基于激光照明技术应用的氮化物激光荧光粉发光饱和特性及其机理研究

White laser lighting technology is one of the most effective ways for achieving super-high brightness lighting and display, in which laser phosphors are excited by laser beams with higher power and higher flux density so that they are suffering from luminescence degradation or even failure due to the luminescence saturation. As addressed in our previous investigations, some promising nitride phosphors exhibited remarkable luminescence saturation under high-power blue laser irradiations, making them unable to be used in laser lighting technologies. But, questions on what controls the saturation and how it happens are left unsolved. In this project, we will then systematically investigate effects of host lattice, chemical composition, species and concentration of activators on the luminescence saturation of typical nitride phosphors, such as beta-sialon:Eu, alpha-sialon:Eu and CaAlSiN3:Eu/Ce. We are going to (i) understand the band structure, energy transfer and energy loss mechanisms by using spectroscopic methods and computational simulations; (ii) study the surface state, defect structure, valence state of activators and phase evolutions by applying surface and microstructure analytic techniques; and (iii) finally clarify the mechanisms for luminescence saturation. In the end, we attempt to design and develop highly reliable laser phosphors through structural tailoring, compositional optimization, or surface modifications.

激光照明技术是实现超高亮度照明和显示最有效的技术手段之一， 随之应运而生的激光荧光粉因受到光强更大、光通量密度更高的激光激发从而更容易产生发光饱和、导致光效降低乃至完全失效。前期研究表明：一些性能优异的氮化物荧光粉在大功率蓝色激光激发下发光饱和显著，制约了它们在激光照明技术中的广泛应用，但产生发光饱和的机制理尚不清楚。本项目拟以beta-sialon:Eu、alpha-sialon:Eu和CaAlSiN3:Eu/Ce氮化物发光材料为研究对象，系统深入地研究不同基质材料、组成、掺杂离子及浓度对发光饱和的影响规律；运用光谱学方法和计算模拟研究材料的能带结构、能量转移和能量损耗机制, 并综合利用各种表面和微观结构分析手段研究材料的表面状态、缺陷结构、稀土离子价态和物相等，揭示发光饱和形成机制；最后通过结构剪裁、组成优化和表面改性等设计和制备下一代高可靠性激光荧光粉。

激光照明技术是实现超高亮度照明和显示最有效的技术手段之一，随之应运而生的激光荧光粉因受到光强更大、光通量密度更高的激光激发从而更容易产生发光饱和、导致光效降低乃至完全失效。本项目以氮化物以及钇铝石榴石氧化物荧光粉为研究对象，制备了相应的荧光粉-玻璃复合块体、荧光粉-玻璃复合薄膜和荧光陶瓷等材料，测试了它们在蓝光激光激发下的发光性能，运用光谱和显微结构分析等实验手段和计算模拟研究了材料的基质、组成、掺杂发光中心离子种类和浓度以及材料形态对发光饱和的影响，初步揭示了发光饱和的机理，为激光荧光粉的材料选择、设计和应用提供了思路。通过本项目的实施，取得了以下重要结果：1）在高功率密度激发下材料的发光饱和与发光材料的基质、组成、发光中心、发光效率和热稳定性等因素密切相关，其机理主要缘于热猝灭和激发态吸收。此外，从发光材料的产热、散热和抗热三个方面详细研究了热致饱和机理，通过导热和散热设计可有效提高发光材料的饱和阈值；2）采用等离子放电烧结技术和双助熔剂的方法制备出了完全致密的CaAlSiN3:Eu红色荧光陶瓷，其热导率为4 W/(mK)，外量子效率达到60%，发光饱和阈值为1.5 W/mm2，发光效率达到42.2 lm/W；3）通过PiG薄膜和蓝宝石基板的共烧技术制备出了高散热La3Si6N11:Ce 和beta-sialon:Eu PiG薄膜复合结构,发光饱和阈值分别为12.91和6.09 W/mm2，有望应用于高亮度白光照明和宽色域激光显示；4）通过微气孔的引入增强了YAG荧光陶瓷的光散射，提高了出光的均匀性并减小了光斑，在7.92 W/mm2的蓝光功率密度激发下获得了855 lm的光通量，在旋转模式和28.6 W蓝光功率的激发下，实现了7199 lm的超高光通量白光。