闽都创新实验室高品质激光照明用图案化荧光微晶玻璃复合材料研究获得新进展

图、（a）CASN:EuPiGF-LuAG:CePiGF-on-sapphire“荧光轮”照片（直径为40 mm，具有不同的图案化结构）；（b）“图案化荧光粉”结构与传统“混合荧光粉”结构之间的归一化发光光谱比较；（c）1W/mm2蓝光激光驱动下三种不同图案化结构样品的发光光谱（色块分别以45°、90°和180°三个间隔角分开）；插图显示了具有90°间隔角样品空间角度相关的颜色分布。

　　InGaN基发光二极管（LED）芯片存在“效率骤降”问题，很难基于单个LED芯片实现高功率、高亮度白光照明。为解决这一难题，激光照明技术应运而生。激光二极管（LD）具有无“效率骤降”、高亮度、低光学扩展量等优点，在能量密度、能效、出光方向性等方面远优于LED。然而，荧光材料接受高功率激光辐照时，受制于高光子通量下光转换的能量损耗，会产生大量热量，对其稳定性和导/散热性提出了极高要求。传统的硅胶封装荧光粉技术在激光辐照下会发生严重的碳化而无法适用，发展全无机荧光转换材料是必然选择。荧光微晶玻璃（phosphor-in-glass，PiG）具有制备成本低、成分设计灵活、通过混合多相荧光粉可控制色度等诸多优势，近年来受到了学术界和工业界极大关注。特别是，将微晶玻璃以薄膜（PiG film，PiGF）形式共烧于高热导率基板（例如蓝宝石或AlN）上形成一体化复合材料，在继承了PiG块材各项优点的同时，PiGF-高导热基板复合体的热导率可以提高到与高质量陶瓷相媲美的水平，从而提高发光饱和阈值；得益于此，可以构建高亮度PiGF基激光驱动光源，显示出巨大的应用前景。

　　在主任基金项目等支持下，实验室王元生研究员和林航研究员带领的光功能材料研究团队，基于合理的材料/几何构型设计与低温共烧路线制备，获得新型图案化结构微晶玻璃一体化复合材料：CaAlSiN₃:Eu²⁺PiGF-Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺PiGF-高导热蓝宝石基板；进而，通过构建“荧光轮”，在高功率蓝光激光激发下实现了较好的光色性能输出。研究激光-微晶相互作用的结果表明， Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺的发光饱和行为几乎由热猝灭机制决定，而CaAlSiN₃:Eu²⁺的发光饱和行为受热猝灭与强度猝灭机制共同影响。高导热蓝宝石基板“热沉”的散热作用和脉冲旋转激发模式，大大减轻了荧光体热负荷，有效延缓了发光饱和的发生。系统性实验结合理论计算证明，发生在传统“混合型荧光粉”结构中的光子重吸收问题，在“荧光粉图案化”结构设计下得到了很好的解决，一定程度上调和了“光度-色度矛盾”，且不会引起空间颜色分布不均。此外，建立了一个通用的光谱计算模型来预测PiG体系中受光子重吸收效应影响的发光行为。基于Lu3Al5O12:Ce3+PiGF的激光驱动绿色光源可实现2970 lm@21W/mm2的高亮度，基于图案化CaAlSiN₃:Eu²⁺PiGF-Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ PiGF构建白光光源可同时实现光通量高于1000 lm和显色指数大于80的光色输出。

　　相关研究成果发表在物理一区期刊《激光与光子学评论》（DOI:10.1002/lpor.202200040）上，王元生研究员和林航研究员为该论文的共同通讯作者，第一作者为福建师范大学联培生黄秋桂和隋萍。此前，该团队在高功率密度荧光微晶玻璃材料及白光固态光源研究方面取得了一系列重要进展，相关成果相继发表在Laser Photon. Rev. 2021, 15, 2100044; Laser Photon. Rev. 2021, 15, 2100317; Laser Photon. Rev. 2014, 8, 158; ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 22905; ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 21264; ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 21835; Chem. Mater. 2016, 28, 3515; Laser Photon. Rev. 2017, 11, 1700148；并撰写综述论文（Laser Photon. Rev. 2018, 12, 1700344），受到了国内外同行的广泛关注。。

　　论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200040 

（王元生研发团队供稿）