白光激光照明對(duì)熒光材料的要求

朱 寧

(上海航空電器有限公司，上海 201101)

引言

固態(tài)照明光源具有環(huán)保、光效高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色光源，大力發(fā)展固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)已成為世界各國(guó)的共識(shí)[1，2]。激光二極管(LD)具有亮度高、光電效率高且無(wú)“效率驟降”現(xiàn)象、照射距離遠(yuǎn)、散熱系統(tǒng)更簡(jiǎn)單、尺寸小等特點(diǎn)，適用于高亮度需求的場(chǎng)所應(yīng)用，尤其在高亮、高光效、遠(yuǎn)程照明領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)[3，4]?！八{(lán)光之父”中村修二曾公開(kāi)表示“未來(lái)10年，激光照明將取代LED 照明”[5]。

隨著寶馬i8、奧迪R8 LMX激光車燈等白光激光照明產(chǎn)品相繼問(wèn)世[6，7]，越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)加入到激光照明技術(shù)的研究行列。本文重點(diǎn)分析了激光照明系統(tǒng)進(jìn)入白光照明市場(chǎng)的性能要求，并歸納總結(jié)了白光激光照明對(duì)熒光材料的要求以及發(fā)展前景。

1 白光激光照明對(duì)熒光材料的性能要求

白光激光照明系統(tǒng)主要有兩種結(jié)構(gòu)[8，9]：①LD配合熒光材料出射白光；②多種單色LD混光出射白光。目前市場(chǎng)上主流的白光激光照明系統(tǒng)是借鑒白光LED配光原理，即采用藍(lán)光LD作為激發(fā)光源，使用受藍(lán)光激發(fā)發(fā)射黃色光(或黃色加紅色)的膠合熒光粉或熒光陶瓷出射白光。為充分實(shí)現(xiàn)激光照明高亮、高光效的遠(yuǎn)程照明優(yōu)勢(shì)，白光激光照明系統(tǒng)要優(yōu)先滿足室外照明的一般要求，即出光為白光、高亮高光效、藍(lán)光溢出符合光生物安全性要求、燈具失效時(shí)LD安全可控等。熒光材料是出含熒光材料的白光激光照明系統(tǒng)的核心發(fā)光器件之一，直接決定了白光激光照明的亮度和色坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)等CIE指標(biāo)以及光色穩(wěn)定性。

筆者根據(jù)照明與熒光材料行業(yè)的多年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，歸納總結(jié)出含熒光材料的白光激光照明系統(tǒng)對(duì)熒光材料的性能要求，如圖1所示。對(duì)于白光激光照明系統(tǒng)而言，熒光材料首先要具有較高的量子效率、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等一般要求，同時(shí)要滿足激光照明應(yīng)用的特殊要求，如熒光材料的基材具有較高的熱導(dǎo)率以耐受LD的輻照熱沖擊，熒光材料的光譜特性要與LD光譜適配，白光激光照明用熒光材料在強(qiáng)光輻照下仍能維持較高的發(fā)光效率，以及長(zhǎng)時(shí)間使用下的光色維持率。

圖1 白光激光照明與熒光材料性能指標(biāo)要求Fig.1 The requirements of white laser illumination to phosphor materials

2 白光激光照明對(duì)熒光材料發(fā)光效率的要求

激光照明系統(tǒng)的出光效率包括LD將電能轉(zhuǎn)化為光能的電光轉(zhuǎn)換效率、激光激發(fā)熒光材料產(chǎn)生熒光的光光轉(zhuǎn)換效率和照明系統(tǒng)的光提取效率三部分。本文主要論述從熒光材料的角度推動(dòng)激光照明的高亮高光效性能。

1)熒光材料的光譜特性?，F(xiàn)階段白光激光照明系統(tǒng)的推廣主要集中在有高亮、高光效照明需求的室外場(chǎng)合，對(duì)白光的演色指數(shù)要求不高，常采用藍(lán)光與黃光復(fù)合出射白光的配色原理。白光激光照明用熒光材料的光譜特性需要滿足市場(chǎng)主流白光要求，如美國(guó)能源之星固體發(fā)光二極管(SSL)白光照明中對(duì)白光的定義；GB 4785—2007《汽車及掛車外部照明和光信號(hào)裝置的安裝規(guī)定》關(guān)于白光的定義；GJB 2020A—2012《飛機(jī)內(nèi)部和外部照明設(shè)備通用規(guī)范》中對(duì)航空白光的定義。這就對(duì)熒光材料的光譜特性提出了特殊要求。

(a)激發(fā)光譜。本文測(cè)試了藍(lán)光LD與藍(lán)光LED芯片的發(fā)光光譜，如圖2所示。市場(chǎng)上常見(jiàn)藍(lán)光LD發(fā)射光譜的峰值波長(zhǎng)為450 nm附近，譜寬只有5～10 nm，而藍(lán)光LED光譜的峰值波長(zhǎng)在470 nm附近，譜寬約100 nm。這意味著白光激光照明用熒光材料的激發(fā)光譜的強(qiáng)激發(fā)區(qū)域需要位于LD的峰值波長(zhǎng)450 nm附近，以提高熒光材料對(duì)藍(lán)光的吸收率。考慮到目前比較成熟的商用大功率藍(lán)光LD波長(zhǎng)為445 nm和455 nm兩種型號(hào)，因此白光激光照明用熒光材料的激發(fā)光譜峰位可為445 nm或455 nm。

圖2 藍(lán)光LD和LED的光譜Fig.2 Emission spectra of blue LD and LED

(b)發(fā)射光譜。白光激光照明用的黃色熒光材料的發(fā)射光譜，不僅要滿足與LD藍(lán)光復(fù)配出射白光的要求，而且要具有較高的亮度，即寬譜發(fā)射且發(fā)射光譜波段與人眼明視覺(jué)敏感度的匹配程度高。根據(jù)CIE 1931白光配色原理，黃色熒光材料發(fā)射光譜的主波長(zhǎng)λd為560～590 nm即可實(shí)現(xiàn)與450 nm的LD藍(lán)光復(fù)配出射白光，發(fā)射光譜的峰值波長(zhǎng)λp盡量靠近555 nm以提高人眼明視覺(jué)波段的匹配度。此外，激光照明用熒光材料的發(fā)射光譜不能有紅外等其他非可見(jiàn)光譜線，以免降低藍(lán)光的有效利用率甚至增加激光照明系統(tǒng)的散熱負(fù)荷。

圖3 人眼視覺(jué)敏感函數(shù)曲線Fig.3 Sensitivity characteristics of human vision system

2)熒光材料的發(fā)光效率。

(a)光光轉(zhuǎn)換效率。熒光材料的光光轉(zhuǎn)換效率直接決定著白光激光照明系統(tǒng)的亮度和照射距離[10]?，F(xiàn)階段用1 W藍(lán)光激發(fā)熒光材料，商用白光LED的轉(zhuǎn)換效率僅為170 lm/W，基于美國(guó)某型號(hào)熒光陶瓷的白光激光照明轉(zhuǎn)換效率已達(dá)270 lm/W，但還需進(jìn)一步提升熒光材料的轉(zhuǎn)換效率，以滿足高功率白光激光照明的應(yīng)用需求。熒光材料的光光轉(zhuǎn)換效率主要從以下幾方面來(lái)提升：選擇具有較高量子效率、寬譜發(fā)射的熒光材料體系；微調(diào)熒光材料配方以提升激發(fā)光譜和發(fā)射光譜與激光二極管光譜的適配性；優(yōu)化摻雜濃度和制備工藝參數(shù)，控制微觀結(jié)構(gòu)缺陷，提升熒光材料發(fā)光效率。

(b)藍(lán)光輻照淬滅。目前白光LED光源的熒光材料經(jīng)受的藍(lán)光輻照光功率密度大部分在1 W/mm2以下，最大不超過(guò)5 W/mm2。而白光激光照明系統(tǒng)常采用多顆LD共同匯聚成一個(gè)光斑，藍(lán)光輻照功率密度大于5 W/mm2甚至100 W/mm2。在已商用的奧迪R8 LMX和寶馬i8、7系等車型的激光遠(yuǎn)光燈上，激光光源的光功率密度至少達(dá)到了其他光源的5倍，據(jù)預(yù)測(cè)在2020年這一數(shù)字有望達(dá)到10倍[11，12]。

隨著藍(lán)光輻照功率增加，受激熒光材料的熒光強(qiáng)度上升，光光轉(zhuǎn)換效率逐漸下降。當(dāng)?shù)竭_(dá)某個(gè)臨界藍(lán)光輻照功率密度時(shí)，熒光材料的熒光強(qiáng)度和轉(zhuǎn)換效率急劇下降發(fā)生輻照淬滅。目前市場(chǎng)上LG開(kāi)發(fā)的熒光陶瓷可承受15 W/mm2的藍(lán)光輻照而不發(fā)生輻照淬滅[13]。未來(lái)白光激光照明需要更高的藍(lán)光輻照淬滅功率，以提升高功率白光激光照明系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和簡(jiǎn)化光機(jī)結(jié)構(gòu)。

(c)高溫?zé)晒庑?。高功率密度的藍(lán)光輻照在熒光材料表面，會(huì)引起高達(dá)幾百攝氏度的急劇溫升，過(guò)高的工作溫度會(huì)降低熒光效率[14]。這對(duì)熒光材料的高溫?zé)晒馓匦蕴岢隽诵乱螅紫纫_保高溫下的熒光強(qiáng)度與常溫相當(dāng)，其次要確保高溫?zé)晒獾腃IE光色指標(biāo)與常溫狀態(tài)一致。為提升高溫下的熒光效率和光色穩(wěn)定性，需要從以下幾方面針對(duì)現(xiàn)有熒光材料體系進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整優(yōu)化：選擇具有較高熱導(dǎo)率、晶格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的熒光材料種類；選擇合適的物質(zhì)形態(tài)，如陶瓷材料的散熱優(yōu)于粉加膠封裝方式；必要時(shí)輔以固化晶格結(jié)構(gòu)的摻雜元素，以及引入高熱導(dǎo)率第二相物質(zhì)，以提升熒光材料的綜合熱導(dǎo)率[13]。

3)熒光材料的光提取率。照明系統(tǒng)的發(fā)光器件不僅要具備較高的發(fā)光效率，同時(shí)要具有較高的光提取率。即熒光材料既要發(fā)出較多的光子，又要使這些光子盡可能多的出射至既定區(qū)域成為照明系統(tǒng)有效利用的光子。這需要對(duì)熒光材料的透明度、氣孔率、表面結(jié)構(gòu)等光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化[15]，以滿足各種型號(hào)的白光激光照明系統(tǒng)使用要求，提高白光激光照明系統(tǒng)的出光效率和均勻性。

3 白光激光照明對(duì)熒光材料壽命和可靠性的要求

白光激光照明特別適用于高亮高光效等特種照明場(chǎng)合，除了要具備通用白光照明的亮度、光通維持率等要求，還要考慮汽車遠(yuǎn)光燈等特種照明對(duì)抗震、抗熱沖擊等機(jī)械性能的特殊要求。因此，高功率激光照明用熒光材料還要具備優(yōu)異的抗震、抗熱沖擊性能，在選材時(shí)兼顧熒光材料的強(qiáng)度、韌性、熱導(dǎo)率等物理性能，選擇合適的固態(tài)形式和有利于抗熱沖性能的制備工藝和結(jié)構(gòu)等，譬如在強(qiáng)藍(lán)光輻照下陶瓷材料的使用壽命優(yōu)于粉加膠的封裝方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

白光激光照明被譽(yù)為新一代照明技術(shù)，熒光材料作為核心發(fā)光器件直接決定著以“高亮、高光效”著稱的激光照明系統(tǒng)的亮度和照射距離。需要針對(duì)現(xiàn)有熒光材料的光譜特性、高功率藍(lán)光輻照和高溫下的發(fā)光效率、以及陶瓷透明度等進(jìn)行激光適配與提升，以滿足白光激光照明的使用要求。

鑒于大功率LED照明對(duì)熒光材料的散熱能力和高溫?zé)晒庑侍岢隽烁咭螅陙?lái)單晶、透明陶瓷等這些導(dǎo)熱性能優(yōu)異的熒光材料得到了迅速發(fā)展，這為白光激光照明用熒光材料的開(kāi)發(fā)打下了良好基礎(chǔ)。目前，熒光粉加樹(shù)脂硅膠的傳統(tǒng)封裝方式因熱導(dǎo)率低僅適用于低功率白光激光照明；熒光單晶體過(guò)高的透明度降低了光提取率且生產(chǎn)成本較高導(dǎo)致了其在激光照明應(yīng)用的局限性，而熒光陶瓷的摻雜濃度和透明度可調(diào)，具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率且工藝技術(shù)成熟可控，因此陶瓷材料成為中高功率白光激光照明用熒光材料的首選。