专利名称：频率下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下转换超薄背板光源，具体涉及一种基于稀土材料的频 率下转换超薄背板光源，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，通过采用组 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。通过基于频率下转换的稀土掺杂纳米微晶磷 光体，将紫外光及蓝光转化成可见光辐射的白光源技术已经得到发展。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，对掺杂稀土元素的发光玻璃或发光晶体的研究己经有许多成果，特 别是镧系元素离子在紫外光激励下的频率下转换荧光效应，例如，Er3+、 Tb3+、 Eu3+、 Nc^+等稀土离子在紫外光照射下在可见光范围内都有不同程度的发光。 B.C.Joshi对于共掺Ei^+和TV+锌磷酸盐中的非辐射能量转移效应和离子间相互 作用进行了一定的研究("Enhance Eu3+ emission by non-radiative energy transfer from Tb in zinc phosphate glass , Journal of Non-Crystalline Solids, pp. 217-220， no 180， 1995)。在Cheng-jun Duan等人的研究中，无论是单掺或共掺Eu3+、 Tb3+、 Tr^+三种离子的发光晶体在紫外或X光激励下都表现出良好的荧光特性 ("Luminescence properties of Eu3+， Tb3+ or Tm3+ activated Ca4Gd(XBO3)3 under X-ray and UV excitation" , Optical Materials, pp.956-961， no 28, 2006)。此外在 D.Anaiiias等人的研究中，掺镧系元素的Na3LnSi309晶体的白光辐射也备受关注 ("Unusual fiill-color phosphors:Na3LnSi3o9", Optical Materials, pp.582-586， no.28: 2006)。然而，对于Tm/Tb/Eu共掺的稀土晶体材料在可见光范围的频率下转换 发光，从440nm到620nm波长范围内的研究仍不尽完善。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下转换发光器件成 为光照明及显示器件研究的主要方向。 发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种频率下转换超薄背板光 源，通过掺杂铥、铽和铕三种稀土离子，将紫外光及蓝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，本发明设计的频率下转换超薄背板光源，包括一个惨杂 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铥离子、铽离子和铕离子，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铥离子为0.25乂 1024 2乂 1024个/立方 米，铽离子为0.1 X 1024 1.5X 1024个/立方米，铕离子为0.1X1()24 2X 1024个/ 立方米。激发源的激发光中心波长为350 360nrn，激发光的功率范围为 300~700mW。本发明频率下转换超薄背板光源将紫外及蓝光范围的激发光(如 350 360nm发光二极管的辐射光)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LaF3晶体)，掺杂材料为铥、铽和铕三种稀土离子，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。本发明的频率下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350~360nm的紫外光，经过Tm/Tb/Eu三种离子之间的相互作用 和频率下转换荧光作用，输入的紫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。在频率下转换 超薄背板光源的系统能级结构中，各离子在背板光源中的作用不同。铥离子辐 射蓝光，是短波长光辐射的主要贡献者；铽离子辐射蓝光、绿光和少量的红光, 是中波长光辐射的主要贡献者；铕离子辐射大量红光，是长波长光辐射的主要 贡献者。此外，铽离子与铕离子之间存在能量转换，铽离子产生的能量转移也 能使基态的铕离子跃迁至经过无辐射衰减到达5DQ，这是铽离子对铕离子 的交叉驰豫作用。由于铥离子、铽离子和铒离子在可见光范围内的发光谱分别位于450nm， 480-620nm和590-610nm的波长范围，359nm激励下的频率下转换超薄背板光 源覆盖了整个可见光波长范围。此频率下转换超薄背板光源将近紫外光及蓝光 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为本发明频率下转换超薄背板光源的结构示意图。 图2为359nm泵浦光激励下的频率下转换超薄背板光源的能级结构模型。 图3为经过优化的频率下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。本发明的频率下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LaF3晶体)，掺杂材料 为铥、铽和铕三种稀土离子，其中铥离子的浓度范围为0.25乂 1024 2乂 1024个/ 立方米，铽离子的浓度范围为0.1X10" 1.5X10"个/立方米，铕离子的浓度范 围为0.1 X 1024 2X 1024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350 360nm范围附近的紫外光线，激发光
功率范围为300~700mW;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。本发明的频率下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350~360nm的紫外光，经过Tm/Tb/Eu三种离子之间的相互作用 和频率下转换荧光作用，输入的紫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。在掺杂铥铽铒 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 出此丁1113+/11)3+/￡113+共掺的频率下转换背板光源在35911111泵浦激励下的能级模型 如图2所示。图2中，Ti^+为铥离子，TV+为铽离子，Ei^+为铕离子。在铥铽铒三离子能 级结构中，各离子在背板光源中的作用不同(1)TmS+离子辐射蓝光，是短波长 光辐射的主要贡献者。主要的蓝光辐射跃迁过程为102—3F4(454nm)，除了可见 光的辐射外，TmS+还存在红外范围的跃迁汴4—4H6(801nm);主要的泵浦激励吸 收为4116—iD2(359nm)。 (2)1^3+离子辐射蓝光、绿光和少量的红光，是中波长光 辐射的主要贡献者。主要的跃迁过程包括蓝光辐射504—7F6(485nm)，绿光辐 射504—7F5(545nm)，红光辐射504—^4(586nm)及102—3F4(nm)，其中前两者是主 要的辐射光来源。在lV+的吸收跃迁中还包括360nm吸收过程(乍6—5Gj)，众多离 子经过这个过程被抽运至高能级SGj后，又经历众多复杂的无辐射衰减、声子驰 豫等过程跃迁到较低能级SD4。此外，5D4能级上的离子还可以驰豫至基态能级 7F6，同时将能量转移给E^+离子。(3)E^+离子辐射大量红光，是长波长光辐射 的主要贡献者。主要的跃迁有5Dq —7Fo(576nm)， 5Dq —7FK590nm)， 5D0 — 7F2(612nm)， 5Do—7F3(650nm),以及500—7F4(700nm)，其中5卯nm和612謡处的 跃迁是辐射光的主要来源。主要的吸收在361nm处(乍o—5D4)，离子在到达高能 级SD4后经过复杂的无辐射跃迁过程，驰豫至SDo处。此外，iV+产生的能量转移 也能使基态的离子跃迁至SD,，经过无辐射衰减到达SDo，这是lV+对Ei^+的交叉 驰豫作用。
根据359nrn泵浦光激励下的频率下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500mW，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 1.5: 0.4: 0.25 (Tm:Tb:Eu)，即优化后各离子掺杂浓度Tm3+ 1.5X10"个/立 方米，tV+0.4X10^个/立方米，Ei^+0.25X1()M个/立方米。输出光的功率谱在 450nm、 540nm和590nm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，因此在这个频率下转换背板光源中可以得到均匀的可见白光 输出，而且可以保证白光一定的纯度。
权利要求
1、一种频率下转换超薄背板光源，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铥离子、铽离子和铕离子，其中，掺杂的铥离子的浓度范围为0.25×1024～2×1024个/立方米，铽离子的浓度范围为0.1×1024～1.5×1024个/立方米，铕离子的浓度范围为0.1×1024～2×1024个/立方米；所述激发源的激发光中心波长为350～360nm，激发光的功率为300～700mW。
全文摘要
本发明涉及一种频率下转换超薄背板光源，适用于光照明和显示系统。本发明的频率下转换超薄背板光源，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铥离子，铽离子和铕离子，其中，掺杂的铥离子的浓度范围为0.25×10<sup>24</sup>～2×10<sup>24</sup>个/立方米，铽离子的浓度范围为0.1×10<sup>24</sup>～1.5×10<sup>24</sup>个/立方米，铕离子的浓度范围为0.1×10<sup>24</sup>～2×10<sup>24</sup>个/立方米；激发源的激发光中心波长为350～360nm，激发光的功率为300～700mW。本发明能将紫外及蓝光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C09K11/08GK101398132SQ20081020265
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