劉選福， 于晶杰， 李德勝， 曹冠英

(大連工業(yè)大學 光子學研究所， 遼寧 大連 116034)

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激發(fā)源光譜寬度對其輻射通量轉換效率的影響

劉選福， 于晶杰*， 李德勝*， 曹冠英

(大連工業(yè)大學 光子學研究所， 遼寧 大連 116034)

為了進一步提高固態(tài)照明中熒光轉換光源(PC-LED)的白光發(fā)射效率，探尋激發(fā)源與熒光粉搭配對合成白光輻射通量轉換效率之間的關系。以YAG熒光粉為對象，搭配不同光譜寬度的激發(fā)源，采用光譜計算方法研究了合成白光光源中激發(fā)源光譜寬度對其輻射通量轉換效率的影響，計算結果通過實驗進行了驗證。結果表明：當光譜寬度較小時，轉換效率隨光譜寬度的增加而緩慢降低；當光譜寬度大于18 nm時，轉換效率急劇下降。每種熒光粉都有其理想激發(fā)源光譜寬度范圍，在此范圍內激發(fā)源輻射通量轉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)照明技術發(fā)展極其迅速。采用藍光芯片加熒光粉實現白光輸出的方式是目前產業(yè)化固態(tài)照明的主流制備方案，且主要以450～470 nm藍光作為激發(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心的問題[5]。目前研究人員主要在熒光粉制備、遠程熒光粉模塊合成及藍光芯片幾個方面展開研究來獲取高的發(fā)光效率，但有關激發(fā)源與熒光粉的搭配方式和對光源效率影響的報道還較少[6-9]。

本文從光譜計算方面入手，對不同光譜激發(fā)源搭配黃色熒光粉獲取的白光進行研究。通過理論計算的方式得到熒光粉和激發(fā)光譜的最佳搭配關系，選出目標熒光粉最佳光譜的激發(fā)源，并通過實驗驗證了計算結果。

2 理論依據與計算

2.1 理論依據

白光光譜是由激發(fā)光與熒光光譜混合線性疊加得到，根據線性疊加原理設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)

設合成光譜中各單一光譜權重系數矩陣為：

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。

在圖1所示的色品圖中，若P點為熒光粉的色坐標，Q點為激發(fā)源的色坐標，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O色坐標一定在P與Q的連線上。O點距等能白光E點的位置決定了白光光色品質[12]，合成光譜中的權重系數矩陣M決定了O點位置。

在藍光激發(fā)熒光粉獲取的白光中，當激發(fā)光光譜發(fā)生變化時，為確保白光光色質量，可通過轉換效率η來計算調節(jié)。η表示此時由白光光譜計算得到單位激發(fā)源的輻射通量轉換為可見光范圍內光通量的能力[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 計算

計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號和YAG-2號，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，我們通過數學公式來進行擬合：

圖2 YAG-1號(a)和YAG-2號(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)中對應于YAG-1號與YAG-2號熒光粉的各參數如表1所示。

表1 公式(5)中的各參數值

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]提出的數學模型：

(6)

式中，λ0為激發(fā)源峰值波長，Δλ0.5為激發(fā)源光譜寬度。

為了對應于熒光粉激發(fā)光譜的最佳激發(fā)峰值，選定激發(fā)源峰值波長為460 nm，結合公式(3)、(5)和(6)可得由YAG-1號與YAG-2號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號與YAG-2號熒光粉的發(fā)射光譜矩陣：M1、M2為由YAG-1號與YAG-2號熒光粉獲取的白光光譜中激發(fā)源與熒光光譜功率權重系數矩陣。

為了方便計算，此處將激發(fā)源光譜功率歸一化，則權重系數矩陣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，當激發(fā)源光譜寬度Δλ0.5變化時，白光光譜中激發(fā)源的光譜功率分布會隨之發(fā)生變化，而熒光光譜分布不會改變。

計算激發(fā)源輻射通量轉換為可見光范圍內光通量的效率η時，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，本文計算中設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，對應于YAG-1號與YAG-2號熒光粉，單位激發(fā)源輻射通量轉換為可見光范圍內光通量的效率η的變化情況。

圖3 效率隨激發(fā)源光譜寬度的變化關系

如圖3所示，當YAG-1號熒光粉的激發(fā)源光譜寬度在2～18 nm范圍內變化時，效率η隨激發(fā)源光譜寬度的增加呈緩慢降低趨勢；當激發(fā)源光譜寬度大于18 nm時，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YAG-2號熒光粉的激發(fā)源光譜寬度在2～21 nm范圍內變化時，效率η隨激發(fā)源光譜寬度的增加呈緩慢降低趨勢；當激發(fā)源光譜寬度大于21 nm時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。

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

本文對單位激發(fā)源輻射通量轉換為可見光范圍內光通量的效率η的計算，等同于激發(fā)源電能完全轉換為光能時對光源光效的計算。此時若激發(fā)源光譜寬度為25 nm，則對應于YAG-1號及YAG-2號熒光粉的白光光譜中熒光權重系數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。

依據以上參數，由公式(4)可得到此時的效率η，即光效可表示為：

(11)

(12)

計算得到YAG-1號與YAG-2號熒光粉獲取的白光光源光效分別為283.24 lm/W和287.25 lm/W。

復旦大學學者劉木清等曾對激發(fā)源光譜寬度為25 nm的熒光轉換型白光光源光效進行了理論計算，設定電光轉換效率為100%時，光源光效可達284 lm/W[18]。本文計算結果與文獻所報道一致。

3 結果與討論

實驗用浙大三色SL-300快速光譜分析儀進行光譜測試，選擇不同發(fā)射光譜的LD和LED作為激發(fā)源。LD選用長春新產業(yè)光電技術有限公司生產的MDL-III-460nm-1W-14080114型號激光器；LED選用普瑞芯片公司生產的光譜寬度分別為18 nm及25 nm的大功率燈珠，并分別標記為LED-18及LED-25。稱取等質量的YAG-1號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。實驗材料參數如表2所示。

表2 實驗材料參數

因采用了LD和LED兩種不同的激發(fā)源，為保證實驗結果的平行和可比性，實驗中通過調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行測試。每次實驗進行5次并取其平均值，實驗所得白光色坐標如圖4所示，LD、LED-18、LED-25的效率η測試結果分別為291.86，285.83，255.92 lm/W。

由圖4可知，3組實驗所得白光色坐標位置相差甚微，這說明其光色品質相當。由效率η測試結果可以看出，激發(fā)源光譜寬度增加，效率η呈下降的變化趨勢。當光譜寬度由5 nm增加到18 nm時，效率η降低了6.03，變化幅度較小；當光譜寬度由18 nm增加到25 nm時，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的效率η的變化速率不同。

實驗所得白光光譜如圖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，混合光譜中藍光光譜逐漸展寬，這會影響熒光粉對激發(fā)光的利用率；同時，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)光轉換為熒光，進而減少了光源的總光通量。

圖4 測試所得白光色坐標

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

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

4 結 論

熒光轉換型白光是目前固態(tài)照明領域獲取白光光源的主流技術。本文通過光譜計算的方法，研究了不同的激發(fā)源光譜對其輻射通量轉換效率η的影響。研究結果表明：當光譜寬度較小時，轉換效率隨光譜寬度的增加而緩慢降低；當光譜寬度大于18 nm時，轉換效率急劇下降。每種熒光粉都有其理想激發(fā)源光譜寬度范圍，在此范圍內激發(fā)源輻射通量轉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。且對應于特定熒光粉，激發(fā)源會有一個比較適合的光譜寬度范圍。在此范圍之內，隨激發(fā)源光譜寬度的增加，效率η的變化相對穩(wěn)定。本文研究結論可在熒光轉換白光光源的應用中，為熒光粉選取最佳激發(fā)源提供理論計算依據。

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

E-mail： x_f_liu@yeah.net

于晶杰(1974-)，女，遼寧大連人，博士，教授級高級工程師，2013年于大連理工大學獲得博士學位，主要從事半導體照明發(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年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事激光應用技術及照明產品設計方面的研究。

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

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

TN249； TN302

A

10.3788/fgxb20163709.1050