Beschreibung Weißlichtquelle auf der Basis nichtlinear-optischer Prozesse Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weißlichtquelle gemäß Patentanspruch 1. Insbesondere betrifft die vorliegende Er- findung eine Weißlichtquelle, bei der eine Lichtemissionsein- richtung Lichtstrahlung in einem relativ langwelligen, d. h. roten oder infraroten Spektralbereich emittiert, welche durch nichtlinear-optische Prozesse in eine Ausgangsstrahlung umge- wandelt wird, deren spektrale Bestandteile im wesentlichen komplementärfarbig sind, so daß die Ausgangsstrahlung als weißes Licht erscheint.

Eine Weißlichtquelle auf Basis einer Halbleiter-LED ist bei- spielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 38 04 293 bekannt. Darin ist eine Anordnung mit einer Elek- trolumineszenz-oder Laserdiode beschrieben, bei der das von der Diode abgestrahlte Emissionsspektrum mittels eines mit einem phosphoreszierenden, lichtwandelnden organischen Farb- stoff versetzten Elements aus Kunststoff zu größeren Wellen- längen hin verschoben wird. Das von der Anordnung abge- strahlte Licht weist dadurch eine andere Farbe auf als das von der Leuchtdiode ausgesandte Licht. Abhängig von der Art des dem Kunststoff beigefügten Farbstoffes lassen sich mit ein-und demselben Leuchtdiodentyp Leuchtdiodenanordnungen herstellen, die in unterschiedlichen Farben leuchten.

In vielen potentiellen Anwendungsgebieten für Leuchtdioden, wie z. B. bei Anzeigeelementen im Kfz-Armaturenbereich, Be- leuchtung in Flugzeugen und Autos und bei vollfahrttauglichen LED-Displays, tritt verstärkt die Forderung nach Leucht- diodenanordnungen auf, mit denen sich mischfarbiges Licht, insbesondere weißes Licht, erzeugen läßt.

In der WO 98/12757 ist eine wellenlängenkonvertierende Ver- gußmasse für ein elektrolumineszierendes Bauelement mit einem

ultraviolettes, blaues oder grünes Licht aussendenden Körper auf der Basis eines transparenten Epoxidharzes beschrieben, das mit einem Leuchtstoff, insbesondere mit einem anorgani- schen Leuchtstoffpigmentpulver mit Leuchtstoffpigmenten aus der Gruppe der Phosphore, versetzt ist. Als bevorzugtes Aus- führungsbeispiel wird eine Weißlichtquelle beschrieben, bei welcher eine strahlungsemittierende Halbleiter-LED auf der Basis von GaN, GaInN, GaAlN oder GaInAlN mit einem Emissions- maximum zwischen 420 nm und 460 nm mit einem Leuchtstoff kom- biniert ist, der so gewählt ist, daß eine von dem Halbleiter- körper ausgesandte blaue Lichtstrahlung in komplementäre Wel- lenlängenbereiche, insbesondere blau und gelb, oder zu addi- tiven Farbtripeln, z. B. blau, grün und rot, umgewandelt wird.

Hierbei wird das gelbe bzw. das grüne und rote Licht von den Leuchtstoffen erzeugt. Der Farbton (Farbort in der CIE-Farb- tafel) des solchermaßen erzeugten weißen Lichts kann dabei durch geeignete Wahl des oder der Leuchtstoffe hinsichtlich Mischung und Konzentration variiert werden.

Ebenso offenbart die WO 98/54929 ein sichtbares lichtemittie- rendes Halbleiterbauelement mit einer W-/blau-LED, welche in einer Vertiefung eines Trägerkörpers angeordnet ist, deren Oberfläche eine lichtreflektierende Schicht aufweist und mit einem transparenten Material gefüllt ist, welches die LED an ihren Lichtaustrittsseiten umgibt. Zur Verbesserung der Lichtauskopplung weist das transparente Material einen Bre- chungsindex auf, der niedriger als der Brechungsindex der lichtaktiven Region der LED ist.

Die WO 97/50132 offenbart ein lichtabstrahlendes Halbleiter- bauelement mit einem Strahlung aussendenden Halbleiterkörper und einem Lumineszenz-Konversionselement. Der Halbleiterkör- per sendet Strahlung im ultravioletten, blauen und/oder grü- nen Spektralbereich aus und das Lumineszenz-Konversionsele- ment wandelt einen Teil dieser Strahlung in Strahlung mit ei- ner größeren Wellenlänge um, wodurch sich Leuchtdioden her- stellen lassen, die mittels eines einzigen lichtaussendenden

Halbleiterkörpers mischfarbiges Licht, insbesondere weißes Licht, abstrahlen. Als besonders bevorzugter Lumineszenz-Kon- versionsstoff wird Cer-dotiertes Yttrium-Aluminiumgranat (YAG : Ce) beschrieben.

Die bekannten Anordnungen haben jedoch den Nachteil, daß sie -wie beschrieben-nur mit einer im blauen oder ultraviolet- ten Spektralbereich emittierenden Leuchtdiode oder Laserdiode betrieben werden können. Diese Lichtemitter werden üblicher- weise auf der Basis von GaN oder II-VI-Verbindungen wie ZnS/Se hergestellt und die erzielbaren Lichtleistungen liegen bei einigen 10 mW.

Es ist dementsprechend Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Weißlichtquelle mit einer Lichtemissionseinrichtung an- zugeben, die insbesondere für höhere Lichtleistungen im Watt- und Multiwattbereich mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Le- bensdauer ausgelegt ist und routinemäßig hergestellt werden kann. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Weißlichtquelle mit einer Laserdiode, insbesondere einer Infrarot-Laserdiode auf der Basis von III-V-Verbindungen, wie z. B. GaAlAs, GaInAlAs, GaInAs bzw. InGaAsP, die nur in der Grundmode emittiert, anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dementsprechend beschreibt die vorliegende Erfindung eine Weißlichtquelle mit einer Lichtemissionseinrichtung zur Emis- sion eines Strahlungsbündels mit einer oder mehreren Strah- lungsfrequenzen im roten oder infraroten Spektralbereich, ei- nem nichtlinear-optischen Element, in welches das Strahlungs- bündel eingekoppelt und zumindest teilweise durch Erzeugung von mindestens einer Mischfrequenz mittels Frequenzmischung und/oder Frequenzverdopplung und/oder Summen-oder Differenz- frequenzbildung in ein frequenzgemischtes Strahlungsbündel umgewandelt wird, und einem Konversionselement, in welches

das frequenzgemischte Strahlungsbündel eingekoppelt und der- art mindestens teilweise in Lichtstrahlung größerer oder kleinerer Wellenlänge umgewandelt wird, daß das Emissions- spektrum des von dem Konversionselement abgestrahlten Strah- lungsbündels zueinander komplementärfarbige Spektralbereiche aufweist.

Unter einem Konversionselement ist dabei allgemein ein Ele- ment zu verstehen, das zumindest einen Teil eines Strahlungs- feldes eines ersten Wellenlängenbereichs in einen zweiten Wellenlängenbereich konvertiert. Diese Konversion kann durch Absorption und Reemission des Strahlungsfeldes erfolgen. Al- ternativ ist eine Konversion durch einen nichtlinearen opti- schen Prozeß möglich, der gegebenfalls auch resonanzverstärkt sein kann. Insbesondere fallen hierunter Lumineszenz, Summen- und Differenzfrequenzerzeugung, speziell die Generation von harmonischen und subharmonischen Frequenzen, Ramanstreuung und stimulierte Ramanstreuung.

Statt komplementärfarbiger Spektralbereiche kann das von dem Konversionselement abgestrahlte Strahlungsbündel auch Kompo- nenten im roten, grünen und blauen Spektralbereich aufweisen, die ebenfalls zu Weißlicht gemischt werden können.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht somit darin, eine kon- ventionelle Lichtquelle wie eine Infrarot-Laserdiode auf der Basis von III-V-Halbleitermaterial zu verwenden und die von der Lichtquelle emittierte Lichtstrahlung mittels nichtli- near-optischer Prozesse in Weißlicht umzuwandeln.

In einer ersten Ausführungsform ist der nichtlinear-optische Kristall derart beschaffen, daß er entweder als Frequenzver- doppler für eine einzelne Strahlungsfrequenz wirkt oder daß er die Summenfrequenz aus mehreren verschiedenen Strahlungs- frequenzen der Lichtemissionseinrichtung erzeugen kann, wobei das Konversionselement ein Lumineszenz-Konversionselement ist. Für letzteres kann entweder ein organischer Farbstoff

oder ein anorganischer Leuchtstoff, insbesondere ein Phosphor wie beispielsweise Cer-dotiertes YAG, verwendet werden.

Im einfachsten Fall ist der nichtlinear-optische Kristall so- mit ein konventioneller Frequenzverdoppler, der aus einer einzelnen in dem emittierten Strahlungsbündel enthaltenen Strahlungsfrequenz die zweite Harmonische erzeugt. Der nicht- linear-optische Kristall kann jedoch auch zusätzlich die Ei- genschaft aufweisen, daß er aus zwei oder auch mehr verschie- denen Strahlungsfrequenzen des emittierten Strahlungsbündels eine Summenfrequenz erzeugt.

Die Lichtemissionseinrichtung ist vorzugsweise eine Laser- strahlquelle, da für eine effiziente Frequenzverdopplung oder Frequenzmischung die Strahlintensität des in den nichtlinear- optischen Kristall eingekoppelten Strahlungsbündels eine wichtige Rolle spielt. Der Verdopplungswirkungsgrad il verhält sich wie il _ 2, d. h. er steigt quadratisch mit der einge- strahlten Lichtintensität I = P/A (P = Lichtleistung, A = Fläche) an. Es kann daher auch von Vorteil sein, die Licht- emissionseinrichtung gepulst zu betreiben, da z. B. bereits eine Verdopplung der Pulshöhe eine Vervierfachung des Ver- dopplungswirkungsgrades zur Folge hat.

Die Laserstrahlquelle ist vorzugsweise ein Festkörperlaser.

Als solcher bietet sich natürlich insbesondere eine Laser- diode, im vorliegenden Fall also eine im roten oder infraro- ten Spektralbereich emittierende Laserdiode, an. Hier können insbesondere die sogenannten Vertikalresonator-Laserdioden (VCSELs) verwendet werden, die nur eine geringe Strahldiver- genz aufweisen und deren Strahlen mit einem Mikrolinsenarray kollimiert werden können. Diese oder auch andere Arten von Laserdioden können in einem Array angeordnet werden, welches einem Plättchen aus einem nichtlinear-optischen Kristall ge- genüberliegt, so daß jede Laserdiode ein Strahlungsbündel emittiert, welches an jeweils einer eigenen Stelle durch das nichtlinear-optische Kristallplättchen hindurch tritt. Auf

der gegenüberliegenden Oberfläche des nichtlinear-optischen Kristallplättchens kann das Konversionselement, also bei- spielsweise ein Leuchtstoff, direkt aufgebracht sein oder in einem Abstand davon angeordnet sein.

Es kann jedoch auch ein anderer Festkörper, wie beispiels- weise ein Nd : YAG-Laser verwendet werden.

Das Material des nichtlinear-optischen Elements kann aus der Gruppe KH2PO4 KNbO3, BaNaNbO15 (Banana-Kristall), LiIO3, KTiOP04 (KTP), LiNb03 (Lithiumniobat), LiB305 (LBO), ß- BaB204 (BBO) oder eines anderen nichtlinear-optischen Kri- stallmaterials ausgewählt sein.

Das Konversionselement ist bei dieser ersten Ausführungsform ein Konversionselement. Vorzugsweise wird dabei ein Leucht- stoff, also im weitesten Sinne ein Phosphor eingesetzt. Wenn das den nichtlinear-optischen Kristall verlassende Strah- lungsbündel im wesentlichen im blauen Spektralbereich liegt, so ist insbesondere die Verwendung von Cer-dotiertem Yttrium- Aluminiumgranat (YAG : Ce) besonders vorteilhaft, da dieser Phosphor das blaues Licht besonders effizient in gelbes Licht umwandelt, so daß eine derartige teilweise Konversion eine Mischung aus blauem und gelbem Licht erzeugt, welche in be- sonders zufriedenstellendem Maße den physiologischen Eindruck einer Weißlichtquelle erzeugt.

In einer zweiten Ausführungsform ist der nichtlinear-optische Kristall ein optisch-parametrischer Oszillator (OPO) und das Konversionselement ist ein zweites nichtlinear-optisches Ele- ment, welches der Frequenzverdopplung und Summenfrequenzer- zeugung fähig ist. Diese zweite Ausführungsform beschreibt somit den umgekehrten Weg wie die erste Ausführungsform, da in dem OPO-Kristall aus der Anregungswellenlänge zunächst längere Wellenlängen erzeugt werden ("down-conversion") und erst im zweiten Schritt in dem zweiten nichtlinear-optischen

Element wieder kürzere Wellenlängen erzeugt werden ("up-con- version").

Auch bei dieser Ausführungsform können die schon für die er- ste Ausführungsform genannten Lichtemissionseinrichtungen verwendet und es können für die nichtlinear-optischen Ele- mente die dort bereits genannten Materialien verwendet wer- den.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er- findung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung der ersten Ausfüh- rungsform der Weißlichtquelle gemäß der vorliegen- den Erfindung ; Fig. 2 eine schematische Darstellung der zweiten Ausfüh- rungsform der Weißlichtquelle gemäß der vorliegen- den Erfindung ; Fig. 3 ein praktisches Ausführungsbeispiel für eine erfin- dungsgemäße Weißlichtquelle unter Verwendung eines Arrays von Lichtemissionseinrichtungen.

Die schematische Darstellung der ersten Ausführungsform in der Fig. 1 zeigt eine Lichtemissionseinrichtung 1, im vorlie- genden Fall einen Infrarot (IR-) Laser, insbesondere eine IR- Laserdiode, welche ein vorzugsweise schmalbandiges Emissions- spektrum mit einem Maximum bei einer Wellenlänge A0 aufweist.

Für den Fall der Verwendung einer Laserdiode bietet sich bei- spielsweise eine Vertikalresonator-Laserdiode (VCSEL) an, welche bekanntermaßen oberflächenemittierend ist und einen relativ schwach divergenten Strahl emittiert. In diesem Fall können auch mehrere VCSELs als Array auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat geformt werden, über die ein Mikrolinsen- array zur Kollimierung der Strahlen angebracht wird. Es kann jedoch auch ein anderer Festkörperlaser, beispielsweise ein

Nd : YAG-Laser, verwendet werden, welcher bei einer Wellenlänge von 1064 nm emittiert.

Die Lichtemissionseinrichtung 1 wird vorzugsweise gepulst be- trieben, da die erfindungswesentlichen Prozesse wie Frequenz- verdopplung oder Summen-bzw. Differenzfrequenzerzeugung in ihrer Effizienz proportional zum Quadrat der Lichtleistung sind.

Das von der Lichtemissionseinrichtung 1 emittierte Strah- lungsbündel mit dem Hauptmaximum bei der Wellenlänge A0 wird einem nichtlinear-optischen Kristall 2 zugeführt, in welchem bei der vorliegenden Ausführungsform im einfachsten Fall eine Frequenzverdopplung durchgeführt wird, die beispielsweise durch die bekannte Typ-II-Phasenanpassung erfolgen kann. Dem- entsprechend erzeugt der nichtlinear-optische Kristall 2 ein Strahlungsbündel mit einem Emissionsmaximum bei einer Wellen- länge ko/2. Als Materialien für den nichtlinear-optischen Kristall 2 können alle derzeit bekannten Arten verwendet wer- den. Bevorzugte Materialien sind KH2PO4, (KDP), KNbO3 (Kalium- niobat), BaNaNbO15 (Banana-Kristall), LiI03, KTiOP04 (KTP), LiNbO3 (Lithiumniobat), LiB305 (LBO),-BaB204 (BBO).

Wenn die IR-Laserdiode beispielsweise bei einer Wellenlänge B0 = 920 nm emittiert, so erzeugt der nichtlinear-optische Kristall 2 ein Signal bei der zweiten Harmonischen, d. h. ei- ner Wellenlänge ko/2 = 460 nm Auf diese Weise kann man mit der IR-Laserdiode und dem nichtlinear-optischen Kristall 2 die üblicherweise in Weißlichtquellen dieser Art verwendete GaN-bzw. InGaN-Lumineszenz-bzw. Laserdiode ersetzen.

Mit der frequenzverdoppelten Strahlung wird dann in an sich bekannter Weise ein Konversionselement 3 beaufschlagt, mit welchem eine Ausgangsstrahlung mit Wellenlängen Al---Rn er- zeugt wird, die zueinander komplementärfarbige Spektralberei- che aufweisen. Die Wellenlängen X n können somit bei- spielsweise im blauen und im gelben Spektralbereich liegen

oder sie können durch ein Farbtripel im roten, grünen und blauen Spektralbereich gebildet sein. In beiden Fällen wird durch die additive Mischung der Farben weißes Licht erzeugt.

Das Konversionselement 3 ist in der vorliegenden Ausführungs- form ein Lumineszenz-Konversionselement. Dieses kann einer- seits durch organische Farbstoffmoleküle gebildet sein, die in eine geeignete Matrix eingebettet sind. Es kann anderer- seits durch einen anorganischen Leuchtstoff wie einen Phos- phor gebildet sein. Besonders bevorzugt ist diesbezüglich Cer-dotiertes Yttrium-Aluminiumgranat (YAG : Ce), da dieses be- kanntermaßen eine effiziente Umwandlung von blauem in gelbes Licht ermöglicht. In diesem Fall würde also ein Teil des ein- gangsseitig in das Konversionselement 3 eintretenden blauen Lichts ungehindert hindurchtreten und sich mit dem konver- tierten gelben Licht zu Weißlicht mischen.

Das Konversionselement 3 kann auch durch ein Halbleitermate- rial oder durch ein Schichtsystem aus unterschiedlichen Halb- leitermaterialien gebildet werden.

Es ist ebenso denkbar, daß das von der Lichtemissionseinrich- tung 1 emittierte Strahlungsbündel mehrere Strahlungsfrequen- zen aufweist und in dem nichtlinear-optischen Kristall 2 eine Summenfrequenz erzeugt wird.

Bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird somit in einem ersten Schritt in dem nichtlinear-optischen Kristall 2 zunächst eine Aufwärtskonversion der zugeführten Licht- strahlung vorgenommen, während anschließend in einem zweiten Schritt die aufwärtskonvertierte Lichtstrahlung in dem Kon- versionselement 3 derart aufzueinander komplementärfarbige Wellenlängen verteilt wird, daß im Ergebnis weißes Licht er- zeugt wird.

Die in der Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geht gewissermaßen den umgekehrten

Weg, indem hier zunächst durch Abwärtskonversion Wellenlängen erzeugt werden, die größer als die Ausgangswellenlänge sind, und anschließend diese Wellenlängen durch Frequenzverdopplung und Summenfrequenzbildung aufwärtskonvertiert werden.

Der Reihe nach wird auch bei der zweiten Ausführungsform eine Lichtemissionseinrichtung 1, im vorliegenden Fall ein Nd : YAG- Laser, verwendet, der eine Wellenlänge von ko = 1064 nm er- zeugt. In der vorliegenden Ausführungsform wird das nichtli- near-optische Element durch einen optisch-parametrischen Os- zillator (OPO) 12 gebildet. In diesem wird in an sich bekann- ter Weise die Eingangsstrahlung bei der Wellenlänge ko = 1064 nm in Teilstrahlen mit den Wellenlängen 1535 nm und 3468 nm aufgespalten. Die Resonatorspiegel des OPO-Kristalls 12, d. h. in der Regel die verspiegelten Oberflächen des OPO-Kristalls sind bezüglich ihrer Wellenlängenselektivität derart gewählt, daß in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Wellenlänge 3468 nm keine Verstärkung innerhalb des Resonators erfährt und die Resonatorspiegel lediglich bei der Wellenlänge 1535 nm eine hohe Reflektivität aufweisen. Somit treten durch den OPO-Kristall 12 nur die Pumpwellenlänge 1064 nm und die von ihr erzeugte Wellenlänge 1535 nm hindurch.

Das Konversionselement 13 ist im vorliegenden Fall der zwei- ten Ausführungsform ein zweiter nichtlinear-optischer Kri- stall, in welchem eine Frequenzverdopplung und Summenfre- quenzerzeugung der Wellenlängen des von dem OPO-Kristall 12 emittierten Strahlungsbündels durchgeführt wird. In dem vor- liegenden Ausführungsbeispiel wird eine erste Wellenlänge A1 = 629 nm durch Summenfrequenzbildung der beiden Wellenlängen 1064 nm und 1535 nm der Eingangsstrahlung erzeugt. Eine zweite Wellenlänge 2 = 532 nm wird durch Frequenzverdopplung der erstgenannten Wellenlänge erzeugt. Eine dritte Wellen- länge 3 = 446 nm wird durch Summenfrequenzbildung aus der erstgenannten Wellenlänge mit der frequenzverdoppelten zweit- genannten Wellenlänge erzeugt.

Auf diese Weise werden drei komplementärfarbige Wellenlängen erzeugt, nämlich rot, grün und blau, deren additive Farb- mischung weißes Licht ergibt.

Auch bei der zweiten Ausführungsform kann als Lichtemissions- einrichtung eine Laserdiode wie ein VCSEL verwendet werden.

In Fig. 3 ist schließlich noch eine praktische Ausführungs- form für eine erfindungsgemäße Weißlichtquelle dargestellt.

In dieser sind auf einem Halbleitersubstrat 10 eine Mehrzahl von matrixartig angeordneten Lichtemissionseinrichtungen 1, insbesondere Vertikalresonator-Laserdioden (VCSEL), geformt, durch die mit Hilfe von Mikrolinsen Strahlungsbündel im in- fraroten Spektralbereich emittiert werden. In Abstrahlrich- tung der Laserdioden ist zunächst ein nichtlinear-optischer Kristall 2, beispielsweise in Form eines LiNb3-Plättchens an- geordnet, durch welches die von den emittierten Strahlungs- bündeln zweite Harmonische erzeugt wird. Vorzugsweise ist zwischen den Laserdioden und dem Lithiumniobat-Plättchen noch eine Linsenanordnung montiert, die aus einer matrixartigen Vielzahl von Einzellinsen besteht, durch die jedes der Strah- lungsbündel optimal auf je eine eigene Stelle des Lithiumni- obat-Plättchens fokussiert wird. Für eine effiziente Fre- quenzverdopplung ist erforderlich, daß die Wellenfronten der Strahlungsbündel in der Ebene des Lithiumniobat-Plättchens möglichst eben sind.

Auf die den Laserdioden abgewandte Oberfläche des Lithiumni- obat-Plättchens ist ein Konversionselement 3, insbesondere ein Lumineszenz-Konversionselement 3, aufgebracht. Dieses kann beispielsweise aus einem Leuchtstoff wie einem Phosphor bestehen. Dieser ist vorzugsweise in Form von Leuchtstoffpar- tikeln in einer transparenten Einbettungsmasse dispergiert, die auf dem Lithiumniobat-Plättchen aufgebracht wurde. Alter- nativ dazu kann das Konversionselement 3 auch separat von dem nichtlinear-optischen Kristall 2 angeordnet werden. Schließ- lich kann noch eine weitere Linse, insbesondere eine Fresnel-

Linse, vorgesehen sein, um das erzeugte Weißlicht ins Unend- liche zu projizieren.

Oberhalb des Lithiumniobat-Plättchens ist ein Mikrolinsen- array 4 angeordnet, welches eine matrixartige Anordnung von einzelnen Mikrolinsen aufweist, die jeweils einzelnen Laser- dioden zugeordnet sind.

Das dargestellte praktische Ausführungsbeispiel kann auch durch die zweite Ausführungsform gebildet werden. Hierbei ist der nichtlinear-optische Kristall 2 durch einen OPO-Kristall gebildet und das Konversionselement 3 ist durch einen zweiten nichtlinear-optischen Kristall gebildet.