[发明专利]波长转换装置和发光装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及波长转换装置和发光装置。

背景技术

目前，基于波长转换的固态光源越来越成为研究和应用的热点，例如使用蓝光发光二极管(LED，light emitting diode)激发黄色荧光粉制作的白光光源已经被广泛的接受和使用。

与通用照明不同的是，在投影显示领域，为了得到彩色图像，一般采用单色时序光源作为照明光源。一种方法是使用多个滤光片依次过滤白光得到单色光，但是过滤过程的效率很低；另一种方法是直接使用单色的波长转换材料来得到单色光，例如使用绿色荧光粉受激产生绿光。第二种方法的效率比第一种方法有显著的提高，然而问题在于红色荧光粉的效率太低，且使用寿命太短，进而使得红光成为整个光源系统的效率和寿命的瓶颈。

为了解决产生红光的问题，有人提出使用高效率且稳定的黄色荧光粉，通过滤光片把其发射光谱中的绿光成分过滤掉来产生红光。目前最常用的黄色荧光粉是YAG荧光粉，YAG荧光粉的分子式是Y₃Al₅O₁₂:Ce，其中冒号前的部分指的是该荧光粉的主体晶格的分子式，冒号后面的是掺杂在该晶格中的发光中心的元素。YAG荧光粉的发射光谱如图1中的101所示，一般定义其中600nm以上的部分为红光光谱成分，在图1中表示为101R。当然由于光的颜色随波长是连续变化的，此处的600nm的界线仅是为了方便说明的举例。

由于YAG荧光粉被证明具有非常良好的稳定性，这种方法可以很好的解决红光的寿命瓶颈的问题，然而从图1中可以看到，这种方法同时会造成600nm以下的光谱能量的损失，而这部分能量是YAG荧光粉发射光谱101中能量最集中的区域。这主要是由于YAG荧光粉在红光光谱成分的能量分布较低所致。

为了解决这个问题，人们提出通过在YAG荧光粉的主体晶格中掺杂其它元素对YAG荧光粉进行改性，使其发射光谱向长波长移动，以提高其红光光谱成分的相对能量分布。图2中表示了YAG荧光粉改性前后的发射光谱比较，改性前的发射光谱为101，改性荧光粉一的分子式为(Y₂Tb₁)Al₅O₁₂:Ce，其发射光谱为201，改性荧光粉二的分子式为(Y₁Tb₂)Al₅O₁₂:Ce，其发射光谱为202。通过比较分子式可以知道，通过在Y₃Al₅O₁₂晶格中把Y原子部分的替换为Tb原子，可以使发射光谱向长波长漂移，而且Y原子被Tb原子替换的越多，则发射光谱向长波长漂移的越多。通过计算可知，201所示的光谱的主波长比101所示的光谱主波长长5nm，202所示的光谱的主波长比101所示的光谱主波长长10nm。

显而易见的，改性后的荧光粉的红光光谱成分具有更强的能量分布，因此相对于改性前的YAG荧光粉可以产生更多的红光。

然而，YAG荧光粉的改性在使发射光谱的主波长变大的同时，还会使其温度稳定性下降，如图3所示。其中310是未改性的YAG荧光粉的效率随温度的变化曲线，311和312分别是(Y₂Tb₁)Al₅O₁₂:Ce和(Y₁Tb₂)Al₅O₁₂:Ce的效率随温度的变化曲线。由图中可见，荧光粉发射光谱的主波长向长波长移动越大，则荧光粉的温度稳定性越差，工作中的波长转换效率越低。

其它的改性也有相类似的效果，例如使用Gd元素替换YAG晶格中的Y元素，或使用Ga元素替换YAG晶格中的Al元素，都会使荧光粉的发射光谱的主波长变大，但同时也会引起其温度稳定性的下降，而且主波长越大，则温度稳定性下降越剧烈。虽然使用Lu元素替换YAG晶格中的Y元素不会引起温度稳定性的下降，但是这同时会使荧光粉的发射光谱的主波长变小，红光光谱成分的能量分布减小。