激光照明用熒光材料現(xiàn)已成為固態(tài)照明領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著相關(guān)研究的不斷深入和細(xì)化，科研人員對(duì)于熒光材料的認(rèn)知也在不斷提升。然而，現(xiàn)有激光照明用熒光材料的設(shè)計(jì)和研究思路在很大程度上仍受wLED產(chǎn)業(yè)的影響，在材料器件化的過程中會(huì)存在種種問題。

近日，河南理工大學(xué)徐堅(jiān)副教授、劉丙國副教授、碩士研究生陳鑫溶在《發(fā)光學(xué)報(bào)》（EI、核心期刊）發(fā)表了題為“面向器件化的激光照明用熒光材料設(shè)計(jì)”的綜述文章。該綜述從工程應(yīng)用角度出發(fā)，探討激光照明用熒光材料應(yīng)具備的核心特性。簡(jiǎn)述了熒光材料應(yīng)用于激光照明和大功率wLED場(chǎng)景的區(qū)別，指出了一些現(xiàn)有熒光材料設(shè)計(jì)和表征中存在的誤區(qū)，歸納了熒光材料在面向激光照明應(yīng)用時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)則及其機(jī)理，介紹了一些商用熒光材料的設(shè)計(jì)和封裝方案，并探討了幾種潛力較好的材料設(shè)計(jì)和制備方案。最后，展望了相關(guān)研究的發(fā)展趨勢(shì)。值得注意的是，該文章采用了一些較為輕松活潑的語言對(duì)材料的設(shè)計(jì)規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，包括“一薄遮百丑”、“未必要致密”、“做足表面功夫”等。本文將對(duì)相關(guān)內(nèi)容展開介紹。

圖1：激光照明的一些商業(yè)化產(chǎn)品

▍引言

由于LED存在“Efficiency droop”問題，導(dǎo)致現(xiàn)有的LED技術(shù)難以滿足在超高亮度照明和顯示領(lǐng)域的應(yīng)用要求。與LED不同的是，激光二極管（Laser diode, LD）在很大的驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)不存在“Efficiency droop”問題。該特性意味著LD理論上可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于LED的峰值光輸出功率和功率密度。因此，基于藍(lán)光LD激發(fā)熒光材料的熒光轉(zhuǎn)換型白光激光二極管（Phosphor-converted white laser diode, pc-wLD）技術(shù)為實(shí)現(xiàn)超高亮度固態(tài)光源提供了可能。

熒光材料是pc-wLED、pc-wLD的核心組件，決定了光源的能量效率和光度/色度性質(zhì)。與pc-wLED不同的是，熒光材料應(yīng)用于pc-wLD時(shí)需額外考慮“光飽和”、“熱飽和”以及“光斑擴(kuò)展”問題。熒光材料具備較高的飽和閾值，是pc-wLD實(shí)現(xiàn)高亮度的必要條件。但需要指出的是，熒光材料僅具備高飽和閾值并不足以獲得高亮度，高亮度光源的發(fā)光面積不宜過大，因此，pc-wLD熒光材料還需考慮其“光斑尺寸限制能力”，即光斑限域。

圖2：LD激發(fā)熒光材料后發(fā)光光斑擴(kuò)展示意圖

▍激光照明熒光材料設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

現(xiàn)階段，解決光飽和的主要方法是選取熒光壽命較短的發(fā)光中心，如熒光壽命為微秒級(jí)及以下的Eu2?和Ce3?。解決熱飽和的主要方法是從“降低產(chǎn)熱”和“提高散熱”兩方面入手，對(duì)應(yīng)的解決方案分別是提高內(nèi)量子效率、增加材料的熱導(dǎo)率以及開發(fā)熱猝滅低的材料。其中，提高熱導(dǎo)率最直觀樸素的思路是提高材料的致密度和與高熱導(dǎo)率材料復(fù)合（Al?O?、AlN等）。此外，色輪高速旋轉(zhuǎn)可在不增加發(fā)光面積的情況下，將熱負(fù)載分散到一個(gè)環(huán)帶狀區(qū)域，也是有效緩解熱飽和的方法。值得注意的是，對(duì)于熒光壽命較長(zhǎng)的材料（Mn??），利用合適的激光脈沖頻率配合合適的色輪轉(zhuǎn)速，其光飽和也有望得到緩解。

目前，熒光材料對(duì)光斑尺寸限制能力的研究仍處于早期探索階段，相關(guān)的研究報(bào)道較少。河南理工大學(xué)徐堅(jiān)副教授團(tuán)隊(duì)在2020年與丹麥技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作搭建了更加完善的光斑測(cè)試系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)對(duì)多種熒光材料的光斑限制能力展開了系統(tǒng)性的評(píng)估，進(jìn)一步探索了多個(gè)微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)材料光斑限制能力與發(fā)光效率的影響。基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試信息，與光斑尺寸限制相關(guān)的研究存在一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵機(jī)理問題，即為什么引入和控制氣孔（或其他散射源）可以限制光斑尺寸？以強(qiáng)散射源氣孔為例，徐堅(jiān)副教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)總結(jié)了其在熒光材料中限制光斑尺寸的作用機(jī)理，如圖3所示。

圖3：發(fā)光中心被激發(fā)后典型光線L???傳播示意圖（a）、 L?在基體內(nèi)部全內(nèi)反射示意圖（b）、表面開放氣孔干擾 L?全內(nèi)反射示意圖（c）、基體內(nèi)部氣孔干擾 L???傳播示意圖（d）、表面氣孔SEM圖片（e）、體（截面）氣孔SEM圖片（f）。

結(jié)合我們的實(shí)驗(yàn)探索，提出了激光用熒光材料的設(shè)計(jì)新思路。LD具有優(yōu)異的方向性和高光輸出功率密度，作為激發(fā)源與LED存在明顯差異，但現(xiàn)階段，pc-wLD用熒光材料的表征很大程度上仍沿用pc-wLED熒光材料的表征手段。該現(xiàn)狀造成測(cè)試結(jié)果并不能直接反應(yīng)材料在pc-wLD中的性能，由此對(duì)pc-wLD用熒光材料表征手段的調(diào)整提出了我們的建議。并介紹了日亞（Nichia）團(tuán)隊(duì)、SLD Laser公司和肖特公司發(fā)布的三種熒光材料設(shè)計(jì)與封裝案例。

目前，已產(chǎn)業(yè)化的熒光材料主要為陶瓷和PiGF。PiGF可通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本的批量生產(chǎn)。但由于玻璃本身的低熱導(dǎo)率（~1 W/m·K），造成PiGF的飽和閾值總體低于陶瓷和單晶。陶瓷形態(tài)發(fā)光材料的制備往往需要用到高溫、高壓、高真空度等條件，在量產(chǎn)化和制造成本上面臨挑戰(zhàn)。本文著重介紹了在性能、成本和量產(chǎn)化三方面有潛力取得均衡的兩種材料設(shè)計(jì)和制備方法：激光懸浮區(qū)熔法（Laser-floating-zone-melting, LFZM）和超聲噴霧熱解法（Ultrasonic Spray Pyrolysis, USP）。

▍總結(jié)與展望

2015—2020年期間，激光照明用熒光材料的研究重點(diǎn)主要集中在提高材料的飽和閾值上。隨著相關(guān)研究的不斷深入與細(xì)化，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，具備高飽和閾值的熒光材料并不能確保激光照明器件具備高亮度。因此，今后激光照明用熒光材料的研究重點(diǎn)應(yīng)能體現(xiàn)材料性能和亮度之間的關(guān)系。在此，從實(shí)驗(yàn)思路、表征技術(shù)以及材料設(shè)計(jì)策略等方面進(jìn)行總結(jié)。

■ 實(shí)驗(yàn)思路與表征技術(shù)：

（1）激光照明若無法在亮度上大幅高于LED，將無法與其競(jìng)爭(zhēng)。因而激光照明的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和表征應(yīng)以實(shí)現(xiàn)高亮度為最高優(yōu)先級(jí)。因此，實(shí)驗(yàn)上需要獲得材料激發(fā)后的峰值光通量和對(duì)應(yīng)的發(fā)光面積。

（2）材料樣品的放置應(yīng)盡量遵循實(shí)際器件形態(tài)，否則測(cè)試性能將明顯偏離工程應(yīng)用。

（3）反射式測(cè)試應(yīng)盡量避免基板、熱沉以及導(dǎo)熱膠對(duì)激光和熒光的吸收。

（4）激光功率、功率密度、光斑尺寸（甚至形狀）對(duì)材料飽和閾值都有顯著的影響，對(duì)比飽和閾值時(shí)應(yīng)避免單一指標(biāo)。

（5）光分布的測(cè)試對(duì)激光照明較為重要。

■ 最新的材料設(shè)計(jì)策略：

（1）一“薄”遮百丑：在保證吸收率的前提下，反射式材料設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能的薄，這樣材料的發(fā)光效率和器件的峰值亮度都將顯著提升。值得注意的是，當(dāng)熒光材料與熱沉之間的熱阻達(dá)到一定值且激光光斑較小時(shí)，厚度對(duì)散熱以及飽和閾值的影響理論上會(huì)變得復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。

（2）未必要致密：熒光材料引入合適的散射源，可在不犧牲發(fā)光效率的前提下，有效地實(shí)現(xiàn)光斑限域，同時(shí)改善藍(lán)光和熒光的混合均勻度，最終可在亮度和發(fā)光均勻度兩方面提高器件性能。

（3）做足“表面”文章：通過表面處理提高光提取率已在LED行業(yè)被廣泛應(yīng)用，在熒光材料領(lǐng)域?qū)⒂休^大應(yīng)用潛力。

■ 立足于實(shí)際應(yīng)用，激光照明用熒光材料的未來研究重點(diǎn)包括但不限于以下方面：

（1）闡明成分、結(jié)構(gòu)、形貌、厚度等基礎(chǔ)材料參數(shù)與實(shí)際亮度之間的關(guān)系。例如YAG:Ce中，Ce3?摻雜濃度將直接影響熱猝滅、濃度猝滅、熱導(dǎo)率、熒光壽命、光斑尺寸等一系列參數(shù)，而這些參數(shù)又將直接或間接影響到器件的發(fā)光效率和亮度。因此，闡明材料基礎(chǔ)參數(shù)與器件亮度之間的關(guān)系對(duì)于激光照明的發(fā)展具有重要意義。

（2）將材料研究進(jìn)一步與鍍膜技術(shù)結(jié)合，如抗反膜、全反膜、截止膜等；并將材料研究與焊接技術(shù)結(jié)合，如金屬化后的金錫共晶焊，或者金屬陶瓷直接焊接等。此外，將材料研究與散熱技術(shù)結(jié)合，如熱電材料，或者將材料與半球透鏡耦合，實(shí)現(xiàn)“發(fā)光-聚光-散熱”模塊的一體化。

（3）對(duì)表面形貌進(jìn)行精確控制和定量研究，闡明形貌對(duì)光提取、光斑尺寸以及亮度的影響規(guī)律。

（4）研發(fā)兼具高熱導(dǎo)率、低熱猝滅、低熒光壽命的熒光材料，可從根本上解決目前面臨的大多數(shù)問題。

| 論文信息 |

陳鑫溶,劉丙國,徐堅(jiān).面向器件化的激光照明用熒光材料設(shè)計(jì)[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2023,44(05):759-770. 

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20220382/

| 作者簡(jiǎn)介 |

徐堅(jiān)，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，2016年于廈門大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事大功率固態(tài)照明用發(fā)光材料、特種照明光源構(gòu)建以及深紫外熒光成像等領(lǐng)域的研究。在 J. Adv. Ceram.，J. Eur. Ceram. Soc.和 Appl. Phys. Lett.等國際知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，授權(quán)國內(nèi)外專利10余項(xiàng)。主持和參與多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金、河南省科學(xué)基金、河南省科技攻關(guān)和企業(yè)委托開發(fā)項(xiàng)目等。

劉丙國，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，2008年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事超快激光與物質(zhì)相互作用、光電材料的制備及其物理性能的研究。在 J. Eur. Ceram. Soc.，Appl. Phys. Lett.和 Opt. Express等國際知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，授權(quán)國內(nèi)外專利20余項(xiàng)。獲河南省自然科學(xué)學(xué)術(shù)獎(jiǎng)3項(xiàng)。主持和參與多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金、河南省科學(xué)基金、河南省科技攻關(guān)和企業(yè)委托開發(fā)項(xiàng)目等。

陳鑫溶，碩士研究生，2020年于河南理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事大功率固態(tài)照明用發(fā)光材料以及特種照明光源構(gòu)建的研究。

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