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激光照明应用MgO-La3Si6N11∶Ce3+复合荧光玻璃的制备及性能优化
材料合成及性能 | 更新时间:2024-08-06
    • 激光照明应用MgO-La3Si6N11∶Ce3+复合荧光玻璃的制备及性能优化

      增强出版
    • Fabrication and Performance Optimization of MgO-La3Si6N11∶Ce3+ Composite Phosphor-in-glass for Laser Lighting

    • 最新研究突破荧光玻璃散热难题,通过引入MgO颗粒,显著提升发光性能和均匀性,实现高品质激光驱动白光光源。
    • 徐涛

      ,  

      邾强强

      ,  

      王国娟

      ,  

      翟玥

      ,  

      张宏

      ,  

      王乐

      ,  
    • 发光学报   2024年45卷第7期 页码:1123-1133
    • DOI:10.37188/CJL.20240094    

      中图分类号: O482.31
    • 纸质出版日期:2024-07-25

      收稿日期:2024-04-05

      修回日期:2024-04-20

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  • 徐涛, 邾强强, 王国娟, 等. 激光照明应用MgO-La3Si6N11∶Ce3+复合荧光玻璃的制备及性能优化[J]. 发光学报, 2024,45(7):1123-1133. DOI: 10.37188/CJL.20240094.

    XU TAO, ZHU QIANGQIANG, WANG GUOJUAN, et al. Fabrication and Performance Optimization of MgO-La3Si6N11∶Ce3+ Composite Phosphor-in-glass for Laser Lighting. [J]. Chinese journal of luminescence, 2024, 45(7): 1123-1133. DOI: 10.37188/CJL.20240094.

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1 引言

讨论了传统固态照明技术在高亮度应用中的局限性,指出激光二极管(LDs)在高亮度激光输出方面的优势,并提出激光照明技术作为新一代高功率、高亮度固态照明光源的解决方案。同时,分析了激光照明技术中荧光转换材料面临的热效应问题,以及对材料散热性能和高温稳定性的高要求。荧光陶瓷、荧光单晶和荧光玻璃作为新型荧光转换材料,受到关注,但各自存在制备成本、工艺复杂性和热导率限制等问题。本研究通过在荧光玻璃中复合高热导率的MgO相,探索了提高荧光玻璃散热性能和优化发光均匀性的可能性,并通过实验验证了MgO-La3Si6N11∶Ce3+复合荧光玻璃在激光照明应用中的性能提升,展示了其在高品质激光照明领域的应用潜力。

2 实验

详细描述了MgO-La3Si6N11∶Ce3+复合荧光玻璃的制备过程,包括原料选择、混合比例、压制成型和高温烧结等步骤。实验中使用了商用LSN∶Ce3+荧光粉、MgO粉末和B2O3-Na2O-SiO2玻璃粉,通过调整LSN∶Ce3+与MgO的质量比,制备了不同配方的荧光玻璃样品。为了提高显色性能,还引入了CaAlSiN3∶Eu2+红光荧光粉,制备了多色复合荧光玻璃。此外,章节还介绍了样品表征方法,包括X射线衍射、光致发光光谱、荧光显微镜、荧光寿命测试、热成像、量子产率和激光激发性能测试等,以全面评估荧光玻璃的性能。

3 结果与讨论

详细研究了MgO-La3Si6N11∶Ce3+复合荧光玻璃的制备温度、微观结构、发光性能、散热性能、激光激发下的发光性能、发光均匀性以及激光驱动白光光源的构建和性能。

研究发现,675℃制备的荧光玻璃样品具有最高的量子效率,分别为70.1%的内量子效率和40.9%的外量子效率。制备温度对荧光玻璃的致密化和量子效率有显著影响。荧光玻璃的表面微观形貌和元素分布测试结果显示,荧光粉颗粒在玻璃基质中均匀分散,且颗粒形状未发生改变,表明荧光粉颗粒与玻璃基质及MgO颗粒之间没有发生严重的界面反应。

在发光性能方面,荧光玻璃样品与荧光粉体原料的发光光谱保持一致,且荧光寿命基本一致。荧光玻璃样品在高温下保持了优异的荧光猝灭性能和发光稳定性。MgO的引入和荧光粉含量的变化对荧光玻璃的量子效率有显著影响,而荧光玻璃的厚度对量子效率的影响不显著。

散热性能研究表明,MgO的引入可以显著降低荧光玻璃样品在激光激发下的表面温度,并实现更均匀的温度分布。荧光玻璃的厚度增加会导致其散热性能下降。

在激光激发下,荧光玻璃样品的光通量和发光效率随着激光功率密度的增加而增加。MgO含量的增加和荧光玻璃厚度的增加对发光饱和阈值有显著影响。L5M1G4-0.4 mm样品在激光激发下具有最高的发光光通量和发光效率。

发光均匀性研究表明,MgO的引入可以提升荧光玻璃的发光均匀性。L4M2G4-0.4 mm样品在激光激发下展现出较为优异的综合应用性能。

为了实现激光驱动白光光源,研究者利用L4M2G4-0.4 mm荧光玻璃样品初步组装了激光照明器件。通过引入少量CASN∶Eu2+红光荧光粉,进一步提升了光源的显色性能。最终实现的激光驱动白光光源具有较高的Ra值、较低的CCT以及良好的夜间照明效果。

4 结论

总结了MgO-La3Si6N11∶Ce3+复合荧光玻璃的制备和性能优化研究。通过引入MgO颗粒,提升了材料的散热和散射性能,增强了发光饱和性和均匀性。研究了制备工艺、MgO含量和玻璃厚度对性能的影响,发现L4M2G4-0.4 mm样品在激光激发下具有最佳发光性能,发光饱和阈值为2.08 W/mm2,光通量为554 lm,发光效率为123.1 lm/W。进一步引入红色荧光粉,提高了光源的Ra值,显示了在高品质激光照明领域的应用潜力。

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