□樊 婷 謝嘉寧 呂健滔

謝嘉寧，呂健滔;佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院理學(xué)院

一、引言

光源與照明專業(yè)作為21世紀(jì)我國(guó)高等教育的重點(diǎn)發(fā)展新興學(xué)科，對(duì)培養(yǎng)光電類應(yīng)用型人才有著重要的意義。目前對(duì)光源與照明專業(yè)人才的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)比較高，不但要求具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還要求具有較強(qiáng)的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力。為了實(shí)現(xiàn)這一培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)校在人才培養(yǎng)計(jì)劃中設(shè)置了大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，旨在使學(xué)生既可通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)鞏固理論知識(shí)，又可以提高實(shí)踐操作技能。因此，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與開展方式顯得尤為重要，只有不斷提高專業(yè)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)質(zhì)量，才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)［1，3］。本文重點(diǎn)討論如何豐富專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并以熒光粉光致發(fā)光特性實(shí)驗(yàn)作為例子，討論具體的實(shí)現(xiàn)措施。

二、傳統(tǒng)熒光粉光致發(fā)光特性實(shí)驗(yàn)的不足

傳統(tǒng)熒光粉光致發(fā)光特性實(shí)驗(yàn)一般包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:藍(lán)光激發(fā)黃色LED熒光粉和紫外光激發(fā)三基色熒光粉。由于實(shí)驗(yàn)只配備了激發(fā)裝置和光強(qiáng)測(cè)試儀，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)只能圍繞熒光粉的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度來(lái)展開，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容非常有限，可擴(kuò)展性也差。

(一)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一。由于實(shí)驗(yàn)所配備的儀器有限，只包含了激發(fā)裝置和光強(qiáng)測(cè)試儀，因此學(xué)生只能測(cè)量熒光粉的相對(duì)亮度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過(guò)于單一，信息量也少，學(xué)生無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解更多知識(shí)。

(二)未能體現(xiàn)出熒光粉發(fā)光特性的核心內(nèi)容。由光源的基本原理可知，除了發(fā)光強(qiáng)度之外，光的顏色等參數(shù)也是燈具設(shè)計(jì)的重要因素。特別是對(duì)于LED和熒光燈照明，發(fā)光顏色在很多場(chǎng)合都顯得尤為重要。因此，熒光粉的光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)必須包含色度學(xué)方面的內(nèi)容，但實(shí)際上，熒光粉的光致發(fā)光試驗(yàn)并未體現(xiàn)出熒光粉發(fā)光特性的核心內(nèi)容。

(三)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以擴(kuò)展，不利于提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。由于實(shí)驗(yàn)裝置功能有限，對(duì)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展也只能多測(cè)幾種不同類型的熒光粉，但意義不大，沒(méi)法鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)性思維。

(四)不能對(duì)白光合成過(guò)程進(jìn)行定量控制。對(duì)于紫外光激發(fā)三色熒光粉的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求學(xué)生將紅、綠、藍(lán)三種熒光粉以一定比例進(jìn)行混合，以獲得白光。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中對(duì)白光的合成效果只能通過(guò)眼睛觀測(cè)，但這種方法屬于定性判斷，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確性。

三、熒光粉光致發(fā)光特性實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與優(yōu)點(diǎn)

鑒于傳統(tǒng)熒光粉光致發(fā)光特性實(shí)驗(yàn)存在著內(nèi)容單一，擴(kuò)展性差，難以鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力等方面的不足，擬對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)——增加一臺(tái)光纖光譜儀，以實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光粉的發(fā)光光譜進(jìn)行測(cè)量，這對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是極大的豐富，而且還能夠?qū)晒夥鄣囊粋€(gè)重要參數(shù)——顏色進(jìn)行定量測(cè)量。這一改進(jìn)也為實(shí)驗(yàn)提供了很大的擴(kuò)展空間，滿足開放式實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)選用荷蘭Avantes公司的AvaSpec-2048系列光纖光譜儀，并將光纖頭置于激發(fā)裝置專用的采集孔內(nèi)，通過(guò)調(diào)整光纖頭與樣品架的距離，以保證最佳的采集效果。光纖光譜儀通過(guò)微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)采集，使學(xué)生可以實(shí)時(shí)觀測(cè)結(jié)果，并可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)保存與分析，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，改良后的實(shí)驗(yàn)主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

(一)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富。由于增加了光譜測(cè)量的裝置與內(nèi)容，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中除了研究熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光效率之外，還可以測(cè)量熒光粉的發(fā)光顏色。另外，學(xué)生還可以通過(guò)本實(shí)驗(yàn)掌握光譜測(cè)量的基本原理和方法。

(二)增加了色度學(xué)的知識(shí)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。色度學(xué)是光源與照明專業(yè)中與光度學(xué)并重的一個(gè)分支，而且在傳統(tǒng)的專業(yè)課教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，往往對(duì)色度學(xué)方面沒(méi)有給予足夠的重視，使學(xué)生對(duì)光源顏色的概念比較模糊。然而，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)照明的要求逐步提高，往往不限于只是滿足亮度要求，而是對(duì)光源顏色也非常重視，并衍生出一個(gè)專門的分支——環(huán)境照明設(shè)計(jì)。因此，本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與擴(kuò)展可以使學(xué)生更加深入了解色度學(xué)，特別是混色原理的基礎(chǔ)知識(shí)，以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)手段。

(三)有利于開放式實(shí)驗(yàn)的開設(shè)。開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式給了學(xué)生很大的自主性，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的功能也提出了很高的要求。俗話說(shuō):巧婦難為無(wú)米之炊。在進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中，必須保證實(shí)驗(yàn)裝置的功能比較豐富，這樣學(xué)生才能夠在足夠的條件下充分發(fā)揮開拓性思維，以自己的思路去設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

(四)可進(jìn)行定量的混色實(shí)驗(yàn)。在增加了光譜測(cè)試裝置后，學(xué)生在三基色熒光粉產(chǎn)生白光的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以定量測(cè)量不同配比下熒光粉的光色特性，而不是像往常一樣只是通過(guò)肉眼來(lái)判斷。而且，在配色過(guò)程中，可以讓學(xué)生充分感受紅、綠、藍(lán)三種顏色的比例對(duì)整體顏色的影響，進(jìn)一步加深混色理論以及色溫方面知識(shí)的理解。

圖2 藍(lán)光激發(fā)黃色LED熒光粉光譜圖

四、實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

(一)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。根據(jù)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)熒光粉光致發(fā)光特性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)置，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加豐富，以滿足應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。熒光粉光致發(fā)光特性實(shí)驗(yàn)主要包含了藍(lán)光激發(fā)黃色LED熒光粉和紫外光激發(fā)三基色熒光粉兩個(gè)方面的內(nèi)容。

1．藍(lán)光激發(fā)黃色LED熒光粉。一是測(cè)量藍(lán)色激發(fā)光的光譜特性;二是測(cè)量不同型號(hào)黃色LED熒光粉的相對(duì)亮度;三是測(cè)量不同型號(hào)黃色LED熒光粉的光譜特性，并研究熒光粉的發(fā)光顏色與光譜數(shù)據(jù)的關(guān)系。

2．紫外光激發(fā)三基色熒光粉。一是測(cè)量紫外激發(fā)光的光譜特性;二是分別測(cè)量紅、綠、藍(lán)三種顏色熒光粉的相對(duì)亮度;三是分別測(cè)量紅、綠、藍(lán)三種顏色熒光粉的光譜特性;四是將紅、綠、藍(lán)三種顏色的熒光粉按照一定比例混合，并用肉眼觀測(cè)其混色效果，以獲得純白光發(fā)射;五是將紅、綠、藍(lán)三種顏色的熒光粉按照一定比例混合，通過(guò)觀測(cè)發(fā)射光的光譜特性來(lái)判斷是否符合純白光輸出要求，并研究不同類型熒光粉的比例對(duì)白光純度的影響;六是探索一種根據(jù)光譜分布進(jìn)行配色的實(shí)驗(yàn)方法。

圖3 紫外光激發(fā)三色熒光粉光譜圖

(二)數(shù)據(jù)分析。

1．藍(lán)光激發(fā)黃色LED熒光粉。白光LED的一種常用的配色方式是利用InGaN芯片所發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)YAG粉末并獲得黃光，藍(lán)和黃兩種顏色的光按一定比例混合后，可得到所需的不同色溫的白光［4］。首先測(cè)量藍(lán)色激發(fā)光的光譜，然后將黃色熒光粉放置于樣品盤上并測(cè)量其發(fā)射光的光譜。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示，其中(a)、(b)兩圖對(duì)應(yīng)的樣品型號(hào)分別為Y006和Y0901。從圖中可以清晰看出，藍(lán)色激發(fā)光的中心波長(zhǎng)為460nm，黃色發(fā)射光的中心波長(zhǎng)為558nm，兩種顏色的光混合后可獲得白光輸出。對(duì)于Y006，由于其黃光部分的比例較大，而且偏向紅光方向，所以從肉眼看來(lái)其產(chǎn)生的白光色溫偏低。對(duì)于Y0901，由于藍(lán)光部分比例較大，所以色溫較高。

2．紫外光激發(fā)三色熒光粉。熒光燈發(fā)出白光的一種常用的方法是利用紫外光激發(fā)紅、綠、藍(lán)三基色的熒光粉，通過(guò)混色后產(chǎn)生白光，并可通過(guò)調(diào)整三種熒光粉的比例來(lái)調(diào)節(jié)色溫［5］。圖3是利用實(shí)驗(yàn)裝置中的紫外燈激發(fā)紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉的光譜圖，其中(a)圖對(duì)應(yīng)的紅、綠、藍(lán)熒光粉的比例為1:1:0．5，而(b)圖對(duì)應(yīng)的紅、綠、藍(lán)熒光粉的比例為1:1:1。從圖中可以看出，當(dāng)藍(lán)色熒光粉的分量較少時(shí)，中心波長(zhǎng)為463nm的藍(lán)光比例也較少，而且通過(guò)肉眼觀測(cè)可看出所發(fā)出的白光偏紅，也就是對(duì)應(yīng)著色溫較低的情形。而當(dāng)藍(lán)色熒光粉的比例提高后，光譜中藍(lán)光的峰值強(qiáng)度也隨之增大，出射光的色溫也增加了。

由上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，傳統(tǒng)的熒光粉光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于配色控制只能通過(guò)肉眼觀測(cè)來(lái)完成。但是，在改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)中，可以利用光譜儀準(zhǔn)確測(cè)量每種顏色的強(qiáng)度比例，從而為混色過(guò)程提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊罁?jù)。

五、結(jié)語(yǔ)

熒光粉光致發(fā)光特性實(shí)驗(yàn)作為光源與照明專業(yè)實(shí)驗(yàn)中核心的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一，使學(xué)生對(duì)LED和熒光燈的發(fā)光原理有進(jìn)一步的了解，并且可以使學(xué)生更深入理解色度學(xué)中的混色原理及方法。然而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中缺少了光譜測(cè)量的環(huán)節(jié)，使學(xué)生沒(méi)法完成色度學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)，令本實(shí)驗(yàn)失去了應(yīng)有的意義。本文提出的對(duì)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，主要是在實(shí)驗(yàn)裝置中增加了光譜儀，這將使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加豐富，而且為混色過(guò)程提供了更加準(zhǔn)確的依據(jù)。另外一方面，由于實(shí)驗(yàn)裝置在功能上的進(jìn)一步完善，使學(xué)生有更大的空間進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)研究。

［1］鄭繼雨．光源與照明專業(yè)人才培養(yǎng)［J］．河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2003，3(8):43～46

［2］何志紅．面向市場(chǎng)需求進(jìn)行光源與照明專業(yè)方向建設(shè)［J］．中國(guó)科技信息，2013，26(22):138～140

［3］劉義，唐緒兵，光明．光源與照明專業(yè)人才培養(yǎng)定位及課程體系研究［J］．安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2014，31(1):112～113

［4］曾琦華，張信果，梁宏斌等．白光LED用熒光粉的研究進(jìn)展［J］．中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，2011，1(29):8～17

［5］王水婷．稀土化學(xué)與燈用三基色熒光粉的發(fā)展［J］．河南教育學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，2(11):35～37