王志平， 曹銀花， 劉友強， 邱運濤， 王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院， 北京 100124)

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熒光粉層厚度對激光照明的影響

王志平， 曹銀花*， 劉友強*， 邱運濤， 王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院， 北京 100124)

針對熒光粉層厚度對激光照明的影響展開研究，采用自行設(shè)計的反射式照明模塊進(jìn)行測試，利用獨創(chuàng)的熒光粉層厚度確定方案精確地確定厚度。通過實驗分析得出：隨著熒光粉層厚度的增加，光通量逐漸增大，在熒光粉層厚度達(dá)到600 μm之后呈現(xiàn)下降趨勢；在熒光粉層厚度達(dá)到600 μm之前，藍(lán)光含量呈下降趨勢，600 μm后略有上升，但整體趨于穩(wěn)定；色溫與藍(lán)光含量變化趨勢相同，存在正比關(guān)系。同時，本文還驗證了光分布密度對激光照明有很大影響。

激光照明； 層厚度； 光通量； 藍(lán)光含量； 色溫

1 引 言

1999年，中村修二等成功研制出了藍(lán)光半導(dǎo)體激光器(LD)[1]。隨著藍(lán)光LD技術(shù)的成熟，藍(lán)光LD現(xiàn)已具備了用于照明領(lǐng)域的條件。2014年12月8日，在瑞典斯德哥爾摩大學(xué)舉行的諾貝爾獎紀(jì)念演講上，中村修二表示：LED存在“光效下降”問題，其發(fā)光效率會隨著亮度的增加而下降。與LED照明相比，LD不存在這一問題，激光照明可實現(xiàn)非常高的效率。他預(yù)計激光照明將來會取代LED照明[2]。至此，有許多人開始著手激光照明的研究，涉及面較廣，主要包括液晶顯示的背光照明、轎車的激光大燈、室內(nèi)室外照明、投影顯示等。

2011年9月，德國寶馬公司宣稱將致力于高亮度的激光車燈的研發(fā)，并有望將激光車燈應(yīng)用于其 I8 概念車上。寶馬公司認(rèn)為：激光車燈技術(shù)必將是 LED 車燈技術(shù)未來的接班者，激光光源比 LED 光源亮 1 000 倍[3]，并且體積更小，在使用率及可靠性能方面大大優(yōu)于 LED 光源。2011年11月，深圳光峰光電有限公司在第十三屆高交會現(xiàn)場展示了其公司研發(fā)的“遠(yuǎn)程高頻振動(旋轉(zhuǎn))熒光粉”技術(shù)[4]，該技術(shù)突破了當(dāng)前激光投影顯示技術(shù)的瓶頸，大大降低了使用純激光光源的生產(chǎn)成本。2013 年 6 月，日本大板的松下公司采用近紫外半導(dǎo)體激光和新型熒光粉技術(shù)開發(fā)出10 000 lm 的白光光源[5]。2014年5月，奧迪公司率先發(fā)布了配備激光大燈的 R8 LMX車型[6]。

激光照明的種種優(yōu)勢在研究和發(fā)展中逐漸體現(xiàn)出來，并將逐漸被人們認(rèn)可。從激光照明光源的現(xiàn)階段情況來看，激光照明具有亮度大、光效高、顯色指數(shù)高、藍(lán)光含量低等優(yōu)點，但是這些優(yōu)點的體現(xiàn)都是受一種或幾種因素所制約，那么就很有必要對影響激光照明的因素進(jìn)行研究。本文將就熒光粉層厚度對激光照明的影響展開研究，分析光通量、藍(lán)光含量、色溫隨熒光粉層厚度的變化情況，為以后的激光照明研究打下基礎(chǔ)。

2 實 驗

藍(lán)光LD照明采用的方式與LED照明基本相同，都是通過激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光。文獻(xiàn)表明，熒光粉層的厚度對LED發(fā)光的光通量、色溫以及顯色指數(shù)有很大影響：當(dāng)熒光粉濃度固定時，隨著粉層厚度的增加，樣品的色溫和顯色指數(shù)都變小，而光效率和光通量都變大[7]。因此，本實驗將從熒光粉層厚度對激光照明的藍(lán)光含量、色溫以及光通量的影響著手研究。

2.1 實驗理論

目前，利用 LED 技術(shù)實現(xiàn)白光的方法主要有3種：三基色LED 直接混色法、紫外轉(zhuǎn)換法和藍(lán)光芯片加黃色熒光粉法[8-9]。其中三基色LED直接混色法是通過紅綠藍(lán)三色LED芯片組合封裝，按適當(dāng)比例匹配，使得3種顏色的光混合成白光。但是這種方法安裝結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜而且各色 LED的光衰有差異，會造成使用過程中變色, 使混合的白光穩(wěn)定性較差。紫外轉(zhuǎn)換法是通過紫外光LED芯片激發(fā)紅綠藍(lán)熒光粉，并通過調(diào)控?zé)晒夥鄣谋壤M(jìn)而產(chǎn)生白光，但是這種方法存在紫外輻射的缺陷。藍(lán)光芯片加黃色熒光粉法是通過藍(lán)光激發(fā)黃光熒光粉，激發(fā)產(chǎn)生的黃光與未被吸收的藍(lán)光混合產(chǎn)生白光[10]。這種方法采用單一熒光粉，不存在光衰差異的問題，而且轉(zhuǎn)換效率高，操作較易實現(xiàn),是目前制作白光 LED 的主要方向。因此本實驗同樣采用這種藍(lán)光芯片加黃色熒光粉實現(xiàn)白光的方案。

現(xiàn)階段傳統(tǒng)的LED封裝方式是將熒光粉與配粉膠混合均勻，直接涂在焊好線的芯片上[11-12]。這種工藝會導(dǎo)致LED 器件存在一定缺陷[13-16]: 芯片直接接觸熒光粉，影響散熱使芯片工作溫度升高，導(dǎo)致熒光粉產(chǎn)生光衰和色坐標(biāo)偏移。因此，為了減弱這個問題，不少科研機構(gòu)開始采用遠(yuǎn)程熒光粉的方法，將熒光粉層與發(fā)光芯片遠(yuǎn)離便于熒光粉層散熱，以提高光源流明數(shù)[7,17-18]。本次實驗同樣采取遠(yuǎn)程熒光粉的方法。

根據(jù)以上思路，我們設(shè)計了一款反射式藍(lán)光LD照明模塊，制作了不同厚度的熒光粉層結(jié)合模塊出光進(jìn)行光通量及光譜測量，并處理數(shù)據(jù)繪制曲線，分析曲線變化。藍(lán)光含量按公式(1)計算，其中可見光部分的輻射光譜按380～780 nm進(jìn)行積分，藍(lán)光波段按380～450 nm進(jìn)行積分[19]。

(1)

其中α為藍(lán)光含量，λ為波長，φe為儀器測得的光輻射曲線擬合出的函數(shù)。

2.2 實驗設(shè)定

我們采用的激光光源為歐司朗公司的型號為PL TB450B的藍(lán)光激光管，功率為1.6 W，封裝形式為TO-56。采用的熒光粉為英美特公司的YAG-04，其D50為(13±2) μm，發(fā)射峰為(558±2) nm。光通量及光譜測量采用的是臺灣尚澤光電的SRI-2000LM LED照度流明光譜色彩計。

2.2.1 反射式藍(lán)光LD照明模塊

通過實驗原理部分的相關(guān)分析，我們在Zemax軟件中構(gòu)建出大體的激光照明模塊，通過優(yōu)化透鏡組合對TO管發(fā)出的光進(jìn)行整形，以便于光更好地照在熒光粉上減少光線損失(圖1)，并對優(yōu)化后的模塊進(jìn)行光線追跡逐步優(yōu)化改進(jìn)，模擬的最終結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。構(gòu)建激光照明模塊時，充分做到熒光粉層遠(yuǎn)離藍(lán)光LD，有利于散熱并可以進(jìn)一步提高出光流明。

按照理論模擬，我們制作出了激光照明模塊，如圖4所示。

2.2.2 定厚度熒光粉層的制作

我們利用塞尺定厚度以及聚四氟乙烯不粘膠的性質(zhì)組合起來確定熒光粉層厚度。將熒光粉層涂覆在熒光粉承載臺上，并通過計算涂覆前與涂覆后的高度差值進(jìn)行驗證，以保證做出的層厚為要求值，如圖5所示。

采用上述方案，按照膠粉比7∶3混合出熒光粉膠體并制作出厚度從100～800 nm變化的熒光粉層，熒光粉層面積為10 mm×10 mm。

2.2.3 設(shè)置LD照明實驗

對于LD實驗，我們采用自行設(shè)計的LD反射式照明模塊，將涂覆有不同厚度熒光粉層的熒光粉承載臺固定在毛玻璃內(nèi)側(cè)中心處，具體位置見圖2，點亮LD激發(fā)熒光粉，其發(fā)光過程如圖2所示。實驗過程中，我們采用臺灣固維的GPS-3303C直流輸出電源提供6 W的功率輸入，并采用SRI-2000LM LED照度流明光譜色彩計進(jìn)行測量。

3 結(jié)果與討論

實驗過程中，分別將帶有不同厚度熒光粉層的熒光粉承載臺固定于毛玻璃內(nèi)側(cè)中心處，并如圖2所示置于反光杯出光口處。直流電源為TO管供電出光，通過SRI-2000LM測量光通量及光譜。為了減少誤差，對每個厚度的熒光粉層激發(fā)出光測量2次，并記錄實驗數(shù)據(jù)且測量結(jié)果分別標(biāo)記為“未帶柱透鏡1”和“未帶柱透鏡2”。測量結(jié)束后，對LD照射在熒光粉層處的光斑大小進(jìn)行測量。測量結(jié)果表明，光斑面積為4 mm×6 mm，遠(yuǎn)小于熒光粉層面積，那么將光斑面積變大會對光通量以及藍(lán)光含量有什么影響呢？我們在照明模塊的透鏡組前添加一個柱透鏡，使照射在熒光粉上的光斑進(jìn)一步擴大，經(jīng)測量為6 mm×8 mm。重新測量不同熒光粉層下的出光光譜以及光通量，同樣對每個厚度的熒光粉層激發(fā)出光測量2次，測量結(jié)果分別標(biāo)記為“帶柱透鏡1”和“帶柱透鏡2”。在有無柱透鏡兩種情況下，熒光粉層厚度為600 μm時的SRI-2000LM的測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 熒光粉層厚度為600 μm時，SRI-2000LM的測量數(shù)據(jù)。(a)未帶柱面鏡；(b)帶柱面鏡。

Fig.6 SRI-2000LM measurement data for 600 μm phosphor layer without (a) and with (b) the cylindrical lens

對以上兩種情況的測量結(jié)果進(jìn)行處理，并取每種情況下各自兩次測量值的平均值，分別記為“不帶柱透鏡”和“帶柱透鏡”，利用Origin軟件進(jìn)行繪圖，結(jié)果見圖7。

從圖7中可以看出，隨著熒光粉層厚度的不斷增加，光通量值也同樣逐漸增加，但并不是簡單的線性增加。從兩種情況下的兩次測量可以看出走勢基本一樣，通過平均值的計算可以排除因測量誤差帶來的影響。在熒光粉層厚度達(dá)到600 μm之前，無論變化幅度大還是小，光通量基本都是增長趨勢；但當(dāng)熒光粉層厚度超過600 μm后，光通量卻呈現(xiàn)下降趨勢。此時熒光粉的轉(zhuǎn)化已飽和，激發(fā)產(chǎn)生的黃光會被其余未被激發(fā)的熒光粉吸收，使得流明數(shù)下降。從圖上可以看出，600 μm時光通量值為最大。

圖7 有無柱透鏡兩種情況下的光通量與熒光粉厚度的關(guān)系

Fig.7 Relationship between the luminous flux and phosphor thickness with/without cylinder lens

利用公式(1)對測量得到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到有無柱透鏡兩種情況下的藍(lán)光含量，并取每種情況下各自兩次計算值的平均值，分別記為“不帶柱透鏡”、“帶柱透鏡”，利用Origin軟件進(jìn)行繪圖，結(jié)果如圖8所示。

圖8 有無柱透鏡兩種情況下的藍(lán)光含量與熒光粉厚度的關(guān)系

Fig.8 Relationship between the blue light content and phosphor thickness with/without cylinder lens

從圖8中可以看出，藍(lán)光含量隨著熒光粉層厚度的增加而不斷減小，同樣不是簡單的線性關(guān)系。從兩種情況下的兩次測量可以看出走勢基本一樣，通過平均值的計算可以排除因測量誤差帶來的影響。從藍(lán)光含量與厚度關(guān)系曲線可以看出，在熒光粉層厚度達(dá)到600 μm前，藍(lán)光含量均呈下降趨勢；在熒光粉層厚度超過600 μm后，藍(lán)光含量呈現(xiàn)上升趨勢，但逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。此時熒光粉逐漸達(dá)到轉(zhuǎn)化飽和狀態(tài)，其轉(zhuǎn)換作用弱于散射作用，未被轉(zhuǎn)化的藍(lán)光由于散射作用的增強而被散射出去，使曲線出現(xiàn)波動，并逐漸趨于平衡狀態(tài)。

對有無柱透鏡兩種情況下測得的色溫值進(jìn)行處理，并取每種情況下各自兩次測量值的平均值，分別記為“不帶柱透鏡”、“帶柱透鏡”，利用Origin軟件進(jìn)行繪圖，結(jié)果如圖9所示。

Fig.9 Relationship between CRT and phosphor layer thickness

從圖9中可以看出，色溫隨厚度的變化與藍(lán)光含量的變化相似。在熒光粉層厚度達(dá)到600 μm之前，色溫隨著熒光粉層厚度的增加而減?。辉跓晒夥蹖雍穸瘸^600 μm以后，色溫的變化減緩，趨勢略有上升且呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)?？梢娝{(lán)光含量與色溫存在正比關(guān)系，即隨著藍(lán)光含量的減少，色溫也會不斷減小。

通過實驗可以驗證對以上曲線變化的分析。我們利用OPHIR公司的 NOVAⅡ型功率計，選擇450 nm的測量檔，分別測量不同熒光粉層厚度下的發(fā)光面中心處的功率值，結(jié)果如圖10所示。

從圖10可知，隨著熒光粉層厚度的增加，發(fā)光面中心功率值逐漸減小，600 μm以后略有上升。但從兩次測量的平均值來看，600 μm以后的發(fā)光面中心功率趨于平穩(wěn)。此時熒光粉趨于轉(zhuǎn)化飽和狀態(tài)，剩余未被激發(fā)的熒光粉會吸收激發(fā)產(chǎn)生的光，這就解釋了光通量隨熒光粉層厚度變化的現(xiàn)象；對于藍(lán)光含量以及色溫的變化情況，熒光粉轉(zhuǎn)化飽和后，對藍(lán)光幾乎不再吸收轉(zhuǎn)化，即此時的藍(lán)光剩余量幾乎是恒定的。

圖10 發(fā)光面中心處的功率隨熒光粉層厚度的變化

Fig.10 Power of the luminous surface centervs. phosphor layer thickness

4 結(jié) 論

研究了熒光粉層厚度對激光照明的影響，采用自行設(shè)計的反射式照明模塊進(jìn)行測試，利用獨創(chuàng)的熒光粉層厚度確定方案精確地確定厚度。光通量值隨著熒光粉層厚度的增加而逐漸增加，但當(dāng)厚度大于600 μm時呈現(xiàn)下降趨勢。此時熒光粉轉(zhuǎn)化已趨向飽和，激發(fā)產(chǎn)生的黃光會被其余未被激發(fā)的熒光粉吸收，使得流明數(shù)下降?？梢姛晒夥蹖雍穸葹?00 μm時光通量達(dá)到最大值。藍(lán)光含量隨著熒光粉層厚度的增加而逐漸減少，當(dāng)厚度大于600 μm時略有上升，但總體呈平穩(wěn)趨勢。此時熒光粉逐漸趨于轉(zhuǎn)化飽和狀態(tài)，其轉(zhuǎn)換作用弱于散射作用，未被轉(zhuǎn)化的藍(lán)光由于散射作用的增強而被散射出去，藍(lán)光含量出現(xiàn)略微提升現(xiàn)象?？梢娝{(lán)光含量在600 μm時為最小值。色溫與藍(lán)光含量的變化趨勢幾乎相同，兩者成正比例關(guān)系，即隨著藍(lán)光含量的減少，色溫也會不斷減小。通過對帶柱透鏡與不帶柱透鏡兩種情況下的測量，可以得出，光斑擴大后光通量、色溫以及藍(lán)光含量相對都有一定的提高，可見光分布密度對激光照明有很大影響，具體光斑大小(光分布密度)與光通量、色溫及藍(lán)光含量的關(guān)系還有待繼續(xù)實驗。

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王志平(1989-)，男，吉林柳河人，2010年于長春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合的研究。E-mail: wangzhiping@emails.bjut.edu.cn

曹銀花(1964-)，女，吉林長春人，博士，副研究員，2005年于北京理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)計算機輔助裝調(diào)技術(shù)等方面的研究。E-mail: caoyh@bjut.edu.cn

劉友強(1982-)，男，山東濰坊人，博士，2014年于北京工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事大功率半導(dǎo)體激光器設(shè)計及光纖耦合的研究。E-mail: lyq7806022@163.com

Effect of Phosphor Layer Thickness on Laser Illumination

WANG Zhi-ping, CAO Yin-hua*, LIU You-qiang*, QIU Yun-tao, WANG Zhi-yong

(College of Laser Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)*CorrespondingAuthors,E-mail:caoyh@bjut.edu.cn;lyq7806022@163.com

This paper launched research on the influence of the phosphor layer thickness of laser lighting, and adopted the self-designed reflex lighting module to test. The original scheme of making fixed thickness phosphor layer was used to determine the thickness accurately. With the increasing of the phosphor layer thickness, the flux increases gradually, and presents downtrend after the phosphor layer thickness is over 600 μm. The blue light content shows downtrend before the phosphor layer thickness is 600 μm, and rises slightly after 600 μm, but the overall is stability. The color temperature and blue light content have the same change trend with a proportional relationship. At the same time, this article also verifies the light distribution density has a great influence on the laser illumination.

laser illumination; phosphor layer thickness; luminous flux; blue light content; color temperature

1000-7032(2016)12-1484-07

2016-06-17；

2016-08-23

O482.31

A

10.3788/fgxb20163712.1484