(57)【要約】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４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項１９】
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。
【請求項２０】
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。
【請求項２１】
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。
【請求項２２】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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／ｍ２／ｓｒ）は、蛍光物質の吸収帯内のポンプＬＥＤの放射輝度（Ｗ／ｍ２／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。
【０００４】
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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】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。
【図１Ｂ】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。
【図２Ａ】側面断面図である。
【図２Ｂ】上面断面図である。
【図２Ｃ】斜視断面図である。
【図２Ｄ】分解図である。
【図２Ｅ】本開示の一実施形態による光源２００の斜視図である。
【図３】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。
【図４】本開示の別の実施形態による光源の側面断面図である。
【図５】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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、（ｘ２＋ｙ２）≦（ｄ２／４）である任意の（ｘ，ｙ）に関して、式ｚ（ｘ，ｙ）＝（ｘ２＋ｙ２）／（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。
【００１３】
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θｉ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θｉ＝∠ＳＦＡ＝γ＋φ＝２βである。したがってｒ＝２ｆ×ｔａｎ（β）およびｒ＝２ｆ×ｔａｎ（θｉ／２）である。ｒ、ｆ、およびθｉを連結する式ｒ＝２ｆ×ｔａｎ（θｉ／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。
【００１４】
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θＢ＝ｔａｎ−１（ｎ）、（ｎは蛍光物質の屈折率）に等しい入射角θｉを設けて、励起光の反射を有利に低減することができる。θｊ＝θＢ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、θＢ＝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、ｒＢ＝２ｆ×ｔａｎ（θＢ／２）＝１．１９×ｆとなる。コンパクトな設計を達成するために、ｒＢ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＝ｒＢ／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２ｒＢに近似させることが可能であり、ＮＡ＝ｓｉｎ（θＢ）＝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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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