專(zhuān)利名稱(chēng)：用于紅外波長(zhǎng)激光輻射的上變頻的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
本申請(qǐng)涉及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，尤其涉及在二極管激光器激勵(lì)的波導(dǎo)激光器中特別是上變頻波導(dǎo)激光器中使用的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，及其作為光源以代替常規(guī)的電弧燈的應(yīng)用。采用根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)激光器可以用作光源以替代常規(guī)的電弧燈，例如用于投影顯示器和用于其它多種照明應(yīng)用，如前燈、商店、住宅、重點(diǎn)、聚光或劇場(chǎng)的照明。
激光器二極管是一種半導(dǎo)體器件，當(dāng)通以電流時(shí)該半導(dǎo)體器件產(chǎn)生可見(jiàn)光和紅外光譜范圍內(nèi)頻率和相位相同的光波的相干輻射。波導(dǎo)激光器包括作為泵浦源的激光器二極管和吸收二極管激光器的泵浦輻射并將其轉(zhuǎn)換到一個(gè)不同的波長(zhǎng)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。激光器二極管和波導(dǎo)激光器用于光纖系統(tǒng)、光盤(pán)(CD)中，作為泵浦源用于固態(tài)激光器、激光打印機(jī)、遙控設(shè)備、入侵探測(cè)系統(tǒng)，和用于材料處理，如焊接或切割。
因此二極管發(fā)光器以及上變頻波導(dǎo)激光器和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有技術(shù)中是普遍公知的。
但是，一直存在簡(jiǎn)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特別是波導(dǎo)激光器的制造工藝的需要，以便提供一種具有制造的產(chǎn)銷(xiāo)過(guò)程短、部件數(shù)量少、耐久性好、結(jié)構(gòu)緊湊和成本低的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，從而提供一種具有優(yōu)良性能特性的光源。
本發(fā)明的目的是克服至少部分上述缺陷和提供一種易于生產(chǎn)、體積更緊湊和性能特性更好的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
該目的通過(guò)一種用于紅外波長(zhǎng)激光輻射的上變頻的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括a)至少一個(gè)基本由濕度穩(wěn)定、機(jī)械和/或溫度穩(wěn)定的材料制成的基底，b)至少一層位于該基底層上的基本由鹵化物玻璃，優(yōu)選地由氟化物玻璃制成的活性層(active layer)，其中該至少一層基底層的材料與該至少一層活性層的材料具有不同的成分。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)具有這些特點(diǎn)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)易于生產(chǎn)，具有較少的部件，尤其是在該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制造中需要特別注意的零部件較少，以及性能特性優(yōu)良。
還需指出，活性層和/或基底層可以是由一種比較均勻的材料制成的單一層，也可以包括多個(gè)子層和/或區(qū)域，其中材料組成可以變化。
用于本發(fā)明描述的術(shù)語(yǔ)“活性層”特別是指一種層結(jié)構(gòu)，該層結(jié)構(gòu)包括一種材料，該材料通過(guò)光子吸收和發(fā)射前的能量轉(zhuǎn)換以及接下來(lái)的發(fā)射的上變頻過(guò)程來(lái)傳輸該材料例如經(jīng)由包含于其中的稀土金屬發(fā)出的非耦合的(incoupled)紅外光和可見(jiàn)光。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的功效(efficacy)≥10％且≤90％，該功效被定義為 可用輻射被定義為可見(jiàn)光譜中紅、綠和/或藍(lán)光譜帶中的上變頻光。
優(yōu)選地，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的功效為≥15％且≤90％，較優(yōu)選為≥20％且≤80％，更優(yōu)選為≥30％且≤70％，再為優(yōu)選為≥40％且≤65％，最優(yōu)選為≥50％且≤60％。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，活性層的厚度為≥0μm且≤5μm，優(yōu)選為≥0.5μm且≤4μm，最優(yōu)選為≥1μm且≤3μm。已發(fā)現(xiàn)通過(guò)采用具有這樣厚度的活性層，更易于獲得上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的功效。
而且，采用具有所述厚度的活性層的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有較低的必需功率密度。該必需功率密度是活性層在作為激光器時(shí)執(zhí)行上變頻過(guò)程所需的最小功率密度。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，用來(lái)激勵(lì)活性層的功率密度為≥0.1且≤50mW/μm2，優(yōu)選為≥0.5且≤20mW/μm2，最好為≥1且≤10mW/μm2。
這就允許本發(fā)明可以使用寬范圍紅外激光源。
優(yōu)選地，活性層材料選自ZBLAN，基本由ZrF4，BaF2，LAF3，ALF3和NaF組分組成，以Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其組合，或其混合物中的一種或多種稀土離子摻雜；和/或一種或多種晶體LiLuF4，LiYF4，BaY2F8，SrF2，LaCl3，KPb2CL5，LaBr3，以Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其組合中一種或多種稀土離子摻雜；和/或一種或多種以稀土離子摻雜的氟化物Ba-Ln-F和Ca-Ln-F，其中Ln是Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其組合，或其混合物中的一種或多種稀土離子。
或其混合物。
這些材料具有優(yōu)選的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)理想的上變頻過(guò)程。在K.Ohsawa，T.shibita在Journal of Lightwave Technology LT-2，602(1984)上發(fā)表的Preparation and characterization ofZrF4-BaF2-LaF3-NaF-AlF3glassoptical fibers(ZrF4-BaF2-LaF3-NaF-AlF3玻璃光纖的備制和特征化)中詳細(xì)描述了ZABLAN材料。
當(dāng)使用摻雜過(guò)的材料時(shí)，優(yōu)選的活性層材料和/或一種或多種活性層組分的摻雜水平從≥0.01％到≤40％，從≥0.05％到≤30％和最優(yōu)選的從≥0.1％到≤20％。
根據(jù)本發(fā)明的基底最好選自下列材料，它們表現(xiàn)出一種或多種優(yōu)選地是全部以下的特性在波長(zhǎng)的使用范圍內(nèi)僅有較少的吸收；優(yōu)選地在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)上的有用光的吸收≥0％且≤40％，優(yōu)選≥5％且≤40％，最優(yōu)選≥10％且≤30％；弱化溫度(weakening temperature)為≥300℃且≤2000℃，優(yōu)選≥500℃，更優(yōu)選≥700℃，再更優(yōu)選≥1000℃，最優(yōu)選≥1200℃，和/或活性層材料和基底層材料之間的弱化溫度差為≥50℃且≤2000℃，優(yōu)選≥100℃，更優(yōu)選≥200℃，再更優(yōu)選≥300℃，最優(yōu)選≥400℃，和/或良好的表面處理；和/或折射系數(shù)低于活性層材料；優(yōu)選活性層材料和基底之間的折射系數(shù)差≥0.001且≤0.25，優(yōu)選≥0.002且≤0.15，和/或更優(yōu)選≥0.005且≤0.05良好的化學(xué)穩(wěn)定性，特別是濕度穩(wěn)定性，這使得波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的技術(shù)生產(chǎn)更加優(yōu)化。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，基底層的材料選自石英玻璃、硬質(zhì)玻璃、MgF2及其混合物。這些材料滿足全部上述所需和優(yōu)選特性。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，活性層通過(guò)熱浸旋涂法(hot dip spincoating)涂敷在基底層之上。熱浸旋涂過(guò)程是本領(lǐng)域所公知的，例如由Favre等人在SPIE Photonics West Conference，Paper 4990-21，SanJose，California，25-31 January，2003中描述的，該內(nèi)容全部并入文中作為參考。簡(jiǎn)而言之，熱浸旋涂過(guò)程通過(guò)以下步驟操作，首先將任選預(yù)加熱的襯底浸入到要在襯底上形成層的熔融材料的坩鍋中，當(dāng)涂敷后的襯底從熔融層材料的浴器中撤出時(shí)，使其加速到通常約為2000rpm的旋轉(zhuǎn)速度，從而去掉多余的層材料和將該層減薄到所需厚度。
在這點(diǎn)上，發(fā)明人指出，具有≥300℃且≤2000℃，優(yōu)選≥500℃，更優(yōu)選≥700℃，進(jìn)一步優(yōu)選≥1000℃，最優(yōu)選≥1200℃的弱化溫度的基底最優(yōu)選用于這一技術(shù)，因?yàn)檫@使得在該基底上形成減小了厚度的層。這是因?yàn)椋鸦捉肴廴诘膶硬牧现惺紫刃纬傻倪@個(gè)層，通過(guò)簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)基底就可減薄到所需的厚度。這需要熔融材料在旋轉(zhuǎn)時(shí)多少保持在液態(tài)，否則不能實(shí)現(xiàn)該層的進(jìn)一步減薄。因此當(dāng)浸入熔融層材料時(shí)，基底的溫度應(yīng)根據(jù)層材料溫度穩(wěn)定性和粘性的允許而盡可能高，以擴(kuò)大用于減薄基底上的該層的“時(shí)間窗口(time window)”。當(dāng)然，基底自身應(yīng)不受熱浸旋涂過(guò)程影響。為此，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)具有上面設(shè)定的弱化溫度的基底是最優(yōu)選的。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，活性層的長(zhǎng)度為≥100μm且≤100,000μm，優(yōu)選≥200μm，更優(yōu)選≥500μm，最優(yōu)選≥1000μm且≤50,000μm；和/或活性層的寬度為≥1μm且≤200μm，優(yōu)選≥2μm且≤100μm，最優(yōu)選≥10μm且≤50μm。活性層的寬度比激光源的寬度大≥0.1μm到≤100μm，優(yōu)選大≥1μm到≤50μm。
但是，活性層的長(zhǎng)和寬應(yīng)按以下方式選擇，即照射在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的紅外輻射被吸收的量≥50％，優(yōu)選≥60％，最優(yōu)選≥80％；以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸與紅外輻射源相匹配和/或適配。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)以如下方式涂敷在活性層上的密封層即活性層位于基底層和該密封層之間，該密封層材料優(yōu)選自一組包括SiO2，高折射系數(shù)材料，優(yōu)選地是Al2O3，和/或Si3N4，聚合物，單獨(dú)地或與優(yōu)選地來(lái)自未摻雜的ZBLAN的光隔離層一起在玻璃或其混合物上旋轉(zhuǎn)。
由于活性層的優(yōu)選材料對(duì)濕度是靈敏的，優(yōu)選地活性層要在兩側(cè)都加上保護(hù)，第一是由濕度穩(wěn)定的基底，第二是由密封層來(lái)保護(hù)。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，大規(guī)模生產(chǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)更為容易，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)自身更耐久。
本發(fā)明的另一目的涉及照明單元，該照明單元包括至少一種本發(fā)明的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它被設(shè)計(jì)為了在以下應(yīng)用之一中使用商店照明，住宅照明，重點(diǎn)照明，聚光照明，劇場(chǎng)照明，汽車(chē)前燈照明，光纖應(yīng)用，以及投影系統(tǒng)。
測(cè)量方法本發(fā)明中使用的這些項(xiàng)目的測(cè)量方法在本領(lǐng)域中是公知的，任何熟練技術(shù)人員都可以從以下全部結(jié)合進(jìn)來(lái)作為參考的文件的一篇或多篇中獲知這些方法J.F.Massicott等人，Electronics Letters(電子學(xué)通訊)，Vol.29(24)，pp.2119-2120(1993)，T.Sandrock等人，Optics Letters(光學(xué)通訊)，Vol.24(18)，pp.1284-1286(1999)《Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers(稀土金屬摻雜的光纖激光器和放大器)》，Ed.Michel J.F.Digonnet，Verlag-MarcelDekker，Inc.，尤其在p.204以后A.C.Tropper et al.，Journal of the Optical Society of America(美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)雜志)B，Vol.11(5)，pp.886-893，以及其中引用的參考文獻(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于紅外波長(zhǎng)激光輻射的上變頻的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括a)至少一基本由濕度穩(wěn)定、機(jī)械和/或溫度穩(wěn)定的材料制成的基底層；b)至少一層位于該基底層上的基本由鹵化物玻璃，優(yōu)選地由氟化物玻璃制成的活性層，其中該至少一層基底層的材料與該至少一層活性層的材料具有不同的成分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的功效≥10％和≤90％，功效定義為 可用輻射被定義為紅、綠和/或藍(lán)光譜帶中的上變頻光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中活性層的厚度為≥0μm和≤5μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中活性層材料選自ZBLAN，它基本由ZrF4，BaF2，LAF3，ALF3和NaF組分組成，以Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其組合中的一種或多種稀土離子摻雜；一種或多種晶體LiLuF4，LiYF4，BaY2F8，SrF2，LaCl3，KPb2CL5，LaBr3，以Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其組合中一種或多種稀土離子摻雜；一種或多種以稀土摻雜的氟化物Ba-Ln-F和Ca-Ln-F，其中Ln是Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其組合，或其混合物中的一種或多種稀土離子?；蚱浠旌衔铩?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中基底層材料具有≥300℃且≤2000℃的弱化溫度，和/或比活性層材料更低的折射系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中基底層材料選自石英玻璃、硬質(zhì)玻璃、MgF2及其混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中活性層通過(guò)熱浸旋涂法涂敷到基底層上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中活性層的長(zhǎng)度為≥100μm和≤100,000μm，優(yōu)選≥200μm，更優(yōu)選≥500μm，最優(yōu)選≥1000μm和≤50,000μm；和/或活性層的寬度為≥1μm和≤200μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，還包括以下述方式涂敷在活性層上的密封層使活性層位于基底層和該密封層之間，該密封層材料優(yōu)選地從一個(gè)組中選出，該組包括SiO2，高折射系數(shù)材料，優(yōu)選地是Al2O3，和/或Si3N4，聚合物，單獨(dú)地或與優(yōu)選地來(lái)自未摻雜的ZBLAN的光隔離層一起在玻璃或其混合物上旋轉(zhuǎn)。
10.包括根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的至少之一的照明單元，它被設(shè)計(jì)成在以下應(yīng)用之一中使用商店照明，住宅照明，重點(diǎn)照明，聚光照明，劇場(chǎng)照明，汽車(chē)前燈照明，光纖應(yīng)用，以及投影系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于紅外波長(zhǎng)激光輻射的上變頻的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于包括a)至少一主要由濕度穩(wěn)定、機(jī)械和/或溫度穩(wěn)定材料制成的基底層；b)至少一層位于該基底層上的基本由鹵化物玻璃優(yōu)選地由氟化物玻璃制成的活性層，其中該至少一層基底層的材料與該至少一層活性層的材料具有不同的成分。
文檔編號(hào)G02F1/377GK1930747SQ200580006981
公開(kāi)日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2005年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月4日
發(fā)明者A·里茨, G·霍伊斯勒 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司