[发明专利]基于结晶磷光体的宽带光源

说明书

一种基于磷光体的光源，包括：入射光束，该入射光束被聚焦到片状磷光体的前表面上；其中，所述磷光体具有抛光的后表面，该后表面涂覆有夹在磷光体和散热器之间的高反射性、高导热性的涂层，并且磷光体发射光通过单个透镜或透镜组收集到光纤或光纤束中。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年8月18日提交的美国临时申请号62/547485的权益。美国临时申请No.62/547485的内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明一般涉及宽带光源设备，并且更具体地涉及基于结晶磷光体的宽带光源。

背景技术

光遗传学和科学成像应用需要具有主要在可见光波段中的特定波长和带宽的高亮度、非相干光源。诸如激光泵浦等离子体光源和白光LED的目前的解决方案展现出很高的输出光功率，但由于此类光源相对大的光学扩展量，其自身亮度受到限制。超连续激光器具有相当高的亮度，但其中大部分的输出光功率都位于红外(IR)光谱中，对上述应用没有帮助。

基于磷光体的光源提供了另一种可能性以满足此需求：结晶磷光体材料显示出满足大多数用途的合适的发射光波长和带宽，以及可持续性的高泵浦功率，这意味着磷光体将相对短波长的高亮度入射光转换为更长波长的高强度发射光。

在宽波段的磷光体光源的发展过程中，本发明的申请人发现难处在于提高磷光体的发光亮度。这背后的原因有以下几点：(1)在没有适当地限制泵浦光的情况下，磷光体发射存在于大量的磷光体中。因此，即使总发射功率高，磷光体发射功率集中度也相对较低。简单地将入射光聚焦到磷光体上并不能解决问题，因为磷光体会过热且磷光体的光转换效率显著降低。(2)即使泵浦光以狭角入射，磷光体的发射也是准各向同性的。如果光学装置设计不当，则只有小部分的磷光体发射光被聚集到外耦合光纤中。必须先解决这两个问题，才能通过输出光纤或输出光纤束实现高输出光功率。

然而，目前磷光体光源的光学设计尚待优化。在设计基于磷光体的光源上已经付出了一些努力。

例如，文献US8709283B2，US8770773B2和US2011/0175510A1聚焦于LED泵浦磷光体光源。在这些设计中，LED发出短波长的光，例如蓝光或紫外光。磷光体被制成覆盖层、平板或管。LED发射光被磷光体吸收，磷光体反过来又发射更长波长的光。但是，这些设计不涉及将LED发射光聚焦到磷光体的小区域上的光学装置。因此，光转换存在于相对较大体积的空间中，该空间的体积等于磷光体本身的尺寸。由于发射量大，因而磷光体的发射亮度相对较低，这限制了磷光体在光遗传学和科学成像中的应用。

在US8709283B2和US8770773B2中公开了两种典型的使用LED和LED阵列作为泵浦光源的磷光体光源设计。这些设计还没有引入任何特殊的光学设计来改善磷光体的发射亮度。这是因为这些产品设计用于一般照明应用，而高亮度并不是其设计的主要目标。

M.坎托尔(M.Cantore)等人在他们的出版物“来自单结晶磷光体转换的基于激光的白色照明系统的高光通量”中已经关注了激光泵浦磷光体光源的发光效率(生物医学光学快报(Opt.Expr.)，第24卷，第2期，2016年1月)。但没有特殊的聚光设计，磷光体光源在14W激光泵浦功率下的最大光通量是1100lm，各向同性地发射。

在文献US2014/0253882A1和欧司朗(OSRAM)光源ITOS相位器中，有经过精心设计的光聚焦装置，可以将入射光聚集到磷光体上，从而提高磷光体的发射亮度。然而，在两种设计中都使用了多个激光光源，这使得难以将激光光点限制在磷光体表面上的最小尺寸上。欧司朗相位器实现约2100lm的光通量，几乎是M.坎托尔的记录的两倍，但是亮度(光纤芯每单位面积的光通量)仅为～200lm/mm²，对于科学应用来说仍然不够高。