㊀第10期袁㊀瑞，等：高显指白光PiG荧光薄膜制备与激光照明应用1635㊀
内提高,CCT上升,CRI上升，光电转化效率上升㊂(4)当玻璃粉ʒ荧光粉质量比为1ʒ4㊁535nm 与660nm荧光粉质量比为9ʒ1㊁激光电功率为12.5W时，可实现高显指白光激光照明，其CRI 可达到92,CCT值为5500K，发射光覆盖460~ 740nm，红光部分和绿光部分发射峰几乎持平，所得的色坐标已接近自然白光，表明成功制备出了高显指白光PiGF㊂
本文专家审稿意见及作者回复内容的下载地址: cjl.lightpublishing/thesisDetails#10.37188/ CJL.20210138.
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1636㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第42卷
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袁瑞(1994-)，男，四川成都人，硕士,2021年于上海大学获得硕士学位，主要从事激光照明/显示㊁高功率LED 照明相关材料的研究与器件开发(包括陶瓷㊁玻璃㊁薄膜材料及其相关器件)的研究㊂E-mail:yr_roger@163.
com
张志军(1982-)，男，安徽绩溪人，博士，教授,2009年于中国科学院上海硅酸盐研究所获得博士学位，主要从事无机光功能材料与器件的制备及应用的研究㊂
E-mail:zhangzhijun@shu.edu
第42卷㊀第10期2021年10月
发㊀光㊀学㊀报
CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE
Vol.42
No.10
Oct.,2021
㊀㊀收稿日期:2021-04-28；修订日期:2021-05-22
㊀㊀基金项目：国家自然科学基金(51802083,51772076)；河南省高校重点研究项目(20A430018)资助
Supported by National Natural Science Foundation of China (51802083,51772076);Key Rearch Project of Universities of Henan Province(20A430018)
文章编号:1000-7032(2021)10-1637-09
激光照明用荧光材料的散射调控策略 Mini 综述
徐㊀坚，江㊀志，徐㊀鹏，刘丙国∗，杜保立∗
(河南理工大学物理与电子信息学院，河南焦作㊀454000)
摘要：基于半导体激光器激发荧光材料的白光激光照明(wLD)技术在超高亮度照明和显示领域具有重要的
应用价值㊂兼具 高光通量 和 可控发光面积 是wLD 实现高亮度的前提条件㊂因此，荧光材料如何在具备高饱和阈值的前提下，有效地限定发光光斑尺寸，成为该领域的一个热点问题㊂基于荧光材料微结构设计的散射调控技术为解决该问题提供了可能㊂本文首先对荧光材料中通过散射设计实现可控发光面积的研究进行了总结；其次探讨了散射系数对材料发光特性的影响；然后介绍了相关研究中的两个关键技术：发光光斑尺寸的测量方法和基于数值模拟的光斑尺寸预测方法；最后展望了相关研究的发展趋势㊂关㊀键㊀词：激光照明；荧光材料；散射系数；光斑尺寸；高亮度
中图分类号:O482.31㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀DOI :10.37188/CJL.20210153
Scattering Control Strategies in Phosphors for
哮喘能不能治好Lar Lighting Application Mini Review
XU Jian,JIANG Zhi,XU Peng,LIU Bing-guo ∗,DU Bao-li ∗
(School of Physics and Electronic Information ,Henan Polytechnic University ,Jiaozuo 454000,China )
小学课本电子版∗Corresponding Authors ,E-mail :lbg @hpu.edu ;dbl @hpu.edu
Abstract :Novel ultra-high-luminance lar lighting technique bad on pumping phosphor by lar diode shows broad application prospect.To achieve high-luminance,a lar lighting luminaire is es-ntial to posss high luminous flux and small light-emitting area.Therefore,it is esntial for phosphor to posss both high saturation threshold and strong spot size limitation ability.The micro-structure design and scattering control in phosphor materials show potential to solve this problem.In this paper,the studies on spot size of lar lighting were introduced,and the effect of scattering co-efficient on the luminescence properties was discusd.After that,some key techniques including
measurement and simulation on spot size were prented.Lastly,some future directions were pros-pected.
Key words :lar lighting;phosphor;scattering coefficient;spot size;high-luminance
1㊀引㊀㊀言
经过近三十年的高速发展，荧光转换型白光发光二极管技术(Phosphor-converted white light-
emitting diode,pc-wLED)已经在普通照明与显示领域实现广泛的商业化㊂但在一些细分市场，如超高亮度照明和显示领域，由于LED 存在 Effi-ciency drop 问题(即随着输入功率密度的增加,
1638㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第42卷
能量转换效率显著下降)，使得pc-wLED的峰值亮度难以满足应用需求[1-2]㊂与LED不同的是，激光二极管(Lar diode,LD)在很大的功率密度范围内(5~30kW/cm2)不存在 Efficiency drop 问题，这意味着在同等尺寸与工艺水平条件下, LD可实现远高于LED的最高光输出功率㊂因此，基于蓝光LD激发荧光材料的荧光转换型白光激光二极管技术(Phosphor-converted white lar diode,pc-wLD)为实现超高亮度固态光源提供了可能[1-4]㊂
荧光材料作为pc-wLD的核心部件，其量子效率(Quantum efficiency,QE)㊁光谱特性以及封装方式都将直接影响整个器件的能量效率和色度品质(相关色温㊁色坐标㊁色域㊁显色指数等)[4-6]㊂与pc-wLED不同的是，荧光材料应用于pc-wLD 时将面临 荧光饱和 (Luminescence saturation)问题，即当入射激光的功率(或功率密度)达到一定数值时，荧光材料的发光强度不再随着入射激光强度的增加而上升，甚至会下降[7-14]㊂因此，荧光材料具备较高的饱和阈值(荧光材料在激光辐射下获得峰值光通量时对应的激光功率密度数值)是pc-wLD器件实现高亮度的一个前提条件㊂根据亮度的定义(光源在给定方向上单位面积的发光强度，如图1(a)所示)，在同等光分布和光通量下光源的亮度与发光面积成反比㊂因此, pc-wLD实现高亮度仍需满足另外一个条件：可控(或较小)发光光斑尺寸(实际发光光斑的直径)㊂此外，具备小尺寸发光光斑的光源在实际工程应用中更容易进行二次配光，使用较小尺寸的透镜和反射杯就可以对光线高效地收集㊁汇聚和准直㊂该特性可保证光源在具备高亮度和高光束质量的前提下，
大幅降低器件的尺寸和重量，使其在汽车远光灯㊁探照灯㊁投影仪等应用场景中具备较强的竞争力[4,14-15]㊂激光光束具有优异的方向性和较小的发散角，经过准直和聚焦可以获得较为理想的小尺寸光斑(数十微米甚至更小)㊂然而由于荧光材料的高透光率和高折射率等原因，当激光激发荧光材料后，实际发光的光斑尺寸往往明显大于激光光斑(如图1(b)所示)[10,16]㊂该现象会大幅降低pc-wLD器件的亮度参数，导致pc-wLD失去与pc-wLED的竞争优势㊂因此，荧光材料具备较强的 发光光斑尺寸限制 能力是pc-wLD实现高亮度的另一个前提条件㊂目前，少数研究发现，通过引入气孔提高散射系数可以对发光光斑进行有效的限制㊂相关研究将在后文展开讨论
长干
㊂
图1㊀照明器件发光亮度(L V)定义示意图,Ф为光通量,Ω为立体角㊂(a)描述三维空间的发射方向;(b)
LD激发荧光材料后发光光斑扩展示意图㊂Fig.1㊀(a)Schematic of the definition of luminance,Фis luminous flux,Ωis solid angle.(b)Schematic of
the lar spot expansion.
综上所述，研究开发兼具 高饱和阈值 和 强发光光斑尺寸限制 能力的荧光材料对pc-wLD技术的发展具有重要意义㊂
2㊀激光照明用荧光材料研究现状
在pc-wLD中使用的荧光材料总体是从pc-wLED中升级㊁演化而来㊂除满足高QE㊁高蓝光吸收㊁有效光谱覆盖㊁低热猝灭等基本条件外，荧光材料应用于pc-wLD时还需考虑 饱和阈值 ㊁ 发光光斑尺寸限制 以及 散射调控 等新问题㊂接下来将分别从这三方面论述pc-wLD用荧光材料的研究现状和发展动态㊂
2.1㊀荧光材料饱和阈值研究现状
在过去的5年中, 探索荧光饱和的产生机理 以及 提高荧光材料的饱和阈值 一直是pc-wLD领域的研究热点㊂包括笔者团队在内的国内外研究团队经过大量的尝试与探索，目前已经开发出若干具备较高饱和阈值的荧光材料[4-5,7-14,17-20]㊂其中比较有代表性的工作包括: 2016年,Justel团队研究了Ca2Si5N8ʒEu2+体系荧光粉的荧光饱和行为，在良好的散热条件下饱和阈值可高于800W/mm2[20]；笔者团队于2019年报道了一种基于YAGʒCe单晶的荧光材料，具有高于360W/mm2的饱和阈值[13]㊂需要说明的是，由于pc-wLD用荧光材料的表征是新兴技术，部分早期研究中测试条件与方法不够完善，且缺乏统一的测试标准㊂因此，不同团队报道的荧光
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饱和阈值并不能直接进行对比㊂但综合评估后依然可以得出:(1)对于多数荧光寿命在微秒级或以下的荧光材料，荧光饱和本质上是一种热逃逸
(Thermal runaway)现象，因此提升该类材料饱和阈值的重点在于 减少产热 和 优化散热 ;(2)基于致密的YAGʒCe和LuAGʒCe陶瓷/单晶形态的荧光材料在饱和阈值方面总体可以满足高亮度pc-wLD的应用需求㊂
2.2㊀荧光材料对发光光斑尺寸限制的前期探索
目前，有关荧光材料对发光光斑尺寸限制能力的研究报道比较少㊂究其原因，一是由于pc-wLD是近几年刚刚兴起的研究方向，一些wLED领域的学者尚未重视限定发光光斑尺寸的研究工作；二是该研究存在一个较高的技术门槛 如何测量发光光斑尺寸㊂通过pc-wLD技术实现高亮度往往需要将激光光斑聚焦到较小的尺寸，多数场景下要小于1 mm2㊂在这个尺度对光斑进行测量需要专业的测试系统，涉及到光信号的收集㊁汇聚㊁准直㊁滤波㊁降噪等复杂过程，最后还需通过专用的感光元件(CMOS)进行观测，目前尚无成熟的商用测试设备㊂
解荣军团队在2019年通过剪裁LED的出射光来模拟LD激发光，有效地降低了测试LD光斑尺寸的难度，并研究了气孔对YAGʒCe透明陶瓷发光光斑尺寸限制能力的影响[10]㊂该研究发现，通过引入气孔作为强散射源来提高材料散射系数，可以有效限制发光光斑尺寸㊂如图2(a)所示，随着气孔引入量的增加，发光光斑尺寸呈减小趋势㊂图2(b)㊁(c)为激发前和激发典型样品后LED的光斑㊂该研究是一次很有意义的尝试，为
pc-wLD用荧光材料的设计提供了新的思路
㊂
图2㊀(a)多孔YAGʒCe陶瓷光斑扩展与孔隙率的关系，插图为典型样品的SEM图片;(b)~(c)激发蓝色LED的光斑图和典型样品被激发后的光斑图;(d)不同尺寸LD光斑激发下，多种荧光材料的实际发光光斑尺寸㊂其中，标志点为实测结果，同颜色实线为对应的模拟结果[10,16]㊂
Fig.2㊀(a)Relationship between the spot size expansion ratio and porosity of the ceramic sample,inrt is the SEM image of the YAGʒCe ceramic.(b)-(c)LED spot imaging before and after excitation of the YAGʒCe.(d)Measured(dot)and sim-ulant(line)spot size of veral phosphor under excitation of LD with different spot size[10,16].
笔者团队在2020年与Jenn团队合作搭建了
专业的发光光斑尺寸测试系统[16]㊂该系统直接采
用蓝光LD作为激发源，实现了材料中光传播过程在
测试场景与在pc-wLD应用场景的高度一致；并且激
光光斑尺寸可在较大的范围内进行调节(40~484
μm)，能实现在更大范围内探索潜在的新现象和变
化规律㊂团队利用该系统对多种荧光材料(基于
YAGʒCe的透明陶瓷㊁单晶㊁两种商用材料㊁YAGʒCe/
Al2O3复合陶瓷以及玻璃荧光粉)的发光光斑尺寸限
制能力进行了评估与横向对比(如图2(d)所示)，并
结合数值模拟得到了一些新的发现：对于同一种材
料而言, 实际发光光斑尺寸 与 激光光斑尺寸 的
差值总体上是恒定的㊂例如，在图2(d)中，所用玻
璃荧光粉(Phosphor-in-Glass,PiG)样品的光斑扩大
解析几何公式
数值大致稳定在260μm，且该数值基本不随激光光
斑尺寸的增加发生变化㊂因此该差值可作为衡量发
光光斑尺寸限制能力的最佳指标㊂由于激光光源的
限制，本研究并未开展关于材料饱和阈值的研究㊂
因此，荧光材料如何在 发光光斑尺寸限制能力 和
饱和阈值 之间取得平衡仍然有待研究㊂
3㊀散射系数影响材料发光特性研究
现状和发展动态
3.1㊀散射系数和发光效率之间的关系
由于无需考虑光斑限定的问题,pc-wLED用
荧光材料在封装时的一般设计原则是尽可能地降
