近日，廈門大學材料學院解榮軍教授帶領的光電功能材料與器件課題組在《發(fā)光學報》發(fā)表了題為“光斑調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，通過對藍光激光激發(fā)熒光薄膜的光斑尺寸的調控，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、光均勻性等光學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性思路。
為使廣大同仁深入了解該篇論文的研究內容，文章作者應編者邀請撰寫了本篇報道。
新一代激光照明技術的崛起
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，是實現(xiàn)高亮度照明與顯示的理想激發(fā)光源。基于藍光激光激發(fā)熒光材料的光轉換技術可以獲得亮度高、準直性好、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）等應用領域具有巨大的應用價值。

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

實現(xiàn)激光照明技術的關鍵在于研制耐高功率密度激光激發(fā)且光學性能優(yōu)異的熒光材料，即激光熒光材料。近年來，廈門大學解榮軍教授帶領的科研團隊率先開展相關研究，自主搭建了完善的測試平臺。
在材料體系方面，廈大團隊將材料體系從石榴石結構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鍵材料；在性能調控方面，廈大團隊首次提出微區(qū)熱場和光場調控，制備了微孔熒光陶瓷，抑制了光斑面積的擴大，提高了光源中心亮度，改善了光色均勻性；在產業(yè)化應用方面，廈大團隊自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。
盡管近年來領域內掀起了激光熒光材料的研究熱潮，但是激光熒光材料的應用評價并沒有突破現(xiàn)有LED熒光材料的框架，相關評價標準和規(guī)范尚未建立，導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)光飽和閾值等參數的測量值，以引起領域內研究人員對相關問題的思考。
光斑調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性能具有十分重要的影響。近日，來自廈門大學的研究團隊以熒光微晶玻璃薄膜（簡稱熒光薄膜）為例，通過調控藍光激光激發(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、光均勻性等光學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性思路。
在激光測試裝置中（圖2），利用透鏡元件對光路進行調控和聚焦。評價熒光材料在激光激發(fā)下的光學性能時，應將其放置在入射激光光斑面積最小處，即透鏡焦點處。為了研究光斑面積對熒光材料輸出光學性能的影響，對熒光薄膜距透鏡焦點的距離進行調控。

圖2：透射式激光測試裝置

將熒光薄膜分別置于透鏡焦點處、距透鏡焦點0.2 mm和 0.4 mm處，相對應的光斑面積分別為0.5 mm2、1.11 mm2和2.99 mm2。
結果表明，當光斑面積從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，不同角度的色溫標準偏差相對值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)，應確保熒光材料位于光斑面積最小處。光斑調控是激光熒光材料性能評價的關鍵環(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評價的重要影響。鑒于此，研究者應對光斑調控以及光斑面積進行詳細說明，否則將造成激光熒光材料的光學參數值無法比較。激光照明領域的光學性能評價對于激光照明技術的發(fā)展起著至關重要的作用，相關評價標準的建立也勢在必行。
論文信息：
黑玲麗, 李淑星, 程璇, 解榮軍. 光斑調控對激光熒光材料性能評價的影響 [J]. 發(fā)光學報, 2021，42（10）:1646-1652. DOI：10. 37188/CJL. 20210132.
http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210132