激光照明用La3Si6N11∶Ce3+熒光玻璃薄膜合成及其性能調(diào)控

黃敏航， 邾強強， 孟 遙， 胡翔宇， 張 宏， 王 樂

(中國計量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

1 引 言

自從20世紀(jì)90年代發(fā)光二極管(LED)問世以來，白光LED就由于節(jié)能、高效等優(yōu)點取得了巨大的成功[1-2]。然而,藍光LED芯片存在“效率下降”問題，使得其不適合大功率、高亮度的固態(tài)照明應(yīng)用[3-4]。藍色激光二極管(LDs)與藍光LED芯片相比沒有上述問題，它的效率隨著電流密度的增加而線性增加。因此，將藍色LDs與熒光轉(zhuǎn)換材料相結(jié)合，即激光照明技術(shù)，成為獲得大功率、高亮度白光照明器件的有效途徑[5-8]。

由于高能量激光激發(fā)時會產(chǎn)生強烈的熱效應(yīng)，為了保證激光照明器件在工作時具有良好的發(fā)光性能及長時間發(fā)光穩(wěn)定性，需要激光照明應(yīng)用熒光轉(zhuǎn)換材料具有優(yōu)異的散熱性能及高溫發(fā)光穩(wěn)定性。而傳統(tǒng)的固態(tài)照明封裝材料(如有機樹脂等)不但導(dǎo)熱系數(shù)較低，而且在長時間、高功率激發(fā)光照射下也會出現(xiàn)變黃的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整個照明器件性能劣化[9-10]。因此，為了實現(xiàn)激光照明技術(shù)在大功率、高亮度白光照明領(lǐng)域的應(yīng)用，開發(fā)新材料體系熒光轉(zhuǎn)換材料并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)配置成為當(dāng)前研究工作的重點。

當(dāng)前，熒光陶瓷及熒光玻璃材料已經(jīng)在激光照明領(lǐng)域初步展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景[11-13]。其中，熒光陶瓷具有超高的熱導(dǎo)率和良好的光學(xué)性能，但其需要通過高溫?zé)Y(jié)過程(如真空燒結(jié)、SPS燒結(jié))和后續(xù)加工過程(如切割、拋光等)才能獲得，這使得其制造成本過高，目前還難以實現(xiàn)大批量商業(yè)化生產(chǎn)[14]。與熒光陶瓷材料相比，熒光玻璃材料的合成工藝相對更簡單，但由于玻璃基體的導(dǎo)熱性能較差，導(dǎo)致熒光玻璃材料在激光的激發(fā)下發(fā)光效率和發(fā)光飽和閾值都比較低[15]，這一問題也是目前限制熒光玻璃材料在激光照明技術(shù)中應(yīng)用的關(guān)鍵所在。為解決上述問題，研究人員通過將熒光玻璃制備成薄膜并燒結(jié)在高導(dǎo)熱的藍寶石基板上以提高其發(fā)光飽和閾值，并同時在藍寶石基板上鍍上相應(yīng)的光學(xué)薄膜以提高其發(fā)光效率[16-17]。例如，針對當(dāng)前研究最為廣泛的黃色發(fā)光Y3Al5O12∶Ce3+(YAG∶Ce3+)體系熒光材料，鄭等將YAG∶Ce3+的熒光玻璃薄膜燒結(jié)在鍍有減反射膜和藍光透過膜的藍寶石基板上，在功率密度為11.2 W/mm2的藍色激光激發(fā)下，樣品的亮度達到了845 Mcd/m2[18]。然而,YAG∶Ce3+在激光照明領(lǐng)域應(yīng)用時，由于其發(fā)光光譜中缺乏紅光成分，導(dǎo)致其在藍色激光的激發(fā)下表現(xiàn)出較低的顯色性能。例如，魏等為了避免高溫合成過程對藍寶石基板上光學(xué)薄膜的影響，直接將鍍有減反射膜和藍光透過膜的藍寶石基板貼在YAG∶Ce3+熒光玻璃薄膜上進行測試分析，雖然在10.3 W/mm2激光激發(fā)下樣品光通量可以達到1 709 lm，但最后的顯色指數(shù)Ra只能達到65[19]。因此,為滿足高顯色激光照明應(yīng)用對熒光材料的需求，急需尋找其他具有更好顯色性能的熒光材料。La3Si6N11∶Ce3+(LSN∶Ce3+)熒光材料由于其晶體結(jié)構(gòu)的特性，相比于YAG∶Ce3+可以表現(xiàn)出更高的顯色性和熱猝滅性能，同時其也具有優(yōu)異的物理、化學(xué)穩(wěn)定性和高發(fā)光效率，因此在激光照明領(lǐng)域也被廣泛關(guān)注[20-22]。例如，尤等在鍍有光學(xué)薄膜的高導(dǎo)熱藍寶石基板上燒結(jié)了LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜，其達到發(fā)光飽和閾值的激光功率密度為12.91 W/mm2，發(fā)光效率可以達到166.05 lm/W，最終激光照明器件也表現(xiàn)出更高的顯色性，可以達到70[23]。上述研究結(jié)果已初步表明 LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜在激光激發(fā)下可以獲得優(yōu)良的發(fā)光性能，同時也可以有效提高激光照明器件的顯色指數(shù)。值得注意的是，上述研究成果中都使用了鍍光學(xué)薄膜藍寶石來提升熒光玻璃薄膜材料的發(fā)光效率，但有關(guān)藍寶石基板上光學(xué)薄膜對熒光玻璃薄膜發(fā)光性能的具體影響卻沒有詳細(xì)研究。

在本工作中，為了進一步實現(xiàn)LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜在激光照明領(lǐng)域的應(yīng)用，我們首先在藍寶石基板上合成了LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜，并詳細(xì)分析了合成溫度、熒光粉和玻璃粉的比例以及熒光玻璃薄膜厚度對最終樣品發(fā)光性能的影響。在確定LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜的最佳工藝條件后，利用優(yōu)化實驗條件在鍍藍光透過膜藍寶石基板上合成了最終的熒光玻璃薄膜樣品，并詳細(xì)研究了藍光透過膜的存在對熒光材料光通量、發(fā)光效率及發(fā)光飽和閾值的影響。最后獲得的LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品可以承受最大功率密度為12.73 W/mm2藍色激光的激發(fā)，發(fā)光效率可以達到157.6 lm/W，顯色指數(shù)相比YAG∶Ce3+提高了9%左右，可以達到74.9，在高顯色、高功率激光照明領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

2 實 驗

2.1 熒光玻璃薄膜制備

實驗原料：LSN∶Ce3+熒光粉是從北京Grirem公司購買的商用產(chǎn)品；玻璃粉為K2O-Na2O-Al2O3-SiO2商用玻璃粉，玻璃粉軟化溫度點為710 ℃；使用的有機溶劑通過在高溫條件下混合松油醇、2-(2-丁氧乙氧基)乙酸乙酯和乙基纖維素(上海阿拉丁生化股份科技有限公司)獲得。熒光玻璃薄膜制備所使用的藍寶石基板購自水晶光電公司，并鍍有藍光透過膜(Blue-pass，BP)，其中高低折射率材料分別為Ta2O5和SiO2，厚度為～4 μm，藍寶石基板的尺寸為10 mm×10 mm×0.3 mm。

制備方法：熒光玻璃薄膜合成方法如圖1所示。首先將一定比例的LSN∶Ce3+熒光粉與玻璃粉(PtG比為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1)置于瑪瑙研磨缽中研磨攪拌混合，待混合均勻后滴入有機溶劑繼續(xù)研磨獲得具有粘性的混合漿料；將獲得的漿料通過刮刀涂覆的方法均勻刮涂到藍寶石基板未鍍藍光透過膜的一面，刮涂厚度由厚度為55 μm的膠帶來控制；最后將獲得的薄膜連同藍寶石基板一起在恒溫平臺上120 ℃加熱10 min，隨后放入馬弗爐中，在700～850 ℃的溫度下保溫10 min，待自然冷卻后，獲得熒光玻璃薄膜樣品。

圖1 熒光玻璃薄膜制備過程

為了確定熒光玻璃薄膜的最佳合成工藝，本工作首先在未鍍藍光透過膜藍寶石基板上研究了合成溫度、PtG比以及膜層厚度對樣品發(fā)光性能的影響。在確定熒光玻璃薄膜最佳合成工藝后，再利用優(yōu)化實驗條件在鍍藍光透過膜藍寶石基板上合成了最終的熒光玻璃薄膜樣品。

2.2 熒光玻璃薄膜性能測試

采用X射線粉末衍射儀(D2 PHASER XRD)來確定熒光玻璃薄膜中各材料的物相；熒光玻璃薄膜透過率由紫外-可見分光光度計(UV-3600Plus)測量；光致發(fā)光光譜由熒光分光光度計(F4600)測得；用熒光顯微鏡(BX53M，OLYMPUS)來確定熒光玻璃薄膜的微觀結(jié)構(gòu)；熒光玻璃薄膜的量子效率(QE)和激光激發(fā)性能通過一個定制的熒光測試系統(tǒng)來測量。測試系統(tǒng)如圖2所示。測試時，將熒光玻璃薄膜樣品安裝在積分球(美國藍菲光學(xué)，直徑30 cm)的樣品架上，通過一個藍光激光器(波長450 nm，最大功率50 W)對樣品進行激發(fā);使用激光功率計(OPHIR)測量激光功率的數(shù)值，由輸入電流來控制激光功率的大小，樣品上激光的光斑面積為0.785 mm2；熒光玻璃薄膜的發(fā)光信號采用CCD光譜儀(美國海洋光學(xué)HR4000)進行采集分析。

圖2 激光激發(fā)發(fā)光測試系統(tǒng)

3 結(jié)果與討論

3.1 藍寶石基板及原料性能

圖3為原料玻璃粉、熒光粉及藍寶石基板的熒光顯微鏡照片。從圖3(a)中可以看出，本研究中使用的玻璃粉具有良好的顆粒分散性；從圖3(b)中可以看出，使用的LSN∶Ce3+熒光粉顆粒也具有良好的分散性，顆粒大小為10 μm左右，在藍光激發(fā)下表現(xiàn)為黃色發(fā)光。圖3(b)插圖為LSN∶Ce3+熒光粉的熒光光譜，從中可以看到兩個發(fā)射峰，分別在535 nm和580 nm，這是由于Ce3+離子2F5/2和2F7/2兩個能級到5d軌道的躍遷引起的。正是由于LSN∶Ce3+的這一寬光譜特性，在藍光激發(fā)下可以獲得比傳統(tǒng)YAG∶Ce3+熒光粉更好的顯色效果。圖3(c)、(d)為本研究中使用的未鍍藍光透過膜及鍍藍光透過膜藍寶石基板的斷面微觀結(jié)構(gòu)圖，可以看出，藍寶石基板的厚度為～300 μm，藍光透過膜的厚度為～4 μm，藍寶石基板內(nèi)部為致密透明結(jié)構(gòu)。LSN∶Ce3+熒光粉體及玻璃粉良好的微觀形貌有利于熒光相在玻璃基質(zhì)中的均勻分散，而致密透明結(jié)構(gòu)藍寶石基底有利于最終熒光玻璃薄膜散熱性能及發(fā)光性能的提升。

圖3 (a)～(b)玻璃粉與熒光粉的微觀圖像(插圖為LSN∶Ce3+的熒光光譜)；(c)～(d)未鍍藍光透過膜和鍍藍光透過膜的藍寶石基板的斷面微觀結(jié)構(gòu)圖。

3.2 藍寶石基板高溫穩(wěn)定性

本研究中使用的藍寶石基板上鍍有藍光透過膜，因此藍寶石基板及其上面藍光透過膜的熱穩(wěn)定性就成為了影響熒光玻璃薄膜最終發(fā)光性能的重要因素之一。為了確定高溫合成條件對藍光透過膜性能的影響，本工作首先根據(jù)LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜的合成工藝，將藍寶石基板在空氣氣氛條件下分別于600，700，800，900 ℃高溫條件下保溫10 min，研究了不同溫度煅燒處理對鍍膜藍寶石基板透過率及藍光透過光效的影響。

如圖4(a)所示，未鍍藍光透過膜的藍寶石基板在可見光波段都表現(xiàn)出透過特性，最大直線透過率為86%；而鍍有藍光透過膜的藍寶石基板只在藍光波段表現(xiàn)出透過特性，且相比未鍍膜藍寶石基板在藍光波段具有更高的透過率。對鍍膜藍寶石基板進行高溫煅燒處理以后，通過比較不同溫度處理后其直線透過率的變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著煅燒溫度的升高，鍍膜藍寶石基板在藍光波段的透過率具有一定程度的下降，但仍然高于未鍍膜藍寶石樣品的透過率。值得注意的是，在經(jīng)過高溫處理后，鍍膜藍寶石基板的透過率曲線向長波方向有一定的偏移，這主要是由于藍光透過膜的厚度變化所引起的[24-25]。從圖4(b)中可以看出，在藍寶石基板上鍍上藍光透過膜后，藍色激光的透過光通量可以獲得10%的提高，這一特性也有利于最終熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光效率的提升。

圖4 (a)藍寶石基板在不同熱處理溫度后的直線透過率；(b)鍍光學(xué)薄膜前后光通量與藍色激光入射功率的關(guān)系，插圖為藍光透過膜對熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光效果的影響(藍光從左向右)。

上述結(jié)果表明，藍寶石基板上的藍光透過膜在高溫條件下具有非常優(yōu)異的穩(wěn)定性。藍光透過膜的存在一方面會提高藍色激光的透過光通量，另一方面也會由于只透過藍光的特性對熒光玻璃薄膜的發(fā)光形成向前的反射，從而提高最終熒光玻璃薄膜的發(fā)光效率(圖4(c))。

3.3 合成溫度研究

在本研究中，需要通過高溫?zé)Y(jié)過程將LSN∶Ce3+熒光粉分散到玻璃基質(zhì)中并與藍寶石基板進行結(jié)合。根據(jù)已發(fā)表的研究成果[26-27]，熒光玻璃材料的最佳合成溫度一般都在玻璃粉的軟化溫度點之上，因此本工作中為了確定熒光玻璃薄膜的最佳燒結(jié)溫度，通過控制LSN∶Ce3+熒光粉與玻璃粉的比例在1∶1，在玻璃粉軟化溫度附近(700，750，800，850 ℃)合成了一系列厚度為～50 μm的LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品，并對樣品的物相、透過率及發(fā)光效率進行了研究。

圖5(a)為熒光粉、玻璃粉、藍寶石基板和800 ℃下獲得的LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品的XRD圖，從熒光玻璃薄膜樣品的XRD圖中可以清晰看到LSN∶Ce3+熒光相及藍寶石基板結(jié)構(gòu)的存在[28-29]，其中LSN∶Ce3+熒光相與原始熒光粉的XRD保持一致，這表明LSN∶Ce3+熒光粉可以在高溫合成過程中保持穩(wěn)定。圖5(b)為合成溫度對熒光玻璃薄膜樣品透過率的影響，通過圖5(b)可以看出，在合成溫度從750 ℃升高到800 ℃之后，熒光玻璃薄膜樣品的透過率有了顯著的提升，從32%提高到了47%。這是由于合成溫度在750 ℃時樣品還沒有形成致密的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致樣品具有較低的透過率。而在合成溫度達到800 ℃后，進一步升高合成溫度到850 ℃則對樣品的透過率影響不大。除了透過性能，溫度也是影響熒光玻璃薄膜樣品的發(fā)光效率的重要因素，圖5(c)、(d)分別給出了熒光玻璃薄膜樣品在不同燒結(jié)溫度下的歸一化發(fā)光光譜及內(nèi)外量子效率測試結(jié)果。從圖5(c)中可以看出，熒光玻璃薄膜與原始熒光粉體發(fā)光波長保持一致，這進一步表明高溫合成過程并未對LSN∶Ce3+熒光粉的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。從圖5(d)可以看出，對于700 ℃和750 ℃獲得的樣品，由于此時熒光玻璃薄膜還未實現(xiàn)致密化，其中的熒光粉無法被充分激發(fā)，因此表現(xiàn)出較低的量子效率。隨著溫度的升高，熒光玻璃薄膜樣品的發(fā)光效率在800 ℃時達到最高(IQE=61%，EQE=45%)，進一步提高合成溫度則會導(dǎo)致樣品EQE出現(xiàn)微小下降。與原始LSN∶Ce3+熒光粉體相比(IQE=77%，EQE=56%)，高溫合成過程會導(dǎo)致其發(fā)光效率出現(xiàn)一定程度的下降，因此針對熒光玻璃薄膜樣品的合成，需要在保證樣品透過性能的前提下，盡可能降低合成溫度。綜合考慮合成溫度對熒光玻璃薄膜樣品透過率和發(fā)光性能的影響，后續(xù)實驗中選擇800 ℃作為最佳燒結(jié)溫度。

圖5 (a)熒光粉、玻璃粉、藍寶石基板和熒光玻璃薄膜樣品的XRD圖；不同制備溫度下LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜的透過率曲線(b)、光致發(fā)光光譜(c)、內(nèi)量子效率(IQE)和外量子效率(EQE)(d)。

3.4 微觀結(jié)構(gòu)研究

為了研究熒光玻璃薄膜樣品的微觀結(jié)構(gòu)特性，我們對上述800 ℃獲得的熒光玻璃薄膜樣品也進行了熒光顯微結(jié)構(gòu)研究。圖6(a)、(b)為熒光玻璃薄膜樣品的斷面和表面熒光顯微圖像。從圖6(a)中可以看出，藍寶石基板上熒光玻璃薄膜的厚度為～50 μm，與實驗過程中使用的膠帶厚度基本保持一致。同時，熒光玻璃薄膜與藍寶石基板結(jié)合緊密，清晰的界面結(jié)構(gòu)表明在高溫合成條件下熒光玻璃薄膜與藍寶石基板沒有發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。從圖6(b)中可以看出，原始熒光粉體顆粒在玻璃基質(zhì)中保持了完好的形貌，這表明熒光粉體與玻璃基質(zhì)之間也沒有發(fā)生嚴(yán)重反應(yīng)。這一結(jié)果對于保持最終樣品的光學(xué)性能具有重要作用。

圖6 熒光玻璃薄膜樣品的斷面(a)和表面(b)熒光顯微圖像

3.5 PtG比和膜層厚度研究

除了合成溫度以外，熒光粉和玻璃粉的比例(PtG比)以及膜層厚度也是影響最終LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光性能的重要因素。圖7(a)是PtG比(厚度為～50 μm)對熒光玻璃薄膜樣品透過率及IQE的影響。從圖中可以看出，由于熒光相和玻璃相折射率的差別，隨著熒光玻璃薄膜中LSN∶Ce3+熒光相含量的提高，樣品的透過率顯著下降，特別是在PtG比達到2∶1時透過率下降明顯，而樣品的IQE則隨著PtG比的提高有少量提升。圖7(a)中也給出了不同PtG比熒光薄膜樣品的熒光顯微圖，從圖中也可以看出，隨著LSN∶Ce3+熒光相的增加，連續(xù)玻璃相變得越來越難看到，這也是樣品透過率降低的原因。圖7(b)是膜層厚度對熒光玻璃薄膜樣品(PtG比為1∶1)透過率及IQE的影響，可以看出樣品的透過率隨著膜層厚度的增加而不斷下降，而膜層厚度對樣品IQE的影響則較小。通過對圖7(a)、(b)數(shù)據(jù)的分析可知，PtG比為 1∶1、膜層厚度為～50 μm的樣品具有比較好的綜合性能。

圖7 (a)熒光玻璃薄膜樣品的IQE和在550 nm處的透過率隨PtG比的變化(插圖為不同PtG比樣品的熒光顯微圖)；(b)熒光玻璃薄膜樣品的IQE和在550 nm處的透過率隨樣品厚度的變化。

3.6 激光激發(fā)發(fā)光性能

為了進一步確定PtG比及膜層厚度對LSN∶Ce3+熒光薄膜樣品發(fā)光性能的影響，本工作也對樣品在藍色激光激發(fā)下的發(fā)光效率及發(fā)光飽和閾值進行了詳細(xì)研究。圖8為不同PtG比、不同膜層厚度熒光薄膜樣品的激光激發(fā)性能，從圖中可以看出所有樣品的光通量都隨著激光功率的提高不斷增加，在達到一定激光功率下均會出現(xiàn)發(fā)光飽和問題。由于膜層厚度的增加會影響樣品在激光激發(fā)下的散熱性能，因此圖8中LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品的激光飽和閾值會隨著膜層厚度的增加而下降。關(guān)于圖8中熒光玻璃薄膜樣品光通量的變化規(guī)律：從圖7(a)中可以看出，在PtG比值為1∶1和1∶2時，50 μm厚熒光玻璃樣品的透過率在45%以上，由于此時樣品的透過率較高，在一定范圍內(nèi)增加膜層厚度，樣品依然可以保持適當(dāng)?shù)耐高^性能(圖7(b))，樣品的光通量會隨著膜層厚度增加出現(xiàn)少量提升(圖8(a)、(b))；對于PtG比值為2∶1和3∶1的樣品，50 μm厚熒光玻璃樣品的透過率已經(jīng)在30%以下(圖7(a))，由于此時樣品的透過率已經(jīng)很低，提高樣品的膜層厚度會直接導(dǎo)致樣品的光通量下降。通過上述結(jié)果可以看出，在保證熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光性能的前提下，樣品膜層的厚度越小越有利其發(fā)光飽和閾值的提高。為了更清楚地確定PtG比對樣品激光激發(fā)性能的影響，圖9進一步給出了～50 μm膜層厚度下不同PtG比樣品在激光激發(fā)下的光通量、發(fā)光效率以及發(fā)光飽和閾值，從圖中可以看出樣品的光通量以及發(fā)光飽和閾值都會隨著LSN∶Ce3+熒光相的增加而產(chǎn)生一定程度的下降，而樣品的發(fā)光效率在PtG比為1∶1時達到最高。樣品光通量的下降主要是由于樣品透過率隨PtG比增大而降低引起的(圖7(a))，而發(fā)光飽和閾值的下降則是由于LSN∶Ce3+熒光相的增加會影響連續(xù)相玻璃導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成，從而降低了熒光玻璃薄膜膜層的導(dǎo)熱效果[30]。因此，通過圖8和圖9可以進一步確定，在使用未鍍藍光透過膜的藍寶石基板時，LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品在膜層厚度為～50 μm、PtG比為1∶1時具有最佳的發(fā)光性能，其最大光通量可以達到797 lm，發(fā)光效率為79.7 lm/W，發(fā)光飽和閾值可以達到13.37 W/mm2。

圖8 PtG比為1∶2(a)、1∶1(b)、2∶1(c)和3∶1(d)熒光玻璃薄膜樣品在藍色激光激發(fā)下的發(fā)光性能。

圖9 不同PtG比熒光玻璃薄膜樣品的光效、光通量及發(fā)光飽和閾值。

3.7 藍光透過膜對激光激發(fā)性能的影響

為了明確藍光透過膜的存在對LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光性能的提升作用，本工作最后根據(jù)上述優(yōu)化的工藝條件在鍍膜藍寶石基板上合成了最終的熒光玻璃薄膜樣品，并對鍍膜藍寶石和未鍍膜藍寶石熒光玻璃薄膜樣品的發(fā)光性能進行了詳細(xì)的對比研究。圖10(a)、(b)分別為樣品的激光激發(fā)發(fā)光光譜及不同功率激光激發(fā)下的光通量測試結(jié)果。從圖10(a)、(b)中可以看出，由于藍光透過膜可以提高藍光的透過率，同時提高樣品的正向黃光發(fā)射，在激光激發(fā)下，與未鍍藍光透過膜的樣品相比(圖9)，鍍膜樣品的黃光比例有明顯的提升，最大光通量和發(fā)光效率提高了接近1倍，分別達到了1 497 lm和 157.6 lm/W。而針對發(fā)光飽和閾值，鍍膜樣品可以達到12.73 W/mm2，與未鍍膜樣品(13.37 W/mm2)基本保持一致。以上結(jié)果表明藍光透過膜的存在對熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光性能具有明顯的提升作用，同時也不會對樣品的激光飽和閾值產(chǎn)生很大的影響。圖10(a)中也給出了鍍膜前后熒光薄膜樣品在激光激發(fā)下的發(fā)光圖、顯色指數(shù)Ra、CCT以及CIE色坐標(biāo)參數(shù)，從結(jié)果中可以看出，在藍色激光激發(fā)下，LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜可以獲得白色發(fā)光，CIE色坐標(biāo)為(0.315 9，0.315 7)，Ra可以達到74.9，此時CCT為6 422 K。對比圖10(a)中鍍膜樣品的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鍍藍光透過膜對樣品Ra的影響較小(72.3→74.9)，但藍、黃光比例的改變會對樣品CCT和CIE產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)報道的結(jié)果，單一YAG∶Ce熒光薄膜在藍色激光激發(fā)下Ra為68.9[19]，這表明在激光照明中使用LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜可以獲得更好的白光照明效果。圖10(b)中也給出了鍍膜熒光玻璃薄膜發(fā)光性能隨時間變化的關(guān)系圖，從圖中可以看出，在9 W藍色激光激發(fā)下，樣品的光通量可以長時間保持穩(wěn)定，這表明LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜在高功率激光激發(fā)下熱穩(wěn)定性良好。

圖10(c)、(d)為不同激光功率下熒光玻璃薄膜樣品的發(fā)光光譜。值得注意的是，由于溫度猝滅現(xiàn)象的發(fā)生，鍍膜樣品在激光功率密度從12.73 W/mm2提高到13.37 W/mm2、未鍍膜樣品在激光功率密度從13.37 W/mm2提高到13.99 W/mm2時，樣品的發(fā)光光譜都會產(chǎn)生明顯的紅移現(xiàn)象，這也進一步表明高功率激光激發(fā)下產(chǎn)生的高溫?zé)晒忖缡前l(fā)光飽和現(xiàn)象產(chǎn)生的重要原因之一[18,22]。

圖10 (a)～(b)藍光透過膜對熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光光譜和激光激發(fā)發(fā)光性能的影響；(c)～(d)未鍍膜和鍍膜熒光玻璃薄膜樣品在不同激光功率密度激發(fā)下的發(fā)光光譜。

4 結(jié) 論

本工作首先在藍寶石基板上合成了LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜，并詳細(xì)分析了合成溫度、熒光粉和玻璃粉的比例以及熒光玻璃薄膜厚度對最終材料發(fā)光性能的影響。通過對熒光玻璃薄膜透過率、發(fā)光效率以及發(fā)光飽和閾值性能的綜合分析，在800 ℃條件下獲得了性能優(yōu)異的LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜(PtG比為1∶1，厚度為～50 μm)。在確定了LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜的最佳工藝條件后，利用優(yōu)化實驗條件在鍍藍光透過膜藍寶石基板上合成了最終的熒光玻璃薄膜樣品，詳細(xì)研究了藍光透過膜的存在對熒光材料光通量、發(fā)光效率以及發(fā)光飽和閾值的影響。由于藍光透過膜可以提高藍光的透過率，同時提高樣品的正向黃光發(fā)射，在激光激發(fā)下，與未鍍藍光透過膜的樣品相比，鍍膜樣品的最大光通量和發(fā)光效率提高了接近1倍，分別達到了1 497 lm和157.6 lm/W，其發(fā)光飽和閾值為12.73 W/mm2，與未鍍膜樣品的基本一致。此外，LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜相比YAG∶Ce3+表現(xiàn)出了更好的顯色性，顯色指數(shù)可以達到74.9，進一步表明其在高顯色、高功率激光照明領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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