激光照明作為新一代的大功率、高亮度照明技術(shù)，在汽車大燈、航空航海照明、手電、激光影院以及激光電視等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在激光照明技術(shù)中，熒光材料起到光色轉(zhuǎn)換的重要作用，決定器件的發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度、顯色性及壽命等關(guān)鍵性能參數(shù)。

傳統(tǒng)的固態(tài)照明封裝材料（如有機(jī)樹脂等）不但散熱性能差，而且在長(zhǎng)時(shí)間、高功率激光照射下會(huì)出現(xiàn)碳化和燒蝕等損傷現(xiàn)象，影響熒光材料的發(fā)光性能，從而最終導(dǎo)致整個(gè)光源器件的失效。

為了獲得更高光效和可靠性的激光照明器件，熒光轉(zhuǎn)換材料須具有優(yōu)異的散熱性能及熱穩(wěn)定性。因此，研制耐高功率密度激發(fā)的高可靠性熒光轉(zhuǎn)換材料成為激光照明技術(shù)（包括激光顯示）進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

中國(guó)計(jì)量大學(xué)光學(xué)與電子科技學(xué)院 王樂教授團(tuán)隊(duì)自2010年起開始從事固態(tài)照明技術(shù)和關(guān)鍵核心發(fā)光材料的研究，聯(lián)合研發(fā)的白光LED產(chǎn)品已應(yīng)用于高清電視背光源、高速交通、國(guó)家重大會(huì)展、醫(yī)院等多個(gè)社發(fā)和民生工程領(lǐng)域，成果獲6項(xiàng)省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

研究團(tuán)隊(duì)于2015年起圍繞激光照明與顯示及發(fā)光材料開展了應(yīng)用基礎(chǔ)研究，以熒光玻璃、熒光薄膜及熒光陶瓷材料為研究對(duì)象，通過深入研究其發(fā)光飽和機(jī)理，并結(jié)合材料的光譜設(shè)計(jì)、顯色調(diào)控、光效提升和散熱優(yōu)化等方法，開發(fā)了系列高性能熒光轉(zhuǎn)換材料，結(jié)合光學(xué)設(shè)計(jì)、封裝技術(shù)和光學(xué)鍍膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)激光光源器件。

近日，王樂教授團(tuán)隊(duì)在《 發(fā)光學(xué)報(bào)》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊）上發(fā)表了題為“ 激光照明應(yīng)用釔鋁石榴石熒光玻璃顯色性能優(yōu)化”和“ 激光照明用La?Si?N??:Ce⊃3;?熒光玻璃薄膜的合成及其性能調(diào)控”的研究論文。

上述工作面向大功率、高亮度激光照明技術(shù)的應(yīng)用需求，詳細(xì)研究了熒光玻璃及熒光薄膜材料的合成工藝，并探討了如何實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)釔鋁石榴石結(jié)構(gòu)熒光材料顯色性能的提升及高可靠性氮化物熒光材料發(fā)光性能的調(diào)控。

為使廣大發(fā)光同仁了解該課題組近年來在這一領(lǐng)域開展的相關(guān)工作，課題組應(yīng)編者邀請(qǐng)撰寫了本篇報(bào)道。

在熒光玻璃材料的研究方面，針對(duì)Y?Al?O??:Ce⊃3;?（YAG:Ce⊃3;?）熒光材料光譜中紅綠光成分缺少的問題，研究團(tuán)隊(duì)選用綠色發(fā)光Y?(Ga,Al)?O??:Ce⊃3;?（YAGG:Ce⊃3;?）和橙色發(fā)光(Y,Gd)?Al?O??:Ce⊃3;?（GdYAG:Ce⊃3;?）熒光材料，制備了兼具高光效和高顯色性能的 YAGG:Ce⊃3;?/GdYAG:Ce⊃3;?復(fù)合熒光玻璃，在藍(lán)色激光激發(fā)下其顯色指數(shù)（Ra）達(dá)到79.7（相比YAG:Ce⊃3;?熒光玻璃提升了13.7%左右）（圖1），發(fā)光效率為163.14 lm/W。（相關(guān)結(jié)果發(fā)表于《發(fā)光學(xué)報(bào)》，2021, 42(10):1619-1626）

圖1：YAGG:Ce⊃3;?/GdYAG:Ce⊃3;?復(fù)合熒光玻璃的（a）微觀結(jié)構(gòu)及（b）與藍(lán)色激光組合的發(fā)射光譜在熒光薄膜材料的研究方面，研究團(tuán)隊(duì)選擇性能優(yōu)異的黃色發(fā)光La?Si?N??:Ce⊃3;?（LSN:Ce⊃3;?）氮化物作為熒光材料，在鍍有光學(xué)薄膜（藍(lán)光可透過）的高導(dǎo)熱率藍(lán)寶石基板上制備了LSN:Ce⊃3;?熒光薄膜（圖2），使其可承受12.73 W/mm⊃2;藍(lán)色激光的激發(fā)，并達(dá)到157.6 lm/W的發(fā)光效率，滿足了高功率激光照明的應(yīng)用要求。（相關(guān)結(jié)果發(fā)表于《發(fā)光學(xué)報(bào)》，2021, 42(10):1482-1492.）

圖2：La?Si?N??:Ce⊃3;?（LSN:Ce⊃3;?）氮化物熒光薄膜的（a）微觀結(jié)構(gòu)及（b）與藍(lán)色激光組合的發(fā)射光譜此外，為了滿足寬色域激光顯示對(duì)熒光轉(zhuǎn)換材料的應(yīng)用需求，本研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控和優(yōu)化β-Sialon:Eu⊃2;?綠色和β-Sialon:Eu⊃2;?紅色熒光薄膜的發(fā)光性能及空間結(jié)構(gòu)，可控制備了β-Sialon:Eu⊃2;?/Calson:Ce⊃3;?雙層空間結(jié)構(gòu)的復(fù)合熒光薄膜，實(shí)現(xiàn)了107% NTSC和74.44 lm/W的寬色域激光顯示光源，并在激光微投產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了初步應(yīng)用（圖3）。（相關(guān)結(jié)果發(fā)表于J. Mater. Chem. C，2020, 8: 1746-1754.）

圖3：β-Sialon:Eu⊃2;?/Calson:Ce⊃3;?雙層空間結(jié)構(gòu)復(fù)合熒光薄膜的發(fā)光特性及其在激光微投產(chǎn)品中的應(yīng)用在熒光陶瓷的研究方面，本研究團(tuán)隊(duì)和廈門大學(xué)解榮軍教授課題組合作，通過調(diào)控釔鋁石榴石結(jié)構(gòu)熒光陶瓷的發(fā)光中心濃度、化學(xué)組成及陶瓷厚度，系統(tǒng)研究了熒光陶瓷材料在大功率密度激發(fā)下的發(fā)光飽和機(jī)理，制備了高亮度黃色發(fā)光YAG:Ce⊃3;?（2347.9 lm）和綠色發(fā)光LuAG:Ce⊃3;?（3967.3 lm）熒光陶瓷。

此外， 為解決熒光陶瓷因缺乏散射中心而引起的光提取效率低和發(fā)光不均勻等問題，通過在熒光陶瓷結(jié)構(gòu)中引入適量均勻分散的微氣孔作為散射中心，實(shí)現(xiàn)了 釔鋁石榴石結(jié)構(gòu)熒光陶瓷的超高亮度、均勻發(fā)光（7199 lm）。相關(guān)熒光陶瓷材料已用于合作公司開發(fā)的激光汽車大燈等產(chǎn)品（圖4）。（相關(guān)結(jié)果發(fā)表于J. Mater. Chem. C, 2019, 7: 11449-11456；Laser Photonics Rev., 2019, 13, 1900147）

圖4：釔鋁石榴石結(jié)構(gòu)熒光陶瓷性能調(diào)控及其在激光汽車大燈產(chǎn)品中的應(yīng)用在激光照明及顯示領(lǐng)域，傳統(tǒng)釔鋁石榴石結(jié)構(gòu)熒光材料雖然具有高光效和高發(fā)光飽和閾值的優(yōu)勢(shì)，但由于其無法實(shí)現(xiàn)紅色發(fā)光，導(dǎo)致目前高功率激光照明及顯示光源明顯存在顯色指數(shù)或色域偏低的問題。而可實(shí)現(xiàn)紅色發(fā)光的Eu⊃2;?摻雜氮化物等熒光材料，在高功率密度激光激發(fā)下又會(huì)產(chǎn)生較為顯著的發(fā)光飽和，使其無法應(yīng)用于激光照明及顯示技術(shù)。因此，研制高光效、高發(fā)光飽和閾值的紅色熒光材料是今后的重要研究課題，對(duì)于開發(fā)高性能激光照明及顯示光源十分關(guān)鍵。