固态激光照明用LuAG:Ce透明陶瓷的制备及其荧光饱和机理研究

Under irradiation of high-power laser, luminescence saturation occurs in luminescence materials, is the major obstacle for the development of phosphor-converted white laser diode. There are several reasons (i.e., thermal quenching, saturation of absorption, excited state interaction) that cause the phenomenon, and the reasons interfere with each other, which lead to difficulty in understating of the mechanism. Our previous studies show that thermal quenching of LuAG:Ce transparent ceramics is very low, which means the other reason for luminescence saturation could be highlighted. With above features, the distribution of temperature on the sample will be measured and numerical simulated to obtain the contribution of thermal quenching of on the luminescence saturation. Then the resultant properties such as blue light absorption, and quantum efficiency will be studied as a function of the Ce concentration and laser power density to clarify the contribution of saturation of absorption and excited state interaction on the luminescence saturation. Finally, based on the donor-killer energy migration theory, a new theory we term defect amplification effect will be proposed and investigated. The potential deliverables can be used to enhance the optical properties of luminescence materials for laser lighting.

在强激光辐射下，荧光材料的荧光饱和是荧光转换白光激光二极管照明技术亟待解决的一个重要问题。影响荧光饱和的主要因素有热猝灭，吸收饱和与发光中心激发态的相互干扰。三者形似独立，却内在关联，至今尚未见系统的研究报道。因此，选择合适的材料体系和技术路线，阐明上述各因素对荧光饱和现象的影响规律并探求优化方法是该领域的一个关键科学问题。LuAG:Ce透明陶瓷热猝灭程度小且变化相对线性，是摒除热猝灭干扰，独立研究吸收饱和与激发态干扰的理想对象。本项目以此为切入点，首先通过对激光辐射下样品温度分布的精确测量和数值模拟，确定热猝灭对荧光饱和的影响；然后根据蓝光吸收与量子效率随Ce浓度与激光功率密度的变化规律，分别阐明吸收饱和以及激发态干扰对荧光饱和的贡献；最后基于“Donor-killer”能量迁移理论，探索以“缺陷放大作用”为基础的荧光饱和的机理，以推动高性能激光照明用荧光材料的发展。

在强激光辐射下，荧光材料的荧光饱和是荧光转换白光激光二极管（pc-wLD）照明技术亟待解决的一个重要问题。影响荧光饱和的主要因素有热猝灭，吸收饱和与发光中心激发态的相互干扰。三者形似独立，却内在关联，一些机理尚不明确。本研究以解耦热猝灭、吸收饱和以及发光中心激发态三者对荧光饱和现象的贡献为切入点。本研究选择YAG:Ce/LuAG:Ce体系为研究对象，通过对激光辐射下样品的温度分布精确测量以及数值模拟，准确得出热猝灭对荧光饱和的贡献；在此基础上，进一步探索吸收饱和与激发态干扰对荧光饱和的影响；同时，探讨了荧光饱和与浓度猝灭在产生机理上的内在关联，基于对实验结果，归纳出“热诱导光饱和”这一荧光饱和新理论。为高性能pc-wLD的发展提供理论支撑。.除了完成原定计划，研究团队针对提高激光照明用荧光材料的色域和显色指数等方面展开系列工作，并探索了基于微结构设计的散射调控技术在荧光材料设计方面的应用，现已取得阶段性进展。相关研究开发具备较高饱和阈值的红色CaAlSiN3:Eu和绿色beta-SiAlON:Eu全无机荧光材料，同时在YAG:Ce玻璃荧光粉中实现了散射系数的大范围调整，探索出光斑限制与发光效率之间的平衡点，具备可观的实用价值。.相关研究结果在J Eur Ceram Soc、Ceram Int、J Lumin等刊物上发表SCI论文10篇（均标注基金号），培养研究生已毕业1名，在读4名。部分研究成果来时产业化进程，立项在研题为“大功率特种照明用荧光材料研发”的产学研项目一项。