激光照明作為新一代的大功率、高亮度照明技術，在汽車大燈、航空航海照明、軍用手電、激光影院以及激光電視等領域具有廣泛的應用前景。在激光照明技術中，熒光材料起到光色轉換的重要作用，決定器件的發光效率、發光強度、顯色性及壽命等關鍵性能參數。傳統的固態照明封裝材料（如有機樹脂等）不但散熱性能差，而且在長時間、高功率激光照射下會出現碳化和燒蝕等損傷現象，影響熒光材料的發光性能，從而最終導致整個光源器件的失效。為了獲得更高光效和可靠性的激光照明器件，熒光轉換材料須具有優異的散熱性能及熱穩定性。因此，研制耐高功率密度激發的高可靠性熒光轉換材料成為激光照明技術（包括激光顯示）進一步發展的關鍵。中國計量大學光學與電子科技學院王樂教授團隊自2010年起開始從事固態照明技術和關鍵核心發光材料的研究，聯合研發的白光LED產品已應用于高清電視背光源、高速交通、國家重大會展、醫院等多個社發和民生工程領域，成果獲6項省部級科技進步獎。研究團隊于2015年起圍繞激光照明與顯示及發光材料開展了應用基礎研究，以熒光玻璃、熒光薄膜及熒光陶瓷材料為研究對象，通過深入研究其發光飽和機理，并結合材料的光譜設計、顯色調控、光效提升和散熱優化等方法，開發了系列高性能熒光轉換材料，結合光學設計、封裝技術和光學鍍膜技術實現了高品質激光光源器件。
近日，王樂教授團隊在《發光學報》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊）上發表了題為“激光照明應用釔鋁石榴石熒光玻璃顯色性能優化”和“激光照明用La?Si?N??:Ce3?熒光玻璃薄膜的合成及其性能調控”的研究論文。上述工作面向大功率、高亮度激光照明技術的應用需求，詳細研究了熒光玻璃及熒光薄膜材料的合成工藝，并探討了如何實現傳統釔鋁石榴石結構熒光材料顯色性能的提升及高可靠性氮化物熒光材料發光性能的調控。為使廣大發光同仁了解該課題組近年來在這一領域開展的相關工作，課題組應編者邀請撰寫了本篇報道。在熒光玻璃材料的研究方面，針對Y?Al?O??:Ce3?（YAG:Ce3?）熒光材料光譜中紅綠光成分缺少的問題，研究團隊選用綠色發光Y?(Ga,Al)?O??:Ce3?（YAGG:Ce3?）和橙色發光(Y,Gd)?Al?O??:Ce3?（GdYAG:Ce3?）熒光材料，制備了兼具高光效和高顯色性能的YAGG:Ce3?/GdYAG:Ce3?復合熒光玻璃，在藍色激光激發下其顯色指數（Ra）達到79.7（相比YAG:Ce3?熒光玻璃提升了13.7%左右）（圖1），發光效率為163.14 lm/W。（相關結果發表于《發光學報》，2021, 42(10):1619-1626）
圖1：YAGG:Ce3?/GdYAG:Ce3?復合熒光玻璃的（a）微觀結構及（b）與藍色激光組合的發射光譜
在熒光薄膜材料的研究方面，研究團隊選擇性能優異的黃色發光La?Si?N??:Ce3?（LSN:Ce3?）氮化物作為熒光材料，在鍍有光學薄膜（藍光可透過）的高導熱率藍寶石基板上制備了LSN:Ce3?熒光薄膜（圖2），使其可承受12.73 W/mm2藍色激光的激發，并達到157.6 lm/W的發光效率，滿足了高功率激光照明的應用要求。（相關結果發表于《發光學報》，2021, 42(10):1482-1492.）
圖2：La?Si?N??:Ce3?（LSN:Ce3?）氮化物熒光薄膜的（a）微觀結構及（b）與藍色激光組合的發射光譜
此外，為了滿足寬色域激光顯示對熒光轉換材料的應用需求，本研究團隊通過調控和優化β-Sialon:Eu2?綠色和Calson:Ce3?紅色熒光薄膜的發光性能及空間結構，可控制備了β-Sialon:Eu2?/Calson:Ce3?雙層空間結構的復合熒光薄膜，實現了107% NTSC和74.44 lm/W的寬色域激光顯示光源，并在激光微投產品中實現了初步應用（圖3）。（相關結果發表于J. Mater. Chem. C，2020, 8: 1746-1754.）
圖3：β-Sialon:Eu2?/Calson:Ce3?雙層空間結構復合熒光薄膜的發光特性及其在激光微投產品中的應用
在熒光陶瓷的研究方面，本研究團隊和廈門大學解榮軍教授課題組合作，通過調控釔鋁石榴石結構熒光陶瓷的發光中心濃度、化學組成及陶瓷厚度，系統研究了熒光陶瓷材料在大功率密度激發下的發光飽和機理，制備了高亮度黃色發光YAG:Ce3?（2347.9 lm）和綠色發光LuAG:Ce3?（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光不均勻等問題，通過在熒光陶瓷結構中引入適量均勻分散的微氣孔作為散射中心，實現了釔鋁石榴石結構熒光陶瓷的超高亮度、均勻發光（7199 lm）。相關熒光陶瓷材料已用于合作公司開發的激光汽車大燈等產品（圖4）。（相關結果發表于J. Mater. Chem. C, 2019, 7: 11449-11456；Laser Photonics Rev., 2019, 13, 1900147）
圖4：釔鋁石榴石結構熒光陶瓷性能調控及其在激光汽車大燈產品中的應用
在激光照明及顯示領域，傳統釔鋁石榴石結構熒光材料雖然具有高光效和高發光飽和閾值的優勢，但由于其無法實現紅色發光，導致目前高功率激光照明及顯示光源明顯存在顯色指數或色域偏低的問題。而可實現紅色發光的Eu2?摻雜氮化物等熒光材料，在高功率密度激光激發下又會產生較為顯著的發光飽和，使其無法應用于激光照明及顯示技術。因此，研制高光效、高發光飽和閾值的紅色熒光材料是今后的重要研究課題，對于開發高性能激光照明及顯示光源十分關鍵。論文信息：黃敏航, 邾強強, 孟遙, 等. 激光照明用La?Si?N??∶Ce3?熒光玻璃薄膜合成及其性能調控[J]. 發光學報, 2021, 42(10):1482-1492. DOI：10.37188/CJL.20210076http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210076孟遙, 邾強強, 黃敏航, 等. 激光照明應用釔鋁石榴石熒光玻璃顯色性能優化[J]. 發光學報, 2021, 42(10):1619-1626. DOI：10.37188/CJL.20210166http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDeta
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