王元生、林航：高品质激光照明用图案化荧光微晶玻璃复合材料研究取得进展

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InGaN基发光二极管（LED）芯片存在“效率骤降”问题，很难基于单个LED芯片实现高功率、高亮度白光照明。为解决这一难题，激光照明技术应运而生。激光二极管（LD）具有无“效率骤降”、高亮度、低光学扩展量等优点，在能量密度、能效、出光方向性等方面远优于LED。然而，荧光材料接受高功率激光辐照时，受制于高光子通量下光转换的能量损耗，会产生大量热量，对其稳定性和导/散热性提出了极高要求。传统的硅胶封装荧光粉技术在激光辐照下会发生严重的碳化而无法适用，发展全无机荧光转换材料是必然选择。荧光微晶玻璃（phosphor-in-glass，PiG）具有制备成本低、成分设计灵活、通过混合多相荧光粉可控制色度等诸多优势，近年来受到了学术界和工业界极大关注。特别是，将微晶玻璃以薄膜（PiG film，PiGF）形式共烧于高热导率基板（例如蓝宝石或AlN）上形成一体化复合材料，在继承了PiG块材各项优点的同时，PiGF-高导热基板复合体的热导率可以提高到与高质量陶瓷相媲美的水平，从而提高发光饱和阈值；得益于此，可以构建高亮度PiGF基激光驱动光源，显示出巨大的应用前景。

图、（a）CASN:EuPiGF-LuAG:CePiGF-on-sapphire“荧光轮”照片（直径为40 mm，具有不同的图案化结构）；（b）“图案化荧光粉”结构与传统“混合荧光粉”结构之间的归一化发光光谱比较；（c）1W/mm2蓝光激光驱动下三种不同图案化结构样品的发光光谱（色块分别以45°、90°和180°三个间隔角分开）；插图显示了具有90°间隔角样品空间角度相关的颜色分布。

        近日，在国家基金委海峡基金重点项目、国家基金面上项目以及福建省科技项目等支持下，中科院福建物构所王元生和林航研究员带领的团队聚焦于该类复合材料，基于合理的材料/几何构型设计与低温共烧路线制备，获得新型图案化结构微晶玻璃一体化复合材料：CaAlSiN3:Eu2+PiGF-Lu3Al5O12:Ce3+PiGF-高导热蓝宝石基板；进而，通过构建“荧光轮”，在高功率蓝光激光激发下实现了较好的光色性能输出。研究激光-微晶相互作用的结果表明，Lu3Al5O12:Ce3+的发光饱和行为几乎由热猝灭机制决定，而CaAlSiN3:Eu2+的发光饱和行为受热猝灭与强度猝灭机制共同影响。高导热蓝宝石基板“热沉”的散热作用和脉冲旋转激发模式，大大减轻了荧光体热负荷，有效延缓了发光饱和的发生。系统性实验结合理论计算证明，发生在传统“混合型荧光粉”结构中的光子重吸收问题，在“荧光粉图案化”结构设计下得到了很好的解决，一定程度上调和了“光度-色度矛盾”，且不会引起空间颜色分布不均。此外，建立了一个通用的光谱计算模型来预测PiG体系中受光子重吸收效应影响的发光行为。基于Lu3Al5O12:Ce3+PiGF的激光驱动绿色光源可实现2970 lm@21W/mm2的高亮度，基于图案化CaAlSiN3:Eu2+PiGF-Lu3Al5O12:Ce3+PiGF构建白光光源可同时实现光通量高于1000 lm和显色指数大于80的光色输出。
        该成果以“Towards High-Quality Laser-Driven Lightings:Chromaticity-Tunable Phosphor-in-Glass Film with “Phosphor Pattern” Design”为题，发表于国际光学高端刊物《Laser & Photonics Reviews》（Laser & Photonics Reviews, 2022, DOI: 10.1002/lpor.202200040。论文第一作者是福建师范大学联培生黄秋桂和隋萍。
         此前，该团队在高功率密度荧光微晶玻璃材料及白光固态光源研究方面取得了一系列重要进展，相关成果相继发表在Laser Photon. Rev. 2021,15, 2100044; Laser Photon.Rev. 2021,15,2100317; Laser Photon.Rev. 2014, 8, 158;ACS Appl. Mater.Interfaces 2014, 6, 22905; ACS Appl. Mater.Interfaces2014, 6, 21264; ACS Appl. Mater.Interfaces2015, 7, 21835; Chem. Mater. 2016, 28, 3515; LaserPhoton.Rev. 2017,11,1700148；并撰写综述论文（Laser Photon. Rev. 2018, 12, 1700344），受到了国内外同行的广泛关注。
        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200040


          文章来源：中国科学院附件物构所
      
       王元生,研究员, 博士生导师，所学术/学位委员会成员。1982年7月中国科技大学物理系学士；1985年9月中科院固体物理研究所硕士；1989年3月中国科技大学理学博士；1990年9月-1992 年2月，法国国家科研中心热力学与冶金物理化学实验室博士后。承担了国家基金项目、中英新能源合作项目、国家科技攻关项目、中科院方向性项目、福建省科技重大专项等一批重点研究课题，已培养博士、硕士研究生二十余名，毕业研究生大多数获资助前往国外继续深造，或进入国内科研机构和高技术企业工作。近年来，在JACS、ACS Nano、Nano Energy、APL、Acta Mater、ChemComm、JMC和Opt. Lett等国外著名刊物发表SCI论文100多篇，被他引约2000次；获发明专利授权4项。有3项工作连续入选2007、2008和2009年中国光学重要成果。
        林航，博士，中国科学院福建物质结构研究所研究员。2005年7月和2008年3月在福州大学材料科学与工程学院分别获得学士和硕士学位，2011年6月在中科院福建物质结构研究所获得工学博士学位。目前主要从事光频转换功能玻璃陶瓷的研究，作为负责人主持国家自然科学青年基金项目、福建省面上项目和中科院光电材料化学与物理重点实验室开放项目，并作为主要成员参加过多项国家和省部级相关研究课题。迄今，作为第一作者或通讯作者已在Appl. Phys. Lett., Opt. Lett., ACS Appl. Mater. Interfaces, Inorg. Chem., J. Mater. Chem. C, J. Am. Ceram. Soc. 等国外SCI刊物发表文章十余篇，H因子14。成为Opt. Mater. Express, Chem. Eng. J., J. Lumin.等多个期刊审稿人。