光纤4，荧光陶瓷5，外壳6。
激光器1发射的波长为450 nm；散热基底2的材质为紫铜；透镜3为球面透镜；荧光陶瓷5为Ce:LuAG荧光陶瓷，Ce掺杂浓度为0.05 at%；外壳6为金属外壳。
所述荧光陶瓷为平凸透镜形状，制作方式为“凝胶注模成型+真空烧结”；具体制备步骤如下：
（1）按照Ce掺杂浓度为0.05 at%的LuAG荧光陶瓷的化学计量比进行配料，称量Al2O3、Lu2O3、CeO2，加入无水乙醇、Isobam104溶液、柠檬酸铵、聚乙烯亚胺(PEI)溶液进行球磨；球磨介质为Al2O3球，球磨转速为160 r/min，球磨时间为2 h，得到混合浆料。其中，所述无水乙醇为原料粉体总质量的1倍；Isobam104溶液为原料粉体总质量的0.025倍；柠檬酸铵为原料粉体总质量的0.02倍。
（2）凝胶注模成型：将浆料倒入模具中，得到陶瓷素坯；模具为平凸透镜形状。
（3）干燥：温度25℃，保温时间30 min。
（4）预烧：温度为750℃，保温时间8 h。
（5）真空烧结。温度为1800℃，保温时间8h。
（6）退火：温度为1400℃，保温时间12h。
（7）抛光：表面粗糙度Ra为0.05。
最终得到的透镜型荧光陶瓷的直径Φ为20 mm；焦距f=30 mm；在555 nm的透过率为80.0%，满足“透镜型荧光陶瓷器件”。所述激光器1发射的蓝光经透镜3耦合进入光纤4，蓝光经光纤4传输到荧光陶瓷5的表面，激发荧光陶瓷5变成绿光，产生的绿光经荧光陶瓷5的整形在30 mm处形成高亮度光斑。
实施例2：
一种基于多功能荧光陶瓷的激光显示绿光光源，包括激光器，散热基底，透镜，光纤，荧光陶瓷，外壳。
激光器发射的波长为465 nm；散热基底的材质为铝；透镜为渐变折射率透镜；荧光陶瓷为Ce:LuAG荧光陶瓷；Ce掺杂浓度为1.0 at%；外壳为金属外壳。
所述荧光陶瓷为平凸透镜形状，制作方式为“凝胶注模成型+真空烧结”；具体制备步骤如下：
（1）按照Ce掺杂浓度为1.0 at%的LuAG荧光陶瓷的化学计量比进行配料，称量Al2O3、Lu2O3、CeO2，加入无水乙醇、Isobam104溶液、柠檬酸铵、聚乙烯亚胺(PEI)溶液进行球磨；球磨介质为Al2O3球，球磨转速为200 r/min，球磨时间为2 h，得到混合浆料。其中，所述无水乙醇为原料粉体总质量的1.5倍；Isobam104溶液为原料粉体总质量的0.06倍；柠檬酸铵为原料粉体总质量的0.05倍。
（2）凝胶注模成型。将浆料倒入模具中，得到陶瓷素坯；模具为平凸透镜形状。
（3）干燥：温度50℃，保温时间30 min。
（4）预烧：温度为800℃，保温时间8 h。
（4）真空烧结：温度为1820℃，保温时间8h。
（6）退火：温度为1450℃，保温时间12h。
（6）抛光：表面粗糙度Ra为0.10。
最终得到的多功能荧光陶瓷的直径Φ为50 mm；焦距f=50 mm；在555 nm的透过率为84.8%；满足“透镜型荧光陶瓷器件”。所述激光器发射的蓝光经透镜耦合进入光纤，蓝光经光纤传输到荧光陶瓷的表面，激发荧光陶瓷变成绿光，产生的绿光经荧光陶瓷的整形在50 mm处形成高亮度光斑。
实施例3：
一种基于多功能荧光陶瓷的激光显示绿光光源，包括激光器，散热基底，透镜，光纤，荧光陶瓷，外壳。
激光器发射的波长为460 nm；散热基底的材质为铝；透镜为球面透镜；荧光陶瓷为Ce:LuAG荧光陶瓷；Ce掺杂浓度为0.1 at%；外壳为金属外壳。
所述荧光陶瓷为平凸透镜形状，制作方式为“凝胶注模成型+真空烧结”；具体制备步骤如下：
（1）按照Ce掺杂浓度为0.1 at%的LuAG荧光陶瓷的化学计量比进行配料，称量Al2O3、Lu2O3、CeO2，加入无水乙醇、Isobam104溶液、柠檬酸铵、聚乙烯亚胺(PEI)溶液进行球磨；球磨介质为Al2O3球，球磨转速为180 r/min，球磨时间为2 h，得到混合浆料。其中，所述无水乙醇为原料粉体总质量的1.2倍；Isobam104溶液为原料粉体总质量的0.01倍；柠檬酸铵为原料粉体总质量的0.01倍。
（2）凝胶注模成型。将浆料倒入模具中，得到陶瓷素坯；模具为平凸透镜形状。
（3）干燥：温度40℃，保温时间30 min。
（4）预烧：温度为780℃，保温时间8 h。
（4）真空烧结：温度为1810℃，保温时间8h。
（6）退火：温度为1425℃，保温时间12h。
（6）抛光：表面粗糙度Ra为0.07。
最终得到的多功能荧光陶瓷的直径Φ为40 mm；焦距f=40 mm；在555 nm的透过率为84.8%；满足“透镜型荧光陶瓷器件”。所述激光器发射的蓝光经透镜耦合进入光纤，蓝光经光纤传输到荧光陶瓷的表面，激发荧光陶瓷变成绿光，产生的绿光经荧光陶瓷的整形在40 mm处形成高亮度光斑。
实施例4：
一种基于多功能荧光陶瓷的激光显示绿光光源，包括激光器，散热基底，透镜，光纤，荧光陶瓷，外壳。
激光器发射的波长为450 nm；散热基底的材质为铝；透镜为渐变折射率透镜；荧光陶瓷为Ce:LuAG荧光陶瓷；Ce掺杂浓度为1.0 at%；外壳为金属外壳。
所述荧光陶瓷为平凸透镜形状，制作方式为“凝胶注模成型+真空烧结”；具体制备步骤如下：
（1）按照Ce掺杂浓度为1.0 at%的LuAG荧光陶瓷的化学计量比进行配料，称量Al2O3、Lu2O3、CeO2，加入无水乙醇、Isobam104溶液、柠檬酸铵、聚乙烯亚胺(PEI)溶液进行球磨；球磨介质为Al2O3球，球磨转速为200 r/min，球磨时间为2 h，得到混合浆料。其中，所述无水乙醇为原料粉体总质量的1.5倍；Isobam104溶液为原料粉体总质量的0.01倍；柠檬酸铵为原料粉体总质量的0.06倍。
（2）凝胶注模成型：将浆料倒入模具中，得到陶瓷素坯；模具为平凸透镜形状。
（3）干燥：温度50℃，保温时间30 min。
（4）预烧：温度为800℃，保温时间8 h。
（4）真空烧结：温度为1790℃，保温时间8h。
（6）退火：温度为1450℃，保温时间12h。
（6）抛光。表面粗糙度Ra为0.10。
最终得到的多功能荧光陶瓷的直径Φ为50 mm；焦距f=50 mm；在555 nm的透过率为60%，不满足“透镜型荧光陶瓷器件”。主要原因是分散剂柠檬酸铵含量太高，粉体活性很强，但烧结温度太低，导致陶瓷光学质量不高，没能成功制备“透镜型荧光陶瓷器件”。
所述激光器发射的蓝光经透镜耦合进入光纤，蓝光经光纤传输到荧光陶瓷的表面，激发荧光陶瓷变成绿光，产生的绿光经荧光陶瓷的整形在50 mm处发散，没有实现汇聚的功能，不能获得高亮度光斑。