频率上转换超薄背板光源的制作方法

专利名称：频率上转换超薄背板光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种频率上转换超薄背板光源，具体涉及一种基于稀土材料的频 率上转换超薄背板光源，适用于光照明和显示系统。
技术背景随着光学技术的发展和纳米材料的应用，基于发光材料的光学器件正受到 越来越多的关注。全彩光的产生是光学材料在可见光范围的重要研究内容之一， 纳米材料的复合可见光输出特性在光显示、激光及用于生物标记的光电器件中 都有非常重要的应用。目前，对于光照明及显示技术来说，最重要的挑战在于 设计出更新、更轻便、更有效的全彩发光器件。已有的研究表明，通过组合各 单色荧光稀土离子获得的发光二极管(LED)或激光二极管(LD)发光材料阵 列可以很好地满足上述的技术要求，然而，该类器件成本高，限制了其在显示 器中的大规模使用。从上个世纪末叶开始，人们开始致力于研究和开发用于新 型光照明及显示器件的光源。通过基于频率上转换的稀土掺杂纳米微晶磷光体， 将红外光转化成可见光辐射的白光源技术得到发展，然而，该类发光源具有制 备成本高，不容易形成大面积平板器件等不足和缺陷。目前，对掺铒离子(Er3+)卤碲酸盐玻璃及铥离子(Tm3+)和镱离子(Yb3+) 共掺杂铋碲酸盐玻璃已经实现了其不同激发条件下的频率上转换荧光辐射。根 据温磊等人的研究，铒离子在980nrn光源激励下获得上转换能量，具有 500-660nm波长范围的红光和绿光辐射("掺E一+卤碲酸盐玻璃上转换能级寿命 和发光性能研究"，物理学报，第53巻，第12期，pp.4378-4381,2004);在杨 殿来等人的研究中，铥镱离子在整个可见光与红外范围均有较强的吸收，在Yb3+ 的能量转移下TmS+能发出强烈的蓝色荧光("1^13+/￥133+共掺铋碲酸盐玻璃中的 高效蓝色上转换荧光"，物理学报，第55巻，第8期，卯.4304-4309， 2005)。此外，戴世勋等人也研究了 97011111抽运下￡1"3+/￥1)3+/1^3+共掺碲酸盐玻璃在红外 区域的荧光特性和上转换效率("970nm抽运下Ei^/Ybh/TmS+共掺碲酸盐玻璃 的发光特性"，物理学报，第52巻，第3期，pp.729-735， 2003)。然而，对 于￡一+/￥1)3+/丁1113+共掺的稀土玻璃和晶体材料在可见光范围的频率上转换发光， 从400nm到700nm波长范围内的研究仍不充分。由于稀土材料在光照明及显示 方面的广阔应用前景，研究多稀土离子掺杂的频率上转换发光器件成为光照明 及显示器件研究的重要方向。 发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种频率上转换超薄背板光 源，通过掺杂铒、镱和铥三种稀土离子，将红外光转化成复合可见光输出，扩 展稀土材料在光学领域的应用范围。为实现上述目的，本发明设计的频率上转换超薄背板光源，包括一个掺杂 三种稀土离子的发光玻璃平板或发光晶体平板，以及多个位于平板两侧的激发 源。三种稀土离子分别为铒离子、镱离子和铥离子，其各自在发光玻璃平板或 发光晶体平板中的掺杂浓度范围分别是铒离子为0.1X10" 2.0X10"个/立方 米，镱离子为2X10" 3X10"个/立方米，铥离子为0.1X10" 2.0X10"个/立 方米。激发源的激发光中心波长为980nm附近的近红外光线，激发光的功率为 200~600mW。本发明频率上转换超薄背板光源将近红外范围的激发光(如980nrn 激光二极管的辐射光)转化为强度均衡的红、绿、蓝三色光，然后复合成可见 白光输出。本发明的发光玻璃平板或发光晶体平板中，基质材料为发光玻璃或发光晶 体(如NaYF4晶体)，惨杂材料为铒、镱和铥三种稀土离子，位于平板两侧的 激发源可为发光二极管LED或激光二极管LD，激发源的数目根据各激发源的 发光功率，发光玻璃平板或发光晶体平板的尺寸而定。本发明的频率上转换超薄背板光源的工作过程为位于平板两侧的激发源 产生中心波长为980nm的红外光，经过Er/Yb/Tm三种离子之间的相互作用和频 率上转换荧光作用，输入的近红外光被转换成可见光范围的光线，这些强度均
匀的红、绿、蓝单色光经过复合后形成均匀的可见白光输出。在频率上转换超 薄背板光源的能级结构中，各离子在背板光源中的作用不同铥离子辐射红光 和蓝光，主要为蓝光辐射；铒离子辐射红光、绿光和蓝光，主要为红光和绿光 辐射；镱离子不辐射任何可见光，为铥离子和铒离子提供能量转移。由于铥离子和铒离子在可见光范围内的发光谱分别覆盖400-500nm， 550-650nm波长范围，频率上转换超薄背板光源的辐射光覆盖了整个可见光波长 范围400-700nm。此外，由于镱离子在980nm波长附近有强烈的吸收，频率上 转换超薄背板光源可以实现将近红外光转换成可见光辐射，使稀土共掺玻璃或 晶体材料在光照明及显示器件中得到应用，对于降低显示器件的成本，实现显 示器件尺寸的小型化具有重要的意义。


图1为本发明的频率上转换超薄背板光源的结构示意图。 图2为980nm泵浦光激励下的频率上转换超薄背板光源的能级结构模型。 图3为经过优化的频率上转换超薄背板光源输出的ASE功率谱。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例不 构成对本发明的限定。本发明的频率上转换超薄背板光源的具体结构如图1所示，包括一个发光 玻璃平板或发光晶体平板，以及多个位于平板两侧的激发源。在发光玻璃平板 或发光晶体平板中，基质材料为发光玻璃或发光晶体(如NaYF4晶体)，掺杂 材料为铒、镱和铥三种稀土离子，其中铒离子的浓度范围为0.1 X 1023 2.0X 1023 个/立方米，镱离子的浓度范围为2X10^ 3X10^个/立方米，铥离子的浓度范 围为0.1Xl(P 2.0X10"个/立方米。位于平板两侧的激发源可为发光二极管 LED或激光二极管LD,激发光为中心波长980nm附近的近红外光线，激发光 功率范围为200 600mW;激发源的数目根据各激发源的发光功率，发光玻璃平 板或发光晶体平板的尺寸而定。
本发明的频率上转换超薄背板光源的工作过程为位于平板两侧的激发源产生中心波长为980nrn的红外光，经过Er/Yb/Tm三种离子之间的相互作用和频 率上转换荧光作用，输入的近红外光被转换成可见光范围的光线，这些强度均 匀的红、绿、蓝单色光经过复合后形成均匀的可见白光输出。在掺杂铒镱铥三 种稀土离子的发光玻璃或发光晶体中，根据三种不同离子的相应特性，总结出 此￡一+/￥1 3+/1"1113+共掺的频率上转换背板光源在980nm泵浦激励下的能级模型如 图2所示。图2中，E，为铒离子，Ybs+为镱离子，TmS+为铥离子。在铒镱铥三离子能 级结构中，各离子在背板光源中的作用不同(1)TmS+离子辐射红光和蓝光，主 要为蓝光辐射。产生蓝光的跃迁为。2—SF4(450nm)和，G4—3H6(476nm)，产 生红光的跃迁为iG4—3F4(650nm)，除了可见光范围的辐射跃迁外TmS+在红外 范围内也有跃迁，包括'G4—sF2(1630nm)和3HU—3H6(800nm)。 TmS+离子不直 接吸收980nm泵浦光，需要化3+提供转移的能量。(2)Ei^离子辐射红光、绿光 和蓝光，主要为红光和绿光辐射。产生红光的跃迁为4F9/2—4h5/2(660nm)，产 生绿光的跃迁为4F7/2—4l15/2(545nm)，产生红光的跃迁为4H9/2—4li5/2(410nm)， 此外红外辐射4113/2—^5/2(1530nm)也是重要的跃迁。Ers+在直接吸收980nm泵浦光(4115/2—^U/2,化，/2—外7/2)的同时也接受YbS+提供的能量。(3)Ybs+离子不辐射任何可见光，为TmS+和Ei^提供能量转移。虽然Ybs+没有可见光的跃迁，但 是其直接吸收980nm泵浦(2卩7/2—215/2)。根据980nm泵浦光激励下的频率上转 换背板光源的能级结构模型，经过数值计算及优化得到当泵浦光功率为 400mW，发射光在发光晶体中的传输距离为llcm时，ASE输出功率谱如图3 所示，此时三种稀土离子的最佳掺杂比例为1: 25: 1 (Er:丫b:Tm)，即优化后 各离子掺杂浓度Er3+ 1 X 1023个/立方米，Yb3+ 25X 1023个/立方米，Tm3+ 1 X 1023个/立方米。由图3中可见，输出功率谱在450nm、 550nm和660nm处 有三处高度相近的峰值，分别对应可见光中的蓝光、绿光和红光部分，因此在 频率上转换超薄背板光源中可以得到均匀的可见白光输出，保证白光一定的纯 度。
权利要求
1、一种频率上转换超薄背板光源，包括一个发光玻璃平板或发光晶体平板，以及多个位于平板两侧的激发源，其特征在于所述发光玻璃平板或发光晶体平板同时掺杂铒离子、镱离子和铥离子，其中，掺杂的铒离子的浓度范围为0.1×1023～2.0×1023个/立方米，镱离子的浓度范围为2×1024～3×1024个/立方米，铥离子的浓度范围为0.1×1023～2.0×1023个/立方米；所述激发源的激发光为中心波长为980nm附近的近红外光线，激发光的功率范围为200～600mW。
全文摘要
本发明涉及一种频率上转换超薄背板光源，适用于光照明和显示系统。本发明的频率上转换超薄背板光源，包括一个掺杂三种稀土离子的发光玻璃平板或发光晶体平板，以及多个位于平板两侧的激发源。三种稀土离子分别为铒离子，镱离子和铥离子，其中，掺杂的铒离子浓度范围为0.1×10²³～2.0×10²³个/立方米，镱离子的浓度范围为2×10²⁴～3×10²⁴个/立方米，铥离子的浓度范围为0.1×10²³～2.0×10²³个/立方米；激发源的激发光中心波长为980nm，激发光的功率为200～600mW。本发明能将近红外范围的激发光转化为强度均衡的红、绿、蓝三色光，然后复合成可见白光输出。
文档编号C09K11/08GK101398131SQ200810202650
公开日2009年4月1日 申请日期2008年11月13日 优先权日2008年11月13日
发明者淳 姜, 许文斌 申请人:上海交通大学