半导体激光激发荧光体的白光照明光学系统研究

发布时间：2020-10-25 21:11

　　 随着当今光电行业的日益兴盛,新型技术和产业如激光车灯照明、室内照明、远距离照明等逐渐兴起,激光白光照明作为其关键技术已成为国内外研究热点之一。能够高效地获取色温佳、均匀度高的白光对实际应用具有很重要的意义。本文中利用光束整形后的蓝色半导体激光激发YAG黄色荧光体合成白光,并围绕合成的白光设计和优化了自由曲面透镜,使照明目标面形成了均匀的照度和光强分布。主要成果如下:1.研究半导体激光光束整形,获得了准直性良好、激发面积与荧光体尺寸匹配的半导体激光光束。采用光纤耦合的方法对半导体激光器光束进行耦合,获得了均匀对称的圆形光斑;利用Zemax软件设计和优化单个非球面透镜,对耦合后的光束发散角进行准直;采用开普勒型扩束结构扩束,得到理想情况下光学系统最小的RMS radius(均方根半径)为0.929μm,实现了所需的扩束效果。蓝色半导体激光准直性和激发面积都有较大提高。2.采用光束整形后的蓝色半导体激光激发荧光体,利用Tracepro软件模拟和研究荧光体的浓度、厚度及基质材料对转光后的中心色温及色坐标的影响。结果表明:转光荧光体摩尔浓度在129.22 mmoles/liter时可得到最佳的白光中心色温效果,对应的中心色温值为5442 K;当厚度为1.001 mm时,中心色温为4500 K;当荧光体厚度为1 mm,浓度为129.0 mmole/liter时,折射率为1.6左右的基质材料可以得到较好的白光中心色温。3.为了使得到的激光白光光源产生的光能够在照明目标面上产生均匀的照度和强度分布,在交互式优化器中,采用3次样条插值法构建自由曲面透镜轮廓并对其优化,分别应用于点光源和扩展光源。结果表明:基于点光源自由曲面透镜未优化的照度均匀度为54%,优化后为92%,相比未优化提高38%;基于扩展光源自由曲面透镜未优化的照度均匀度为72%,优化后照度均匀度为89%,相比优化前提高17%;基于扩展光源的自由曲面透镜未优化的光强的均匀度为52%,优化后的光强均匀度为91%,相比优化前提高39%。
【学位单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN249
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 半导体照明
        1.1.1 LED照明
        1.1.2 半导体激光照明
    1.2 半导体白光合成方案
    1.3 半导体激光转换白光照明
        1.3.1 半导体激光转换合成白光方案
        1.3.2 半导体激光转换白光照明研究现状
        1.3.3 半导体激光转换白光照明的应用
    1.4 半导体激光转换白光照明光学系统的研究
        1.4.1 半导体激光转换白光照明光学系统组成
        1.4.2 激光白光照明的模拟研究现状
    1.5 研究目的及主要内容
第二章 半导体激光白光光源原理及特性
    2.1 白光品质参数与色度学基本原理
        2.1.1 照明光学系统的要求
        2.1.2 白光品质参数
        2.1.3 色度学基本原理
    2.2 半导体激光器的特性及选取
        2.2.1 半导体激光器
        2.2.2 蓝色半导体激光器
    2.3 YAG:Ce荧光体及其特性
        2.3.1 光致发光原理
        2.3.2 YAG:Ce发光特性
        2.3.3 荧光体转光原理研究
    2.4 本章小结
第三章 半导体激光光束整形
    3.1 非球面透镜
    3.2 半导体激光光纤耦合设计
    3.3 半导体激光准直系统设计
    3.4 半导体激光扩束系统设计
        3.4.1 激光扩束原理
        3.4.2 激光扩束系统设计步骤
    3.5 本章小结
第四章 荧光体参数变化对白光品质的影响
    4.1 概述
    4.2 转光模型建立
    4.3 光源与荧光板光谱属性的设定
        4.3.1 建立光源属性
        4.3.2 建立荧光属性
        4.3.3 应用光源和荧光特性
    4.4 荧光体参数变化对白光色温与色坐标的影响
        4.4.1 荧光体浓度对白光中心色温与色坐标的影响与分析
        4.4.2 荧光体厚度对白光中心色温与色坐标的影响与分析
        4.4.3 荧光体基质材料对白光中心色温的影响与分析
    4.5 激光转光荧光体照度均匀性分析
    4.6 本章小结
第五章 基于激光白光光源的自由曲面透镜设计
    5.1 自由曲面透镜
    5.2 基于点光源照度均匀自由曲面透镜设计
    5.3 基于扩展光源的照度均匀自由曲面透镜设计
    5.4 基于扩展光源的光强均匀自由曲面透镜设计
    5.5 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢

【参考文献】

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本文编号：2855965