Laser & Photonics Reviews:激光驱动实现超高亮度固态照明白光光源

高亮度白光光源在特殊照明领域如汽车前照灯,舞台灯照明,投影仪等应用中占据着重要地位。传统的高亮度光源为高强度气体放电灯(High intensity discharge lamp,HID),其特点为利用电极电离气体产生电弧并透过耐高温透明灯管来发光。近年来,固态照明技术(Solid-state lighting,SSL)尤其是白光LED(White light-emitting diode)光源因具有节能、环保、体积小、寿命长、响应速度快等优点迅速发展,其技术方案为蓝光LED芯片激发黄色荧光材料(通常为荧光粉和有机硅胶的复合物)混合形成白光。由于蓝光LED芯片的发光效率会随着输入电流密度的增加显著降低(简称效率骤降),白光LED光源单位面积的光通量仍然处于较低水平,其亮度仍不能媲美传统的HID光源。蓝光激光二极管(Laser diode,LD)由于不存在效率骤降,其光功率密度远高于蓝光LED芯片,使用蓝光LD激发荧光陶瓷在理论上可以实现超高亮度的白光。由于荧光陶瓷的折射率(~1.82)较高,其全反射角较小(33º)导致出光效率偏低,而且荧光陶瓷的晶体特质会导致激光激发下的局部荧光在整个晶体内部传输扩散,因此荧光陶瓷的发光区域相对于激光的原始光斑会明显扩大。如何对荧光陶瓷进行结构调控,使之适用于激光照明,并利用荧光陶瓷实现超高亮度的白光光源对高亮度SSL技术的发展和应用至关重要。

厦门大学材料学院解荣军课题组针对以上问题对经典的YAG:Ce荧光陶瓷进行微观结构调控,在原料中引入尺寸均匀(3 μm)的球形PMMA颗粒,利用烧结过程中球形气孔热力学稳定的特性,制备了一系列不同气孔含量的强散射YAG:Ce荧光陶瓷,实现了超高亮度和超高准直性的新型固态照明白光光源。

通过对不同气孔含量的低、中、高强度光散射能力的YAG:Ce荧光陶瓷的微观结构、光学、热学等性能进行研究,发现球形气孔弥散均匀分布于荧光陶瓷基体中;荧光陶瓷的内量子效率不随气孔率的变化而改变;荧光陶瓷的常温热导率随气孔率的增加呈线性下降趋势。荧光陶瓷的光斑扩散限制能力随着气孔含量的增加显著降低,当陶瓷气孔率分别为1.6%、8.0%、14.6%、19.6%、24.6%时,光斑扩散比例分别为 3.14、1.99、1.68、1.53和1.45。通过将荧光陶瓷粘接于镜面铝基板上制备激光照明荧光转换器,并将该荧光转换器置于抛物线型反光碗的焦点位置构造激光照明灯具。结果表明,强散射的荧光陶瓷有效限制了发光区域的扩散,使荧光发光成为真正的点光源发光。强散射陶瓷的发光光束的发散角大为减小,从而实现了近似平行射出的白光光束。

大功率激光激发下的结果表明,气孔率为15%的陶瓷可以实现色坐标位于黑体辐射线上的高品质白光,在功率密度为7.92 W/mm2的蓝光激光激发下,光通量为855 lm,流明密度高达~1710 lm/mm2,比当前白光LED的最高流明密度(~300 lm/mm2)高出近5倍。同时在反射式模式下,不同厚度的荧光陶瓷的色坐标变化范围很小,这对于实际应用中白光色温的控制非常有利。最终,根据以上实验结果制备了直径为37 mm的荧光陶瓷色轮,在旋转模式和超高功率蓝光激光激发下,高强度光散射的陶瓷的出光效率和光通量均较高,并在28.60 W蓝光功率的激发下,实现了7199 lm的超高亮度的强白光。

研究者相信,此项研究为激光荧光陶瓷的设计提供了新思路,以此技术实现的超高亮度的激光驱动白光光源对高亮度SSL技术的发展和实际应用具有重要意义。

相关论文“Unique Design Strategy for Laser-Driven Color Converters Enabling Superhigh-Luminance and High-Directionality White Light”发表在 Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.201900147)上。 此外,在国家重点研发计划、国家自然科学青年/面上基金、中国博士后创新人才支持计划的资助下,厦门大学材料学院国家特聘教授解荣军的研究团队在面向高亮度激光照明与显示应用的发光材料研究中做出了多项开创性的研究工作,并取得了一系列重要进展:设计了高导热复合荧光陶瓷,可耐受高能量密度蓝光激光激发(>20 W/mm2)(J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 8648, Cover Paper; J. Mater. Chem. C, 2019, 7(13), 3901, Hot Paper);首次实现氮化物红色荧光陶瓷的致密化制备,用于提高照明光源的显色品质和激光显示的红色成分(J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 8197, Hot Paper; J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 1042, Hot Paper);设计实现流明效率高达210 lm/W的复合荧光玻璃薄膜(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10(17), 14930; Laser Photon. Rev., 2019, 13(3), 1800216);建立了材料热导率、热猝灭、量子效率对激光激发过程中产热、散热和抗热的定性定量关系,阐明了热饱和的产生机制(J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 11449, Hot Paper);综述了激光照明荧光转换材料,概括设计准则,展望未来发展趋势(Laser Photon. Rev., 2018, 12(12), 1800173),引起了国内外学术界和产业界的广泛关注。