激光照明系统复杂荧光结构协同制造及光调控机理

The laser illumination is considered as the next lighting revolution after LED technology. However, there are many important technical problems related to complex scale structures designing, manufacturing and evaluating should be solved. In this project, in order to solve the designing problems, we will commence to study the designing theory of multi-scale structures, and propose the Finite Difference and Time Domain (FDTD) and Ray Tracing (RT) combined method. We will also focus on the ultrasonic oscillation and high speed centrifugation processes on phosphor structures. The high-speed and high precision grinding and cutting method will also be studied. Finally, the evaluating system on photometry and colorimetry in space distribution will be established. All the technologies will be applied to the laser illumination system. The purpose of this project is consistent with the development trend of industry and academic, which is of great practical and research value.

激光照明被认为是继LED照明技术之后的又一项照明技术革命。激光照明复杂荧光结构协同设计理论，复杂光学功能结构的制造，以及系统级性能评价与可靠性工程尚有诸多技术问题亟待解决。本项目将围绕激光照明荧光转化元件这一核心部件，从跨尺度光学功能结构的光学设计理论为切入点，提出微观有限时域差分方法与宏观光线追迹跨尺度协同设计理论，解决激光照明复杂荧光结构的设计问题；研究复杂荧光转化颗粒超声分散和离心沉降制备技术与工艺，解决荧光涂层可控涂布问题；研究增强激光入射和混光出射的荧光结构高速磨切制备方法，提升荧光转化效率；对激光照明的空间光色评价方法进行研究，最终将优化的荧光转化结构应用于高品质激光照明系统。本项目具有现实的产业化需求和理论学术价值，对产业和学术的发展意义重大。

以紫外或者蓝色激光为激发光源，通过荧光转化实现白光照明是目前主要的技术方案。荧光转化元件是决定激光照明系统品质的关键部件之一，由于各种颗粒、各层级结构间的光学失配现象严重，限制了荧光转化效率的提升。其次，激光能量密度过高，极易造成荧光转化材料的局部饱和，引起淬灭、甚至碳化失效等可靠性问题。本项目的技术路线围绕复杂荧光转化元件结构设计、复杂荧光转化元件结构制造和高效激光照明系统集成及其光热性能展开了系列研究。针对大功率荧光转化元件的热量积累和内部颗粒多重吸收等局限性，建立荧光转化元件光热耦合模型，研究荧光转化元件光热转化的内部机理，为大功率激光照明系统的光热优化设计提供理论基础；研究荧光颗粒间多重散射与吸收特性，提出时域有限差分法和光线追击法协同来模拟多颗粒荧光粉散射和吸收特性。针对复杂荧光转化元件的协同制造问题，开展了利用两向色镜用于荧光元件高效转化结构设计及性能研究、微角可调滤光片光引导结构制造及其性能研究、夹层光引导结构制造及其光通信应用研究、内嵌高导热框架的高效荧光转化结构制造及其光热性能研究、焦耳热快速加热新工艺用于复杂高效荧光转化结构制造、电润湿法制备的宽高比可调微透镜阵列、稳定发光的CsPbBr3 量子点纳米纤维制备及其光通信应用研究等，为复杂荧光转化元件制造积累经验。应用方面着重于激光照明系统的光热性能优化设计，包括热管应用于高热流密度激光照明系统荧光转化元件散热系统、新型热管绝热段涂敷相变材料的复合热管制造及性能研究、烧结柔性编织散热器应用于散热系统、压电微泵集成散热器应用于散热系统、循环冷却钙钛矿量子点胶体溶液系统性能研究等，新型散热器和散热系统的开发有利于为激光照明系统的优化设计提供指导。所开发的激光照明复合荧光转化元件连续测试 800 分钟，白光色温保持6000K，发光效率保持254 lm/W。目前，有关研究成果已发表学术论文 16 篇，发表会议论文 7 篇。申请专利 17 项，培养硕士 3人。