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JP2021533577A - Compact high-spectral radiance light source including parabolic mirror and plano-convex fluorescent body - Google Patents

Compact high-spectral radiance light source including parabolic mirror and plano-convex fluorescent body Download PDF

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JP2021533577A JP2021527261A JP2021527261A JP2021533577A JP 2021533577 A JP2021533577 A JP 2021533577A JP 2021527261 A JP2021527261 A JP 2021527261A JP 2021527261 A JP2021527261 A JP 2021527261A JP 2021533577 A JP2021533577 A JP 2021533577A
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Abstract

ポンプされる蛍光光源は、1つまたは複数のポンプ源からのポンピング光を、平坦な上面と凸型の裏面とを有する蛍光本体上に向ける1つまたは複数の鏡を含む。効率を改善するために、上面を反射防止コーティングでコーティングし、背面凸面を反射コーティングでコーティングすることができる。また本体上面は、鏡から提供される励起光の一部分を散乱させて白色の出力ビームを生成するように、粗面化することができる。鏡は、光源の出力ビームの収集領域の外側に配置された反射面を有する。そのため、収集領域が鏡によって遮られない。また光源は、本体によって放射される光を収集する集光レンズを含む。鏡は、励起光を本体に集束させて放射を刺激する単一の放物面鏡であってもよい。【選択図】図4The fluorescent light source to be pumped includes one or more mirrors that direct pumping light from one or more pump sources onto a fluorescent body having a flat top surface and a convex back surface. To improve efficiency, the top surface can be coated with an antireflection coating and the back convex surface can be coated with an antireflection coating. Further, the upper surface of the main body can be roughened so as to scatter a part of the excitation light provided from the mirror to generate a white output beam. The mirror has a reflective surface located outside the collection area of the output beam of the light source. Therefore, the collection area is not blocked by the mirror. The light source also includes a condenser lens that collects the light emitted by the body. The mirror may be a single parabolic mirror that focuses the excitation light on the body and stimulates radiation. [Selection diagram] FIG. 4

Description

本発明は、一般に光源に関し、特に、励起光を平凸型蛍光本体に向ける放物面鏡を含む高放射輝度蛍光光源に関する。 The present invention relates to a light source in general, and more particularly to a high radiance fluorescent light source including a parabolic mirror that directs excitation light toward a plano-convex fluorescent body.

生物医学的用途、ならびに蛍光の刺激または他の類似の照明要件を必要とする他の用途では、狭帯域照明によって生成されるスペックル場に起因して、狭帯域照明が蛍光撮像用途などの多くの生物医学的用途および撮像用途用に不適切となるため、通常、広帯域光源が必要である。過去の広帯域インコヒーレント光源は、比較的大きな光学システムであり、低発散の出力ビームを生成するために大きなレンズ、および/または反射器を必要とする。このような光学システムのサイズによって、出力ビームを光ファイバのような導波路に結合する効率が制限される。 In biomedical applications, as well as other applications that require fluorescence stimulation or other similar lighting requirements, narrowband illumination is often used for fluorescence imaging applications due to the speckle field produced by narrowband illumination. Wideband light sources are usually required as they are unsuitable for biomedical and imaging applications. Ultra-wideband incoherent sources of the past have been relatively large optical systems and require large lenses and / or reflectors to produce low divergence output beams. The size of such an optical system limits the efficiency of coupling the output beam to a waveguide such as an optical fiber.

いわゆる「白色LED」(発光ダイオード)のような現在の固体広帯域蛍光光源は、エポキシ樹脂中に埋め込まれた蛍光結晶粉末または個々の蛍光結晶のような蛍光物質をポンプ(光刺激)するためにLEDを使用することが多い。一方では、ポンプとしてLEDを使用するとコストおよびサイズが低減される。しかしながら、これらの蛍光光源のスペクトル放射輝度(W/Hz/m/sr)は、蛍光物質の吸収帯内のポンプLEDの放射輝度(W/m/sr)、および励起から蛍光物質に伝達される熱の熱管理によって制限される。LEDのような低放射輝度光ポンプ源を使用すると、低スペクトル放射輝度の蛍光発光が発生する。このような低スペクトル放射輝度源は、長尺用途には適さないコリメートが不十分な光ビーム、または高解像度用途、特に液体導光路およびサブmmコア光ファイバのような導光路における結合には適さない集束が不十分な光ビームの、いずれかを提供する。 Current solid broadband fluorescent light sources, such as so-called "white LEDs" (light emitting diodes), are LEDs for pumping fluorescent material such as fluorescent crystal powder or individual fluorescent crystals embedded in epoxy resin. Is often used. On the one hand, using LEDs as pumps reduces cost and size. However, the spectral radiance (W / Hz / m 2 / sr) of these fluorescent light sources is transmitted from the radiance (W / m 2 / sr) of the pump LED in the absorption band of the fluorescent material and the excitation to the fluorescent material. Limited by the heat management of the heat that is done. When a low radiance light pump source such as an LED is used, low radiance fluorescence emission is generated. Such low spectral radiance sources are suitable for coupling in light beams with poor collimation that are not suitable for long applications, or in high resolution applications, especially light paths such as liquid light guides and submm core fiber optics. It provides one of the light beams that is not well focused.

より高い高放射輝度用途において蛍光本体を冷却するために、フロントサーフェスまたはフロントエンドポンピング方式を使用することができる。このようなジオメトリにおいて、出力蛍光ビームは入力ポンプビームと同じ側にある。これらのフロントサイドポンピング方式では、ポンピング光源(レーザダイオード、LED等)、ならびにこれらのポンプ源のビームステアリングおよび集束光学系を、蛍光物質の前に配置する必要がある。このような配置にはいくつかの欠点がある。第一に、蛍光本体の前に光学素子が位置することには、実際的なスペースの制限がある。次に、出力蛍光ビームの集光光学系と、バンドパスフィルタ、ビームコンバイナ、ファイバ結合光学系等の更なる光学部品とが、蛍光本体の前に位置しなければならない。第二に、ポンプ源が蛍光本体の前に位置する場合、ポンプされた蛍光物質に加えて、各ポンプ源がそれ自体の熱負荷を発生する事実によって、装置の熱管理が複雑になる。結果として得られる装置では、互いに離れて位置する複数のヒートシンクを使用する必要がある。したがって、結果として得られる光源と、受動または能動冷却システムとの熱界面が複雑になる。最終的に、結果として得られる光源では、大量生産および光学的アラインメントがより困難な組立手順が必要とされる。 Front surface or front end pumping schemes can be used to cool the fluorescent body in higher radiance applications. In such geometry, the output fluorescence beam is on the same side as the input pump beam. In these front side pumping schemes, the pumping light source (laser diode, LED, etc.) and the beam steering and focusing optics of these pump sources need to be placed in front of the fluorescent material. Such an arrangement has some drawbacks. First, the location of the optics in front of the fluorescent body has practical space limitations. Next, the focused optics of the output fluorescence beam and additional optical components such as bandpass filters, beam combiners, fiber coupling optics, etc. must be located in front of the fluorescence body. Second, if the pump sources are located in front of the fluorescent body, the fact that each pump source generates its own heat load, in addition to the pumped fluorescent material, complicates the thermal management of the device. The resulting device requires the use of multiple heat sinks located apart from each other. Therefore, the thermal interface between the resulting light source and the passive or active cooling system is complicated. Ultimately, the resulting light source requires assembly procedures that are more difficult to mass-produce and optically align.

したがって、コンパクトな設計と低い製造コストを維持しながら、高スペクトル放射輝度を有する光源を提供することが望まれる。 Therefore, it is desired to provide a light source with high spectral radiance while maintaining a compact design and low manufacturing cost.

低い製造コスト、および高スペクトル放射輝度を有するコンパクトな光源を提供するという上記の課題を、光源、および光源の操作方法に関して提供する。 The above task of providing a compact light source with low manufacturing cost and high spectral radiance is provided with respect to the light source and the method of operating the light source.

光源は、励起波長で刺激されたときに蛍光特性を有するようにドープされた材料と平凸形状とを有する本体と、本体によって放射される光を収集する集光レンズと、1つまたは複数の鏡と、励起波長で励起光を提供する1つまたは複数の光源と、を含む。光源は、鏡の対応するものに向けられた出力を有する。その結果、鏡が、1つまたは複数の光源によって提供される励起光を本体に向け、本体によって放射される光の放射を刺激する。1つ以上の鏡は、収集領域が鏡によって遮られないように、出力ビームの収集領域の外側に配置された反射面を備える。1つまたは複数の鏡は、光源の出力を本体の上面に集束させるために、焦軸が本体の上面に向けられるように配置された単一の放物面鏡であってもよい。 The light source is a body having a plano-convex shape and a material doped to have fluorescent properties when stimulated at an excitation wavelength, a condenser lens that collects the light emitted by the body, and one or more. Includes a mirror and one or more light sources that provide excitation light at the excitation wavelength. The light source has an output directed at the corresponding one of the mirrors. As a result, the mirror directs the excitation light provided by one or more light sources towards the body, stimulating the radiation of light emitted by the body. One or more mirrors include a reflective surface located outside the collection area of the output beam so that the collection area is not obstructed by the mirror. The one or more mirrors may be a single parabolic mirror arranged with the focus axis directed towards the top surface of the body in order to focus the output of the light source on the top surface of the body.

本発明の上記および他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に示されるような、以下の説明、より具体的には、本発明の好適な実施形態の説明から明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the invention will be apparent from the following description, more specifically, the description of preferred embodiments of the invention, as shown in the accompanying drawings.

本発明の特徴であると考えられる新規な特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、本発明自体、ならびにその好適な使用態様、さらなる目的、および利点は、添付の図面と併せて読む場合に、例示的な実施形態の以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解される。ここで、同様の参照番号は同様の部品を示す。 The novel features considered to be the features of the present invention are described in the appended claims. However, the invention itself, as well as preferred embodiments, further objectives, and advantages thereof, are best understood by reference to the following detailed description of exemplary embodiments when read in conjunction with the accompanying drawings. NS. Here, similar reference numbers indicate similar parts.

本開示の様々な実施形態で使用される軸対称放物面鏡の側面断面図である。FIG. 3 is a side sectional view of an axisymmetric parabolic mirror used in various embodiments of the present disclosure. 本開示の様々な実施形態で使用される軸対称放物面鏡の側面断面図である。FIG. 3 is a side sectional view of an axisymmetric parabolic mirror used in various embodiments of the present disclosure. 側面断面図である。It is a side sectional view. 上面断面図である。It is a top sectional view. 斜視断面図である。It is a perspective sectional view. 分解図である。It is an exploded view. 本開示の一実施形態による光源200の斜視図である。It is a perspective view of the light source 200 by one Embodiment of this disclosure. 代替的な熱管理サブシステムを含む、図2A〜図2Eの光源200の単純化された概略図である。FIG. 2 is a simplified schematic representation of the light source 200 of FIGS. 2A-2E, including an alternative thermal management subsystem. 本開示の別の実施形態による光源の側面断面図である。FIG. 3 is a side sectional view of a light source according to another embodiment of the present disclosure. 本開示のさらに別の実施形態による光源の側面断面図である。FIG. 3 is a side sectional view of a light source according to still another embodiment of the present disclosure.

本開示は、部品数の減少により製造性が改善されたコンパクトなパッケージで、高スペクトル放射輝度を提供する光源を開示する。蛍光本体を刺激して蛍光ビームを放射するための複数のポンプ光源を含み、出力蛍光ビームの外側に配置された放物面鏡の面でポンピング光を収集することによって、光源によって生成される光の量を増加させる。それとともに、ポンプ光源を光源の出力の後ろに位置させることによって、より良好な熱管理を提供する。蛍光本体は平凸形状を有する。凸型の下面を反射コーティングでコーティングすることができる。本体の平坦な上面は、放物面鏡から受け取った励起光の導入を妨げずに放射される蛍光の出射を容易にする反射防止コーティングでコーティングすることができる。蛍光本体は一般に「黄色」光、例えば赤色と緑色波長領域の波長の混合を放射するので、結果として得られる出力ビームを「白色化」するために、一般に青色波長である励起光の一部を散乱させるべく、上面を粗くするように上面を研磨することができる。放物面鏡は、放射される出力ビームを抽出する開口を提供するために、輪郭が円形であってよく、または輪郭が環状であってもよい。ポンプ光源は、蛍光本体と同じ熱シンクに結合することができる。光源は、系統的で単純化されたアラインメント手順を同様に提供する。蛍光本体の前に位置するはずの障害物を除去することによって、大きな収集立体角は、光源出力ビームを形成するコレクタによって支持される。また、本明細書に示される光源の構成は、ポンプビームの方向が出力ビーム収集光学系の立体角の外側にあるため、故障時により安全な作動が提供される。また、図示された光源の光学的アラインメントプロセスは、自動化された光学的アラインメントおよび組立システムに適するよう、複雑性が軽減されているため、大量生産に適している。結果として得られる構成は、大きな立体角に亘る出力蛍光ビームの効率的な集光、ポンプ光源、蛍光物質、および出力光収集光学系のコンパクトなパッケージング、ならびに出力蛍光ビームに対向する光源の背面に位置された単一の平坦な高温表面によるコンパクトで単純化された熱管理を提供する。光学素子の数も減らすことができる。装置のジオメトリは、電気通信産業で使用されるバタフライハーメチックパッケージに類似したコンパクトなハーメチックパッケージ、特に、主に高出力レーザダイオードおよび量子カスケードレーザに使用される高熱負荷(HHL:high heat load)ハーメチックパッケージと互換性がある。 The present disclosure discloses a light source that provides high spectral radiance in a compact package with improved manufacturability due to a reduced number of components. Light produced by a light source by collecting pumping light on the surface of a parabolic mirror located outside the output fluorescent beam, including multiple pump light sources for stimulating the fluorescent body to emit a fluorescent beam. Increase the amount of. At the same time, the pump light source is located behind the output of the light source to provide better thermal management. The fluorescent body has a plano-convex shape. The lower surface of the convex shape can be coated with a reflective coating. The flat top surface of the body can be coated with an antireflection coating that facilitates the emission of emitted fluorescence without interfering with the introduction of excitation light received from the parabolic mirror. Since the fluorescent body generally emits "yellow" light, for example a mixture of wavelengths in the red and green wavelength regions, some of the excitation light, which is generally blue wavelength, is used to "whiten" the resulting output beam. The top surface can be polished to roughen the top surface for scattering. The parabolic mirror may have a circular contour or an annular contour to provide an aperture for extracting the emitted output beam. The pump light source can be coupled to the same heat sink as the fluorescent body. The light source also provides a systematic and simplified alignment procedure. By removing obstacles that should be located in front of the fluorescence body, the large solid angle of collection is supported by the collector forming the light source output beam. Further, in the configuration of the light source shown in the present specification, since the direction of the pump beam is outside the solid angle of the output beam acquisition optical system, safer operation is provided in the event of a failure. Also, the optical alignment process for the illustrated light sources is suitable for mass production because of its reduced complexity to suit automated optical alignment and assembly systems. The resulting configuration is efficient focusing of the output fluorescent beam over a large stereo angle, compact packaging of the pump light source, fluorescent material, and output light acquisition optics, and the back of the light source facing the output fluorescent beam. It provides compact and simplified thermal management with a single flat high temperature surface located in. The number of optical elements can also be reduced. The geometry of the device is a compact hermetic package similar to the butterfly hermetic package used in the telecommunications industry, especially the high heat load (HHL) hermetic package used primarily for high power laser diodes and quantum cascade lasers. Compatible with.

本明細書で開示される光源の様々な実施形態の作動を説明するために、図1Aおよび図1Bを参照して、放物面鏡の基本的な特性を説明する。図1Aは、(x+y)≦(d/4)である任意の(x,y)に関して、式z(x,y)=(x+y)/(4f)によって表される反射面100を有する軸対称放物面鏡の断面を示す。式中、zは鏡の反射面の位置であり、xおよびyはデカルト座標で表される横方向位置であり、dは放物面鏡の外径であり、パラメータfは焦点距離である。そのような鏡は、座標(x,y,z)=(0,0,f)に位置する鏡の焦点F102で、z軸に平行なコリメートされた光ビーム、または等価的に、z軸に平行に到達する入射光線101の束を反射する。放物面鏡には二つのよく知られた利点がある。第一に、高い開口数(NA)に対して、つまり焦点距離fに対する鏡径dの比d/fが大きい場合でも、焦点のぼやけにつながる球面収差がない。第二に、他の純粋に反射性の光学部品と同様に、色収差が存在しない。これは、鏡の特性、より具体的には焦点距離fが、反射面100の反射率帯域幅内の波長に依存しないことを意味する。その結果、焦点F102の位置は波長に依存しない。これにより、蛍光ビームのような広帯域光ビームに対してさえも、タイトな焦点が導かれる。また、色収差がないということは、単一の放物面鏡を、ポンプ光ビームの集束と広帯域蛍光ビームのコリメーションの両方に使用できることを意味する。放物面鏡に関連する主な欠点は、表面精度および品質(すなわち、低い表面粗さ)が必要であるため、製造が困難なことである。というのは、可視スペクトル、例えば400〜700nmの範囲の波長に対して適切な放物面リフレクタを提供するためには、サブミクロンの精度が必要とされるためである。しかしながら、光学的表面整形技術は現在、よりアクセスし易く、手頃な価格になりつつある。その中で、以下に開示する光源の実施形態で使用されるような放物面鏡を製造するために使用することができるものとして、コンピュータ数値制御(CNC:computer numerical control)研削および研磨、ダイヤモンド旋削、ガラスまたはプラスチック成形、およびマグネトレオロジカル表面仕上げ(MRF:magneto-rheological surface finishing)が挙げられる。 To illustrate the operation of various embodiments of the light source disclosed herein, the basic properties of a parabolic mirror will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. Figure 1A is represented by (x 2 + y 2) ≦ any is (d 2/4) with respect to (x, y), wherein z (x, y) = ( x 2 + y 2) / (4f) A cross section of an axisymmetric parabolic mirror having a reflecting surface 100 is shown. In the equation, z is the position of the reflecting surface of the mirror, x and y are the lateral positions expressed in Cartesian coordinates, d is the outer diameter of the parabolic mirror, and the parameter f is the focal length. Such a mirror is a collimated light beam parallel to the z-axis, or equivalently to the z-axis, at the focal point F102 of the mirror located at coordinates (x, y, z) = (0,0, f). It reflects a bundle of incident rays 101 that reach in parallel. Parabolic mirrors have two well-known advantages. First, there is no spherical aberration that leads to blurring of the focal point even for a high numerical aperture (NA), that is, when the ratio d / f of the mirror diameter d to the focal length f is large. Second, like other purely reflective optics, there is no chromatic aberration. This means that the characteristics of the mirror, more specifically the focal length f, do not depend on wavelengths within the reflectance bandwidth of the reflective surface 100. As a result, the position of the focal point F102 does not depend on the wavelength. This leads to a tight focus, even for wideband light beams such as fluorescent beams. The absence of chromatic aberration also means that a single parabolic mirror can be used for both focusing the pump light beam and collimating the wideband fluorescent beam. The main drawback associated with parabolic mirrors is that they are difficult to manufacture due to the need for surface accuracy and quality (ie, low surface roughness). This is because submicron accuracy is required to provide a suitable parabolic reflector for the visible spectrum, eg, wavelengths in the range of 400-700 nm. However, optical surface shaping techniques are now becoming more accessible and affordable. Among them, computer numerical control (CNC) grinding and polishing, diamonds, as those that can be used to manufacture parabolic mirrors as used in the embodiments of the light source disclosed below. Examples include turning, glass or plastic molding, and magneto-rheological surface finishing (MRF).

ここで図1Bを参照すると、本明細書で開示される実施形態で使用される放物面鏡の作動原理がさらに示されている。光線101Aの光路は、点Pに位置するポンプ源から発生し、点Aにおいて反射面100によって反射される。光線101Aは、最初はz軸に平行であり、座標y=0によって定義される平面において座標x=rに位置する。座標z=−fに位置する線は、放物線の準線103である。放物線は、焦点F102と準線103から等距離にあるすべての点の軌跡であることが知られている。したがって、点Aと点Bとの間に延在するセグメントABの長さと、点Aと焦点F102との間に延在するセグメントAFの長さとは等しい。したがって、三角形ABFは、角度φと角度βとが等しい二等辺三角形である。点Aと点Pとの間に延在するセグメントAPはz軸に平行である。そのため、点Pと点Bとの間に延在するセグメントPBも、軸zに平行であり、角度γと角度βとが交互の内角として等しい必要がある。したがって、交互の内角として、角度δ=∠SFA=γ+φである。したがって、γ=φ=βであり、δ=2βである。平面z=fに配置された蛍光特性を有する本体の前面104上の光線101A、例えばポンプ光線の入射角θは、角度∠SFAである。点Sは原点(x,y,z)=(0,0,0)に位置する放物線の頂点である。Aは、反射面100による光線101Aの反射点である。直接識別により、角度θ=∠SFA=γ+φ=2βである。したがってr=2f×tan(β)およびr=2f×tan(θ/2)である。r、f、およびθを連結する式r=2f×tan(θ/2)は、本明細書で開示される実施形態で使用される放物面鏡の基本設計式である。図示の放物面鏡は軸対称であるので、z軸から距離rに位置する任意のポンプ源に、図示の例を適用可能である。本明細書の例は、軸対称放物面鏡を使用して、ポンプ源からの光を蛍光本体、すなわち、蛍光特性を有する材料本体に向けるが、軸対称放物面鏡は必要ではない。単一軸に沿った放物面焦点を有する放物面円筒鏡のような他の放物面鏡を、代替の実施形態において使用してもよい。別の実施形態では、複数の有限共役レンズおよび平面鏡を使用して、ポンプ源出力を蛍光本体上に再結像することができる。 Here, with reference to FIG. 1B, the working principle of the parabolic mirror used in the embodiments disclosed herein is further shown. The optical path of the light ray 101A is generated from the pump source located at the point P and is reflected by the reflecting surface 100 at the point A. The ray 101A is initially parallel to the z-axis and is located at coordinate x = r in the plane defined by coordinate y = 0. The line located at the coordinate z = −f is a parabolic quasi-line 103. The parabola is known to be the locus of all points equidistant from the focal point F102 and the quasi-line 103. Therefore, the length of the segment AB extending between the points A and B is equal to the length of the segment AF extending between the points A and the focal point F102. Therefore, the triangle ABF is an isosceles triangle in which the angle φ and the angle β are equal. The segment AP extending between points A and P is parallel to the z-axis. Therefore, the segment PB extending between the points P and B must also be parallel to the axis z, and the angles γ and β must be equal as alternating internal angles. Therefore, as alternating internal angles, the angle δ = ∠SFA = γ + φ. Therefore, γ = φ = β and δ = 2β. The incident angle θ i of the light ray 101A, for example, the pump light ray on the front surface 104 of the main body having the fluorescence characteristic arranged in the plane z = f is the angle ∠SFA. The point S is the apex of the parabola located at the origin (x, y, z) = (0,0,0). A is a reflection point of the light ray 101A by the reflection surface 100. By direct identification, the angle θ i = ∠SFA = γ + φ = 2β. Therefore, r = 2f × tan (β) and r = 2f × tan (θ i / 2). The formula r = 2f × tan (θ i / 2) connecting r, f, and θ i is a basic design formula for a parabolic mirror used in the embodiments disclosed herein. Since the illustrated parabolic mirror is axisymmetric, the illustrated example can be applied to any pump source located at a distance r from the z-axis. The examples herein use an axially symmetric parabolic mirror to direct light from a pump source to a fluorescent body, i.e., a material body with fluorescent properties, but an axially symmetric parabolic mirror is not required. Other parabolic mirrors, such as parabolic cylindrical mirrors with a parabolic focus along a single axis, may be used in alternative embodiments. In another embodiment, a plurality of finite conjugated lenses and plane mirrors can be used to reimage the pump source output onto the fluorescence body.

後述する実施形態では、複数の高出力レーザポンプビームが、蛍光物質を含む本体の前面の上に集束される。このような装置では、ポンプ出力密度が非常に高い値に達して、蛍光物質を含む本体が局所的に著しく加熱される可能性がある。そのような局所的な加熱によって、本体の前面の上に反射防止コーティングを施すのが難しい環境になる可能性がある。励起光の反射損失を最小限に抑え、コンパクトなアセンブリを維持するために、ブリュースター角θ=tan−1(n)、(nは蛍光物質の屈折率)に等しい入射角θを設けて、励起光の反射を有利に低減することができる。θ=θの場合、p偏光ビーム(すなわち、入射面に平行な電界を有する光線)については、前面の空気‐本体界面でのフレネル反射が排除される。レーザダイオード出力ビームは、一般に、100:1のオーダーの偏光比でTE偏光される。そのため、すべてのポンプビームのフレネル反射を、各ポンプレーザダイオードの接合面を径方向の軸に沿って、例えば図1Bに示すように、点Pに位置するポンプレーザダイオードに対して接合部をx軸に平行に配向させることによって、ARコーティングを使用せずに、本質的に排除することができる。一例として、Ce:YAG単結晶は、450nmのポンプ波長で、屈折率n=1.85を有する。したがって、θ=tan−1(n)=61.6°となる。ポンプ源の径方向位置rと放物面鏡の焦点距離fとの関係は、r=2f×tan(θ/2)=1.19×fとなる。コンパクトな設計を達成するために、rの値を、例えば10mmに設定することができる。放物面鏡の焦点距離は、f=r/1.19=8.39mmで与えられる。そのような設計は、放物面鏡の中心を通して設けられた開口を介した、非常に大きなNAに亘る蛍光収集とも互換性がある。第1の近似として、放物面鏡中央開口径は2rに近似させることが可能であり、NA=sin(θ)=0.871に近似する開口数を提供する。上記の例は、ポンプレーザビームを妨害することなく、非常に大きなNAに亘って放射される蛍光ビームの収集を可能にしながら、ブリュースター角前面ポンピング方式と互換性がある、本開示の実施形態を示す。しかしながら、本例は、特許請求の範囲およびその同等物に記載されるように、本開示によって明らかにされる原理を含む他の装置の可能性を制限するものではない。さらに、本開示の実施形態は、ブリュースター角ポンピングに限定されない。そのため、ポンピングビームは非ブリュースター角で提供されてもよい。蛍光発光を最大化するために、本明細書に開示される実施形態は、反射防止コーティングを使用して蛍光本体からの放射を増加させることができる。発光波長でそのような反射防止コーティングを施すと、励起光について上述したブリュースター角条件に影響が及ぶ。しかしながら、一般に異なる屈折率を有する物質のスタックである薄膜設計は、特定の角度範囲に亘る発光波長での内部再反射を低減する一方、別の特定の角度範囲に亘る励起波長での本体の外部境界における反射を低減するように、特別に調整することができる。 In embodiments described below, a plurality of high power laser pump beams are focused on the front surface of the body containing the fluorescent material. In such devices, the pump power density can reach very high values and the body containing the fluorescent material can be significantly locally heated. Such local heating can create an environment where it is difficult to apply an anti-reflective coating on the front surface of the body. In order to minimize the reflection loss of the excitation light and maintain a compact assembly , an incident angle θ i equal to the Brewster angle θ B = tan -1 (n) and (n is the refractive index of the fluorescent substance) is provided. Therefore, the reflection of the excitation light can be advantageously reduced. When θ j = θ B , Fresnel reflections at the front air-body interface are eliminated for p-polarized beams (ie, rays with an electric field parallel to the plane of incidence). The laser diode output beam is generally TE polarized with a polarization ratio on the order of 100: 1. Therefore, the Fresnel reflection of all pump beams is applied to the junction surface of each pump laser diode along the radial axis, for example, as shown in FIG. 1B, with respect to the pump laser diode located at the point P. By orienting parallel to the axis, it can be essentially eliminated without the use of an AR coating. As an example, the Ce: YAG single crystal has a refractive index n = 1.85 at a pump wavelength of 450 nm. Therefore, θ B = tan -1 (n) = 61.6 °. The relationship between the radial position r of the pump source and the focal length f of the parabolic mirror is r B = 2f × tan (θ B / 2) = 1.19 × f. To achieve a compact design, the value of r B, can be set to, for example, 10 mm. The focal length of the parabolic mirror is given by f = r B / 1.19 = 8.39 mm. Such a design is also compatible with fluorescence collection over very large NAs through an opening provided through the center of the parabolic mirror. As a first approximation, the parabolic mirror central aperture diameter can be approximated to 2r B , providing a numerical aperture close to NA = sin (θ B) = 0.871. The embodiments described above are compatible with the Brewster's angle front pumping scheme, while allowing the collection of fluorescent beams emitted over very large NAs without interfering with the pump laser beam. Is shown. However, this example does not limit the possibilities of other devices, including the principles manifested by the present disclosure, as described in the claims and their equivalents. Moreover, embodiments of the present disclosure are not limited to Brewster's angle pumping. Therefore, the pumping beam may be provided at a non-Brewster's angle. In order to maximize fluorescence emission, the embodiments disclosed herein can use an antireflection coating to increase radiation from the fluorescence body. Applying such an antireflection coating at the emission wavelength affects the Brewster's angle conditions described above for the excitation light. However, thin film designs, which are generally stacks of materials with different indices of refraction, reduce internal rereflection at emission wavelengths over a particular angular range, while external to the body at excitation wavelengths over another specific angular range. It can be specially adjusted to reduce reflections at the boundaries.

次に、図2Aを参照すると、第1実施形態による光源200の側面断面図が示されている。図示の例は、取り付けベース203の中心に配置されて蛍光本体201の凸型の裏面(底面)に適合するプロファイルを有するヒートスプレッダ202に熱的および機械的に結合された蛍光物質の、平凸形状の蛍光本体201へ、光ポンピングを提供する。ヒートスプレッダ202および取り付けベース203は、好適には銅、アルミニウム、またはタングステン‐銅(W‐Cu)合金のような高熱伝導性材料製である。代替的に、ヒートスプレッダ202は、熱管理を改善するために複数の材料のスタックとして形成することができ、このスタックには光源200内に蛍光本体201を取り付けるために使用される熱伝導ペーストおよび接着剤が含まれる。光ポンピングは、複数のポンプレーザダイオード206によって提供される複数のポンプビームを組み合わせて集束させる、環状放物面鏡204を介して達成される。本例ではTO缶パッケージで提供されるポンプレーザダイオード206から出る発散ポンプビーム205Aは、適切な形状および焦点距離を有するレンズ207(例えば、高NA非球面成形ガラスレンズ)、速軸および遅軸コリメーティングレンズの組み合わせ、または実質的にコリメートされたビームを提供するのに適した任意の単一または複数要素ビームシェイパを使用して、最初にコリメートされる、またはほぼコリメートされる。次に、結果として得られるコリメートされた、またはほぼコリメートされたポンプビーム205Bは、環状放物面鏡204の高反射率コーティング204Aからの反射の後に、方向を変えられ、蛍光本体201の前面(上面)の上に集束される。環状放物面鏡204は、ミラーマウント208によって、ポンプレーザダイオード206およびレンズ207の上方に固定され、環状放物面鏡204の焦点が蛍光本体201の前面の中心に位置するように配置される。環状放物面鏡204は、開口211内に固定されたコリメーティングレンズ210を通して出力ビーム209Aを出射するための開口211を画定する。コリメーティングレンズ210は、出力ビーム209Aをコリメートして、コリメートされた出力ビーム209Bを形成する。ポンプレーザダイオード206およびレンズ207によって提供される励起ビームの各々は、ポンプビーム205Cが蛍光本体201の上面の中心上に結合されるように、操向され、集束される。蛍光本体201の前面は、ポンプビーム205Cによって提供される光の一部分の反射を生じさせるように粗面化することができる。その結果、ポンプレーザダイオード206によって提供されるほぼ青色の波長は、黄色(主に赤‐緑色)ではなく、より白色(光スペクトルに亘る広帯域)であるスペクトルを生じるように、光源200の光出力において、蛍光本体201によって放射されるほぼ赤‐緑色の波長と結合する。また、蛍光本体201の前面には、ブリュースター角に向けられたポンプビーム205Cを妨害することなく蛍光本体201の出力効率を高めるために、発光波長で活性な反射防止コーティングを施してもよい。 Next, with reference to FIG. 2A, a side sectional view of the light source 200 according to the first embodiment is shown. The illustrated example is a plano-convex shape of a fluorescent material thermally and mechanically bound to a heat spreader 202 that is centrally located in the mounting base 203 and has a profile that fits the convex back surface (bottom surface) of the fluorescent body 201. The fluorescent main body 201 is provided with optical pumping. The heat spreader 202 and mounting base 203 are preferably made of a highly thermally conductive material such as copper, aluminum, or a tungsten-copper (W-Cu) alloy. Alternatively, the heat spreader 202 can be formed as a stack of multiple materials to improve thermal management, in which the thermal paste and adhesive used to mount the fluorescent body 201 within the light source 200. Contains the agent. Optical pumping is achieved via an annular parabolic mirror 204 that combines and focuses a plurality of pump beams provided by a plurality of pump laser diodes 206. In this example, the divergent pump beam 205A emitted from the pump laser diode 206 provided in the TO can package is a lens 207 (eg, high NA aspheric molded glass lens), fast axis and slow axis stiffness with appropriate shape and focal length. Initially collimated or nearly collimated using a combination of mating lenses, or any single or multi-element beam shaper suitable for providing a substantially collimated beam. The resulting collimated or nearly collimated pump beam 205B is then redirected after reflection from the high reflectance coating 204A of the annular parabolic mirror 204 to the front surface of the fluorescent body 201 ( Focused on the top surface). The annular parabolic mirror 204 is fixed above the pump laser diode 206 and the lens 207 by a mirror mount 208 so that the focal point of the annular parabolic mirror 204 is centered on the front surface of the fluorescent body 201. .. The annular parabolic mirror 204 defines an aperture 211 for emitting an output beam 209A through a collimating lens 210 fixed within the aperture 211. The collimating lens 210 collimates the output beam 209A to form a collimated output beam 209B. Each of the excitation beams provided by the pump laser diode 206 and the lens 207 is steered and focused such that the pump beam 205C is coupled onto the center of the top surface of the fluorescence body 201. The front surface of the fluorescence body 201 can be roughened to cause reflection of a portion of the light provided by the pump beam 205C. As a result, the light output of the light source 200 is such that the nearly blue wavelength provided by the pump laser diode 206 produces a spectrum that is whiter (broadband over the optical spectrum) rather than yellow (mainly red-green). Combines with the approximately red-green wavelength emitted by the fluorescent body 201. Further, the front surface of the fluorescent main body 201 may be coated with an antireflection coating that is active at the emission wavelength in order to increase the output efficiency of the fluorescent main body 201 without interfering with the pump beam 205C directed to the Brewster angle.

図2Aはまた、蛍光本体201の裏側に実装された熱管理サブシステムの特定の実施形態を示す。エアダイレクタ220は、入口路222Aおよび出口路222Bを含むヒートスプレッダ202の裏側にある円錐形凹部内に適合する。これらを介して、空気が、ヒートスプレッダ202の下のハウジング216の後ろの凹部内に取り付けられた電動ファン212の出口ポート212Aによって供給される。ファン212によって供給される空気は、蛍光本体201の裏側に近接するキャビティ221を通って入口路222Aによって導かれる。空気は、ハウジング216の背面にある1つまたは複数のダクトを通って、光源200が取り付けられた任意の基部に通気口が設けられた位置で、出口路222Bから通気される。エアダイレクタ220およびファン212を含む図示の熱管理サブシステム全体は、光源200のハーメチックシールされた部分の外側にある。その結果、光源200の内部光学部品の作動は、熱管理サブシステムによって損なわれない。図示の空気流ベースの冷却に対して代替的に、液体冷却を、必要に応じて、適切な外部付属器具類を用いて、入口路222Aおよび出口路222Bを通して導くこともできる。 FIG. 2A also shows a particular embodiment of a thermal management subsystem mounted behind the fluorescent body 201. The air director 220 fits into the conical recess on the back of the heat spreader 202 that includes the inlet path 222A and the outlet path 222B. Through these, air is supplied by the outlet port 212A of the electric fan 212 mounted in the recess behind the housing 216 under the heat spreader 202. The air supplied by the fan 212 is guided by the inlet path 222A through the cavity 221 close to the back side of the fluorescence body 201. Air is ventilated from the outlet path 222B through one or more ducts on the back of the housing 216 at a location provided with a vent at any base to which the light source 200 is attached. The entire illustrated thermal management subsystem, including the air director 220 and the fan 212, is outside the hermetically sealed portion of the light source 200. As a result, the operation of the internal optics of the light source 200 is not compromised by the thermal management subsystem. As an alternative to the airflow-based cooling shown, liquid cooling can also be guided through inlet passage 222A and outlet passage 222B, if desired, using appropriate external accessories.

さらに図2Bを参照すると、図2Aの光源200の単純化された上面図が示される。ここでは、蛍光本体201の周りに円形に配置された5つのポンプレーザダイオード206の位置をみることができる。図示の光源200は、ハウジング216内に複数のポンプレーザダイオード206を含む。これらは、システムの対称軸の周りに分散されている。しかしながら、非対称配置、ならびに蛍光本体201の片側にすべてが配置された配置も同様に可能である。その場合、いくつかの実施形態では、環状放物面鏡204を通る開口を必要としない環状放物面鏡204への変更を伴う。そのうちの3つのみが例として図2Aに示されるポンプビーム205Cのすべては、蛍光本体201によって少なくとも部分的に吸収される。蛍光本体201は、ポンプビーム205A〜205Cによって提供される励起に応答して、平均蛍光寿命時間、例えば蛍光本体201としてCe:YAG結晶が使用される場合には約70ns後に、ドーピング素子の脱励起時に蛍光出力を発する。蛍光は、一般に等方的に、すなわち、4πステラジアンの立体角に亘って放射される。したがって、蛍光本体201の背面凸面に広帯域高反射率コーティングを施す、または蛍光本体201に光学的に接合されたヒートスプレッダ202に高反射性上面を設けて、さもなければ出力ビーム209Aに寄与しない蛍光発光を反射させることが有利である。出力ビーム209Aは、環状放物面鏡204を通って延びる開口211を通過するときに発散する。出力ビーム209Aは、一般に、さらなる光学素子または装置によるさらなる空間またはスペクトルビーム整形をうける。この実施例では、開口211が、大きな開口数(NA)を有するコリメーティングレンズ210によって満たされ、コリメーティングレンズ210の後方焦点を蛍光本体201のポンプされる位置に配置して、蛍光発光を収集するように設計される。コリメートされた出力ビーム209Bが、コリメーティングレンズ210によって生成され、光源の出力を提供する。大NAコリメーティングレンズ210は、好適には非球面で色消しであり、コリメートされた出力ビーム209Bの残留発散に対する球面収差及び色収差の影響を最小限に抑える。代替的に、本明細書に示される実施形態の各々において、例えばコリメーティングレンズ210などのコリメーティング装置が、軸上または軸外放物面鏡、フレネルレンズ、または任意の他の屈折、反射または回折光学装置によって提供されてもよい。コリメーティングレンズ210は開口211内に位置する。一方で、パッケージのサイズを低減するためには、そのようなコロケーションは必要条件ではない。コリメーティング装置は、コリメーティング装置の焦点が蛍光本体201のポンプされる位置と一致する限り、環状放物面鏡204の上方または下方に配置され、環状放物面鏡204を通して提供される大開口を通って出る光を収集し、コリメートすることができる。 Further referring to FIG. 2B, a simplified top view of the light source 200 of FIG. 2A is shown. Here, we can see the positions of the five pump laser diodes 206 arranged in a circle around the fluorescent body 201. The illustrated light source 200 includes a plurality of pump laser diodes 206 in the housing 216. These are distributed around the axis of symmetry of the system. However, an asymmetrical arrangement as well as an arrangement in which everything is arranged on one side of the fluorescent body 201 is also possible. In that case, some embodiments involve a change to an annular parabolic mirror 204 that does not require an opening through the annular parabolic mirror 204. All of the pump beam 205C, of which only three are shown in FIG. 2A as an example, is at least partially absorbed by the fluorescent body 201. The fluorescence body 201 responds to the excitation provided by the pump beams 205A-205C by deexciting the doping element after an average fluorescence lifetime, eg, about 70 ns when the Ce: YAG crystal is used as the fluorescence body 201. Occasionally emits fluorescent output. Fluorescence is generally emitted isotropically, i.e., over the solid angle of 4π steradians. Therefore, a broadband high reflectance coating is applied to the back convex surface of the fluorescent main body 201, or a high reflective upper surface is provided on the heat spreader 202 optically bonded to the fluorescent main body 201, or fluorescent light emission that does not contribute to the output beam 209A. It is advantageous to reflect. The output beam 209A diverges as it passes through the opening 211 extending through the annular parabolic mirror 204. The output beam 209A is generally subject to further spatial or spectral beam shaping by additional optics or devices. In this embodiment, the aperture 211 is filled with a collimating lens 210 having a large numerical aperture (NA), and the rear focal point of the collimating lens 210 is placed at the pumped position of the fluorescent body 201 to emit fluorescence. Designed to collect. A collimated output beam 209B is generated by the collimating lens 210 to provide the output of the light source. The large NA collimating lens 210 is preferably aspherical and achromatic, minimizing the effects of spherical and chromatic aberrations on the residual divergence of the collimated output beam 209B. Alternatively, in each of the embodiments presented herein, the collimating device, eg, the collimating lens 210, is an on-axis or off-axis parabolic mirror, a Fresnel lens, or any other refraction. It may be provided by a reflective or diffractive optical device. The collimating lens 210 is located within the opening 211. On the other hand, such collocation is not a requirement to reduce the size of the package. The collimating device is located above or below the annular parabolic mirror 204 and is provided through the annular parabolic mirror 204 as long as the focus of the collimating device coincides with the pumped position of the fluorescent body 201. Light emitted through a large opening can be collected and collimated.

ブリュースター角レーザダイオードポンピングを使用する特定の実施形態では、ポンプレーザダイオード206の各々の接合部が径方向に配置される。すなわち、接合部は、蛍光本体201の表面で必要なp偏光ビームを得るために、図示の円形配置に垂直に整列される。上述のように、蛍光本体201の裏面の上に高反射率(HR:high-reflectivity)広帯域コーティングを施す、または、蛍光本体201をヒートスプレッダ202に光学的に結合することが有利である。ヒートスプレッダ202は、放射される蛍光を光出力に向けて、すなわち、集光およびコリメーティングレンズ210に向けて反射するように高度に研磨することができる。また、蛍光物質内部の各ポンプビームの光路長(OPL:optical path length)を2倍にするために、HRコーティングの帯域幅をポンプ波長まで広げることが好適である。ポンプビームの光路長を2倍にすることで、低い吸収係数μαの蛍光物質を使用すること、または、所定の値μαの場合により薄い蛍光物質を使用することができるので、蛍光本体201の最大厚さを薄くすることによって、蛍光本体201からの熱負荷除去が向上される。例えば、吸収係数μα=60.0cm−1を有するCe:YAG結晶材料を利用可能である。さらに、HRコーティングにおけるポンプビームの反射によって、ポンプビームが、蛍光本体201をヒートスプレッダ202に接合するために使用される材料(例えば、ハンダまたは接着剤)を劣化させることが防止される。したがって、光源200の信頼性が高まる。 In certain embodiments that use Brewster's angle laser diode pumping, each junction of the pump laser diode 206 is radially located. That is, the junctions are aligned perpendicular to the illustrated circular arrangement to obtain the required p-polarized beam on the surface of the fluorescent body 201. As described above, it is advantageous to apply a high-reflectivity (HR) broadband coating on the back surface of the fluorescent body 201, or to optically bond the fluorescent body 201 to the heat spreader 202. The heat spreader 202 can be highly polished to reflect the emitted fluorescence towards the light output, i.e. towards the focusing and collimating lens 210. It is also preferable to extend the bandwidth of the HR coating to the pump wavelength in order to double the optical path length (OPL) of each pump beam inside the fluorescent material. By doubling the optical path length of the pump beam, a fluorescent substance having a low absorption coefficient μ α can be used, or a thinner fluorescent substance can be used in the case of a predetermined value μ α , so that the fluorescent body 201 can be used. By reducing the maximum thickness of the fluorescent body 201, the heat load removal from the fluorescent body 201 is improved. For example, a Ce: YAG crystal material having an absorption coefficient μ α = 60.0 cm -1 can be used. In addition, the reflection of the pump beam in the HR coating prevents the pump beam from degrading the material (eg, solder or adhesive) used to bond the fluorescent body 201 to the heat spreader 202. Therefore, the reliability of the light source 200 is increased.

図2Cは光源200の斜視断面図を示す。ここでは、ヒートスプレッダ202の下のファン212の位置が見える。ポンプレーザダイオード206およびポンプビーム205Aの位置を、さらに詳細に見ることができる。図2Dは光源200の分解図を示す。ここでは、ポンプレーザダイオード206、ファン212、エアダイレクタ220、ヒートスプレッダ202、一体型取り付けベース203を備えるハウジング216、さらに、ハウジング216を介して設けられた複数のハーメチック電気フィードスルー215を含む個々の部品が示される。環状放物面鏡204は高反射率コーティング204Aの位置が可視であり、コリメーティングレンズ210も図示されている。 FIG. 2C shows a perspective sectional view of the light source 200. Here you can see the position of the fan 212 under the heat spreader 202. The positions of the pump laser diode 206 and the pump beam 205A can be seen in more detail. FIG. 2D shows an exploded view of the light source 200. Here, individual components including a pump laser diode 206, a fan 212, an air director 220, a heat spreader 202, a housing 216 with an integrated mounting base 203, and a plurality of hermetic electric feedthroughs 215 provided via the housing 216. Is shown. In the annular parabolic mirror 204, the position of the high reflectance coating 204A is visible, and the collimating lens 210 is also shown.

上述のように、ヒートスプレッダ202は、単一の材料、または適切に選択された熱特性を有する材料のスタックから製造することができる。各材料の最も重要な特性は、熱伝導率κ(W/m/Kで表される)および線形の熱膨張係数α(ppm/Kで表されることが多い)である。図2A〜図2Eに示される能動冷却システムが使用される場合、エアダイレクタ220も選択することができる。材料を選択することは、機械的応力、特に、それらの各熱膨張係数(CTEs:coefficients of thermal expansion)の不一致が大きいことに起因する蛍光本体201およびヒートスプレッダ202の反り(熱的に誘発された湾曲)を回避しつつ、高熱伝導率材料を使用することによって、蛍光物質の冷却を助けることを目的とする。したがって、いくつかの実施形態におけるヒートスプレッダは、CVD(化学蒸着)ダイヤモンドプレート(κ>1800W/m/K)などの非常に高い熱伝導率プレートを含むスタックなど、異なる材料のスタックを使用して実装される。蛍光本体201およびヒートスプレッダ202は、例えば、接着剤(光学的、熱的、熱伝導性など)、はんだ付け技術、表面接触技術、接合技術(拡散接合)、または熱伝導性ペーストなどの熱界面材料(TIM:thermal interface materials)を伴う、または伴わない機械的クランピングなどを使用して接合することができる。ヒートスプレッダ202および取り付けベース203は、図示のように、隣接する熱伝導材料から製造することができる。または、ヒートスプレッダ202および取り付けベース203を、熱的に絶縁させてもよい。ヒートスプレッダ202および/または取り付けベース203は、受動的または能動的に冷却することができる。代替的な熱管理スキームでは、熱伝導性ペースト、熱伝導性接着剤、熱パッドなどのTIMを使用して熱的に結合できるヒートスプレッダ202と取り付けベース203との間の熱伝導経路によって、受動的冷却を達成できる。光源200の能動的冷却は、エアジェット、取り付けベース203の裏側に向けられたリキッドジェット、または取り付けベース203の裏面に熱的に接合されたリキッドループクーラーを介して提供できる。空気または液体の流れのための1つまたは複数の空洞を、取り付けベース203に形成することができる。空洞は、蛍光本体201から離れる熱伝達を最適化するために、蛍光本体201の背面にまたはその近くにまで延在する。光源200は、取り付けベース203、ハウジング216、およびコリメーティングレンズ210の外部(凸型)面を含むパッケージングによって周囲のほこりおよび湿気から保護される。これらはハーメチックシールされてもよい。電気接続は、ハウジング216の側壁のうちの1つの側壁上のハーメチック電気フィードスルー215を介して行うことができる。光源200からの熱を受動的に除去するために、取り付けベース203の底部の平坦面に高い熱伝導率を有する機械的接続を設けることがでる。これは、一般に、取り付けベース203が取り付けられる外部ヒートシンクを設けることによって達成される。好適には、界面の熱抵抗を低減するためにTIM層を使用する。代替的に、取り付けベース203に直接、または蛍光本体201の背面近くに延在するチャネルを通って冷却する空気または液体用に、上述の空気または液体冷却構成を使用することができる。さらに、「受動的」クーラは、強制対流または伝導(例えば、ファン、エアジェットまたは循環液冷システムなど)を使用して能動的に冷却されてもよい。図2Eは、完成したパッケージ化された光源200を斜視図で示す。 As mentioned above, the heat spreader 202 can be manufactured from a single material or a stack of materials with well-selected thermal properties. The most important properties of each material are thermal conductivity κ (represented by W / m / K) and linear coefficient of thermal expansion α (often represented by ppm / K). If the active cooling system shown in FIGS. 2A-2E is used, the air director 220 can also be selected. The choice of material was the warpage (thermally induced) of the fluorescent body 201 and the heat spreader 202 due to the large discrepancies in the mechanical stresses, in particular their coefficients of thermal expansion (CTEs). The purpose is to help cool the fluorescent material by using a high thermal conductivity material while avoiding (curving). Therefore, the heat spreader in some embodiments is mounted using a stack of different materials, such as a stack containing a very high thermal conductivity plate such as a CVD (chemical vapor deposition) diamond plate (κ> 1800 W / m / K). Will be done. The fluorescent body 201 and the heat spreader 202 are thermal interface materials such as adhesives (optical, thermal, thermal conductivity, etc.), soldering techniques, surface contact techniques, bonding techniques (diffusion bonding), or thermally conductive pastes. It can be joined using mechanical clamping or the like with or without (TIM: thermal interface materials). The heat spreader 202 and the mounting base 203 can be manufactured from adjacent heat conductive materials as shown. Alternatively, the heat spreader 202 and the mounting base 203 may be thermally insulated. The heat spreader 202 and / or the mounting base 203 can be passively or actively cooled. An alternative thermal management scheme is passive by a thermal path between the heat spreader 202 and the mounting base 203, which can be thermally coupled using TIMs such as thermal pastes, thermal adhesives, thermal pads, etc. Cooling can be achieved. Active cooling of the light source 200 can be provided via an air jet, a liquid jet directed to the back of the mounting base 203, or a liquid loop cooler thermally bonded to the back of the mounting base 203. One or more cavities for the flow of air or liquid can be formed in the mounting base 203. The cavity extends to or near the back of the fluorescent body 201 to optimize heat transfer away from the fluorescent body 201. The light source 200 is protected from ambient dust and moisture by packaging including the mounting base 203, the housing 216, and the outer (convex) surface of the collimating lens 210. These may be hermetically sealed. Electrical connections can be made via the hermetic electrical feedthrough 215 on one of the sidewalls of the housing 216. In order to passively remove heat from the light source 200, a mechanical connection with high thermal conductivity can be provided on the flat surface of the bottom of the mounting base 203. This is typically achieved by providing an external heat sink to which the mounting base 203 is mounted. Preferably, a TIM layer is used to reduce the thermal resistance of the interface. Alternatively, the air or liquid cooling configuration described above can be used for air or liquid cooling directly to the mounting base 203 or through a channel extending near the back of the fluorescent body 201. In addition, the "passive" cooler may be actively cooled using forced convection or conduction (eg, fan, air jet or circulating liquid cooling system). FIG. 2E is a perspective view of the completed packaged light source 200.

次に、図3を参照すると、本開示の別の実施形態による光源300の単純化された概略図が示される。開示された光源300は、図2A〜図2Eに示される上述の実施形態よりも広い帯域幅または多波長の光出力を提供するように実装されてもよい。代替的な熱管理構成では、光源200がTIM層302を使用してヒートシンク301に取り付けられる。出力のコリメートされた蛍光ビーム303Aは、バンドパスまたは着色ガラスフィルタなどの光学フィルタ304でフィルタされる。結果として得られるコリメートされたビーム303Bは、レーザ、LED、または光源200と同様の別の蛍光光源などの任意の他の発光装置などの二次光源306の、コリメートされたビーム305と結合される。ダイクロイック(dichroic)ビームコンバイナキューブのようなビームコンバイナ307は、光源200および二次光源306からの光を結合する。追加の二次光源およびビームコンバイナ(図示せず)を、コリメートされたビーム303Bの経路に沿って追加することができる。最終的に結合されコリメートされたビーム303Cは、直接に使用する、または集束レンズ309を使用してスポット308上に集束させることができる。ファイバ結合を必要とする用途では、ファイバ結合された出力パワーを最大化するために、光ファイバ(図示せず)の入力先端部を、焦点スポット308上に正確に位置決めすることができる。代替的に、本明細書で開示される例示的な実施形態の各々では、例えば集束レンズ309である集束装置は、放物面鏡、フレネルレンズ、または任意の他の屈折、反射、または回折光学素子によって提供されてもよい。集束装置は、焦点における蛍光本体201のポンプされた位置の画像を生成する。光ガイドの入力先端部、例えば光ファイバ面は、光源200の出力ビームを別の装置/位置に結合するために、画像位置、すなわち蛍光本体201のポンプされた位置の画像面と一致させることができる。 Next, with reference to FIG. 3, a simplified schematic diagram of the light source 300 according to another embodiment of the present disclosure is shown. The disclosed light source 300 may be implemented to provide a wider bandwidth or multi-wavelength light output than the aforementioned embodiments shown in FIGS. 2A-2E. In an alternative thermal management configuration, the light source 200 is attached to the heat sink 301 using the TIM layer 302. The output collimated fluorescent beam 303A is filtered by an optical filter 304 such as a bandpass or tinted glass filter. The resulting collimated beam 303B is coupled with a collimated beam 305 of a secondary light source 306 such as a laser, LED, or any other light source such as another fluorescent light source similar to the light source 200. .. A beam combiner 307, such as a dichroic beam combiner cube, combines light from a light source 200 and a secondary light source 306. Additional secondary sources and beam combiners (not shown) can be added along the path of the collimated beam 303B. The finally coupled and collimated beam 303C can be used directly or focused on the spot 308 using the focusing lens 309. For applications that require fiber coupling, the input tip of an optical fiber (not shown) can be accurately positioned on the focal spot 308 in order to maximize the fiber coupled output power. Alternatively, in each of the exemplary embodiments disclosed herein, the condensing device, eg, condensing lens 309, is a parabolic mirror, a Fresnel lens, or any other refracting, reflecting, or diffractive optics. It may be provided by an element. The focusing device produces an image of the pumped position of the fluorescent body 201 at the focal point. The input tip of the optical guide, such as the fiber optic surface, may be aligned with the image position, i.e. the pumped position of the fluorescence body 201, in order to couple the output beam of the light source 200 to another device / position. can.

次に、図4を参照すると、本開示の別の実施形態による光源400が示される。光源400は、光源200に類似している。しかしながら、光源400は、源の見かけの位置、すなわち蛍光本体404をパッケージの出力ウィンドウ409近くの位置にシフトすることを提供する第2(下部)放物面鏡406を含む。これにより、パッケージの外側の出力蛍光を収集およびコリメートして、コリメートされた光ビーム405Eを生成するコリメーティングレンズ420を配置することが可能になる。また、光源400は、図5に示される実施形態を参照して後述されるものと同様に、パッケージの上部カバーにおいける直接の光ファイバ結合を可能にする。上部放物面鏡401と下部放物面鏡406とが、互いに対向するように配置される。上部放物面鏡401は、2つの目的を果たす。図2A〜図2Eの光源200のように、上部放物面鏡401は、各ポンプレーザダイオード403のポンプビーム402を、蛍光物質で形成された蛍光本体404上に集束させる。図2A〜図2Eの光源200と比較すると、上部放物面鏡401は、非常に小さな中央開口401Bと、ポンプビーム波長に加えて、蛍光本体404によって放射される光の全帯域幅(または選択されたサブバンド)を反射する光学コーティング401Cと、を備える。上部放物面鏡401の第2の目的は、発散蛍光ビーム405Aをコリメートすることである。反射された蛍光ビーム405Bは、コリメートされ、下部放物面鏡406に向けられる。下部放物面鏡406は、蛍光本体404が位置する中央の穴によって提供される小開口406Aを備える。特に、蛍光本体404は、小開口406Aが存在しないとした場合に、下部放物面鏡406の頂点が位置するはずの場所に位置される。小さな中央開口401Bは、概して、ガイド円の直径の20%未満の直径を有する。ガイド円は、図4には具体的に示されていない。しかしながら、ガイド円は、図2Bのガイド円204Bで例示されるように、上部放物面鏡401に入射するポンプビーム402の円の中点にある。下部放物面鏡406に設けられた小開口406Aの直径は、概して、小さな中央開口401Bの直径に等しい。例えば、小さな中央開口401Bおよび小開口406Aの直径は、ガイド円の直径の10%であってよい。下部放物面鏡406は、ポンプビーム402の各々が導かれる追加の穴406Bを含む。明確にするために、1つのポンプレーザダイオード403と、対応するコリメーティングレンズ407、および小開口406Aのみが示される。実際には、複数のポンプレーザダイオード403が、図2Bに示されるものに類似した配置で、システムの中心軸の周りに分布される。 Next, with reference to FIG. 4, a light source 400 according to another embodiment of the present disclosure is shown. The light source 400 is similar to the light source 200. However, the light source 400 includes a second (lower) parabolic mirror 406 that provides the apparent position of the source, i.e., shifting the fluorescence body 404 to a position near the output window 409 of the package. This makes it possible to place a collimating lens 420 that collects and collimates the output fluorescence on the outside of the package to produce the collimated light beam 405E. The light source 400 also allows for direct fiber optic coupling in the top cover of the package, similar to that described below with reference to the embodiments shown in FIG. The upper parabolic mirror 401 and the lower parabolic mirror 406 are arranged so as to face each other. The upper parabolic mirror 401 serves two purposes. Like the light source 200 of FIGS. 2A-2E, the upper parabolic mirror 401 focuses the pump beam 402 of each pump laser diode 403 on a fluorescent body 404 formed of a fluorescent material. Compared to the light source 200 of FIGS. 2A-2E, the upper parabolic mirror 401 has a very small central aperture 401B and the full bandwidth (or selection) of the light emitted by the fluorescence body 404 in addition to the pump beam wavelength. It comprises an optical coating 401C that reflects the subband). The second purpose of the upper parabolic mirror 401 is to collimate the divergent fluorescence beam 405A. The reflected fluorescence beam 405B is collimated and directed at the lower parabolic mirror 406. The lower parabolic mirror 406 comprises a small opening 406A provided by a central hole in which the fluorescence body 404 is located. In particular, the fluorescence body 404 is located at the location where the apex of the lower parabolic mirror 406 should be located if the small opening 406A does not exist. The small central opening 401B generally has a diameter of less than 20% of the diameter of the guide circle. The guide circle is not specifically shown in FIG. However, the guide circle is at the midpoint of the circle of the pump beam 402 incident on the upper parabolic mirror 401, as illustrated by the guide circle 204B of FIG. 2B. The diameter of the small opening 406A provided in the lower parabolic mirror 406 is generally equal to the diameter of the small central opening 401B. For example, the diameter of the small central opening 401B and the small opening 406A may be 10% of the diameter of the guide circle. The lower parabolic mirror 406 includes an additional hole 406B through which each of the pump beams 402 is guided. For clarity, only one pump laser diode 403, the corresponding collimating lens 407, and a small aperture 406A are shown. In practice, a plurality of pump laser diodes 403 are distributed around the central axis of the system in an arrangement similar to that shown in FIG. 2B.

蛍光ビーム405Bは、下部放物面鏡406によって反射され、その結果、焦点408に向けて集束されたビーム405Cが得られる。蛍光本体404のポンプされた体積は、下部放物面鏡406の焦点408で、下部放物面鏡406によって結像される。画像は、ハーメチックパッケージの上部カバー410の中心で、ARコーティングされハーメチックシールされた出力ウィンドウ409を透過する出力発散蛍光ビーム405Dの源を提供する。上述したように、蛍光物質404の後ろの広帯域HRコーティングは、後方蛍光を、蛍光本体404を通って戻るようにリダイレクトさせて、出力発散蛍光ビーム405Aに結合する。蛍光本体404は、ポンプレーザダイオードホルダ412の中心で蛍光本体404を支持するヒートスプレッダ411に、機械的および熱的に結合される。蛍光物質404の熱管理は、図2A〜2Eのヒートスプレッダ202の作動に類似しており、同じ方法で冷却することができる。ハーメチックパッケージは、側壁416および熱伝導性ベース417によって完成される。熱伝導性ベース417は、図3に示す光源におけるように、ヒートシンクに結合される、またそうでなければ直接に冷却される。図4の光源400では、上部放物面鏡401および下部放物面鏡406は、界面418で光学的UV硬化接着剤を使用して共に固定される。結果として得られるデュアルミラーアセンブリは、リングメタルスペーサ419および適切な接着剤によって、ポンプレーザダイオードホルダ412の上に取り付けられる。 The fluorescent beam 405B is reflected by the lower parabolic mirror 406, resulting in a beam 405C focused towards the focal point 408. The pumped volume of the fluorescence body 404 is imaged by the lower parabolic mirror 406 at the focal point 408 of the lower parabolic mirror 406. The image provides a source of output divergent fluorescent beam 405D through the AR coated and hermetically sealed output window 409 at the center of the top cover 410 of the hermetic package. As mentioned above, the broadband HR coating behind the fluorophore 404 redirects the back fluorescence back through the fluorescence body 404 and binds to the output divergent fluorescence beam 405A. The fluorescence body 404 is mechanically and thermally coupled to the heat spreader 411 that supports the fluorescence body 404 at the center of the pump laser diode holder 412. The thermal management of the fluorescent material 404 is similar to the operation of the heat spreader 202 of FIGS. 2A-2E and can be cooled in the same way. The hermetic package is completed by a side wall 416 and a thermally conductive base 417. The thermally conductive base 417 is coupled to the heat sink and otherwise cooled directly, as in the light source shown in FIG. In the light source 400 of FIG. 4, the upper parabolic mirror 401 and the lower parabolic mirror 406 are fixed together at the interface 418 using an optical UV curable adhesive. The resulting dual mirror assembly is mounted on top of the pump laser diode holder 412 with a ring metal spacer 419 and suitable adhesive.

実施例では、光源400、上部放物面鏡401および下部放物面鏡406は、倍率M=1で蛍光本体404を結像する等しい焦点距離を有する。また、放物面鏡401、406の各々の焦点は、対向する放物面鏡の頂点と一致する。上部放物面鏡401の光学コーティングには、2つの目的がある。すなわち、高出力密度のポンプレーザビームを(少なくともそれぞれの領域において)効率的に反射すること、および蛍光本体404によって放射される蛍光を、大きな立体角および適切な光学帯域幅に亘って効率的に反射すること、である。下部放物面鏡406は、一般に、蛍光本体404からの蛍光発光を集束させるためにのみ使用される。したがって、下部放物面鏡406上の光学コーティングは、蛍光発光の帯域幅においてのみ光を反射するように最適化されてもよい。光源400の実施形態は、ミラーアセンブリの図示の構造に限定されない。例えば、光源400の作動と一致する他の実施形態は、上部放物面鏡401および下部放物面鏡406を提供するために、両側に適切なコーティングが施された単一の両凸レンズを含んでもよい。 In the embodiment, the light source 400, the upper parabolic mirror 401 and the lower parabolic mirror 406 have equal focal lengths to image the fluorescent body 404 at a magnification of M = 1. Further, the focal points of the parabolic mirrors 401 and 406 coincide with the vertices of the opposing parabolic mirrors. The optical coating of the upper parabolic mirror 401 has two purposes. That is, it efficiently reflects the high power density pump laser beam (at least in each region), and the fluorescence emitted by the fluorescence body 404 efficiently over a large solid angle and suitable optical bandwidth. To reflect. The lower parabolic mirror 406 is generally used only to focus the fluorescence emission from the fluorescence body 404. Therefore, the optical coating on the lower parabolic mirror 406 may be optimized to reflect light only in the fluorescence emission bandwidth. The embodiment of the light source 400 is not limited to the illustrated structure of the mirror assembly. For example, another embodiment consistent with the operation of the light source 400 includes a single biconvex lens with appropriate coatings on both sides to provide an upper parabolic mirror 401 and a lower parabolic mirror 406. But it may be.

次に、図5を参照すると、本開示の別の実施形態による光源500が示される。図示の実施形態は、図4の光源400(ウィンドウ409およびコリメーティングレンズ420を除く)に類似しており、出力蛍光ビームのコンパクトな光ファイバ結合に特に適している。光ファイバ502の入力コネクタ501先端部は、図4に示す下部放物面鏡406の焦点408に精密に整列される。蛍光が光ファイバ502の出力コネクタ503を出て、そして出力蛍光ビーム504として自由に発散するまで、蛍光は光ファイバ502内を、光ファイバ502を通って導かれる。 Next, with reference to FIG. 5, a light source 500 according to another embodiment of the present disclosure is shown. The illustrated embodiment is similar to the light source 400 of FIG. 4 (excluding the window 409 and the collimating lens 420) and is particularly suitable for compact fiber optic coupling of the output fluorescent beam. The tip of the input connector 501 of the optical fiber 502 is precisely aligned with the focal point 408 of the lower parabolic mirror 406 shown in FIG. Fluorescence is guided through the fiber optic 502 through the fiber optic 502 until fluorescence exits the output connector 503 of the fiber optic 502 and diverges freely as the output fluorescence beam 504.

本発明を、特に、その好適な実施形態を参照して示し、説明してきた。しかしながら、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、前述の内容および他の事項の、形態および詳細を変更し得ると理解するであろう。 The present invention has been shown and described in particular with reference to preferred embodiments thereof. However, one of ordinary skill in the art will appreciate that the forms and details of the aforementioned and other matters may be modified without departing from the spirit and scope of the invention.

Claims (22)

光源であって、
励起波長で刺激されたときに蛍光特性を有するようにドープされた材料から形成されて平坦な上面と凸型の裏面とを有し、発光帯域で光を放射する本体と、
前記本体によって放射される光の少なくとも一部分を収集領域に亘って収集し、コリメートされた出力ビームを生成するコリメーティング装置と、
焦軸が前記本体に向けられるように配置された1つまたは複数の鏡であって、前記収集領域が前記1つまたは複数の鏡によって遮られないように、前記収集領域の外側に配置された反射面を備える1つまたは複数の鏡と、
前記励起波長で励起光を提供し、1つまたは複数の対応する光路に沿って前記1つまたは複数の鏡に向けられる対応する1つまたは複数の出力を有する1つまたは複数の光源であって、その結果、前記1つまたは複数の鏡が、前記1つまたは複数の光源によって提供される前記励起光の実質的にすべてを前記本体に向け、前記本体によって放射される光の放射を刺激する1つまたは複数の光源と、を含む光源。
It ’s a light source,
A body that is formed from a material doped to have fluorescent properties when stimulated at an excitation wavelength, has a flat top surface and a convex back surface, and emits light in the emission band.
A collimating device that collects at least a portion of the light emitted by the body over the collection area and produces a collimated output beam.
One or more mirrors arranged with the focus axis directed towards the body and outside the collection area so that the collection area is not obscured by the one or more mirrors. With one or more mirrors with reflective surfaces,
One or more light sources that provide excitation light at said excitation wavelength and have corresponding one or more outputs directed at said one or more mirrors along one or more corresponding light paths. As a result, the one or more mirrors direct substantially all of the excitation light provided by the one or more light sources towards the body and stimulate the radiation of light emitted by the body. A light source, including one or more light sources.
請求項1に記載の光源であって、前記1つまたは複数の鏡は、焦軸が前記本体に向けられるように配置された放物面鏡からなり、前記1つまたは複数の光源の前記1つまたは複数の出力は、前記放物面鏡の前記焦軸に平行な方向を有する1つまたは複数の対応する光路に沿って前記放物面鏡に向けられる出力を有し、その結果、前記放物面鏡が、前記1つまたは複数の光源によって提供される前記励起光の実質的にすべてを前記本体に集束させて、前記本体によって放射される光の放射を刺激する、請求項1に記載の光源。 The light source according to claim 1, wherein the one or more mirrors comprises a parabolic mirror arranged so that the focus axis is directed toward the main body, and the one or more light sources of the one or more light sources. One or more outputs have outputs directed at the parabolic mirror along one or more corresponding light paths having a direction parallel to the focal axis of the parabolic mirror, and as a result, said. 1 The light source described. 請求項2に記載の光源であって、前記放物面鏡は、前記本体によって放射される光の前記部分が通過して入る中央開口を含み、前記コリメーティング装置は、前記放物面鏡の前記中央開口に配置されて、前記本体によって放射される光の少なくとも一部分を収集することを特徴とする、光源。 The light source according to claim 2, wherein the parabolic mirror includes a central opening through which the portion of light emitted by the main body passes through, and the collimating device is the parabolic mirror. A light source located in the central opening of the light source, characterized in that it collects at least a portion of the light emitted by the body. 請求項3に記載の光源であって、前記放物面鏡は小さな中央開口を有する第1放物面鏡であり、前記光源はさらに第2放物面鏡を備え、前記第2放物面鏡は、前記開口の外側で前記第1放物面鏡に入射して前記第2放物面鏡に向けられる前記本体によって放射される光を反射するように配置されて、前記蛍光本体によって放射され、前記第1放物面鏡の前記小さな中央開口を出て、前記コリメーティング装置によって収集される光の部分を増大させる、光源。 The light source according to claim 3, wherein the parabolic mirror is a first parabolic mirror having a small central opening, and the light source further includes a second parabolic mirror, and the second parabolic surface. The mirror is arranged outside the opening to reflect the light emitted by the body that is incident on the first parabolic mirror and directed at the second parabolic mirror and is emitted by the fluorescent body. A light source that exits the small central opening of the first parabolic mirror and increases the portion of light collected by the collimating device. 請求項4に記載の光源であって、前記第2放物面鏡は前記本体の画像を画像面に集束させ、前記光源はさらに光導波路を備え、前記光導波路は、前記第2放物面鏡によって生成された前記本体の前記画像を受信するために前記画像面に配置された入力面を有する、光源。 The light source according to claim 4, wherein the second parabolic mirror focuses an image of the main body on an image surface, the light source further includes an optical waveguide, and the optical waveguide is the second parabolic surface. A light source having an input surface arranged on the image plane to receive the image of the body generated by the mirror. 請求項1に記載の光源であって、前記本体の前記平坦な上面は、前記励起光の一部分を散乱させるように粗面化されており、その結果、前記励起光の前記部分は前記本体によって放射される光と結合される、光源。 The light source according to claim 1, wherein the flat upper surface of the main body is roughened so as to scatter a part of the excitation light, and as a result, the portion of the excitation light is formed by the main body. A light source that is combined with the emitted light. 請求項1に記載の光源であって、前記本体の前記平坦な上面は、ブリュースター角未満の入射角に対して前記発光帯域において反射防止性であり、前記ブリュースター角での入射角および前記ブリュースター角の付近の入射角で励起帯域において反射防止性である反射防止コーティングでコーティングされた、光源。 The light source according to claim 1, wherein the flat upper surface of the main body is antireflection in the emission band with respect to an incident angle smaller than the Brewster angle, and the incident angle at the Brewster angle and the above. A light source coated with an antireflection coating that is antireflection in the excitation band at an incident angle near Brewster's angle. 請求項1に記載の光源であって、前記1つまたは複数の光源は、前記本体に向かう前記中央開口の突起部の外側で、前記本体の周りに円形配置で配置された複数の光源である、光源。 The light source according to claim 1, wherein the one or more light sources are a plurality of light sources arranged in a circular arrangement around the main body outside the protrusion of the central opening toward the main body. ,light source. 請求項1に記載の光源であって、前記1つまたは複数の光源および対応する前記1つまたは複数の鏡は、前記励起光が前記ブリュースター角に実質的に等しい角度で前記蛍光本体に入射するように配置され、前記1つまたは複数の光源は横方向偏光で前記励起光を放射し、前記1つまたは複数の光源は、前記励起光が前記蛍光本体への入射時にp偏光されるような回転アラインメントを有する、光源。 The light source according to claim 1, wherein the one or more light sources and the corresponding one or more mirrors have the excitation light incident on the fluorescent body at an angle substantially equal to the Brewster's angle. The one or more light sources emit the excitation light with lateral polarization, and the one or more light sources are p-polarized when the excitation light is incident on the fluorescent body. A light source with a smooth rotation alignment. 請求項1に記載の光源であって、前記本体から熱を除去するために、前記蛍光本体の前記凸型の裏面に熱的および機械的に結合されたヒートスプレッダをさらに備える、光源。 The light source according to claim 1, further comprising a heat spreader thermally and mechanically coupled to the convex back surface of the fluorescent body in order to remove heat from the body. 請求項10に記載の光源であって、前記1つまたは複数の光源は1つまたは複数のレーザダイオードであり、前記1つまたは複数のレーザダイオードの各々の基板は、前記ヒートスプレッダに機械的および熱的に結合された、光源。 The light source according to claim 10, wherein the one or more light sources are one or more laser diodes, and each substrate of the one or more laser diodes is mechanically and heat-heated to the heat spreader. Combined light source. 光源であって、
励起波長で刺激されたときに蛍光特性を有するようにドープされた材料から形成されて平坦な上面と凸型の裏面とを有し、発光帯域で光を放射する本体であって、前記本体の前記平坦な上面は、前記発光帯域において反射防止性である反射防止コーティングでコーティングされた本体と、
前記本体によって放射される光の少なくとも一部分を収集領域に亘って収集し、コリメートするコリメーティング装置と、
焦軸が前記本体に向けられるように配置された放物面鏡であって、前記収集領域が前記放物面鏡によって遮られないように、前記放物面鏡を通る中央開口によって提供される前記収集領域の外側に配置された反射面を有する放物面鏡と、
前記励起波長で励起光を提供し、前記本体に向かう前記中央開口の突起部の外側で、前記本体の周りに円形配置で配置された複数のレーザダイオードであって、前記複数のレーザダイオードは各々、前記放物面鏡に向けられる出力を有し、その結果、前記放物面鏡が、前記複数のレーザダイオードによって提供される前記励起光の実質的にすべてを前記本体に集束させて、前記本体によって放射される光の放射を刺激し、前記複数のレーザダイオードおよび前記放物面鏡は、前記励起光がブリュースター角に実質的に等しい角度で前記放物面鏡に入射するように配置され、前記1つまたは複数のレーザダイオードは、前記放物面鏡での前記励起光の反射面に平行に配向された接合面を有し、前記本体の前記平坦な上面は、前記励起光の一部分を散乱させるように粗面化されており、その結果、前記励起光の前記部分は前記本体によって放射される光と結合される複数のレーザダイオードと、
前記本体から熱を除去するために、前記本体に熱的および機械的に結合されたヒートスプレッダであって、前記1つまたは複数のレーザダイオードの各々の基板は、ヒートシンクに機械的および熱的に結合されたヒートスプレッダと、を備える光源。
It ’s a light source,
A body that is formed from a material doped to have fluorescent properties when stimulated at an excitation wavelength, has a flat top surface and a convex back surface, and emits light in the emission band. The flat top surface comprises a body coated with an antireflection coating that is antireflection in the emission band.
A collimating device that collects and collimates at least a portion of the light emitted by the body over the collection area.
A parabolic mirror with the focus axis oriented towards the body, provided by a central opening through the parabolic mirror so that the collection area is not obstructed by the parabolic mirror. A parabolic mirror with a reflective surface located outside the collection area,
A plurality of laser diodes that provide excitation light at the excitation wavelength and are arranged in a circular arrangement around the body outside the protrusion of the central opening toward the body, each of which is a plurality of laser diodes. The parabolic mirror has an output directed to the parabolic mirror so that substantially all of the excitation light provided by the plurality of laser diodes is focused on the body. Stimulating the emission of light emitted by the body, the plurality of laser diodes and the paradoxical mirror are arranged such that the excitation light is incident on the parabolic mirror at an angle substantially equal to the Brewster angle. The one or more laser diodes have a junction surface oriented parallel to the reflection surface of the excitation light in the parabolic mirror, and the flat top surface of the body is of the excitation light. The surface is roughened to scatter a portion, and as a result, the portion of the excitation light is coupled with a plurality of laser diodes coupled to the light emitted by the body.
A heat spreader thermally and mechanically coupled to the body to remove heat from the body, wherein each substrate of the one or more laser diodes is mechanically and thermally coupled to the heat sink. A light source with a heat spreader.
光を発生させる方法であって、
励起波長で刺激されたときに蛍光特性を有するようにドープされた材料から形成されて平坦な上面と凸型の裏面とを有する本体を提供するステップと、
前記励起波長に実質的に等しい波長を有する対応する1つまたは複数の励起ビームを生成する1つまたは複数の光源で、前記本体を刺激するステップであって、対応する1つまたは複数の鏡で前記1つまたは複数の励起ビームを前記本体に向け、前記本体を発光帯域で発光させるステップと、
コリメートされた出力ビームを生成するために、前記本体によって放射される光の少なくとも一部分をコリメーティング装置によって収集およびコリメートするステップと、を含む、光を発生させる方法。
It ’s a way to generate light,
A step of providing a body that is formed from a material doped to have fluorescent properties when stimulated at an excitation wavelength and has a flat top surface and a convex back surface.
A step of stimulating the body with one or more light sources producing a corresponding one or more excitation beams having a wavelength substantially equal to the excitation wavelength, with one or more corresponding mirrors. A step of directing the one or more excitation beams toward the main body and causing the main body to emit light in the emission band.
A method of generating light, comprising collecting and collimating at least a portion of the light emitted by the body by a collimating device to generate a collimated output beam.
請求項13に記載の方法であって、前記1つまたは複数の鏡は放物面鏡であり、前記放物面鏡は、焦軸が前記本体に向けられ、前記1つまたは複数の光源の出力は、前記放物面鏡の前記焦軸に平行な方向を有する1つまたは複数の対応する光路に沿って前記放物面鏡に向けられる出力を有し、その結果、前記放物面鏡が、前記1つまたは複数の光源によって提供される励起光の実質的にすべてを前記本体に集束させる、方法。 13. The method of claim 13, wherein the one or more mirrors are parabolic mirrors, the parabolic mirror having a focus axis directed at the body and the one or more light sources. The output has an output directed at the parabolic mirror along one or more corresponding optical paths having a direction parallel to the focus axis of the parabolic mirror, and as a result, the parabolic mirror. A method in which substantially all of the excitation light provided by the one or more light sources is focused on the body. 請求項14に記載の方法であって、前記放物面鏡は、前記本体によって放射される光の前記部分が通過して入る中央開口を含み、前記本体によって放射される光の少なくとも一部分を前記放物面鏡の前記中央開口で収集するために配置されたコリメーティング装置によって収集を行う、方法。 The method according to claim 14, wherein the parabolic mirror includes a central opening through which the portion of light emitted by the body enters, and at least a portion of the light emitted by the body is said to be. A method of performing collection by a collimating device arranged for collection at the central opening of a parabolic mirror. 請求項15に記載の方法であって、前記放物面鏡は第1放物面鏡であり、前記方法は、前記開口の外側で前記第1放物面鏡に入射して第2放物面鏡に向けられる前記本体によって放射される光を反射するステップをさらに含み、前記本体によって放射され、前記第2放物面鏡を用いて集光レンズによって収集される光の部分を増大させる、方法。 The method according to claim 15, wherein the parabolic mirror is a first parabolic mirror, and the method is a second parabolic mirror incident on the first parabolic mirror outside the opening. Further comprising the step of reflecting the light emitted by the body directed at the surface mirror, the portion of the light emitted by the body and collected by the condenser lens using the second parabolic mirror is increased. Method. 請求項16に記載の方法であって、
前記第2放物面鏡が前記本体の画像を画像面に集束させ、
前記第2放物面鏡によって生成された前記本体の画像を、前記画像面に配置された入力面を有する光導波路で受信するステップをさらに含む、方法。
The method according to claim 16.
The second parabolic mirror focuses the image of the main body on the image surface.
A method further comprising receiving an image of the body generated by the second parabolic mirror in an optical waveguide having an input surface disposed on the image surface.
請求項13に記載の方法であって、前記本体の前記平坦な上面は、励起光の一部分を散乱させるように粗面化されており、その結果、前記励起光の前記部分を前記本体によって放射される光と結合させる、方法。 The method according to claim 13, wherein the flat upper surface of the main body is roughened so as to scatter a part of the excitation light, and as a result, the portion of the excitation light is radiated by the main body. A method of combining with the light that is made. 請求項13に記載の方法であって、前記本体の前記平坦な上面を、ブリュースター角未満の入射角に対して前記発光帯域において反射防止性であり、前記ブリュースター角での入射角および前記ブリュースター角の付近の入射角で励起帯域において反射防止性である反射防止コーティングでコーティングする、方法。 The method according to claim 13, wherein the flat upper surface of the main body is antireflection in the emission band with respect to an incident angle smaller than the Brewster angle, and the incident angle at the Brewster angle and the above. A method of coating with an antireflection coating that is antireflection in the excitation band at an incident angle near Brewster's angle. 請求項13に記載の方法であって、前記1つまたは複数の光源は、前記本体に向かう前記中央開口の突起部の外側で、前記本体の周りに円形配置で配置された複数の光源である、方法。 13. The method of claim 13, wherein the one or more light sources are a plurality of light sources arranged in a circular arrangement around the body outside the protrusion of the central opening toward the body. ,Method. 請求項13に記載の方法であって、
前記1つまたは複数の光源および対応する前記1つまたは複数の鏡を、前記励起光が前記ブリュースター角に実質的に等しい角度で前記蛍光本体に入射するように配置するステップであって、前記1つまたは複数の光源は横方向偏光で前記励起光を放射するステップと、
前記励起光が前記1つまたは複数の鏡への入射時にp偏光されるように、前記1つまたは複数の光源を回転的に整列させるステップと、をさらに含む、方法。
The method according to claim 13.
The step of arranging the one or more light sources and the corresponding one or more mirrors so that the excitation light is incident on the fluorescent body at an angle substantially equal to the Brewster's angle. One or more light sources emit the excitation light with laterally polarized light,
A method further comprising the step of rotationally aligning the one or more light sources so that the excitation light is p-polarized upon incident on the one or more mirrors.
請求項13に記載の方法であって、前記本体から熱を除去するために、前記本体の前記凸型の裏面に熱的および機械的に結合されたヒートスプレッダを提供するステップをさらに含む、方法。 13. The method of claim 13, further comprising providing a heat spreader thermally and mechanically coupled to the convex back surface of the body to remove heat from the body.
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