激光照明与显示:光转换材料

时间:2021-11-23 10:09来源:澎湃号·湃客作者:Jucy 点击:
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摘要:激光照明作为新一代的大功率、高亮度照明技术,在汽车大灯、航空航海照明、军用手电、激光影院以及激光电视等领域具有广泛的应用前景。在激光照明技术中,荧光材料起到光色转换的重要作用,决定器件的发光效率、发光强度、显色性及寿命等关键性能参数。传统的固态照明封装材料(如有机树脂等)不但散热性能差,而且在长时间、高功率激光照射下会出现碳化和烧蚀等

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激光照明作为新一代的大功率、高亮度照明技术,在汽车大灯、航空航海照明、军用手电、激光影院以及激光电视等领域具有广泛的应用前景。在激光照明技术中,荧光材料起到光色转换的重要作用,决定器件的发光效率、发光强度、显色性及寿命等关键性能参数。传统的固态照明封装材料(如有机树脂等)不但散热性能差,而且在长时间、高功率激光照射下会出现碳化和烧蚀等损伤现象,影响荧光材料的发光性能,从而最终导致整个光源器件的失效。为了获得更高光效和可靠性的激光照明器件,荧光转换材料须具有优异的散热性能及热稳定性。因此,研制耐高功率密度激发的高可靠性荧光转换材料成为激光照明技术(包括激光显示)进一步发展的关键。中国计量大学光学与电子科技学院王乐教授团队自2010年起开始从事固态照明技术和关键核心发光材料的研究,联合研发的白光LED产品已应用于高清电视背光源、高速交通、国家重大会展、医院等多个社发和民生工程领域,成果获6项省部级科技进步奖。研究团队于2015年起围绕激光照明与显示及发光材料开展了应用基础研究,以荧光玻璃、荧光薄膜及荧光陶瓷材料为研究对象,通过深入研究其发光饱和机理,并结合材料的光谱设计、显色调控、光效提升和散热优化等方法,开发了系列高性能荧光转换材料,结合光学设计、封装技术和光学镀膜技术实现了高品质激光光源器件。近日,王乐教授团队在《发光学报》(EI、Scopus收录,中文核心期刊)上发表了题为“激光照明应用钇铝石榴石荧光玻璃显色性能优化”和“激光照明用La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺荧光玻璃薄膜的合成及其性能调控”的研究论文。上述工作面向大功率、高亮度激光照明技术的应用需求,详细研究了荧光玻璃及荧光薄膜材料的合成工艺,并探讨了如何实现传统钇铝石榴石结构荧光材料显色性能的提升及高可靠性氮化物荧光材料发光性能的调控。为使广大发光同仁了解该课题组近年来在这一领域开展的相关工作,课题组应编者邀请撰写了本篇报道。在荧光玻璃材料的研究方面,针对Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺(YAG:Ce³⁺)荧光材料光谱中红绿光成分缺少的问题,研究团队选用绿色发光Y₃(Ga,Al)₅O₁₂:Ce³⁺(YAGG:Ce³⁺)和橙色发光(Y,Gd)₃Al₅O₁₂:Ce³⁺(GdYAG:Ce³⁺)荧光材料,制备了兼具高光效和高显色性能的YAGG:Ce³⁺/GdYAG:Ce³⁺复合荧光玻璃,在蓝色激光激发下其显色指数(Ra)达到79.7(相比YAG:Ce³⁺荧光玻璃提升了13.7%左右)(图1),发光效率为163.14 lm/W。(相关结果发表于《发光学报》,2021, 42(10):1619-1626)图1:YAGG:Ce³⁺/GdYAG:Ce³⁺复合荧光玻璃的(a)微观结构及(b)与蓝色激光组合的发射光谱

图1:YAGG:Ce³⁺/GdYAG:Ce³⁺复合荧光玻璃的(a)微观结构及(b)与蓝色激光组合的发射光谱

在荧光薄膜材料的研究方面,研究团队选择性能优异的黄色发光La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺(LSN:Ce³⁺)氮化物作为荧光材料,在镀有光学薄膜(蓝光可透过)的高导热率蓝宝石基板上制备了LSN:Ce³⁺荧光薄膜(图2),使其可承受12.73 W/mm²蓝色激光的激发,并达到157.6 lm/W的发光效率,满足了高功率激光照明的应用要求。(相关结果发表于《发光学报》,2021, 42(10):1482-1492.)图2:La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺(LSN:Ce³⁺)氮化物荧光薄膜的(a)微观结构及(b)与蓝色激光组合的发射光谱

图2:La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺(LSN:Ce³⁺)氮化物荧光薄膜的(a)微观结构及(b)与蓝色激光组合的发射光谱

此外,为了满足宽色域激光显示对荧光转换材料的应用需求,本研究团队通过调控和优化β-Sialon:Eu²⁺绿色和Calson:Ce³⁺红色荧光薄膜的发光性能及空间结构,可控制备了β-Sialon:Eu²⁺/Calson:Ce³⁺双层空间结构的复合荧光薄膜,实现了107% NTSC和74.44 lm/W的宽色域激光显示光源,并在激光微投产品中实现了初步应用(图3)。(相关结果发表于J. Mater. Chem. C,2020, 8: 1746-1754.)图3:β-Sialon:Eu²⁺/Calson:Ce³⁺双层空间结构复合荧光薄膜的发光特性及其在激光微投产品中的应用

图3:β-Sialon:Eu²⁺/Calson:Ce³⁺双层空间结构复合荧光薄膜的发光特性及其在激光微投产品中的应用

在荧光陶瓷的研究方面,本研究团队和厦门大学解荣军教授课题组合作,通过调控钇铝石榴石结构荧光陶瓷的发光中心浓度、化学组成及陶瓷厚度,系统研究了荧光陶瓷材料在大功率密度激发下的发光饱和机理,制备了高亮度黄色发光YAG:Ce³⁺(2347.9 lm)和绿色发光LuAG:Ce³⁺(3967.3 lm)荧光陶瓷。此外,为解决荧光陶瓷因缺乏散射中心而引起的光提取效率低和发光不均匀等问题,通过在荧光陶瓷结构中引入适量均匀分散的微气孔作为散射中心,实现了钇铝石榴石结构荧光陶瓷的超高亮度、均匀发光(7199 lm)。相关荧光陶瓷材料已用于合作公司开发的激光汽车大灯等产品(图4)。(相关结果发表于J. Mater. Chem. C, 2019, 7: 11449-11456;Laser Photonics Rev., 2019, 13, 1900147)图4:钇铝石榴石结构荧光陶瓷性能调控及其在激光汽车大灯产品中的应用

图4:钇铝石榴石结构荧光陶瓷性能调控及其在激光汽车大灯产品中的应用

在激光照明及显示领域,传统钇铝石榴石结构荧光材料虽然具有高光效和高发光饱和阈值的优势,但由于其无法实现红色发光,导致目前高功率激光照明及显示光源明显存在显色指数或色域偏低的问题。而可实现红色发光的Eu²⁺掺杂氮化物等荧光材料,在高功率密度激光激发下又会产生较为显著的发光饱和,使其无法应用于激光照明及显示技术。因此,研制高光效、高发光饱和阈值的红色荧光材料是今后的重要研究课题,对于开发高性能激光照明及显示光源十分关键。论文信息:黄敏航, 邾强强, 孟遥, 等. 激光照明用La₃Si₆N₁₁∶Ce³⁺荧光玻璃薄膜合成及其性能调控[J]. 发光学报, 2021, 42(10):1482-1492. DOI:10.37188/CJL.20210076http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210076孟遥, 邾强强, 黄敏航, 等. 激光照明应用钇铝石榴石荧光玻璃显色性能优化[J]. 发光学报, 2021, 42(10):1619-1626. DOI:10.37188/CJL.20210166http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDeta

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