本发明涉及光学能源领域，尤其涉及一种波长转换装置及其制备方法、激光荧光转换型光源。
背景技术
作为目前各种激光光源中发展较快、应用较广的一种激光光源，激光荧光转换型光源包括激光器、波长转换装置和输出端，其中，通常由依次堆叠的基板层、反射层和发光层(以下称为“三层堆叠结构”)组成的波长转换装置在激光器的激发下产生需要的颜色光，并且经由输出端输出。可以看出，波长转换装置是激光荧光转换型光源的关键部件，其可靠性、发光效率、发光亮度等性能的高低直接决定激光荧光转换型光源的优劣。然而，随着激光器功率的提高，对于波长转换装置的可靠性、发光效率、发光亮度等性能的要求也不断提高。当高功率激光器发出的激光照射波长转换装置时，波长转换装置的发光层吸收激发光并转换成受激光，发光层温度很快升高且热量迅速增加，反射层一方面对发光层出射的受激光进行反射，另一方面起到导热的作用，将发光层的热量传递到基板层进行散热，由于发光层的发光效率与温度呈反比，因此需要反射层不仅要具有较高的、反射率，还要有较高导热率和较低的热阻。
在现有技术中，波长转换装置主要通过改进反射层的结构来解决上述问题，具体地，主要采用两种类型的反射层：一种是漫反射层；另一种是金属(例如，银、铝)反射层。漫反射层全部由无机材料组成，耐热性较高，使得波长转换装置能够承受大功率激发光，但是为了保证较高的反射率，漫反射层的烧结结构通常是多孔结构，造成热阻较高，从而不利于波长转换装置发光层热量向导热基板的传递，造成发光亮度下降，热稳定性低，虽然可以通过减薄漫反射层的厚度来降低热阻，但是会降低其反射率，因此，漫反射层在原理上无法同时保证较高的导热性和反射率。金属反射层由银粉与发光层共烧形成。为了保证光饱和度，发光层通常选用折射率较高的玻璃粉，而这类玻璃粉通常含有cu2+，sn2+，sb2+，co2+等重金属离子，容易与金属反射层中的银发生变色反应，导致光饱和度降低。现有技术中有针对这一问题采用银粉、玻璃粉和有机载体混合烧结形成金属玻璃反射层，虽然一定程度上可以缓解银与发光层玻璃直接发生变色反应，但并不能完全阻止变色反应的发生，并且该结构的反射层由于含有玻璃结构而使其反射率达不到纯金属反射的效果。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种波长转换装置及其制备方法、激光荧光转换型光源，通过设置有用于隔离银反射层和发光玻璃层的玻璃保护层，能够进一步的提升反射效果和发光亮度，避免了银反射层与发光玻璃层发生变色反应，实现较高的发光效率和发光饱和度。此外，由于银反射层与外界的空气和水分完全隔离，本发明的波长转换装置和激光荧光转换型光源具有更高的长期可靠性。
本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：
根据本发明的实施例，提出了一种波长转换装置，其包括依次堆叠的氧化铝基板层、银反射层和发光玻璃层，所述银反射层反射从所述发光玻璃层中出射的光。所述波长转换装置还包括玻璃保护层。所述玻璃保护层设置在所述银反射层与所述发光玻璃层之间，并且所述玻璃保护层中的玻璃的折射率低于所述发光玻璃层中的玻璃的折射率，且不会与银发生变色反应。
优选地，所述玻璃保护层被形成为包裹所述银反射层的上表面和侧壁。可替代地，所述发光玻璃层被形成为包裹所述玻璃保护层的上表面以及所述玻璃保护层和所述银反射层的侧壁。
所述银反射层可以具有不含玻璃粉的银颗粒密堆积结构，其厚度范围可以为1～100μm。优选地，用于形成所述银反射层的原料银粉是球状银粉或片状银粉。所述原料银粉的粒径范围为0.01～20μm。
所述玻璃保护层中的玻璃的折射率低于1.6，优选低于1.5。所述玻璃保护层的厚度范围为1～100μm，优选为1～30μm。
所述发光玻璃层中的玻璃的折射率高于1.5，优选高于1.6。所述发光玻璃层中的玻璃优选是硼硅酸盐无铅玻璃。所述发光玻璃层的厚度范围为10～1000μm。
所述氧化铝基板层优选是蓝宝石基板。
为了降低玻璃熔融液的高温流动性，破坏玻璃的光导作用，使得对银反射层的反射率影响较小，所述玻璃保护层由第二玻璃粉、散射粒子和有机载体混合成玻璃浆料烧结形成；其中，所述散射粒子由氧化铝、氧化钛、氧化钇、硫酸钡中一种或者多种组成。其中，所述玻璃保护层的厚度为1μm～30μm，优选为5μm～20μm。所述散射粒子和第二玻璃粉均为球状，所述散射粒子的粒径为0.2μm～0.5μm。
为了减小玻璃保护层对银反射层的反射率影响，所述散射粒子与所述玻璃保护层的重量比小于等于5％。
根据本发明的实施例，还提出了一种激光荧光转换型光源，其包括上述波长转换装置和作为所述波长转换装置的入射光源的激光装置。
本发明还提供一种波长转换装置的制备方法，所述方法包括：
s1：在氧化铝基板上涂覆包括银粉和有机载体的混合浆料，静置后，在60℃～150℃下预烘干，然后在500℃～1000℃下烧结形成银反射层；
s2：在银反射层上涂覆包括第二玻璃粉、散射粒子和有机载体的混合玻璃浆料，在60℃～150℃下预烘干，然后在500℃～1000℃下烧结形成玻璃保护层；
s3：在玻璃保护层上涂覆包括荧光粉、第一玻璃粉、有机载体的混合玻璃浆料，在60℃～150℃下预烘干，然后在500℃～1000℃下烧结形成波长转换装置。
其中，静置的时间为20min，预烘干的时间为20min，烧结的时间为10min～60min。
所述第二玻璃粉的软化温度不低于所述第一玻璃粉的软化温度。
为了优化工艺，本发明还提供另一种波长转换装置的制备方法，所述方法包括：
s10：在氧化铝基板上涂覆包括银粉和有机载体的混合浆料，静置后，在60℃～150℃下预烘干，形成银反射坯层；
s20：在所述银反射坯层上涂覆包括第二玻璃粉、散射粒子和有机载体的混合玻璃浆料，在60℃～150℃下预烘干，形成玻璃保护坯层；
s30：在所述玻璃保护坯层上涂覆包括荧光粉、第一玻璃粉、有机载体的混合玻璃浆料，在60℃～150℃下预烘干，然后在500℃～1000℃下共同烧结形成波长转换装置。
所述第二玻璃粉的软化温度与所述第一玻璃粉的软化温度相同或相近。
本发明由于设置有用于隔离银反射层和发光玻璃层的玻璃保护层，能够进一步的提升反射效果和发光亮度，避免了银反射层与发光玻璃层发生变色反应，实现较高的发光效率和发光饱和度。此外，由于银反射层与外界的空气和水分完全隔离，本发明的波长转换装置和激光荧光转换型光源具有更高的长期可靠性。
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细地说明。
附图说明
图1为本发明波长转换装置一实施例的横截面图；
图2为本发明波长转换装置另一实施例的横截面图；
图3为本发明波长转换装置另一实施例的变型例的横截面图。
具体实施方式
图1为本发明波长转换装置一实施例的横截面图。如图1所示，与现有技术中的三层堆叠结构不同，本发明的波长转换装置具有四层堆叠结构，即从下到上依次堆叠的氧化铝基板层4、银反射层3、玻璃保护层2和含有荧光粉的发光玻璃层1。
氧化铝基板层4可以是氧化铝陶瓷，也可以是氧化铝单晶(即，蓝宝石基板)。蓝宝石基板热导率优于氧化铝陶瓷基板，且致密度高，与烧结形成的银反射层3的粘接性能更好。氧化铝基板层4的厚度为10μm～3000μm。
银反射层3用于反射从发光玻璃层1中出射的光束。银反射层3中不含有玻璃粉，是由银粉和有机载体混合成银浆烧结形成的银颗粒密堆积结构。这里，应当理解的是，当由银浆烧结形成的银反射层的密度达到了10g/cm3以上时，即可被称为银颗粒的“密堆积结构”。银反射层3的厚度为1μm～100μm。在银反射层厚度小于1μm情况下，银浆工艺不容易控制；在银反射层厚度大于100μm情况下，不利于获得致密平整的银反射层表面。原料银粉的粒径(平均粒径)范围是0.01μm～20μm，粒径小于0.01μm的银粉不容易分散，粒径大于20μm的银粉制备的银浆表面平整度不容易控制，并且粒径越大的银粉越不容易在氧化铝基板表面上烧结致密，附着力越差。原料银粉优选为球形或者片状(球状银粉或片状银粉)，这两种形状颗粒有利于形成银粉密堆积结构，使得银反射层更致密。此外，原料银粉的振实密度大于2g/cm3，优选大于4g/cm3，更优选大于6g/cm3。
玻璃保护层2是第二玻璃粉和有机载体混合成玻璃浆料烧结形成的透明玻璃结构。其中，有机载体可以由乙基纤维素，松油醇，丁基卡比醇，丁基卡比醇酯混合溶解而成，或者有机载体也可以采用丙烯酸树脂。玻璃保护层2中的第二玻璃粉不会与银反射层3中含有的银发生变色反应。发光玻璃层1由荧光粉、第一玻璃粉和有机载体混合烧结形成。玻璃保护层2与发光玻璃层1具有不同的玻璃结构。在这样的四层堆叠结构中，银反射层3具有不含玻璃粉的银颗粒密堆积结构，使得银反射层3具有高的反射率，达到纯银反射的效果。致密的玻璃保护层2将银反射层3与发光玻璃层1分隔，避免了由于银反射层3与发光玻璃层1直接接触而导致银发生变色反应，能够实现较高的发光效率和发光饱和度。
进一步地，玻璃保护层2的第二玻璃粉优选采用不含cu、co、sn、sb等与ag产生变色反应的物质的具有低折射率的玻璃。优选地，玻璃保护层2中的玻璃的折射率nd2低于1.6。更优选地，折射率nd2低于1.5。其厚度优选为1μm～100μm，更优选地，为1μm～30μm。发光玻璃层1的第一玻璃粉优选采用具有高折射率和高热稳定性的玻璃，例如硼硅酸盐无铅玻璃。发光玻璃层1的厚度优选为10μm～1000μm。发光玻璃层1中含有的荧光粉优选为具有石榴石结构的lu3al5o12:ce3+、y3al5o12:ce3+等绿色或黄色荧光粉。优选地，发光玻璃层1中的玻璃的折射率nd1为1.5以上。更优选地，折射率nd1为1.6以上。换言之，优选nd1>nd2。在此情况下，不仅确保了发光层具有高的发光饱和度，而且由于发光玻璃层1发出的光线在大角度入射至与玻璃保护层2的界面处时会发生全反射，所以还能够进一步提升装置的反射效率，进而提升装置的发光亮度。
需要补充的是，为了使波长转换装置达到热阻低，光吸收低，对银反射层的反射率影响小等技术效果，波长转换装置的玻璃保护层要求厚度尽量薄。一般来说，采用纯玻璃烧结的玻璃保护层的致密度最高，对烧结银的保护效果最好。但是本发明试验发现，由于银反射层的表面粗糙度较难控制，纯玻璃熔融液的流动性对玻璃保护层的保护效果和反射率影响较大。具体来说，当纯玻璃熔融液的流动性过小时，其与玻璃粉烧结时易出现烧结应力不均匀的现象，导致烧结之后的粘结强度低，烧结致密性差，例如氮化硼含量较高的玻璃其流动性差；而当纯玻璃熔融液(如玻璃保护层2由第二玻璃粉和有机载体混合成玻璃浆料烧结形成)的流动性过大时，纯玻璃熔融液容易从银反射层的凸面向凹面聚集，从而影响保护效果和反射率，虽然加厚玻璃保护层可以弥补这一缺陷，但是较厚的玻璃保护层容易形成光导，降低波长转换装置的发光效率。
针对上述问题，本发明的玻璃保护层2可以采用第二玻璃粉、散射粒子和有机载体混合成玻璃浆料烧结形成，其中，有机载体可以由乙基纤维素，松油醇，丁基卡比醇，丁基卡比醇酯混合溶解而成，本发明并不以此为限。第二玻璃粉为硅酸盐，硼硅酸盐无铅玻璃，优选采用不含cu、co、sn、sb等与ag产生变色反应的物质的具有低折射率的玻璃。优选地，玻璃保护层2中的玻璃的折射率nd2低于1.6。更优选地，折射率nd2低于1.5。其厚度优选为1μm～100μm，更优选地，为1μm～30μm，更进一步优选5μm～20μm；本实施例中玻璃保护层与传统的漫反射层不同，漫反射层的作用主要是反射作用，其散射粒子含量高，漫反射层厚度厚，并且漫反射层对玻璃粉的流动性没有要求，只要能够粘接散射粒子即可。
本发明中散射粒子由氧化铝、氧化钛、氧化钇、硫酸钡中一种或者多种组成，所述散射粒子和第二玻璃粉均为球状，进一步优选散射粒子的粒径(平均粒径)为0.2μm～0.5μm。
本发明发现，由于散射粒子的熔点较高，当玻璃保护层中的的第二玻璃粉在高温下成熔融状态时，加入的少量散射粒子仍有部分为固体，从而降低了玻璃熔融液的高温流动性，有利于玻璃保护层对银反射层的均匀覆盖；另外，由于散射粒子对光的散射作用，破坏了玻璃的光导作用，使得对银反射层的反射率影响较小。
表1示出了不同氧化铝含量的玻璃保护层对银反射层的反射率影响。技术人员首先测量设置有不同氧化铝含量的玻璃保护层的银反射层的反射率，之后与漫反射板的反射率作对比，得出表1，其中，漫反射板采用蓝菲光学(labspher))公司的反射标准板srs-99-010。如表1所示，本发明经试验发现，在玻璃保护层中加入的散射粒子(粒径为0.2μm～0.5μm的氧化铝)含量不高于5重量％的情况下，玻璃保护层对银反射层的反射率几乎没有影响。因此，本发明中散射粒子含量进一步优选5重量％以下，即散射粒子的重量不高于散射粒子和第二玻璃粉总重量的5％，或者说所述散射粒子与所述玻璃保护层的重量比小于等于5％。
表2示出了不同厚度的玻璃保护层对银反射层的反射率影响。技术人员首先测量了设置有不同厚度玻璃保护层的银反射层的反射率，具体的，本试验中，采用了两种玻璃保护层，一种玻璃保护层的散射粒子含量为3重量％，另一种玻璃保护层中没有添加散射粒子，之后与漫反射板的反射率作对比，得出表2，其中，漫反射板采用蓝菲光学(labspher))公司的反射标准板srs-99-010。如表2所示，当玻璃保护层中不含散射粒子时，玻璃层的厚度从5um提高到10um，玻璃保护层面测试银反射层的反射率降低了3％以上，而加入散射粒子(粒径为0.2μm～0.5μm的氧化铝)的玻璃保护层厚度从5μm提高到20μm，反射率几乎没有变化。
表1
表2
需要说明的是，由于有机载体最终会在烧结工艺中被排除，因此本发明中各组分的含量在以重量为计算基础时不计入有机载体的重量。
图2为本发明波长转换装置另一实施例的横截面图。如图2所示，本实施例中的波长转换装置也具有四层堆叠结构，即从下到上依次堆叠的氧化铝基板层4、银反射层3、玻璃保护层2和含有荧光粉的发光玻璃层1。因而，在下面的说明中，将省略与实施例一中相同的部分的说明。
本实施例的波长转换装置与上述实施例中的波长转换装置的区别在于：玻璃保护层2的涂覆宽度(在图2中，水平方向上的尺寸为宽度且垂直方向上的尺寸为厚度)大于银反射层3的涂覆宽度，使得玻璃保护层2被形成为包裹银反射层3的上表面和侧壁。由于致密的玻璃保护层2包裹住银反射层3的上表面和侧壁，所以银反射层3与外界的大气和水分等隔绝，从而避免了银反射层3硫化发黑的问题，使得波长转换装置能够进一步具有更高的长期可靠性。
图3为本发明波长转换装置另一实施例的变型例的横截面图。可替代地，如图3所示，在本实施例的波长转换装置中，也可以是发光玻璃层1的涂覆宽度大于玻璃保护层2和银反射层3的涂覆宽度，使得发光玻璃层1被形成为包裹玻璃保护层2的上表面以及玻璃保护层2和银反射层3的侧壁。由于银反射层3的上表面和侧壁被玻璃保护层2和发光玻璃层1包裹，所以银反射层3与外界的大气和水分等隔绝，从而避免了银反射层3硫化发黑的问题，使得波长转换装置能够进一步具有更高的长期可靠性。
本发明还提供一种波长转换装置的制备方法，所述方法包括：
s1：在氧化铝基板上涂覆包括银粉和有机载体的混合浆料，静置后，在60℃～150℃下预烘干，然后在500℃～1000℃下烧结形成银反射层；
s2：在银反射层上涂覆包括第二玻璃粉、散射粒子和有机载体的混合玻璃浆料，在60℃～150℃下预烘干，然后在500℃～1000℃下烧结形成玻璃保护层；
s3：在玻璃保护层上涂覆包括荧光粉、第一玻璃粉、有机载体的混合玻璃浆料，在60℃～150℃下预烘干，然后在500℃～1000℃下烧结形成波长转换装置。
为了提高波长转换装置的质量，本发明通过多次试验得出静置的时间为20min，预烘干的时间为2min～60min，优选为20min，烧结的时间为10min～60min。优选的，烧结形成银反射层的时间为10min，烧结形成玻璃保护层的时间为60min。需要补充的是，预烘干时混合浆料和混合玻璃浆料仍要保持一定量的水分。此外，为了防止在玻璃保护层上烧结发光玻璃层时发生玻璃保护层熔融，不利于烧结的情况，第二玻璃粉的软化温度需要不低于第一玻璃粉的软化温度。
特别地，在上述s2中，可以将包括第二玻璃粉、散射粒子和有机载体的混合玻璃浆料整体包裹住银反射层。为了提高产品的性能，优选的，在s1后，需将银反射层冷却至室温。
举例来说，本发明可以采用如下方法制备波长转换装置。首先选用一蓝宝石基板，将球状银粉及有机载体混合搅拌均匀形成银浆，将银浆刮涂到蓝宝石基板上，于700℃下预烘干20min，置于马弗炉中于600℃下烧结10min形成银反射层；冷却到室温后，将第二玻璃粉及有机载体混合搅拌均匀形成玻璃浆料，并涂覆在银反射层上使之整体包裹住银反射层，置于马弗炉中700℃烧结60min，形成包裹住银反射层的玻璃保护层；将第一玻璃粉、荧光粉及有机载体混合搅拌均匀形成荧光粉浆料，并涂覆在玻璃保护层上，置于马弗炉中于700℃下烧结60min，从而形成蓝宝石基板波长转换装置。
本发明还提供另一种波长转换装置的制备方法，所述方法包括：
s10：在氧化铝基板上涂覆包括银粉和有机载体的混合浆料，静置后，在60℃～150℃下预烘干，形成银反射坯层；
s20：在所述银反射坯层上涂覆包括第二玻璃粉、散射粒子和有机载体的混合玻璃浆料，在60℃～150℃下预烘干，形成玻璃保护坯层；
s30：在所述玻璃保护坯层上涂覆包括荧光粉、第一玻璃粉、有机载体的混合玻璃浆料，在60℃～150℃下预烘干，然后在500℃～1000℃下共同烧结形成波长转换装置。
在s30中，银反射坯层、玻璃保护坯层经共同烧结后分别形成银反射层和玻璃保护层，包括荧光粉、第一玻璃粉、有机载体的混合玻璃浆料经预烘干及共同烧结后形成发光玻璃层。
本实施例中的方法与上述方法相比，区别在于减少了涂覆包括银粉和有机载体的混合浆料、以及涂覆包括第二玻璃粉、散射粒子和有机载体的混合玻璃浆料后的烧结工序，其在涂覆包括荧光粉、第一玻璃粉、有机载体的混合玻璃浆料预烘干后进行烧结，优化了工序流程。
为防止第一玻璃粉与第二玻璃粉共同烧结时出现过融的情况，损坏玻璃保护层或发光玻璃层的形状，本实施例优选第一玻璃粉与第二玻璃粉具有相同或相近的软化温度。
本发明还提供了一种激光荧光转换型光源，包括激光装置和如上所述的任意波长转换装置，所述激光装置用作所述波长转换装置的入射光源。
尽管在上面已经参照附图说明了根据本发明的波长转换装置，但是本发明不限于此，且本领域技术人员应理解，在不偏离本发明随附权利要求书限定的实质或范围的情况下，可以做出各种改变、组合、次组合以及变型。