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中科院科研人员在微晶玻璃复合膜之于激光照明应用上取得进展

2021-10-29    

中国照明网报道

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导语: 近日,中国科学院福建物质结构研究所王元生研究员和林航研究员带领的光功能材料研究团队在《发光学报》发表了题为“Lu2SrAl4SiO12:Ce3+荧光微晶玻璃膜-蓝宝石复合材料及其激光照明应用”的论文。

  近日,中国科学院福建物质结构研究所王元生研究员和林航研究员带领的光功能材料研究团队在《发光学报》发表了题为“Lu2SrAl4SiO12:Ce3+荧光微晶玻璃膜-蓝宝石复合材料及其激光照明应用”的论文。

  该工作基于高温固相反应法和低温共烧法制备了一种镶嵌Lu2SrAl4SiO12: Ce3+荧光粉的新型微晶玻璃膜-蓝宝石复合荧光转换材料,其性能优异,有望应用于激光照明领域。

  近年来,高端车前大灯、工矿灯、广场/机场/港口高杆灯、搜索灯、投影仪等超高光通量(>1 000 lm)照明光源的市场需求越来越庞大,对高功率密度白光固态照明技术提出了新要求。

  正广泛使用的白光发光二极管(LED)已然不是上述应用场合的最佳选择——LED蓝光芯片在大驱动电流下不可避免地会产生由电子-空穴俄歇复合所主导的“效率骤降”现象;为提高亮度,不得不采用芯片集成模块化或灯具集成模组化方式,势必带来“光效下降、稳定性劣化、设计复杂”等一系列技术问题。

  相比之下,激光二极管(LD)具有显著优势:单位面积发光亮度高,不存在“效率骤降”问题(单颗LD功率密度高达25 kW/cm2时仍可维持高电光转换效率),准直性好,特别适用于光学扩展量小的定向光源。

  然而,高能量密度蓝色激光会使荧光转换体产生严重热聚集,导致荧光热猝灭,产生发光热饱和;同时,高光子通量强辐射会引起由激活离子基态漂白或非线性上转换过程主导的发光光饱和。如何从材料/器件结构设计上入手克服上述问题,是构建超高亮度激光驱动白光光源的关键。

  为此,中科院福建物质结构研究所王元生、林航研究员团队开展了系列工作,聚焦于成本低廉、工艺路线简单、设计弹性大、光谱“宽幅”可调的荧光微晶玻璃体系,系统研究了玻璃组分、共烧工艺对材料微观结构的影响,初步探明该复相体系中热致饱和与光致饱和机理,通过引入热传导/光散射介质,实现微区热场/光场调控,研制出系列高发光饱和阈值的石榴石结构/氮(氧)化物荧光微晶玻璃块体/薄膜,并构建了相应的高品质激光照明与显示光源。 设计新型低熔点玻璃体系SiO2-B2O3-Al2O3-Na2O-MgO-ZnO-CaO-BaO,低温共烧合成高效发光Y3Al5O12:Ce3+、La3Si6N11:Ce3+荧光微晶玻璃块体(内量子效率可达94%)。通过构建“荧光色轮”,经旋转加速与空气间热传导、实现“脉冲式激发”,从而大大降低微区光斑温度,提高了发光饱和阈值。基于反射式光路,Y3Al5O12:Ce3+微晶玻璃的光通量可达2580 lm@23W/mm2。

  为了进一步提高材料发光品质,实现暖白光输出,提出采用图案化叠层结构设计,将CaAlSiN3:Eu2+红色荧光微晶玻璃以膜层形式与Y3Al5O12:Ce3+微晶玻璃块体复合,形成一体化复合材料(图1)。

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图1 图案化结构CaAlSiN3:Eu2+PiG膜-Y3Al5O12:Ce3+PiG片一体化复合材料的样品照片及实际照明效果展示

  图案化结构设计有效抑制了两种荧光微晶间的光子重吸收效应。构建的激光照明原型光源同时兼具高亮度(>1 000 lm)与较高显指(~70)。部分结果已发表(《发光学报》, 2020, 41(12):1529-1537)。

  鉴于玻璃基质本身热导率偏低(~1 W/(m·K)),探索将荧光微晶玻璃以薄膜形式与高导热蓝宝石基板(~30 W/(m·K))复合,进一步减轻激光辐照引起的热饱和与光饱和效应,提高发光饱和阈值与光源亮度。为此,制备了具有窄带发射特性的β-SiAlON:Eu2+微晶玻璃膜-蓝宝石复合材料,其具有较高的内量子效率、高热导率(可媲美优质透明荧光陶瓷)和高抗热猝灭性能。

  研究微区激光-微晶相互作用的结果表明,发光饱和现象主要由热猝灭决定,但由非线性上转换过程所主导的强度猝灭的影响仍不容忽视。进一步探索了两种光源封装形式,即“蓝光LD+图案化红/绿色荧光微晶玻璃”以及“蓝光LD+绿色荧光微晶玻璃+红光LD”(图2)。基于后一方案,构建了高亮度(光通量1 310 lm,对应880 Mcd/m2)、低光学扩展量(~1.5 mm2),宽色域(~112.5%NTSC)的激光投影原型显示光源(Laser & Photonics Reviews, 2021, DOI: 10.1002/lpor.10.1002/lpor.202100317)。

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图2 β-SiAlON:Eu2+/CaAlSiN3:Eu2+微晶玻璃膜-蓝宝石复合材料的图案化样品照片及对应原型光源电致光谱、CIE色坐标图。

  除此之外,采用“原位析晶”+“低温共烧”新技术路线,获得了一种新型的钙钛矿纳米晶发光微晶玻璃膜-蓝宝石复合材料(图3)。

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图3:CsPbX3纳米晶发光微晶玻璃膜-蓝宝石复合材料在自然光和紫外激发光下的样品照片及对应原型激光显示系统构建示意图

  受益于玻璃基质的鲁棒性以及高热导率蓝宝石基板优异的散热性,该复合材料具有良好的抗热冲击性、抗湿性、耐激光辐照性。通过构建“荧光轮”,使热失控效应(Thermal-runaway effect)大幅减轻,材料的发光饱和阈值因此得以提升至7 W/mm2。构建的激光投影原型光源具有低光学拓展量(0.41 mm2)、宽色域(128.4% NTSC,即96.2% Rec.2020)和适中的光通量(174 lm),有望应用于微型投影仪(Laser & Photonics Reviews, 2021, DOI: 10.1002/lpor.202100044)。

  目前,激光照明/显示用荧光微晶玻璃膜复合材料研究已取得一定进展,但在基质玻璃组分设计、微晶-玻璃界面结构优化与缺陷控制、复相介质热场/光场调控(如引入热传导介质/光散射中心/光子晶体膜)等方面仍存在许多不足;

  在发光饱和基础理论、微区光/热效应等方面的研究也亟待加强;

  需重点研制高发光饱和阈值的青光、红光荧光微晶玻璃体系,实现高品质全光谱激光照明光源;

  此外,激光照明测试结果受光斑尺寸、光路、积分球/探测器灵敏度等诸多因素影响,迫切需要规范测试标准,实现不同课题组测试结果的横向比较。

编辑:严志祥

来源:中国光学

标签:中科院  微晶玻璃复合膜  激光照明  进展  

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