劉選福， 于晶杰， 李德勝， 曹冠英

(大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所， 遼寧 大連 116034)

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激發(fā)源光譜寬度對(duì)其輻射通量轉(zhuǎn)換效率的影響

劉選福， 于晶杰*， 李德勝*， 曹冠英

(大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所， 遼寧 大連 116034)

為了進(jìn)一步提高固態(tài)照明中熒光轉(zhuǎn)換光源(PC-LED)的白光發(fā)射效率，探尋激發(fā)源與熒光粉搭配對(duì)合成白光輻射通量轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系。以YAG熒光粉為對(duì)象，搭配不同光譜寬度的激發(fā)源，采用光譜計(jì)算方法研究了合成白光光源中激發(fā)源光譜寬度對(duì)其輻射通量轉(zhuǎn)換效率的影響，計(jì)算結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：當(dāng)光譜寬度較小時(shí)，轉(zhuǎn)換效率隨光譜寬度的增加而緩慢降低；當(dāng)光譜寬度大于18 nm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率急劇下降。每種熒光粉都有其理想激發(fā)源光譜寬度范圍，在此范圍內(nèi)激發(fā)源輻射通量轉(zhuǎn)換效率高且受其光譜寬度影響較弱。

白光光源； 激發(fā)源光譜寬度； 光譜； 輻射通量

1 引 言

近年來，固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展極其迅速。采用藍(lán)光芯片加熒光粉實(shí)現(xiàn)白光輸出的方式是目前產(chǎn)業(yè)化固態(tài)照明的主流制備方案，且主要以450～470 nm藍(lán)光作為激發(fā)源配合黃色或者紅綠混合熒光粉來獲取白光[1-4]。作為照明用白光光源，發(fā)光效率是大家最為關(guān)心的問題[5]。目前研究人員主要在熒光粉制備、遠(yuǎn)程熒光粉模塊合成及藍(lán)光芯片幾個(gè)方面展開研究來獲取高的發(fā)光效率，但有關(guān)激發(fā)源與熒光粉的搭配方式和對(duì)光源效率影響的報(bào)道還較少[6-9]。

本文從光譜計(jì)算方面入手，對(duì)不同光譜激發(fā)源搭配黃色熒光粉獲取的白光進(jìn)行研究。通過理論計(jì)算的方式得到熒光粉和激發(fā)光譜的最佳搭配關(guān)系，選出目標(biāo)熒光粉最佳光譜的激發(fā)源，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。

2 理論依據(jù)與計(jì)算

2.1 理論依據(jù)

白光光譜是由激發(fā)光與熒光光譜混合線性疊加得到，根據(jù)線性疊加原理設(shè)合成光譜中單一光譜矩陣為[10-11]：

S(λ)=[S(λ1),S(λ2),…S(λi)，…S(λm)]Τ，

(1)

設(shè)合成光譜中各單一光譜權(quán)重系數(shù)矩陣為：

M=[m1,m2,…mj,…mn]Τ,

(2)

則光源的光譜功率分布的矩陣為：

P(λ)=[S1(λ),S2(λ),…Sj(λ),…Sn(λ)]×M，

(3)

依據(jù)該光源光譜分布的矩陣即可確定光源在色品圖上的色坐標(biāo)。

在圖1所示的色品圖中，若P點(diǎn)為熒光粉的色坐標(biāo)，Q點(diǎn)為激發(fā)源的色坐標(biāo)，則激發(fā)源與熒光粉按一定光譜功率配比混合所得白光點(diǎn)O色坐標(biāo)一定在P與Q的連線上。O點(diǎn)距等能白光E點(diǎn)的位置決定了白光光色品質(zhì)[12]，合成光譜中的權(quán)重系數(shù)矩陣M決定了O點(diǎn)位置。

在藍(lán)光激發(fā)熒光粉獲取的白光中，當(dāng)激發(fā)光光譜發(fā)生變化時(shí)，為確保白光光色質(zhì)量，可通過轉(zhuǎn)換效率η來計(jì)算調(diào)節(jié)。η表示此時(shí)由白光光譜計(jì)算得到單位激發(fā)源的輻射通量轉(zhuǎn)換為可見光范圍內(nèi)光通量的能力[13]：

(4)

式中，P(λ)為光源光譜功率分布，κ為光視效能，Sexc為激發(fā)源的光譜總功率，Semi為熒光粉的發(fā)射光譜總功率，ηs為熒光粉斯托克斯效率，ηqy

圖1 白光色品圖

為熒光粉的量子效率。

2.2 計(jì)算

計(jì)算所用兩種不同光譜分布的YAG熒光粉系列樣品來自大連路明發(fā)光科技股份有限公司，分別記為YAG-1號(hào)和YAG-2號(hào)，熒光粉的激發(fā)光譜(PLE)和發(fā)射光譜(PL)如圖2所示，其中YAG-1號(hào)熒光粉的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜峰值波長分別為465 nm和538 nm，YAG-2號(hào)分別為462 nm和543 nm。

考慮到熒光粉發(fā)射光譜的高斯分布特性，我們通過數(shù)學(xué)公式來進(jìn)行擬合：

圖2 YAG-1號(hào)(a)和YAG-2號(hào)(b)熒光粉的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜

Fig.2 Excitation and emission spectra of YAG-1(a) and YAG-2(b)

Semi(λ)=a1xp{-[(λ-b1)/c1]2}+

a2×exp{-[(λ-b2)/c2]2}，

(5)

公式(5)中對(duì)應(yīng)于YAG-1號(hào)與YAG-2號(hào)熒光粉的各參數(shù)如表1所示。

表1 公式(5)中的各參數(shù)值

人工合成的固體照明源激發(fā)源的光譜都近似于高斯分布，發(fā)射光譜滿足Ohno等[14]提出的數(shù)學(xué)模型：

(6)

式中，λ0為激發(fā)源峰值波長，Δλ0.5為激發(fā)源光譜寬度。

為了對(duì)應(yīng)于熒光粉激發(fā)光譜的最佳激發(fā)峰值，選定激發(fā)源峰值波長為460 nm，結(jié)合公式(3)、(5)和(6)可得由YAG-1號(hào)與YAG-2號(hào)熒光粉獲取的白光光譜為：

P1(λ)=[Sexc(λ),S1emi(λ)]×M1，

(7)

P2(λ)=[Sexc(λ),S2emi(λ)]×M2，

(8)

式中，S1emi(λ)、S2emi(λ)分別為YAG-1號(hào)與YAG-2號(hào)熒光粉的發(fā)射光譜矩陣：M1、M2為由YAG-1號(hào)與YAG-2號(hào)熒光粉獲取的白光光譜中激發(fā)源與熒光光譜功率權(quán)重系數(shù)矩陣。

為了方便計(jì)算，此處將激發(fā)源光譜功率歸一化，則權(quán)重系數(shù)矩陣M1、M2可表示為M1=[1,k1]Τ、M2=[1,k2]Τ。

將公式(7)、(8)展開可得：

(9)

(10)

分析公式(9)、(10)可知，當(dāng)激發(fā)源光譜寬度Δλ0.5變化時(shí)，白光光譜中激發(fā)源的光譜功率分布會(huì)隨之發(fā)生變化，而熒光光譜分布不會(huì)改變。

計(jì)算激發(fā)源輻射通量轉(zhuǎn)換為可見光范圍內(nèi)光通量的效率η時(shí)，熒光粉斯托克斯效率與量子效率可分別近似為激發(fā)源峰值波長與熒光粉發(fā)射光譜峰值波長之比和激發(fā)光譜峰值波長之比[13]。

目前商業(yè)化的藍(lán)光源主要有LD(Laser diode)和LED(Light emitting diode)兩大類，其光譜寬度分別約為2 nm和25 nm[13,15-17]。因此，本文計(jì)算中設(shè)定峰值波長的變化步長為1 nm間隔，激發(fā)源光譜寬度變化范圍為2～25 nm。

圖3所示為激發(fā)源光譜寬度改變時(shí)，對(duì)應(yīng)于YAG-1號(hào)與YAG-2號(hào)熒光粉，單位激發(fā)源輻射通量轉(zhuǎn)換為可見光范圍內(nèi)光通量的效率η的變化情況。

圖3 效率隨激發(fā)源光譜寬度的變化關(guān)系

如圖3所示，當(dāng)YAG-1號(hào)熒光粉的激發(fā)源光譜寬度在2～18 nm范圍內(nèi)變化時(shí)，效率η隨激發(fā)源光譜寬度的增加呈緩慢降低趨勢；當(dāng)激發(fā)源光譜寬度大于18 nm時(shí)，效率η幾乎呈線性降低趨勢。這說明光譜寬度小于18 nm的激發(fā)源更適合激發(fā)該熒光粉。

當(dāng)YAG-2號(hào)熒光粉的激發(fā)源光譜寬度在2～21 nm范圍內(nèi)變化時(shí)，效率η隨激發(fā)源光譜寬度的增加呈緩慢降低趨勢；當(dāng)激發(fā)源光譜寬度大于21 nm時(shí)幾乎呈線性降低趨勢。這說明光譜寬度小于21 nm的激發(fā)源更適合激發(fā)該熒光粉。

以上計(jì)算也表明，每種熒光粉都會(huì)有其理想的激發(fā)源光譜寬度范圍，在此范圍內(nèi)激發(fā)源輻射通量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)更高且受其光譜寬度的影響較弱。

本文對(duì)單位激發(fā)源輻射通量轉(zhuǎn)換為可見光范圍內(nèi)光通量的效率η的計(jì)算，等同于激發(fā)源電能完全轉(zhuǎn)換為光能時(shí)對(duì)光源光效的計(jì)算。此時(shí)若激發(fā)源光譜寬度為25 nm，則對(duì)應(yīng)于YAG-1號(hào)及YAG-2號(hào)熒光粉的白光光譜中熒光權(quán)重系數(shù)k1、k2分別為0.499和0.496，斯托克斯效率η1s、η2s分別為0.855和0.847，量子效率η1qy、η2qy分別為0.945和0.937。

依據(jù)以上參數(shù)，由公式(4)可得到此時(shí)的效率η，即光效可表示為：

(11)

(12)

計(jì)算得到Y(jié)AG-1號(hào)與YAG-2號(hào)熒光粉獲取的白光光源光效分別為283.24 lm/W和287.25 lm/W。

復(fù)旦大學(xué)學(xué)者劉木清等曾對(duì)激發(fā)源光譜寬度為25 nm的熒光轉(zhuǎn)換型白光光源光效進(jìn)行了理論計(jì)算，設(shè)定電光轉(zhuǎn)換效率為100%時(shí)，光源光效可達(dá)284 lm/W[18]。本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)所報(bào)道一致。

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)用浙大三色SL-300快速光譜分析儀進(jìn)行光譜測試，選擇不同發(fā)射光譜的LD和LED作為激發(fā)源。LD選用長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MDL-III-460nm-1W-14080114型號(hào)激光器；LED選用普瑞芯片公司生產(chǎn)的光譜寬度分別為18 nm及25 nm的大功率燈珠，并分別標(biāo)記為LED-18及LED-25。稱取等質(zhì)量的YAG-1號(hào)熒光粉通過硅膠涂覆分別制成30°中心角及180°中心角的半球型熒光粉模塊。實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)

因采用了LD和LED兩種不同的激發(fā)源，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平行和可比性，實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)整工作電流保證激發(fā)源的輻射通量完全一致為0.288 W，然后將上述熒光粉模塊置于積分球中進(jìn)行測試。每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5次并取其平均值，實(shí)驗(yàn)所得白光色坐標(biāo)如圖4所示，LD、LED-18、LED-25的效率η測試結(jié)果分別為291.86，285.83，255.92 lm/W。

由圖4可知，3組實(shí)驗(yàn)所得白光色坐標(biāo)位置相差甚微，這說明其光色品質(zhì)相當(dāng)。由效率η測試結(jié)果可以看出，激發(fā)源光譜寬度增加，效率η呈下降的變化趨勢。當(dāng)光譜寬度由5 nm增加到18 nm時(shí)，效率η降低了6.03，變化幅度較小；當(dāng)光譜寬度由18 nm增加到25 nm時(shí)，效率η降低了29.91，變化幅度較大。這表明光譜在不同范圍時(shí)的效率η的變化速率不同。

實(shí)驗(yàn)所得白光光譜如圖5所示。隨著激發(fā)源光譜寬度的增加，光源混合光譜發(fā)生了改變，混合光譜中藍(lán)光光譜逐漸展寬，這會(huì)影響熒光粉對(duì)激發(fā)光的利用率；同時(shí)，熒光光譜功率在白光中所占比重逐漸增大，即有更多的激發(fā)光轉(zhuǎn)換為熒光，進(jìn)而減少了光源的總光通量。

圖4 測試所得白光色坐標(biāo)

由此可知，激發(fā)源光譜寬度的增加，改變了光源光譜分布，最終導(dǎo)致激發(fā)源輻射通量轉(zhuǎn)換為可見光范圍內(nèi)光通量的效率η呈降低的趨勢。這也間接說明在激發(fā)源電光轉(zhuǎn)換效率一致的情況下，激發(fā)同一種熒光粉時(shí)，激發(fā)源光譜寬度越窄則光源光效越高。

圖5 白光光譜隨激發(fā)源光譜寬度的變化關(guān)系

Fig.5 Variation of the spectrum with the change of spectral width

4 結(jié) 論

熒光轉(zhuǎn)換型白光是目前固態(tài)照明領(lǐng)域獲取白光光源的主流技術(shù)。本文通過光譜計(jì)算的方法，研究了不同的激發(fā)源光譜對(duì)其輻射通量轉(zhuǎn)換效率η的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)光譜寬度較小時(shí)，轉(zhuǎn)換效率隨光譜寬度的增加而緩慢降低；當(dāng)光譜寬度大于18 nm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率急劇下降。每種熒光粉都有其理想激發(fā)源光譜寬度范圍，在此范圍內(nèi)激發(fā)源輻射通量轉(zhuǎn)換效率高且受其光譜寬度影響較弱。在同樣輻射效率的前提下，隨激發(fā)源光譜寬度的增加，效率η整體呈降低趨勢。且對(duì)應(yīng)于特定熒光粉，激發(fā)源會(huì)有一個(gè)比較適合的光譜寬度范圍。在此范圍之內(nèi)，隨激發(fā)源光譜寬度的增加，效率η的變化相對(duì)穩(wěn)定。本文研究結(jié)論可在熒光轉(zhuǎn)換白光光源的應(yīng)用中，為熒光粉選取最佳激發(fā)源提供理論計(jì)算依據(jù)。

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劉選福(1989-)，男，遼寧朝陽人，碩士研究生，2013年于大連大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體照明器件的研究。

E-mail： x_f_liu@yeah.net

于晶杰(1974-)，女，遼寧大連人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，2013年于大連理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體照明發(fā)光材料以及光源器件的研究。

E-mail: yujingjie@dlpu.edu.cn

李德勝(1980-)，男，山東臨沂人，博士，講師，2009年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事激光應(yīng)用技術(shù)及照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的研究。

E-mail： desheng@dlpu.edu.cn

Influence of Excitation Spectrum Width on Conversion Efficiency of Radiation Lux

LIU Xuan-fu, YU Jing-jie*, LI De-sheng*, CAO Guan-ying

(ResearchInstituteofPhotonics,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:yujingjie@dlpu.edu.cn；desheng@dlpu.edu.cn

In order to improve the efficiency of radiation flux color of phosphors converted light emitting diode (PC-LED), the phosphors with excitation source system were established and the relationship of phosphors and chip was investigated. The influence of a different excitation spectrum width on white light conversion efficiency of radiation flux was investigated with YAG phosphors as the objects of spectrum calculation method. The calculating result was confirmed by taking the measurements of the remote phosphors (YAG) with different spectrum width excitation light. The calculation and experimental results indicate that the conversion efficiency falls slowly with the increase of spectrum width when the spectral width is small, and the conversion efficiency sharply declines when the spectral width is larger than 18 nm. Each phosphor has its ideal excitation source spectral width. In this range, the efficiency of excitation radiation flux is higher and the impact of spectral width is weaker.

white light source; excitation spectrum width; spectrum; radiation flux

1000-7032(2016)09-1050-06

2016-05-05；

2016-05-26

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(LJQ2014055)； 遼寧省自然科學(xué)基金(2014026004)； 大連市引智項(xiàng)目(大人社發(fā)[2013]189)資助

TN249； TN302

A

10.3788/fgxb20163709.1050