专利名称：用于红外波长激光辐射的上变频的波导结构的制作方法
本申请涉及波导结构，尤其涉及在二极管激光器激励的波导激光器中特别是上变频波导激光器中使用的波导结构，及其作为光源以代替常规的电弧灯的应用。采用根据本发明的波导结构的波导激光器可以用作光源以替代常规的电弧灯，例如用于投影显示器和用于其它多种照明应用，如前灯、商店、住宅、重点、聚光或剧场的照明。
激光器二极管是一种半导体器件，当通以电流时该半导体器件产生可见光和红外光谱范围内频率和相位相同的光波的相干辐射。波导激光器包括作为泵浦源的激光器二极管和吸收二极管激光器的泵浦辐射并将其转换到一个不同的波长的波导结构。激光器二极管和波导激光器用于光纤系统、光盘(CD)中，作为泵浦源用于固态激光器、激光打印机、遥控设备、入侵探测系统，和用于材料处理，如焊接或切割。
因此二极管发光器以及上变频波导激光器和波导结构在现有技术中是普遍公知的。
但是，一直存在简化波导结构特别是波导激光器的制造工艺的需要，以便提供一种具有制造的产销过程短、部件数量少、耐久性好、结构紧凑和成本低的波导结构，从而提供一种具有优良性能特性的光源。
本发明的目的是克服至少部分上述缺陷和提供一种易于生产、体积更紧凑和性能特性更好的波导结构。
该目的通过一种用于红外波长激光辐射的上变频的波导结构实现，该波导结构包括a)至少一个基本由湿度稳定、机械和/或温度稳定的材料制成的基底，b)至少一层位于该基底层上的基本由卤化物玻璃，优选地由氟化物玻璃制成的活性层(active layer)，其中该至少一层基底层的材料与该至少一层活性层的材料具有不同的成分。
发明人发现具有这些特点的波导结构易于生产，具有较少的部件，尤其是在该波导结构制造中需要特别注意的零部件较少，以及性能特性优良。
还需指出，活性层和/或基底层可以是由一种比较均匀的材料制成的单一层，也可以包括多个子层和/或区域，其中材料组成可以变化。
用于本发明描述的术语“活性层”特别是指一种层结构，该层结构包括一种材料，该材料通过光子吸收和发射前的能量转换以及接下来的发射的上变频过程来传输该材料例如经由包含于其中的稀土金属发出的非耦合的(incoupled)红外光和可见光。
根据本发明的优选实施例，波导结构的功效(efficacy)≥10％且≤90％，该功效被定义为 可用辐射被定义为可见光谱中红、绿和/或蓝光谱带中的上变频光。
优选地，波导结构的功效为≥15％且≤90％，较优选为≥20％且≤80％，更优选为≥30％且≤70％，再为优选为≥40％且≤65％，最优选为≥50％且≤60％。
根据本发明的优选实施例，活性层的厚度为≥0μm且≤5μm，优选为≥0.5μm且≤4μm，最优选为≥1μm且≤3μm。已发现通过采用具有这样厚度的活性层，更易于获得上述波导结构的功效。
而且，采用具有所述厚度的活性层的波导结构具有较低的必需功率密度。该必需功率密度是活性层在作为激光器时执行上变频过程所需的最小功率密度。根据本发明的优选实施例，用来激励活性层的功率密度为≥0.1且≤50mW/μm2，优选为≥0.5且≤20mW/μm2，最好为≥1且≤10mW/μm2。
这就允许本发明可以使用宽范围红外激光源。
优选地，活性层材料选自ZBLAN，基本由ZrF4，BaF2，LAF3，ALF3和NaF组分组成，以Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其组合，或其混合物中的一种或多种稀土离子掺杂；和/或一种或多种晶体LiLuF4，LiYF4，BaY2F8，SrF2，LaCl3，KPb2CL5，LaBr3，以Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其组合中一种或多种稀土离子掺杂；和/或一种或多种以稀土离子掺杂的氟化物Ba-Ln-F和Ca-Ln-F，其中Ln是Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其组合，或其混合物中的一种或多种稀土离子。
或其混合物。
这些材料具有优选的特性来实现理想的上变频过程。在K.Ohsawa，T.shibita在Journal of Lightwave Technology LT-2，602(1984)上发表的Preparation and characterization ofZrF4-BaF2-LaF3-NaF-AlF3glassoptical fibers(ZrF4-BaF2-LaF3-NaF-AlF3玻璃光纤的备制和特征化)中详细描述了ZABLAN材料。
当使用掺杂过的材料时，优选的活性层材料和/或一种或多种活性层组分的掺杂水平从≥0.01％到≤40％，从≥0.05％到≤30％和最优选的从≥0.1％到≤20％。
根据本发明的基底最好选自下列材料，它们表现出一种或多种优选地是全部以下的特性在波长的使用范围内仅有较少的吸收；优选地在波导结构总长上的有用光的吸收≥0％且≤40％，优选≥5％且≤40％，最优选≥10％且≤30％；弱化温度(weakening temperature)为≥300℃且≤2000℃，优选≥500℃，更优选≥700℃，再更优选≥1000℃，最优选≥1200℃，和/或活性层材料和基底层材料之间的弱化温度差为≥50℃且≤2000℃，优选≥100℃，更优选≥200℃，再更优选≥300℃，最优选≥400℃，和/或良好的表面处理；和/或折射系数低于活性层材料；优选活性层材料和基底之间的折射系数差≥0.001且≤0.25，优选≥0.002且≤0.15，和/或更优选≥0.005且≤0.05良好的化学稳定性，特别是湿度稳定性，这使得波导结构的技术生产更加优化。
根据本发明的优选实施例，基底层的材料选自石英玻璃、硬质玻璃、MgF2及其混合物。这些材料满足全部上述所需和优选特性。
根据本发明的优选实施例，活性层通过热浸旋涂法(hot dip spincoating)涂敷在基底层之上。热浸旋涂过程是本领域所公知的，例如由Favre等人在SPIE Photonics West Conference，Paper 4990-21，SanJose，California，25-31 January，2003中描述的，该内容全部并入文中作为参考。简而言之，热浸旋涂过程通过以下步骤操作，首先将任选预加热的衬底浸入到要在衬底上形成层的熔融材料的坩锅中，当涂敷后的衬底从熔融层材料的浴器中撤出时，使其加速到通常约为2000rpm的旋转速度，从而去掉多余的层材料和将该层减薄到所需厚度。
在这点上，发明人指出，具有≥300℃且≤2000℃，优选≥500℃，更优选≥700℃，进一步优选≥1000℃，最优选≥1200℃的弱化温度的基底最优选用于这一技术，因为这使得在该基底上形成减小了厚度的层。这是因为，把基底浸入熔融的层材料中首先形成的这个层，通过简单地旋转基底就可减薄到所需的厚度。这需要熔融材料在旋转时多少保持在液态，否则不能实现该层的进一步减薄。因此当浸入熔融层材料时，基底的温度应根据层材料温度稳定性和粘性的允许而尽可能高，以扩大用于减薄基底上的该层的“时间窗口(time window)”。当然，基底自身应不受热浸旋涂过程影响。为此，发明人发现具有上面设定的弱化温度的基底是最优选的。
根据本发明的优选实施例，活性层的长度为≥100μm且≤100,000μm，优选≥200μm，更优选≥500μm，最优选≥1000μm且≤50,000μm；和/或活性层的宽度为≥1μm且≤200μm，优选≥2μm且≤100μm，最优选≥10μm且≤50μm。活性层的宽度比激光源的宽度大≥0.1μm到≤100μm，优选大≥1μm到≤50μm。
但是，活性层的长和宽应按以下方式选择，即照射在波导结构的红外辐射被吸收的量≥50％，优选≥60％，最优选≥80％；以及波导结构的尺寸与红外辐射源相匹配和/或适配。
根据本发明的优选实施例，波导结构还包括一个以如下方式涂敷在活性层上的密封层即活性层位于基底层和该密封层之间，该密封层材料优选自一组包括SiO2，高折射系数材料，优选地是Al2O3，和/或Si3N4，聚合物，单独地或与优选地来自未掺杂的ZBLAN的光隔离层一起在玻璃或其混合物上旋转。
由于活性层的优选材料对湿度是灵敏的，优选地活性层要在两侧都加上保护，第一是由湿度稳定的基底，第二是由密封层来保护。通过这样的设计，大规模生产波导结构更为容易，波导结构自身更耐久。
本发明的另一目的涉及照明单元，该照明单元包括至少一种本发明的波导结构，它被设计为了在以下应用之一中使用商店照明，住宅照明，重点照明，聚光照明，剧场照明，汽车前灯照明，光纤应用，以及投影系统。
测量方法本发明中使用的这些项目的测量方法在本领域中是公知的，任何熟练技术人员都可以从以下全部结合进来作为参考的文件的一篇或多篇中获知这些方法J.F.Massicott等人，Electronics Letters(电子学通讯)，Vol.29(24)，pp.2119-2120(1993)，T.Sandrock等人，Optics Letters(光学通讯)，Vol.24(18)，pp.1284-1286(1999)《Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers(稀土金属掺杂的光纤激光器和放大器)》，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(美国光学学会杂志)B，Vol.11(5)，pp.886-893，以及其中引用的参考文献。
权利要求
1.一种用于红外波长激光辐射的上变频的波导结构，包括a)至少一基本由湿度稳定、机械和/或温度稳定的材料制成的基底层；b)至少一层位于该基底层上的基本由卤化物玻璃，优选地由氟化物玻璃制成的活性层，其中该至少一层基底层的材料与该至少一层活性层的材料具有不同的成分。
2.根据权利要求1所述的波导结构，其中该波导结构的功效≥10％和≤90％，功效定义为 可用辐射被定义为红、绿和/或蓝光谱带中的上变频光。
3.根据权利要求1或2所述的波导结构，其中活性层的厚度为≥0μm和≤5μm。
4.根据权利要求1或3所述的波导结构，其中活性层材料选自ZBLAN，它基本由ZrF4，BaF2，LAF3，ALF3和NaF组分组成，以Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其组合中的一种或多种稀土离子掺杂；一种或多种晶体LiLuF4，LiYF4，BaY2F8，SrF2，LaCl3，KPb2CL5，LaBr3，以Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其组合中一种或多种稀土离子掺杂；一种或多种以稀土掺杂的氟化物Ba-Ln-F和Ca-Ln-F，其中Ln是Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd，或其组合，或其混合物中的一种或多种稀土离子。或其混合物。
5.根据权利要求1至3之一所述的波导结构，其中基底层材料具有≥300℃且≤2000℃的弱化温度，和/或比活性层材料更低的折射系数。
6.根据权利要求1至5所述的波导结构，其中基底层材料选自石英玻璃、硬质玻璃、MgF2及其混合物。
7.根据权利要求1至6所述的波导结构，其中活性层通过热浸旋涂法涂敷到基底层上。
8.根据权利要求1至7所述的波导结构，其中活性层的长度为≥100μm和≤100,000μm，优选≥200μm，更优选≥500μm，最优选≥1000μm和≤50,000μm；和/或活性层的宽度为≥1μm和≤200μm。
9.根据权利要求1至8所述的波导结构，还包括以下述方式涂敷在活性层上的密封层使活性层位于基底层和该密封层之间，该密封层材料优选地从一个组中选出，该组包括SiO2，高折射系数材料，优选地是Al2O3，和/或Si3N4，聚合物，单独地或与优选地来自未掺杂的ZBLAN的光隔离层一起在玻璃或其混合物上旋转。
10.包括根据权利要求1至9之一的波导结构的至少之一的照明单元，它被设计成在以下应用之一中使用商店照明，住宅照明，重点照明，聚光照明，剧场照明，汽车前灯照明，光纤应用，以及投影系统。
全文摘要
本发明涉及一种用于红外波长激光辐射的上变频的波导结构，其特征在于包括a)至少一主要由湿度稳定、机械和/或温度稳定材料制成的基底层；b)至少一层位于该基底层上的基本由卤化物玻璃优选地由氟化物玻璃制成的活性层，其中该至少一层基底层的材料与该至少一层活性层的材料具有不同的成分。
文档编号G02F1/377GK1930747SQ200580006981
公开日2007年3月14日 申请日期2005年2月24日 优先权日2004年3月4日
发明者A·里茨, G·霍伊斯勒 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司