一种新型紫外光源的制作方法

1.本发明涉及光源制造技术领域，尤其涉及一种新型紫外光源。


背景技术：

2.目前在医疗保健、杀菌消毒以及水和空气净化领域得到实际应用的深紫外(200-280nm)光源主要有低/中/高压汞灯(发光波长253.7nm)、kr cl准分子灯(发光波长222nm)或kr br准分子灯(发光波长207nm)、algan基uv-led(发光波长210-280nm)。但是低/中/高压汞灯不仅存在体积大、易破碎、光效低、需要长时间预热等缺点，且由于含有对人体和环境剧毒的汞，已被2020年生效的国际全面禁汞公约《水俣公约》列为逐步禁用的产品，即将被淘汰。由于现在并无其他替代产品，所以汞灯仍被广泛用于医院、办公楼、火车站、机场等公共场所的环境消杀，但其253.7nm波长的紫外光因早已被认定对人的皮肤和眼睛有巨大的伤害，而被限制在无人环境使用，且该波长的紫外光对于病毒的消杀作用迄今并未得到权威医疗或者研究机构的认可。
3.kr cl准分子灯，作为另一种传统的紫外光源，虽然也同样具有体积大、笨重、易破损、使用不便等缺点，但其发出的222nm波长的深紫外光，近年被美国哈佛大学、哥伦比亚大学、日本广岛大学、神户大学等研究机构证实，对几乎所有的细菌和病毒均具有强大的杀灭作用(近乎秒杀)。而且最重要的是，经动物和人体实验发现，222nm波长的深紫外光对于人的眼睛和皮肤完全无害，其安全性甚至获得了世界卫生组织的认可。不过，kr cl准分子灯毕竟只是一种传统的紫外光源，其体积大、笨重、发光效率低等缺陷极大地限制了其应用领域，非常不利于广泛的推广使用。
4.algan基uv-led(发光波长210-280nm)是目前公认的、最有希望替代剧毒汞灯和使用不便的准分子灯的深紫外光源。但现在妨碍uv-led得到实际应用的最大问题是，uv-led的发光效率和功率(发光强度)，随着波长的变短而呈现断崖式下降的趋势。尤其是对于波长为222nm的uv-led，不仅其电光转换效率低至不到0.1％，而且其单颗芯片的发光功率往往只有数十至数百微瓦(μw)，远远达不到杀菌消毒所需剂量的要求。
5.本发明主要涉及发光波长在200-380nm的深紫外区域的紫外光源及其制备方法，是一种能够应用于对人类安全、对环境友好，同时具有强大杀灭病毒和细菌能力的新型紫外光源的制造技术。


技术实现要素：

6.发明目的：针对上述现有汞灯、准分子灯以及uv-led等紫外光源所存在的体积大、笨重、易破碎、预热时间长(汞灯和准分子灯)、毒性大(汞灯)、对人体不安全(汞灯和uv-led)、发光效率低(三者共同)等问题，致力于提供一种体积小、轻量、难破碎、无毒、无需预热、对人的眼睛和皮肤无害，且发光效率和功率足以满足杀菌消毒和其他应用的新型紫外光源。
7.本发明提供的一种新型紫外光源及其制备方法，技术方案如下：
8.一种新型紫外光源，其特征在于，包括：半导体激光器、倍频晶体、光束整形装置；所述倍频晶体设置于半导体激光器的出光面前方，所述光束整形装置设置于倍频晶体出光面前方或者设置于半导体激光器的出光面前方和倍频晶体的后方。
9.进一步的，所述半导体激光器的发光波长在可见光区域，所述倍频晶体可将半导体激光器发射激光的波长减半，所述光束整形装置可将光束进行聚光或扩束。
10.进一步的，所述新型紫外光源还包括滤光装置，所述滤光装置设置于倍频晶体出光面前方，在包括滤光装置情况下，光束整形装置设置于滤光装置出光面前方，或者设置于滤光装置的后方和倍频晶体出光面的前方，或者设置于倍频晶体的后方和半导体激光器的出光面前方。
11.进一步的，所述滤光装置可对透过倍频晶体的可见光起滤波、吸收和色散作用同时能通过紫外光。
12.进一步的，所述半导体激光器为单颗发光波长在可见光区域的半导体激光器(101)，所述倍频晶体为可将半导体激光器(101)发射激光的波长减半的倍频晶体(102)，所述滤光装置为能将可见光完全滤去、同时能透过紫外光的滤光片(103)，所述光束整形装置为紫外透镜或透镜组(104)。
13.进一步的，所述半导体激光器为多颗发光波长在可见光区域的半导体激光器组成的m行n列的激光器阵列(201)，其中m≥1，n＞1，所述倍频晶体为覆盖整个激光器阵列(201)的可将激光器阵列(201)发射激光的波长减半的倍频晶体(202)，所述滤光装置为覆盖整个激光器阵列(201)的能将可见光完全滤去、同时能透过紫外光的滤光片(203)，所述光束整形装置为覆盖整个激光器阵列(201)的紫外透镜或透镜组(204)。
14.进一步的，所述覆盖整个激光器阵列(201)的可将激光器阵列(201)发射激光的波长减半的倍频晶体(202)为单片能覆盖整个激光器阵列(201)或者mx n片能分别覆盖激光器阵列(201)中每一颗半导体激光器的倍频晶体。
15.进一步的，所述半导体激光器包括在蓝宝石、硅(si)、碳化硅(sic)、氮化镓(gan)、氮化铝(aln)、砷化镓(gaas)、磷化铟(inp)衬底上制备的ingan、algaas或algainp基可见光半导体激光器中的任何一种。
16.进一步的，所述倍频晶体包括硼酸钡(bbo)，磷酸二氢铵(adp)，磷酸二氢钾(kdp)，砷酸二氢铯(cda)非线性光学晶体中的任何一种。
17.有益效果：本发明提供的新型紫外光源，通过将单颗半导体激光器或由多颗半导体激光器组成的激光器条或阵列所发射的、波长在380-760nm范围内的可见光，经倍频晶体变换为波长在200-380nm范围内的紫外光的方法，一方面可以充分发挥半导体激光器体积小、轻量、不易破碎、无需预热、不含汞等剧毒物质、对人类和环境友好，在可见光波段发光效率通常高于50％、经倍频和滤波后的发光功率仍通常高于30mw(222nm发光波长)，且开启电压低、发光强度可调、易与其他电子器件集成等远胜传统的汞灯和准分子灯的优势；另一方面可克服具有相同发光波长的uv-led的发光效率通常低于0.1％、发光功率通常小于0.2mw，即在发光功率和效率上均较本发明提供的新型紫外光源低100倍以上的劣势，从而能被安全高效广泛地应用于杀菌消毒、水和空气的净化、医疗保健等领域。
附图说明
18.图1为本发明实施例1的结构示意图；
19.图2为本发明实施例2的结构示意图；
20.图3为本发明实施例3的结构示意图；
21.图4为本发明实施例4的结构示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
23.实施例1：
24.如图1所示为本发明提供的一种新型紫外光源的断面结构示意图。其构成要素由下至上包括：单颗发光波长为444nm的ingan基半导体激光器101，置于101出光面之上能将波长为444nm的可见光，变换为波长减半的222nm深紫外光的bbo倍频晶体102，置于102之上且与102之间的距离可调、并能将444nm的可见光完全滤去、同时又能透过222nm深紫外光的滤光片103，以及设置于103之上对222nm深紫外光具有扩束作用的紫外透镜或透镜组104。
25.图1所示的本发明提供的新型紫外光源，通过将单颗ingan基半导体激光器101所发射的、发光波长为444nm的可见光，经bbo倍频晶体102变换为波长减半的222nm深紫外光的方法，一方面可以充分发挥ingan基半导体激光器体积小、轻量、不易破碎、无需预热、不含汞等剧毒物质、对人类和环境友好，并且开启电压低、发光强度可调、易与其他电子器件集成等远胜传统的汞灯和准分子灯的优势；另一方面由于单颗444nm可见光激光器的输出光功率在3～4w，发光效率高于50％，且经过倍频和滤波后222nm紫外光功率仍高于30mw，而具有相同发光波长的uv-led的发光功率通常小于0.2mw，发光效率通常低于0.1％，因此在发光功率和发光效率上，本发明提供的新型紫外光源均胜过现有技术制备的uv-led 100倍以上。更为重要的是，由于222nm的深紫外光，已被哈佛大学等权威研究机构和世界卫生组织认可具有快速杀灭几乎一切病毒的能力，且对人的眼睛和皮肤完全无害，因而能够被安全、高效、广泛地应用于杀菌消毒、水和空气的净化、医疗保健等领域。
26.实施例2：
27.如图2所示为本发明提供的具有3x3半导体激光器阵列的新型紫外光源示意图。其构成要素由下至上包括：9颗发光波长为444nm的ingan基半导体激光器3x3阵列201，覆盖整个激光器阵列201、并能将波长为444nm的可见光变换为波长减半的222nm深紫外光的bbo倍频晶体202，置于202之上且与202之间的距离可调、并能将444nm的可见光完全滤去、同时又能透过222nm深紫外光的滤光片203，以及设置于203之上对222nm深紫外光具有扩束作用的紫外透镜或透镜组204。需要指出的是，倍频晶体202和滤光片203可以如图2所示覆盖所有的9颗半导体激光器，但是也可以采用较小面积的倍频晶体和滤光片，分别覆盖在9颗半导体激光器之上，而并不会影响本发明提供的新型紫外光源的使用效果。
28.图2所示的本发明提供的新型紫外光源，因为采用了比图1所示的紫外光源多9倍，即9颗发光波长为444nm的ingan基半导体激光器，所以最终获得的发光波长为222nm深紫外光的总功率也能相应提高9倍，但发光效率不变。因此，如图2所示的新型紫外光源，除了具有如图1所示的紫外光源的一切优势和特点之外，由于功率大大增加，更适合需要大规模实施消杀的环境，如办公楼、学校、车站、机场等公共场合，且因222nm的深紫外光对人体无任
何危害，故无需担心会影响公众的身体健康，这是传统的汞灯和目前的uv-led完全无法做到的。
29.实施例3：
30.如图3所示为本发明提供的一种新型紫外光源的断面结构示意图。其构成要素由下至上包括：单颗发光波长为444nm的ingan基半导体激光器301，置于301出光面之上能将波长为444nm的可见光，变换为波长减半的222nm深紫外光的bbo倍频晶体302，以及设置于302之上对222nm深紫外光具有扩束作用的紫外透镜或透镜组304。
31.实施例4：
32.如图4所示为本发明提供的具有3x3半导体激光器阵列的新型紫外光源示意图。其构成要素由下至上包括：9颗发光波长为444nm的ingan基半导体激光器3x3阵列401，覆盖整个激光器阵列401、并能将波长为444nm的可见光变换为波长减半的222nm深紫外光的bbo倍频晶体402，以及设置于402之上对222nm深紫外光具有扩束作用的紫外透镜或透镜组404。需要指出的是，倍频晶体402可以如图4所示覆盖所有的9颗半导体激光器，但是也可以采用较小面积的倍频晶体，分别覆盖在9颗半导体激光器之上，而并不会影响本发明提供的新型紫外光源的使用效果。
33.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。