馮少尉， 張 英， 郭永昶， 李建強(qiáng)*

(1. 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所 濕法冶金清潔生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 中國(guó)科學(xué)院綠色過(guò)程與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

1 引 言

近年來(lái)，藍(lán)光發(fā)光二極管(Light-emitting diode，LED)作為驅(qū)動(dòng)光源激發(fā)熒光材料獲得白光的技術(shù)推動(dòng)了照明領(lǐng)域的革命性進(jìn)步[1-3]。然而，隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)照明設(shè)備的需求日益多樣、復(fù)雜，尤其在需要高功率的特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如航空、航海、軌道交通等領(lǐng)域，需要在緊湊的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高功率密度(>10 kW·cm-2)的遠(yuǎn)程照明，但是單芯片LED輸入功率存在“效率驟降”(Efficiency droop)問(wèn)題，而大尺寸COB封裝技術(shù)需要的散熱部分體積較大，導(dǎo)致其難以滿(mǎn)足以上應(yīng)用需求[4-6]。因此，藍(lán)光激光二極管(Laser diode,LD)驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程熒光體實(shí)現(xiàn)白光激光照明因具有體積小、超高亮度、光束方向靈活可調(diào)等特點(diǎn)，有望成為新一代高功率照明的主流技術(shù)。

白光激光照明技術(shù)沿用了商用白光LED的技術(shù)路線，通過(guò)藍(lán)光LD驅(qū)動(dòng)黃色熒光體發(fā)光，藍(lán)光和黃光混合后出射獲得白光[7-10]。然而，持續(xù)高功率地運(yùn)行對(duì)激光器和熒光材料熱管理技術(shù)也提出了嚴(yán)苛的要求[11]。高功率密度的LD輻照對(duì)熒光材料的熒光熱穩(wěn)定性、量子效率、微結(jié)構(gòu)和抗熱沖擊性等提出了更高的性能要求，傳統(tǒng)的粉加膠的熒光轉(zhuǎn)換材料難以滿(mǎn)足其應(yīng)用。因此，目前激光照明的熒光轉(zhuǎn)換材料的研究和應(yīng)用主要聚焦于全無(wú)機(jī)固體材料[6,12]。近年來(lái)，圍繞激光照明的熒光材料研究取得了重要進(jìn)展，主要包括單晶、熒光玻璃、熒光陶瓷和熒光薄膜等[13-16]。盡管無(wú)機(jī)發(fā)光材料的研究已經(jīng)在LED照明領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用，但激光照明對(duì)熒光轉(zhuǎn)換材料的綜合性能的要求：高發(fā)光飽和閾值和抗熱震性、高激光轉(zhuǎn)化效率、寬發(fā)光光譜和發(fā)光均勻性以及高熱導(dǎo)率[17-18]，有待結(jié)合實(shí)際應(yīng)用和需求開(kāi)展進(jìn)一步研究。因此，需要對(duì)材料的組分設(shè)計(jì)、制備工藝、結(jié)構(gòu)調(diào)控以及器件封裝等進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

傳統(tǒng)的熒光陶瓷是一種通過(guò)粉末燒結(jié)制備的多晶材料，具有多樣、易于調(diào)控的微觀結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)激光散射，增強(qiáng)激光提取效率，獲得均勻出射的光源；此外，熒光陶瓷抗熱震性能優(yōu)于熒光玻璃和熒光薄膜，發(fā)光飽和閾值和熱導(dǎo)率與單晶材料相媲美，制備成本遠(yuǎn)低于單晶材料。因此，成為激光照明應(yīng)用研究的重要候選材料。李淑星等[19]研究了Al2O3-YAG∶Ce復(fù)合熒光陶瓷，發(fā)現(xiàn)Al2O3作為基質(zhì)能夠有效地提升材料的熱導(dǎo)率，同時(shí)YAG∶Ce保持了較高的量子效率(76%)，在455 nm激光輻照下能夠承受的光功率密度達(dá)50 W·mm-2，能夠滿(mǎn)足高功率激光照明的需求。Park等[20]提出在高功率激光激發(fā)下熒光陶瓷最重要的性能是熱穩(wěn)定性，激光持續(xù)激發(fā)下熱量會(huì)持續(xù)產(chǎn)生和積累，造成發(fā)光效率降低。因此，他們研究了金屬鋁-陶瓷復(fù)合材料在高功率激光照明中的電-熱-光之間的多種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，為激光照明的熱管理設(shè)計(jì)提供了一種新方法。劉欣等[21]通過(guò)Gd3+摻雜提高了YAG∶Ce透明陶瓷的熱導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)了較高的流明效率；張樂(lè)等[22]自主設(shè)計(jì)了LED和LD兩種類(lèi)型的泵浦源(透射和反射)的照明模式，研究了YAG∶Ce熒光陶瓷的熱猝滅和濃度猝滅性能，證明長(zhǎng)徑比較大的棒狀熒光陶瓷和不高于0.1%的Ce3+摻雜濃度可以有效抑制流明效率下降。

然而，目前熒光陶瓷的制備基本采用傳統(tǒng)透明陶瓷的工藝技術(shù)，對(duì)粉體材料依賴(lài)性強(qiáng)，通常需要使用粒徑均勻、高燒結(jié)活性的納米粉體；燒結(jié)技術(shù)主要采用高真空(小于1.0×10-3Pa)燒結(jié)10～30 h，通常需要在1 700 ℃以上長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)Y(jié)，對(duì)設(shè)備依賴(lài)較高，制備工藝復(fù)雜。近年來(lái)，放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)作為一種快速燒結(jié)技術(shù)被成功應(yīng)用于透明陶瓷的制備，由于采用石墨作為燒結(jié)模具難以避免燒結(jié)過(guò)程中石墨擴(kuò)散滲入陶瓷樣品內(nèi)，燒結(jié)后需要在1 100 ℃以上進(jìn)行退火除碳[23]；此外，燒結(jié)后需要將大的塊體陶瓷進(jìn)行切割、磨拋加工等后處理，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本較高，限制了實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用[24-26]。因此，探索和研究一種快速、低成本制備熒光陶瓷的方法和技術(shù)具有十分重要的意義。近年來(lái)，無(wú)容器凝固-非晶晶化法制備透明陶瓷的研究引起了人們的高度關(guān)注，用無(wú)容器凝固技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不含網(wǎng)絡(luò)形成體的新型氧化物玻璃材料的制備，采用低溫晶化法成功制備了多種高度透明、納米晶粒的透明陶瓷材料：Al2O3-ZrO2-Re2O3(Re=La，Gd，Y)體系、Al2O3納米陶瓷、Y2O3-Al2O3-SiO2、Al2O3-La2O3-ZrO2等[27]。法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院Allix等[28]制備出高度透明的BaAl4O7和Sr3Al2O6陶瓷，密度高、晶界薄，具有優(yōu)異的硬度、彈性模量、熱膨脹等性能，通過(guò)稀土摻雜還表現(xiàn)出優(yōu)異的熒光性能。中科院過(guò)程所李建強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)[29]利用無(wú)容器凝固-非晶晶化法開(kāi)展了石榴石基(YAG，LuAG等)透明陶瓷的系統(tǒng)研究。首先利用激光加熱的超高溫氣動(dòng)懸浮無(wú)容器裝備，通過(guò)組分設(shè)計(jì)和冷卻速度控制獲得了完全非晶態(tài)、成分分布均勻的74%Al2O3-26%Y2O3塊狀非晶，進(jìn)一步通過(guò)簡(jiǎn)單熱處理(～1 100 ℃)一步得到完全晶化的YAG基透明陶瓷。獲得的YAG-Al2O3雙相透明陶瓷完全由納米晶組成，YAG質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)77%，在1 150 ℃晶化保持納米級(jí)晶粒，具有極高的透過(guò)率，在近紅外和中紅外波段可與YAG單晶媲美，硬度比YAG單晶和商用YAG透明陶瓷高10%[29]。

通過(guò)前期研究非晶玻璃的降溫速率及不同晶化溫度對(duì)納米陶瓷形成過(guò)程的動(dòng)力學(xué)影響規(guī)律[30]，本文利用無(wú)容器凝固-非晶晶化法制備了一系列Ce3+摻雜濃度的雙相Y3Al5O12-Al2O3(AY26)熒光納米陶瓷，優(yōu)化組分獲得了最佳Ce3+摻雜濃度，制備出具有高量子效率和高發(fā)光熱穩(wěn)定性的Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷，評(píng)估了不同厚度0.5%Ce3+∶AY26納米熒光陶瓷片和半球形0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷在高功率LD 照明光源中的發(fā)光性能。該制備方法獲得的Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷在透射式激光照明系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品制備

將純度為99.99%的Al2O3、Y2O3和CeO2等原料粉體按所需的成分配比進(jìn)行稱(chēng)量，研磨混合15 min，然后進(jìn)行烘干，壓制成20 mm直徑的素坯，并在1 000～1 200 ℃下焙燒2 h。將圓片破碎后放入氣動(dòng)懸浮腔體的噴嘴中進(jìn)行燒結(jié)。以高純氧氣為載氣，調(diào)節(jié)氣流量使樣品穩(wěn)定懸浮；以二氧化碳激光為加熱熱源使陶瓷塊完全熔融，并保持10～30 s，使熔體中成分混合均勻，然后立刻關(guān)閉激光器電源，使樣品快速冷卻凝固，從而得到玻璃小球樣品。然后將得到的玻璃樣品放進(jìn)馬弗爐中，采用不同的晶化溫度進(jìn)行處理，分別從室溫以5 ℃/min升溫到1 150 ℃，保溫2 h；隨后自然降溫獲得陶瓷樣品；再進(jìn)行磨拋處理，獲得半球形和不同厚度Ce3+∶AY26納米熒光陶瓷片。

2.2 樣品表征

物相分析采用的是Bruker公司生產(chǎn)的配備有l(wèi)ynxEye XE型探測(cè)器的X射線衍射儀(X-Ray Diffraction，XRD)，儀器型號(hào)為D8 ADVANCE，采用Cu-Kα射線源。XRD測(cè)試采用連續(xù)掃描模式，掃描角度范圍為10°～90°(2θ)，步進(jìn)0.02°。材料的熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試采用Netzsch公司生產(chǎn)的激光閃射熱擴(kuò)散測(cè)試儀，型號(hào)為L(zhǎng)FA 427。SEM測(cè)試使用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-7001F型掃描電子顯微鏡，并使用一起附帶的能譜儀(Energy Dispersive Spectrum,EDS)進(jìn)行成分分析。透過(guò)率測(cè)試使用美國(guó)Agilent 公司生產(chǎn)的Cary 7000型UV-VIS分光光度計(jì)，測(cè)試范圍為200～1 200 nm。熒光光譜和衰減壽命測(cè)試采用日本HORIBA公司的FluoroMax+型熒光光譜儀，變溫測(cè)試溫度范圍為室溫至300 ℃，間隔25 ℃。量子效率由Otsuka Photal Electronics積分球熒光光譜儀測(cè)試得到，儀器型號(hào)為QE-2100 spectrophotometer。通過(guò)動(dòng)態(tài)分析法粒度粒形分析系統(tǒng)(CamsizerX2)測(cè)試制備的球形陶瓷外形尺寸、球形度和粒徑分布。材料的光電性能測(cè)試采用的是杭州虹譜光電公司生產(chǎn)的HPCS-6500光色電綜合測(cè)試系統(tǒng)，激發(fā)光源為日亞化學(xué)的半導(dǎo)體激光二極管(NUBM08)，采用透過(guò)式激光激發(fā)測(cè)試樣品的光色電參數(shù)，主要包括：光通量、光效、色溫、色坐標(biāo)、顯色指數(shù)等。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1為采用氣動(dòng)懸浮系統(tǒng)凝固制備的AY26玻璃樣品和1 150 ℃晶化后AY26熒光納米陶瓷樣品的粉末XRD圖譜。AY26玻璃樣品的XRD圖譜呈現(xiàn)明顯的非晶特征衍射峰，除了在33.04°出現(xiàn)一個(gè)極小的晶態(tài)衍射峰(由于樣品從液態(tài)凝固為玻璃的過(guò)程中可能有少量的晶化)外，該樣品可以視為完全的玻璃態(tài)。經(jīng)過(guò)1 150 ℃熱處理后，分析其衍射峰發(fā)現(xiàn)AY26玻璃晶化形成Y3Al5O12和Al2O3兩種物相。根據(jù)化學(xué)式和物料比例計(jì)算可以得到兩種物相含量分別為YAG相占77%，Al2O3占23%，在此前的研究中已證實(shí)該計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果高度吻合[28]。

圖1 無(wú)容器凝固制備的AY26玻璃樣品和晶化后的AY26納米陶瓷樣品粉末XRD圖譜

為進(jìn)一步分析研究晶化后的AY26陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)特性，對(duì)樣品的表面形貌和元素分布進(jìn)行了研究，如圖2所示。通過(guò)SEM觀察樣品表面形貌可知陶瓷樣品由兩種不同形貌和尺寸的晶粒組成，且相互間隔分布，兩種晶粒在二次電子下表現(xiàn)出一定的襯度差異，再通過(guò)背散射電子觀察可以明顯發(fā)現(xiàn)樣品中存在黑白兩種晶粒，其中白色晶粒的尺寸較大(約 147 nm)，黑色晶粒較小(約 97 nm)。通過(guò)EDS進(jìn)行元素分析可以判斷白色晶粒為YAG相，黑色晶粒為Al2O3相，兩種晶粒相互嵌套生長(zhǎng)，在晶化過(guò)程中抑制了傳質(zhì)過(guò)程，產(chǎn)生“釘扎效應(yīng)”，從而保證了晶粒尺寸能保持在納米級(jí)，得到了YAG基納米透明陶瓷。

3.2 光譜性能

透過(guò)率性能通常作為評(píng)價(jià)透明陶瓷材料光學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，高透過(guò)率往往是其具備優(yōu)異光學(xué)性能的基礎(chǔ)。然而透過(guò)率測(cè)試結(jié)果不僅與材料的本征結(jié)構(gòu)和厚度有關(guān)，樣品的表面平整度和粗糙度以及測(cè)試方法等對(duì)透過(guò)率結(jié)果均具有重要影響。在厚度、表面平整度和粗糙度相同的條件下采用相同的測(cè)試方法時(shí)，透過(guò)率性能才具有一定的可對(duì)比性。本文中透過(guò)率測(cè)試所用樣品的厚度如表1所示，均使用7 000目砂紙雙面拋光后，采用Carry 7 000的積分球模式進(jìn)行測(cè)試。如圖3所示，在可見(jiàn)光波段，由于晶粒和晶界的散射作用，未摻雜的AY26納米陶瓷的透過(guò)率在800 nm處為77.3%，低于AY26玻璃前驅(qū)體的81.1%；當(dāng)波長(zhǎng)進(jìn)入紅外區(qū)域時(shí)，兩者的透過(guò)率曲線基本重合。該透過(guò)率的變化規(guī)律符合瑞利散射原理：散射光強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比，波長(zhǎng)越短，散射光越強(qiáng)。隨著波長(zhǎng)逐漸增大，當(dāng)波長(zhǎng)足夠大時(shí)，散射光逐漸可以忽略不計(jì)。Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷在420～480 nm之間具有一個(gè)寬帶吸收，主要是源自Ce3+的4f-5d特征吸收，該波段的吸收剛好與目前商用的InGaN藍(lán)光LED和LD的發(fā)射波長(zhǎng)相匹配。

圖3 (a)厚度約為1 mm的AY26玻璃和熒光納米陶瓷樣品的透過(guò)率曲線;(b)不同Ce3+摻雜濃度AY26熒光納米陶瓷透過(guò)率曲線。

不同Ce3+摻雜濃度AY26熒光納米陶瓷發(fā)射光譜測(cè)試結(jié)果如圖4所示。在450 nm藍(lán)光激發(fā)下，AY26熒光納米陶瓷發(fā)射光譜強(qiáng)度隨著Ce3+摻雜濃度增加逐漸降低，如圖4(a)所示,從熒光發(fā)射強(qiáng)度的變化可以初步判斷摻雜濃度的增加會(huì)導(dǎo)致熒光轉(zhuǎn)換效率降低。同時(shí)，發(fā)光峰位隨著濃度增加逐漸向紅光區(qū)域移動(dòng)，當(dāng)摻雜濃度從0.25%增加到2%時(shí)，發(fā)射光譜從538 nm移動(dòng)到571 nm，實(shí)現(xiàn)了約33 nm紅移，如圖4(b)所示，而其發(fā)光強(qiáng)度降低為0.25%摻雜時(shí)的50%,這是由于過(guò)量Ce3+摻雜引起的濃度猝滅現(xiàn)象。AY26玻璃樣品和不同Ce3+摻雜濃度AY26熒光納米陶瓷的厚度、透過(guò)率和發(fā)射峰位等參數(shù)和測(cè)試結(jié)果列于表1中。

圖4 (a)不同Ce3+摻雜濃度AY26納米熒光陶瓷發(fā)射光譜強(qiáng)度；(b)不同Ce3+摻雜濃度AY26納米熒光陶瓷歸一化的發(fā)射光譜。

發(fā)光材料的量子效率是反映材料發(fā)光性能的重要特征指標(biāo)。通常情況下，熒光量子效率、熒光量子產(chǎn)額與熒光效率等描述被視為等價(jià)的。它們是指單位時(shí)間(秒)內(nèi)，發(fā)射二次輻射熒光的光子數(shù)與吸收激發(fā)光初級(jí)輻射光子數(shù)的比值，用來(lái)描述熒光材料的發(fā)光能力。如圖5所示，隨著Ce3+摻雜濃度增大，AY26熒光納米陶瓷的吸收率開(kāi)始逐漸增加，然后趨于穩(wěn)定，最大吸收率～80%。測(cè)試樣品中0.25%Ce3+∶YAG-Al2O3的最高內(nèi)量子效率達(dá)87.4%，外量子效率65.5%。隨著Ce3+摻雜濃度等梯度的增加，樣品量子效率先緩慢降低，后出現(xiàn)嚴(yán)重效率驟降，與熒光光譜強(qiáng)度的變化規(guī)律保持一致，這是摻雜過(guò)量引起的濃度猝滅現(xiàn)象。結(jié)果顯示，0.25%Ce3+∶YAG -Al2O3與0.5%Ce3+∶YAG-Al2O3熒光納米陶瓷的量子效率接近，在接下來(lái)的研究中選擇0.5%Ce3+∶YAG-Al2O3熒光納米陶瓷進(jìn)行研究。

圖5 不同Ce3+摻雜濃度AY26熒光納米陶瓷的吸收率和內(nèi)、外量子效率。

為了能夠在高功率密度激光輻照下實(shí)現(xiàn)高效的熒光轉(zhuǎn)換效率，熒光陶瓷需要具備高量子效率和高溫發(fā)光穩(wěn)定性。圖6(a)、(b)所示為0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷的吸收率和內(nèi)、外量子效率隨溫度變化曲線以及熒光強(qiáng)度變化。在溫度從室溫升到200 ℃的過(guò)程中，納米熒光陶瓷的內(nèi)外量子效率呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢(shì)。在200 ℃時(shí)，其量子效率仍保持在室溫的95%；當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)，其量子效率和熒光光譜強(qiáng)度才出現(xiàn)較明顯的下降趨勢(shì)，表明0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷具有優(yōu)異的發(fā)光熱穩(wěn)定性。制備的0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷室溫下的熱導(dǎo)率為3.9 W/(m·K)，低于YAG單晶理論值14 W/(m·K)。由于熱導(dǎo)率測(cè)試的樣品尺寸較小，邊界處引起較大的熱量散失，同時(shí)，AY26熒光納米陶瓷中存在的大量的晶界形成的界面熱阻導(dǎo)致熱導(dǎo)率偏低。另外，隨溫度升高熒光發(fā)射的色彩穩(wěn)定性如圖6(c)所示，0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷保持了較高的色彩穩(wěn)定性。Ce3+的發(fā)射光譜呈現(xiàn)其特征的5d-4f躍遷，如圖6(d)壽命曲線所示，在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)射峰539 nm的熒光壽命為63.3 ns，快衰減壽命有利于避免高功率密度激光激發(fā)下出現(xiàn)“發(fā)光飽和”現(xiàn)象。

圖6 (a)0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷在不同溫度下的吸收率和內(nèi)外量子效率；(b)0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷的發(fā)光光譜強(qiáng)度隨溫度的變化；(c)0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷發(fā)射光譜色坐標(biāo)隨溫度的變化；(d)0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷的熒光衰減曲線。

3.3 激光激發(fā)發(fā)光性能

為研究Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷用于激光照明的發(fā)光性能，基于透射式激光照明測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)不同厚度和形狀的0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷進(jìn)行了測(cè)試。圖7(a)是厚度分別為1.2，1.5，1.8，2.1 mm的0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷片在LD激發(fā)下的發(fā)射光譜。透射式激光激發(fā)在1.2 mm的樣品中出現(xiàn)了光束中心激光的直接透過(guò)；而隨著厚度增加到1.5 mm時(shí)，其對(duì)藍(lán)光的吸收效率增加，出射光斑中心已無(wú)明顯藍(lán)光透射，形成了較均勻的光斑。在功率密度為4.5 W/mm2藍(lán)光激光激發(fā)下，1.5 mm的Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷實(shí)現(xiàn)了光效174 lm/W、CCT為4 702 K、CRI為59、色坐標(biāo)為(0.362 5,0.418 3)。此時(shí)，陶瓷出射光斑形狀和對(duì)應(yīng)的紅外熱成像照片如圖7(a)插圖所示。隨著光譜中藍(lán)光成分逐漸降低，其色坐標(biāo)逐漸從冷白光區(qū)域向暖白光區(qū)域移動(dòng)，如圖7(b)所示，不同厚度樣品的出射光束照射在白色墻面的光斑照片如圖7(b)插圖所示。

圖7 (a)不同厚度的0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷片在LD激發(fā)下的發(fā)射光譜,插圖為在最大激發(fā)功率下1.5 mm厚的陶瓷出射光斑形狀和對(duì)應(yīng)的紅外熱成像照片；(b)0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷片的白光LD色坐標(biāo)隨厚度的變化,插圖為對(duì)應(yīng)樣品的光束照射在白色墻面的光斑照片。

為解決透射式激光照明光束中心藍(lán)光容易直接透射的問(wèn)題，避免其對(duì)人眼安全產(chǎn)生危害，我們制備了一種類(lèi)透鏡的半球形熒光納米陶瓷。制備的球形AY26熒光納米陶瓷外形照片如圖8(a)所示。球形AY26熒光納米陶瓷的平均球形度為97.8%，粒徑大小參數(shù)D50為3.05 mm，粒徑分布在3.02～3.09 mm之間，粒徑分布如圖8(b)所示。將無(wú)容器-非晶晶化制備的球形熒光納米陶瓷經(jīng)簡(jiǎn)單磨拋處理后，得到半徑1.5 mm半球形熒光納米陶瓷。不同功率激光激發(fā)半球形0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷的光通量和流明效率變化曲線如圖8(c)所示。由圖8(c)可知，在0.6～12 W 區(qū)間內(nèi)，光通量隨功率呈線性增加；大于12 W 時(shí)光通量的增幅出現(xiàn)放緩趨勢(shì)，在16.3 W出現(xiàn)“拐點(diǎn)”，最高光通量可達(dá)1 515.9 lm。隨著激光功率的增加，由于熱效應(yīng)的影響，流明效率的變化呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。不同功率藍(lán)光激光激發(fā)下半球形0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷的發(fā)射光譜如圖8(d)所示。當(dāng)激光功率在0.5～12.8 W時(shí)未探測(cè)到藍(lán)光光譜，說(shuō)明此時(shí)藍(lán)光全部被吸收；隨著激光功率繼續(xù)增大，激光透過(guò)陶瓷的強(qiáng)度逐漸增大，在16.3 W時(shí)達(dá)到陶瓷承受的最大激光功率閾值；繼續(xù)增大輸入功率則出現(xiàn)了流明效率降低。

圖8 (a)制備的球形AY26熒光納米陶瓷形貌照片;(b)球形陶瓷粒徑分布圖；(c)不同功率藍(lán)光激光激發(fā)半球形0.5%Ce3+∶AY26熒光納米陶瓷光通量和流明效率變化曲線；(d)(c)圖中不同功率藍(lán)光激光激發(fā)下的部分發(fā)射光譜。

4 結(jié) 論

無(wú)容器凝固技術(shù)是一種快速、低成本制備Ce3+∶Y3Al5O12-Al2O3(Ce3+∶AY26)熒光納米陶瓷的方法。通過(guò)優(yōu)化摻雜組分，0.5%Ce3+∶AY26納米熒光陶瓷實(shí)現(xiàn)了87.4%的量子效率，且具有高熱穩(wěn)定性(95%@200 ℃)。在透射式激光照明系統(tǒng)中，與片狀熒光陶瓷相比，半球形熒光納米陶瓷能夠更好地與激光光源的光斑能量分布相匹配，獲得更加均勻的出射光斑，在16.3 W藍(lán)光功率激發(fā)下，獲得了最高光通量1 515.9 lm。證實(shí)了無(wú)容器凝固-非晶晶化方法制備的 Ce3+∶AY26 熒光納米陶瓷能夠滿(mǎn)足透射式激光照明對(duì)熒光陶瓷的多樣尺寸和形狀需求，在高功率激光照明應(yīng)用中具有巨大潛力。

本文專(zhuān)家審稿意見(jiàn)及作者回復(fù)內(nèi)容的下載地址：http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210167.