黃敏航， 邾強(qiáng)強(qiáng)， 孟 遙， 胡翔宇， 張 宏， 王 樂(lè)

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

1 引 言

自從20世紀(jì)90年代發(fā)光二極管(LED)問(wèn)世以來(lái)，白光LED就由于節(jié)能、高效等優(yōu)點(diǎn)取得了巨大的成功[1-2]。然而,藍(lán)光LED芯片存在“效率下降”問(wèn)題，使得其不適合大功率、高亮度的固態(tài)照明應(yīng)用[3-4]。藍(lán)色激光二極管(LDs)與藍(lán)光LED芯片相比沒(méi)有上述問(wèn)題，它的效率隨著電流密度的增加而線(xiàn)性增加。因此，將藍(lán)色LDs與熒光轉(zhuǎn)換材料相結(jié)合，即激光照明技術(shù)，成為獲得大功率、高亮度白光照明器件的有效途徑[5-8]。

由于高能量激光激發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，為了保證激光照明器件在工作時(shí)具有良好的發(fā)光性能及長(zhǎng)時(shí)間發(fā)光穩(wěn)定性，需要激光照明應(yīng)用熒光轉(zhuǎn)換材料具有優(yōu)異的散熱性能及高溫發(fā)光穩(wěn)定性。而傳統(tǒng)的固態(tài)照明封裝材料(如有機(jī)樹(shù)脂等)不但導(dǎo)熱系數(shù)較低，而且在長(zhǎng)時(shí)間、高功率激發(fā)光照射下也會(huì)出現(xiàn)變黃的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整個(gè)照明器件性能劣化[9-10]。因此，為了實(shí)現(xiàn)激光照明技術(shù)在大功率、高亮度白光照明領(lǐng)域的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)新材料體系熒光轉(zhuǎn)換材料并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)配置成為當(dāng)前研究工作的重點(diǎn)。

當(dāng)前，熒光陶瓷及熒光玻璃材料已經(jīng)在激光照明領(lǐng)域初步展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景[11-13]。其中，熒光陶瓷具有超高的熱導(dǎo)率和良好的光學(xué)性能，但其需要通過(guò)高溫?zé)Y(jié)過(guò)程(如真空燒結(jié)、SPS燒結(jié))和后續(xù)加工過(guò)程(如切割、拋光等)才能獲得，這使得其制造成本過(guò)高，目前還難以實(shí)現(xiàn)大批量商業(yè)化生產(chǎn)[14]。與熒光陶瓷材料相比，熒光玻璃材料的合成工藝相對(duì)更簡(jiǎn)單，但由于玻璃基體的導(dǎo)熱性能較差，導(dǎo)致熒光玻璃材料在激光的激發(fā)下發(fā)光效率和發(fā)光飽和閾值都比較低[15]，這一問(wèn)題也是目前限制熒光玻璃材料在激光照明技術(shù)中應(yīng)用的關(guān)鍵所在。為解決上述問(wèn)題，研究人員通過(guò)將熒光玻璃制備成薄膜并燒結(jié)在高導(dǎo)熱的藍(lán)寶石基板上以提高其發(fā)光飽和閾值，并同時(shí)在藍(lán)寶石基板上鍍上相應(yīng)的光學(xué)薄膜以提高其發(fā)光效率[16-17]。例如，針對(duì)當(dāng)前研究最為廣泛的黃色發(fā)光Y3Al5O12∶Ce3+(YAG∶Ce3+)體系熒光材料，鄭等將YAG∶Ce3+的熒光玻璃薄膜燒結(jié)在鍍有減反射膜和藍(lán)光透過(guò)膜的藍(lán)寶石基板上，在功率密度為11.2 W/mm2的藍(lán)色激光激發(fā)下，樣品的亮度達(dá)到了845 Mcd/m2[18]。然而,YAG∶Ce3+在激光照明領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，由于其發(fā)光光譜中缺乏紅光成分，導(dǎo)致其在藍(lán)色激光的激發(fā)下表現(xiàn)出較低的顯色性能。例如，魏等為了避免高溫合成過(guò)程對(duì)藍(lán)寶石基板上光學(xué)薄膜的影響，直接將鍍有減反射膜和藍(lán)光透過(guò)膜的藍(lán)寶石基板貼在YAG∶Ce3+熒光玻璃薄膜上進(jìn)行測(cè)試分析，雖然在10.3 W/mm2激光激發(fā)下樣品光通量可以達(dá)到1 709 lm，但最后的顯色指數(shù)Ra只能達(dá)到65[19]。因此,為滿(mǎn)足高顯色激光照明應(yīng)用對(duì)熒光材料的需求，急需尋找其他具有更好顯色性能的熒光材料。La3Si6N11∶Ce3+(LSN∶Ce3+)熒光材料由于其晶體結(jié)構(gòu)的特性，相比于YAG∶Ce3+可以表現(xiàn)出更高的顯色性和熱猝滅性能，同時(shí)其也具有優(yōu)異的物理、化學(xué)穩(wěn)定性和高發(fā)光效率，因此在激光照明領(lǐng)域也被廣泛關(guān)注[20-22]。例如，尤等在鍍有光學(xué)薄膜的高導(dǎo)熱藍(lán)寶石基板上燒結(jié)了LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜，其達(dá)到發(fā)光飽和閾值的激光功率密度為12.91 W/mm2，發(fā)光效率可以達(dá)到166.05 lm/W，最終激光照明器件也表現(xiàn)出更高的顯色性，可以達(dá)到70[23]。上述研究結(jié)果已初步表明 LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜在激光激發(fā)下可以獲得優(yōu)良的發(fā)光性能，同時(shí)也可以有效提高激光照明器件的顯色指數(shù)。值得注意的是，上述研究成果中都使用了鍍光學(xué)薄膜藍(lán)寶石來(lái)提升熒光玻璃薄膜材料的發(fā)光效率，但有關(guān)藍(lán)寶石基板上光學(xué)薄膜對(duì)熒光玻璃薄膜發(fā)光性能的具體影響卻沒(méi)有詳細(xì)研究。

在本工作中，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜在激光照明領(lǐng)域的應(yīng)用，我們首先在藍(lán)寶石基板上合成了LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜，并詳細(xì)分析了合成溫度、熒光粉和玻璃粉的比例以及熒光玻璃薄膜厚度對(duì)最終樣品發(fā)光性能的影響。在確定LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜的最佳工藝條件后，利用優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件在鍍藍(lán)光透過(guò)膜藍(lán)寶石基板上合成了最終的熒光玻璃薄膜樣品，并詳細(xì)研究了藍(lán)光透過(guò)膜的存在對(duì)熒光材料光通量、發(fā)光效率及發(fā)光飽和閾值的影響。最后獲得的LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品可以承受最大功率密度為12.73 W/mm2藍(lán)色激光的激發(fā)，發(fā)光效率可以達(dá)到157.6 lm/W，顯色指數(shù)相比YAG∶Ce3+提高了9%左右，可以達(dá)到74.9，在高顯色、高功率激光照明領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 熒光玻璃薄膜制備

實(shí)驗(yàn)原料：LSN∶Ce3+熒光粉是從北京Grirem公司購(gòu)買(mǎi)的商用產(chǎn)品；玻璃粉為K2O-Na2O-Al2O3-SiO2商用玻璃粉，玻璃粉軟化溫度點(diǎn)為710 ℃；使用的有機(jī)溶劑通過(guò)在高溫條件下混合松油醇、2-(2-丁氧乙氧基)乙酸乙酯和乙基纖維素(上海阿拉丁生化股份科技有限公司)獲得。熒光玻璃薄膜制備所使用的藍(lán)寶石基板購(gòu)自水晶光電公司，并鍍有藍(lán)光透過(guò)膜(Blue-pass，BP)，其中高低折射率材料分別為T(mén)a2O5和SiO2，厚度為～4 μm，藍(lán)寶石基板的尺寸為10 mm×10 mm×0.3 mm。

制備方法：熒光玻璃薄膜合成方法如圖1所示。首先將一定比例的LSN∶Ce3+熒光粉與玻璃粉(PtG比為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1)置于瑪瑙研磨缽中研磨攪拌混合，待混合均勻后滴入有機(jī)溶劑繼續(xù)研磨獲得具有粘性的混合漿料；將獲得的漿料通過(guò)刮刀涂覆的方法均勻刮涂到藍(lán)寶石基板未鍍藍(lán)光透過(guò)膜的一面，刮涂厚度由厚度為55 μm的膠帶來(lái)控制；最后將獲得的薄膜連同藍(lán)寶石基板一起在恒溫平臺(tái)上120 ℃加熱10 min，隨后放入馬弗爐中，在700～850 ℃的溫度下保溫10 min，待自然冷卻后，獲得熒光玻璃薄膜樣品。

圖1 熒光玻璃薄膜制備過(guò)程

為了確定熒光玻璃薄膜的最佳合成工藝，本工作首先在未鍍藍(lán)光透過(guò)膜藍(lán)寶石基板上研究了合成溫度、PtG比以及膜層厚度對(duì)樣品發(fā)光性能的影響。在確定熒光玻璃薄膜最佳合成工藝后，再利用優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件在鍍藍(lán)光透過(guò)膜藍(lán)寶石基板上合成了最終的熒光玻璃薄膜樣品。

2.2 熒光玻璃薄膜性能測(cè)試

采用X射線(xiàn)粉末衍射儀(D2 PHASER XRD)來(lái)確定熒光玻璃薄膜中各材料的物相；熒光玻璃薄膜透過(guò)率由紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-3600Plus)測(cè)量；光致發(fā)光光譜由熒光分光光度計(jì)(F4600)測(cè)得；用熒光顯微鏡(BX53M，OLYMPUS)來(lái)確定熒光玻璃薄膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)；熒光玻璃薄膜的量子效率(QE)和激光激發(fā)性能通過(guò)一個(gè)定制的熒光測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)量。測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。測(cè)試時(shí)，將熒光玻璃薄膜樣品安裝在積分球(美國(guó)藍(lán)菲光學(xué)，直徑30 cm)的樣品架上，通過(guò)一個(gè)藍(lán)光激光器(波長(zhǎng)450 nm，最大功率50 W)對(duì)樣品進(jìn)行激發(fā);使用激光功率計(jì)(OPHIR)測(cè)量激光功率的數(shù)值，由輸入電流來(lái)控制激光功率的大小，樣品上激光的光斑面積為0.785 mm2；熒光玻璃薄膜的發(fā)光信號(hào)采用CCD光譜儀(美國(guó)海洋光學(xué)HR4000)進(jìn)行采集分析。

圖2 激光激發(fā)發(fā)光測(cè)試系統(tǒng)

3 結(jié)果與討論

3.1 藍(lán)寶石基板及原料性能

圖3為原料玻璃粉、熒光粉及藍(lán)寶石基板的熒光顯微鏡照片。從圖3(a)中可以看出，本研究中使用的玻璃粉具有良好的顆粒分散性；從圖3(b)中可以看出，使用的LSN∶Ce3+熒光粉顆粒也具有良好的分散性，顆粒大小為10 μm左右，在藍(lán)光激發(fā)下表現(xiàn)為黃色發(fā)光。圖3(b)插圖為L(zhǎng)SN∶Ce3+熒光粉的熒光光譜，從中可以看到兩個(gè)發(fā)射峰，分別在535 nm和580 nm，這是由于Ce3+離子2F5/2和2F7/2兩個(gè)能級(jí)到5d軌道的躍遷引起的。正是由于LSN∶Ce3+的這一寬光譜特性，在藍(lán)光激發(fā)下可以獲得比傳統(tǒng)YAG∶Ce3+熒光粉更好的顯色效果。圖3(c)、(d)為本研究中使用的未鍍藍(lán)光透過(guò)膜及鍍藍(lán)光透過(guò)膜藍(lán)寶石基板的斷面微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖，可以看出，藍(lán)寶石基板的厚度為～300 μm，藍(lán)光透過(guò)膜的厚度為～4 μm，藍(lán)寶石基板內(nèi)部為致密透明結(jié)構(gòu)。LSN∶Ce3+熒光粉體及玻璃粉良好的微觀(guān)形貌有利于熒光相在玻璃基質(zhì)中的均勻分散，而致密透明結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石基底有利于最終熒光玻璃薄膜散熱性能及發(fā)光性能的提升。

圖3 (a)～(b)玻璃粉與熒光粉的微觀(guān)圖像(插圖為L(zhǎng)SN∶Ce3+的熒光光譜)；(c)～(d)未鍍藍(lán)光透過(guò)膜和鍍藍(lán)光透過(guò)膜的藍(lán)寶石基板的斷面微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖。

3.2 藍(lán)寶石基板高溫穩(wěn)定性

本研究中使用的藍(lán)寶石基板上鍍有藍(lán)光透過(guò)膜，因此藍(lán)寶石基板及其上面藍(lán)光透過(guò)膜的熱穩(wěn)定性就成為了影響熒光玻璃薄膜最終發(fā)光性能的重要因素之一。為了確定高溫合成條件對(duì)藍(lán)光透過(guò)膜性能的影響，本工作首先根據(jù)LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜的合成工藝，將藍(lán)寶石基板在空氣氣氛條件下分別于600，700，800，900 ℃高溫條件下保溫10 min，研究了不同溫度煅燒處理對(duì)鍍膜藍(lán)寶石基板透過(guò)率及藍(lán)光透過(guò)光效的影響。

如圖4(a)所示，未鍍藍(lán)光透過(guò)膜的藍(lán)寶石基板在可見(jiàn)光波段都表現(xiàn)出透過(guò)特性，最大直線(xiàn)透過(guò)率為86%；而鍍有藍(lán)光透過(guò)膜的藍(lán)寶石基板只在藍(lán)光波段表現(xiàn)出透過(guò)特性，且相比未鍍膜藍(lán)寶石基板在藍(lán)光波段具有更高的透過(guò)率。對(duì)鍍膜藍(lán)寶石基板進(jìn)行高溫煅燒處理以后，通過(guò)比較不同溫度處理后其直線(xiàn)透過(guò)率的變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著煅燒溫度的升高，鍍膜藍(lán)寶石基板在藍(lán)光波段的透過(guò)率具有一定程度的下降，但仍然高于未鍍膜藍(lán)寶石樣品的透過(guò)率。值得注意的是，在經(jīng)過(guò)高溫處理后，鍍膜藍(lán)寶石基板的透過(guò)率曲線(xiàn)向長(zhǎng)波方向有一定的偏移，這主要是由于藍(lán)光透過(guò)膜的厚度變化所引起的[24-25]。從圖4(b)中可以看出，在藍(lán)寶石基板上鍍上藍(lán)光透過(guò)膜后，藍(lán)色激光的透過(guò)光通量可以獲得10%的提高，這一特性也有利于最終熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光效率的提升。

圖4 (a)藍(lán)寶石基板在不同熱處理溫度后的直線(xiàn)透過(guò)率；(b)鍍光學(xué)薄膜前后光通量與藍(lán)色激光入射功率的關(guān)系，插圖為藍(lán)光透過(guò)膜對(duì)熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光效果的影響(藍(lán)光從左向右)。

上述結(jié)果表明，藍(lán)寶石基板上的藍(lán)光透過(guò)膜在高溫條件下具有非常優(yōu)異的穩(wěn)定性。藍(lán)光透過(guò)膜的存在一方面會(huì)提高藍(lán)色激光的透過(guò)光通量，另一方面也會(huì)由于只透過(guò)藍(lán)光的特性對(duì)熒光玻璃薄膜的發(fā)光形成向前的反射，從而提高最終熒光玻璃薄膜的發(fā)光效率(圖4(c))。

3.3 合成溫度研究

在本研究中，需要通過(guò)高溫?zé)Y(jié)過(guò)程將LSN∶Ce3+熒光粉分散到玻璃基質(zhì)中并與藍(lán)寶石基板進(jìn)行結(jié)合。根據(jù)已發(fā)表的研究成果[26-27]，熒光玻璃材料的最佳合成溫度一般都在玻璃粉的軟化溫度點(diǎn)之上，因此本工作中為了確定熒光玻璃薄膜的最佳燒結(jié)溫度，通過(guò)控制LSN∶Ce3+熒光粉與玻璃粉的比例在1∶1，在玻璃粉軟化溫度附近(700，750，800，850 ℃)合成了一系列厚度為～50 μm的LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品，并對(duì)樣品的物相、透過(guò)率及發(fā)光效率進(jìn)行了研究。

圖5(a)為熒光粉、玻璃粉、藍(lán)寶石基板和800 ℃下獲得的LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品的XRD圖，從熒光玻璃薄膜樣品的XRD圖中可以清晰看到LSN∶Ce3+熒光相及藍(lán)寶石基板結(jié)構(gòu)的存在[28-29]，其中LSN∶Ce3+熒光相與原始熒光粉的XRD保持一致，這表明LSN∶Ce3+熒光粉可以在高溫合成過(guò)程中保持穩(wěn)定。圖5(b)為合成溫度對(duì)熒光玻璃薄膜樣品透過(guò)率的影響，通過(guò)圖5(b)可以看出，在合成溫度從750 ℃升高到800 ℃之后，熒光玻璃薄膜樣品的透過(guò)率有了顯著的提升，從32%提高到了47%。這是由于合成溫度在750 ℃時(shí)樣品還沒(méi)有形成致密的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致樣品具有較低的透過(guò)率。而在合成溫度達(dá)到800 ℃后，進(jìn)一步升高合成溫度到850 ℃則對(duì)樣品的透過(guò)率影響不大。除了透過(guò)性能，溫度也是影響熒光玻璃薄膜樣品的發(fā)光效率的重要因素，圖5(c)、(d)分別給出了熒光玻璃薄膜樣品在不同燒結(jié)溫度下的歸一化發(fā)光光譜及內(nèi)外量子效率測(cè)試結(jié)果。從圖5(c)中可以看出，熒光玻璃薄膜與原始熒光粉體發(fā)光波長(zhǎng)保持一致，這進(jìn)一步表明高溫合成過(guò)程并未對(duì)LSN∶Ce3+熒光粉的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。從圖5(d)可以看出，對(duì)于700 ℃和750 ℃獲得的樣品，由于此時(shí)熒光玻璃薄膜還未實(shí)現(xiàn)致密化，其中的熒光粉無(wú)法被充分激發(fā)，因此表現(xiàn)出較低的量子效率。隨著溫度的升高，熒光玻璃薄膜樣品的發(fā)光效率在800 ℃時(shí)達(dá)到最高(IQE=61%，EQE=45%)，進(jìn)一步提高合成溫度則會(huì)導(dǎo)致樣品EQE出現(xiàn)微小下降。與原始LSN∶Ce3+熒光粉體相比(IQE=77%，EQE=56%)，高溫合成過(guò)程會(huì)導(dǎo)致其發(fā)光效率出現(xiàn)一定程度的下降，因此針對(duì)熒光玻璃薄膜樣品的合成，需要在保證樣品透過(guò)性能的前提下，盡可能降低合成溫度。綜合考慮合成溫度對(duì)熒光玻璃薄膜樣品透過(guò)率和發(fā)光性能的影響，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇800 ℃作為最佳燒結(jié)溫度。

圖5 (a)熒光粉、玻璃粉、藍(lán)寶石基板和熒光玻璃薄膜樣品的XRD圖；不同制備溫度下LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜的透過(guò)率曲線(xiàn)(b)、光致發(fā)光光譜(c)、內(nèi)量子效率(IQE)和外量子效率(EQE)(d)。

3.4 微觀(guān)結(jié)構(gòu)研究

為了研究熒光玻璃薄膜樣品的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特性，我們對(duì)上述800 ℃獲得的熒光玻璃薄膜樣品也進(jìn)行了熒光顯微結(jié)構(gòu)研究。圖6(a)、(b)為熒光玻璃薄膜樣品的斷面和表面熒光顯微圖像。從圖6(a)中可以看出，藍(lán)寶石基板上熒光玻璃薄膜的厚度為～50 μm，與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的膠帶厚度基本保持一致。同時(shí)，熒光玻璃薄膜與藍(lán)寶石基板結(jié)合緊密，清晰的界面結(jié)構(gòu)表明在高溫合成條件下熒光玻璃薄膜與藍(lán)寶石基板沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。從圖6(b)中可以看出，原始熒光粉體顆粒在玻璃基質(zhì)中保持了完好的形貌，這表明熒光粉體與玻璃基質(zhì)之間也沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重反應(yīng)。這一結(jié)果對(duì)于保持最終樣品的光學(xué)性能具有重要作用。

圖6 熒光玻璃薄膜樣品的斷面(a)和表面(b)熒光顯微圖像

3.5 PtG比和膜層厚度研究

除了合成溫度以外，熒光粉和玻璃粉的比例(PtG比)以及膜層厚度也是影響最終LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光性能的重要因素。圖7(a)是PtG比(厚度為～50 μm)對(duì)熒光玻璃薄膜樣品透過(guò)率及IQE的影響。從圖中可以看出，由于熒光相和玻璃相折射率的差別，隨著熒光玻璃薄膜中LSN∶Ce3+熒光相含量的提高，樣品的透過(guò)率顯著下降，特別是在PtG比達(dá)到2∶1時(shí)透過(guò)率下降明顯，而樣品的IQE則隨著PtG比的提高有少量提升。圖7(a)中也給出了不同PtG比熒光薄膜樣品的熒光顯微圖，從圖中也可以看出，隨著LSN∶Ce3+熒光相的增加，連續(xù)玻璃相變得越來(lái)越難看到，這也是樣品透過(guò)率降低的原因。圖7(b)是膜層厚度對(duì)熒光玻璃薄膜樣品(PtG比為1∶1)透過(guò)率及IQE的影響，可以看出樣品的透過(guò)率隨著膜層厚度的增加而不斷下降，而膜層厚度對(duì)樣品IQE的影響則較小。通過(guò)對(duì)圖7(a)、(b)數(shù)據(jù)的分析可知，PtG比為 1∶1、膜層厚度為～50 μm的樣品具有比較好的綜合性能。

圖7 (a)熒光玻璃薄膜樣品的IQE和在550 nm處的透過(guò)率隨PtG比的變化(插圖為不同PtG比樣品的熒光顯微圖)；(b)熒光玻璃薄膜樣品的IQE和在550 nm處的透過(guò)率隨樣品厚度的變化。

3.6 激光激發(fā)發(fā)光性能

為了進(jìn)一步確定PtG比及膜層厚度對(duì)LSN∶Ce3+熒光薄膜樣品發(fā)光性能的影響，本工作也對(duì)樣品在藍(lán)色激光激發(fā)下的發(fā)光效率及發(fā)光飽和閾值進(jìn)行了詳細(xì)研究。圖8為不同PtG比、不同膜層厚度熒光薄膜樣品的激光激發(fā)性能，從圖中可以看出所有樣品的光通量都隨著激光功率的提高不斷增加，在達(dá)到一定激光功率下均會(huì)出現(xiàn)發(fā)光飽和問(wèn)題。由于膜層厚度的增加會(huì)影響樣品在激光激發(fā)下的散熱性能，因此圖8中LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品的激光飽和閾值會(huì)隨著膜層厚度的增加而下降。關(guān)于圖8中熒光玻璃薄膜樣品光通量的變化規(guī)律：從圖7(a)中可以看出，在PtG比值為1∶1和1∶2時(shí)，50 μm厚熒光玻璃樣品的透過(guò)率在45%以上，由于此時(shí)樣品的透過(guò)率較高，在一定范圍內(nèi)增加膜層厚度，樣品依然可以保持適當(dāng)?shù)耐高^(guò)性能(圖7(b))，樣品的光通量會(huì)隨著膜層厚度增加出現(xiàn)少量提升(圖8(a)、(b))；對(duì)于PtG比值為2∶1和3∶1的樣品，50 μm厚熒光玻璃樣品的透過(guò)率已經(jīng)在30%以下(圖7(a))，由于此時(shí)樣品的透過(guò)率已經(jīng)很低，提高樣品的膜層厚度會(huì)直接導(dǎo)致樣品的光通量下降。通過(guò)上述結(jié)果可以看出，在保證熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光性能的前提下，樣品膜層的厚度越小越有利其發(fā)光飽和閾值的提高。為了更清楚地確定PtG比對(duì)樣品激光激發(fā)性能的影響，圖9進(jìn)一步給出了～50 μm膜層厚度下不同PtG比樣品在激光激發(fā)下的光通量、發(fā)光效率以及發(fā)光飽和閾值，從圖中可以看出樣品的光通量以及發(fā)光飽和閾值都會(huì)隨著LSN∶Ce3+熒光相的增加而產(chǎn)生一定程度的下降，而樣品的發(fā)光效率在PtG比為1∶1時(shí)達(dá)到最高。樣品光通量的下降主要是由于樣品透過(guò)率隨PtG比增大而降低引起的(圖7(a))，而發(fā)光飽和閾值的下降則是由于LSN∶Ce3+熒光相的增加會(huì)影響連續(xù)相玻璃導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成，從而降低了熒光玻璃薄膜膜層的導(dǎo)熱效果[30]。因此，通過(guò)圖8和圖9可以進(jìn)一步確定，在使用未鍍藍(lán)光透過(guò)膜的藍(lán)寶石基板時(shí)，LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品在膜層厚度為～50 μm、PtG比為1∶1時(shí)具有最佳的發(fā)光性能，其最大光通量可以達(dá)到797 lm，發(fā)光效率為79.7 lm/W，發(fā)光飽和閾值可以達(dá)到13.37 W/mm2。

圖8 PtG比為1∶2(a)、1∶1(b)、2∶1(c)和3∶1(d)熒光玻璃薄膜樣品在藍(lán)色激光激發(fā)下的發(fā)光性能。

圖9 不同PtG比熒光玻璃薄膜樣品的光效、光通量及發(fā)光飽和閾值。

3.7 藍(lán)光透過(guò)膜對(duì)激光激發(fā)性能的影響

為了明確藍(lán)光透過(guò)膜的存在對(duì)LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光性能的提升作用，本工作最后根據(jù)上述優(yōu)化的工藝條件在鍍膜藍(lán)寶石基板上合成了最終的熒光玻璃薄膜樣品，并對(duì)鍍膜藍(lán)寶石和未鍍膜藍(lán)寶石熒光玻璃薄膜樣品的發(fā)光性能進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比研究。圖10(a)、(b)分別為樣品的激光激發(fā)發(fā)光光譜及不同功率激光激發(fā)下的光通量測(cè)試結(jié)果。從圖10(a)、(b)中可以看出，由于藍(lán)光透過(guò)膜可以提高藍(lán)光的透過(guò)率，同時(shí)提高樣品的正向黃光發(fā)射，在激光激發(fā)下，與未鍍藍(lán)光透過(guò)膜的樣品相比(圖9)，鍍膜樣品的黃光比例有明顯的提升，最大光通量和發(fā)光效率提高了接近1倍，分別達(dá)到了1 497 lm和 157.6 lm/W。而針對(duì)發(fā)光飽和閾值，鍍膜樣品可以達(dá)到12.73 W/mm2，與未鍍膜樣品(13.37 W/mm2)基本保持一致。以上結(jié)果表明藍(lán)光透過(guò)膜的存在對(duì)熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光性能具有明顯的提升作用，同時(shí)也不會(huì)對(duì)樣品的激光飽和閾值產(chǎn)生很大的影響。圖10(a)中也給出了鍍膜前后熒光薄膜樣品在激光激發(fā)下的發(fā)光圖、顯色指數(shù)Ra、CCT以及CIE色坐標(biāo)參數(shù)，從結(jié)果中可以看出，在藍(lán)色激光激發(fā)下，LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜可以獲得白色發(fā)光，CIE色坐標(biāo)為(0.315 9，0.315 7)，Ra可以達(dá)到74.9，此時(shí)CCT為6 422 K。對(duì)比圖10(a)中鍍膜樣品的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鍍藍(lán)光透過(guò)膜對(duì)樣品Ra的影響較小(72.3→74.9)，但藍(lán)、黃光比例的改變會(huì)對(duì)樣品CCT和CIE產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)報(bào)道的結(jié)果，單一YAG∶Ce熒光薄膜在藍(lán)色激光激發(fā)下Ra為68.9[19]，這表明在激光照明中使用LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜可以獲得更好的白光照明效果。圖10(b)中也給出了鍍膜熒光玻璃薄膜發(fā)光性能隨時(shí)間變化的關(guān)系圖，從圖中可以看出，在9 W藍(lán)色激光激發(fā)下，樣品的光通量可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，這表明LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜在高功率激光激發(fā)下熱穩(wěn)定性良好。

圖10(c)、(d)為不同激光功率下熒光玻璃薄膜樣品的發(fā)光光譜。值得注意的是，由于溫度猝滅現(xiàn)象的發(fā)生，鍍膜樣品在激光功率密度從12.73 W/mm2提高到13.37 W/mm2、未鍍膜樣品在激光功率密度從13.37 W/mm2提高到13.99 W/mm2時(shí)，樣品的發(fā)光光譜都會(huì)產(chǎn)生明顯的紅移現(xiàn)象，這也進(jìn)一步表明高功率激光激發(fā)下產(chǎn)生的高溫?zé)晒忖缡前l(fā)光飽和現(xiàn)象產(chǎn)生的重要原因之一[18,22]。

圖10 (a)～(b)藍(lán)光透過(guò)膜對(duì)熒光玻璃薄膜樣品發(fā)光光譜和激光激發(fā)發(fā)光性能的影響；(c)～(d)未鍍膜和鍍膜熒光玻璃薄膜樣品在不同激光功率密度激發(fā)下的發(fā)光光譜。

4 結(jié) 論

本工作首先在藍(lán)寶石基板上合成了LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜，并詳細(xì)分析了合成溫度、熒光粉和玻璃粉的比例以及熒光玻璃薄膜厚度對(duì)最終材料發(fā)光性能的影響。通過(guò)對(duì)熒光玻璃薄膜透過(guò)率、發(fā)光效率以及發(fā)光飽和閾值性能的綜合分析，在800 ℃條件下獲得了性能優(yōu)異的LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜(PtG比為1∶1，厚度為～50 μm)。在確定了LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜的最佳工藝條件后，利用優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件在鍍藍(lán)光透過(guò)膜藍(lán)寶石基板上合成了最終的熒光玻璃薄膜樣品，詳細(xì)研究了藍(lán)光透過(guò)膜的存在對(duì)熒光材料光通量、發(fā)光效率以及發(fā)光飽和閾值的影響。由于藍(lán)光透過(guò)膜可以提高藍(lán)光的透過(guò)率，同時(shí)提高樣品的正向黃光發(fā)射，在激光激發(fā)下，與未鍍藍(lán)光透過(guò)膜的樣品相比，鍍膜樣品的最大光通量和發(fā)光效率提高了接近1倍，分別達(dá)到了1 497 lm和157.6 lm/W，其發(fā)光飽和閾值為12.73 W/mm2，與未鍍膜樣品的基本一致。此外，LSN∶Ce3+熒光玻璃薄膜相比YAG∶Ce3+表現(xiàn)出了更好的顯色性，顯色指數(shù)可以達(dá)到74.9，進(jìn)一步表明其在高顯色、高功率激光照明領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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