近日，廈門大學(xué)材料學(xué)院解榮軍教授帶領(lǐng)的光電功能材料與器件課題組在《發(fā)光學(xué)報》發(fā)表了題為“光斑調(diào)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(lán)光激光激發(fā)熒光薄膜的光斑尺寸的調(diào)控，系統(tǒng)研究了激光熒光材料的最大輸出光通量、發(fā)光飽和閾值、色溫、色坐標(biāo)、光均勻性等光學(xué)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(fā)光飽和閾值以及光均勻性的顯著影響，對規(guī)范激光熒光材料的性能評價提供了指導(dǎo)性思路。
為使廣大同仁深入了解該篇論文的研究內(nèi)容，文章作者應(yīng)編者邀請撰寫了本篇報道。
新一代激光照明技術(shù)的崛起
激光光源相對于LED光源具有發(fā)光面積小、功率密度高、光束發(fā)散角小且不存在“效率滾降”等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高亮度照明與顯示的理想激發(fā)光源?；?strong>藍(lán)光激光激發(fā)熒光材料的光轉(zhuǎn)換技術(shù)可以獲得亮度高、準(zhǔn)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(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價值。

圖1：透射模式下激光驅(qū)動熒光微晶玻璃薄膜（原位燒結(jié)在鍍有光子晶體的藍(lán)寶石基板上）獲得白光光源（圖源：ACS Appl Mater Inter, 2018, 10, 14930）

實(shí)現(xiàn)激光照明技術(shù)的關(guān)鍵在于研制耐高功率密度激光激發(fā)且光學(xué)性能優(yōu)異的熒光材料，即激光熒光材料。近年來，廈門大學(xué)解榮軍教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊率先開展相關(guān)研究，自主搭建了完善的測試平臺。
在材料體系方面，廈大團(tuán)隊將材料體系從石榴石結(jié)構(gòu)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(fā)光顏色從綠色、黃色向橙色和紅色發(fā)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(guān)鍵材料；在性能調(diào)控方面，廈大團(tuán)隊首次提出微區(qū)熱場和光場調(diào)控，制備了微孔熒光陶瓷，抑制了光斑面積的擴(kuò)大，提高了光源中心亮度，改善了光色均勻性；在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面，廈大團(tuán)隊自2017年開始陸續(xù)與激光照明與顯示企業(yè)開展合作，與超視界激光科技（蘇州）有限公司合作開發(fā)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(lǐng)域內(nèi)掀起了激光熒光材料的研究熱潮，但是激光熒光材料的應(yīng)用評價并沒有突破現(xiàn)有LED熒光材料的框架，相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚未建立，導(dǎo)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(fā)光飽和閾值等參數(shù)的測量值，以引起領(lǐng)域內(nèi)研究人員對相關(guān)問題的思考。
光斑調(diào)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(xué)性能具有十分重要的影響。近日，來自廈門大學(xué)的研究團(tuán)隊以熒光微晶玻璃薄膜（簡稱熒光薄膜）為例，通過調(diào)控藍(lán)光激光激發(fā)熒光薄膜的光斑面積，系統(tǒng)研究了激光熒光材料的最大輸出光通量、發(fā)光飽和閾值、色溫、色坐標(biāo)、光均勻性等光學(xué)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(fā)光飽和閾值以及光均勻性的顯著影響，為規(guī)范激光熒光材料的性能評價提供了指導(dǎo)性思路。
在激光測試裝置中（圖2），利用透鏡元件對光路進(jìn)行調(diào)控和聚焦。評價熒光材料在激光激發(fā)下的光學(xué)性能時，應(yīng)將其放置在入射激光光斑面積最小處，即透鏡焦點(diǎn)處。為了研究光斑面積對熒光材料輸出光學(xué)性能的影響，對熒光薄膜距透鏡焦點(diǎn)的距離進(jìn)行調(diào)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(diǎn)處、距透鏡焦點(diǎn)0.2 mm和 0.4 mm處，相對應(yīng)的光斑面積分別為0.5 mm2、1.11 mm2和2.99 mm2。
結(jié)果表明，當(dāng)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(fā)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(shí)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(fā)，應(yīng)確保熒光材料位于光斑面積最小處。光斑調(diào)控是激光熒光材料性能評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，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(shù)評價的重要影響。鑒于此，研究者應(yīng)對光斑調(diào)控以及光斑面積進(jìn)行詳細(xì)說明，否則將造成激光熒光材料的光學(xué)參數(shù)值無法比較。激光照明領(lǐng)域的光學(xué)性能評價對于激光照明技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)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(diào)控對激光熒光材料性能評價的影響 [J]. 發(fā)光學(xué)報, 2021，42（10）:1646-1652. DOI：10. 37188/CJL. 20210132.
http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210132