近日，廈門大學材料學院解榮軍教授帶領的光電功能材料與器件課題組在《發光學報》發表了題為“光斑調控對激光熒光材料性能評價的影響”的論文。
該工作以Y?Al?O??:Ce3?-Al?O?（YAG:Ce-Al?O?）熒光薄膜為例，通過對藍光激光激發熒光薄膜的光斑尺寸的調控，系統研究了激光熒光材料的最大輸出光通量、發光飽和閾值、色溫、色坐標、光均勻性等光學性能隨光斑面積的變化情況，揭示了光斑大小對最大輸出光通量、發光飽和閾值以及光均勻性的顯著影響，對規范激光熒光材料的性能評價提供了指導性思路。
為使廣大同仁深入了解該篇論文的研究內容，文章作者應編者邀請撰寫了本篇報道。
新一代激光照明技術的崛起
激光光源相對于LED光源具有發光面積小、功率密度高、光束發散角小且不存在“效率滾降”等優點，是實現高亮度照明與顯示的理想激發光源。基于藍光激光激發熒光材料的光轉換技術可以獲得亮度高、準直性好、光衰低的白光光源，在高亮度照明（如汽車大燈、探照燈、搜索燈）和超大型顯示（如巨幕電影、大尺寸電視和投影儀、大型拼接墻）等應用領域具有巨大的應用價值。
圖1：透射模式下激光驅動熒光微晶玻璃薄膜（原位燒結在鍍有光子晶體的藍寶石基板上）獲得白光光源（圖源：ACS Appl Mater Inter, 2018, 10, 14930）
實現激光照明技術的關鍵在于研制耐高功率密度激光激發且光學性能優異的熒光材料，即激光熒光材料。近年來，廈門大學解榮軍教授帶領的科研團隊率先開展相關研究，自主搭建了完善的測試平臺。
在材料體系方面，廈大團隊將材料體系從石榴石結構的氧化物體系拓展至氮化物體系（如CaAlSiN?:Eu，La?Si?N??:Ce，HP-CaSiN?:Ce等），使發光顏色從綠色、黃色向橙色和紅色發展，首次成功制備了致密的氮化物紅色熒光陶瓷，為提高器件的色彩飽和度提供了關鍵材料；在性能調控方面，廈大團隊首次提出微區熱場和光場調控，制備了微孔熒光陶瓷，抑制了光斑面積的擴大，提高了光源中心亮度，改善了光色均勻性；在產業化應用方面，廈大團隊自2017年開始陸續與激光照明與顯示企業開展合作，與超視界激光科技（蘇州）有限公司合作開發激光大燈和航空搜索燈，光通量分別為3 300 lm和20 000 lm。
盡管近年來領域內掀起了激光熒光材料的研究熱潮，但是激光熒光材料的應用評價并沒有突破現有LED熒光材料的框架，相關評價標準和規范尚未建立，導致材料的性能評價不盡合理。本研究以光斑面積為例，展示其大小會顯著影響光通量、光斑亮度、發光飽和閾值等參數的測量值，以引起領域內研究人員對相關問題的思考。
光斑調控如何影響激光熒光材料的性能評價
光斑面積對正確評價激光熒光材料的光學性能具有十分重要的影響。近日，來自廈門大學的研究團隊以熒光微晶玻璃薄膜（簡稱熒光薄膜）為例，通過調控藍光激光激發熒光薄膜的光斑面積，系統研究了激光熒光材料的最大輸出光通量、發光飽和閾值、色溫、色坐標、光均勻性等光學性能隨光斑面積的變化情況，揭示了光斑面積對最大輸出光通量、發光飽和閾值以及光均勻性的顯著影響，為規范激光熒光材料的性能評價提供了指導性思路。
在激光測試裝置中（圖2），利用透鏡元件對光路進行調控和聚焦。評價熒光材料在激光激發下的光學性能時，應將其放置在入射激光光斑面積最小處，即透鏡焦點處。為了研究光斑面積對熒光材料輸出光學性能的影響，對熒光薄膜距透鏡焦點的距離進行調控。
圖2：透射式激光測試裝置
將熒光薄膜分別置于透鏡焦點處、距透鏡焦點0.2 mm和 0.4 mm處，相對應的光斑面積分別為0.5 mm2、1.11 mm2和2.99 mm2。
結果表明，當光斑面積從0.5 mm2增大到2.99 mm2，最大光通量從926 lm增大到1 655 lm，發光飽和閾值從14 W/mm2增大到24 W/mm2（圖3）。
圖3：熒光薄膜位于離透鏡焦點不同距離時的性能評價：(a)光通量；(b)亮度曲線；(c)色溫；(d)照度。
同時，光源亮度從0.14 Mcd/m2減小到0.045 Mcd/m2，不同角度的色溫標準偏差相對值σ從1增加到1.91。
由此可知，光斑面積對激光熒光材料的光學性能評價有顯著影響。光斑面積增大，輸出光通量和飽和閾值高于實際值，但光源中心亮度降低，色溫均勻性變差。從獲得高亮度光源的初衷出發，應確保熒光材料位于光斑面積最小處。光斑調控是激光熒光材料性能評價的關鍵環節，也是獲得高亮度光源的核心所在。
本研究展示了光斑面積對激光熒光材料各項參數評價的重要影響。鑒于此，研究者應對光斑調控以及光斑面積進行詳細說明，否則將造成激光熒光材料的光學參數值無法比較。激光照明領域的光學性能評價對于激光照明技術的發展起著至關重要的作用，相關評價標準的建立也勢在必行。
論文信息：
黑玲麗, 李淑星, 程璇, 解榮軍. 光斑調控對激光熒光材料性能評價的影響 [J]. 發光學報, 2021，42（10）:1646-1652. DOI：10. 37188/CJL. 20210132.
http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210132
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