激发源光谱宽度对其辐射通量转换效率的影响

刘选福， 于晶杰， 李德胜， 曹冠英

(大连工业大学 光子学研究所， 辽宁 大连 116034)



激发源光谱宽度对其辐射通量转换效率的影响

刘选福， 于晶杰*， 李德胜*， 曹冠英

(大连工业大学 光子学研究所， 辽宁 大连 116034)

为了进一步提高固态照明中荧光转换光源(PC-LED)的白光发射效率，探寻激发源与荧光粉搭配对合成白光辐射通量转换效率之间的关系。以YAG荧光粉为对象，搭配不同光谱宽度的激发源，采用光谱计算方法研究了合成白光光源中激发源光谱宽度对其辐射通量转换效率的影响，计算结果通过实验进行了验证。结果表明：当光谱宽度较小时，转换效率随光谱宽度的增加而缓慢降低；当光谱宽度大于18 nm时，转换效率急剧下降。每种荧光粉都有其理想激发源光谱宽度范围，在此范围内激发源辐射通量转换效率高且受其光谱宽度影响较弱。

白光光源； 激发源光谱宽度； 光谱； 辐射通量

1 引 言

近年来，固态照明技术发展极其迅速。采用蓝光芯片加荧光粉实现白光输出的方式是目前产业化固态照明的主流制备方案，且主要以450～470 nm蓝光作为激发源配合黄色或者红绿混合荧光粉来获取白光[1-4]。作为照明用白光光源，发光效率是大家最为关心的问题[5]。目前研究人员主要在荧光粉制备、远程荧光粉模块合成及蓝光芯片几个方面展开研究来获取高的发光效率，但有关激发源与荧光粉的搭配方式和对光源效率影响的报道还较少[6-9]。

本文从光谱计算方面入手，对不同光谱激发源搭配黄色荧光粉获取的白光进行研究。通过理论计算的方式得到荧光粉和激发光谱的最佳搭配关系，选出目标荧光粉最佳光谱的激发源，并通过实验验证了计算结果。

2 理论依据与计算

2.1 理论依据

白光光谱是由激发光与荧光光谱混合线性叠加得到，根据线性叠加原理设合成光谱中单一光谱矩阵为[10-11]：

S(λ)=[S(λ1),S(λ2),…S(λi)，…S(λm)]Τ，

(1)

设合成光谱中各单一光谱权重系数矩阵为：

M=[m1,m2,…mj,…mn]Τ,

(2)

则光源的光谱功率分布的矩阵为：

P(λ)=[S1(λ),S2(λ),…Sj(λ),…Sn(λ)]×M，

(3)

依据该光源光谱分布的矩阵即可确定光源在色品图上的色坐标。

在图1所示的色品图中，若P点为荧光粉的色坐标，Q点为激发源的色坐标，则激发源与荧光粉按一定光谱功率配比混合所得白光点O色坐标一定在P与Q的连线上。O点距等能白光E点的位置决定了白光光色品质[12]，合成光谱中的权重系数矩阵M决定了O点位置。

在蓝光激发荧光粉获取的白光中，当激发光光谱发生变化时，为确保白光光色质量，可通过转换效率η来计算调节。η表示此时由白光光谱计算得到单位激发源的辐射通量转换为可见光范围内光通量的能力[13]：

(4)

式中，P(λ)为光源光谱功率分布，κ为光视效能，Sexc为激发源的光谱总功率，Semi为荧光粉的发射光谱总功率，ηs为荧光粉斯托克斯效率，ηqy

图1 白光色品图

为荧光粉的量子效率。

2.2 计算

计算所用两种不同光谱分布的YAG荧光粉系列样品来自大连路明发光科技股份有限公司，分别记为YAG-1号和YAG-2号，荧光粉的激发光谱(PLE)和发射光谱(PL)如图2所示，其中YAG-1号荧光粉的激发光谱与发射光谱峰值波长分别为465 nm和538 nm，YAG-2号分别为462 nm和543 nm。

考虑到荧光粉发射光谱的高斯分布特性，我们通过数学公式来进行拟合：

图2 YAG-1号(a)和YAG-2号(b)荧光粉的激发光谱与发射光谱

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)中对应于YAG-1号与YAG-2号荧光粉的各参数如表1所示。

表1 公式(5)中的各参数值

人工合成的固体照明源激发源的光谱都近似于高斯分布，发射光谱满足Ohno等[14]提出的数学模型：

(6)

式中，λ0为激发源峰值波长，Δλ0.5为激发源光谱宽度。

为了对应于荧光粉激发光谱的最佳激发峰值，选定激发源峰值波长为460 nm，结合公式(3)、(5)和(6)可得由YAG-1号与YAG-2号荧光粉获取的白光光谱为：

P1(λ)=[Sexc(λ),S1emi(λ)]×M1，

(7)

P2(λ)=[Sexc(λ),S2emi(λ)]×M2，

(8)

式中，S1emi(λ)、S2emi(λ)分别为YAG-1号与YAG-2号荧光粉的发射光谱矩阵：M1、M2为由YAG-1号与YAG-2号荧光粉获取的白光光谱中激发源与荧光光谱功率权重系数矩阵。

为了方便计算，此处将激发源光谱功率归一化，则权重系数矩阵M1、M2可表示为M1=[1,k1]Τ、M2=[1,k2]Τ。

将公式(7)、(8)展开可得：

(9)

(10)

分析公式(9)、(10)可知，当激发源光谱宽度Δλ0.5变化时，白光光谱中激发源的光谱功率分布会随之发生变化，而荧光光谱分布不会改变。

计算激发源辐射通量转换为可见光范围内光通量的效率η时，荧光粉斯托克斯效率与量子效率可分别近似为激发源峰值波长与荧光粉发射光谱峰值波长之比和激发光谱峰值波长之比[13]。

目前商业化的蓝光源主要有LD(Laser diode)和LED(Light emitting diode)两大类，其光谱宽度分别约为2 nm和25 nm[13,15-17]。因此，本文计算中设定峰值波长的变化步长为1 nm间隔，激发源光谱宽度变化范围为2～25 nm。

图3所示为激发源光谱宽度改变时，对应于YAG-1号与YAG-2号荧光粉，单位激发源辐射通量转换为可见光范围内光通量的效率η的变化情况。

图3 效率随激发源光谱宽度的变化关系

如图3所示，当YAG-1号荧光粉的激发源光谱宽度在2～18 nm范围内变化时，效率η随激发源光谱宽度的增加呈缓慢降低趋势；当激发源光谱宽度大于18 nm时，效率η几乎呈线性降低趋势。这说明光谱宽度小于18 nm的激发源更适合激发该荧光粉。

当YAG-2号荧光粉的激发源光谱宽度在2～21 nm范围内变化时，效率η随激发源光谱宽度的增加呈缓慢降低趋势；当激发源光谱宽度大于21 nm时几乎呈线性降低趋势。这说明光谱宽度小于21 nm的激发源更适合激发该荧光粉。

以上计算也表明，每种荧光粉都会有其理想的激发源光谱宽度范围，在此范围内激发源辐射通量转换效率相对更高且受其光谱宽度的影响较弱。

本文对单位激发源辐射通量转换为可见光范围内光通量的效率η的计算，等同于激发源电能完全转换为光能时对光源光效的计算。此时若激发源光谱宽度为25 nm，则对应于YAG-1号及YAG-2号荧光粉的白光光谱中荧光权重系数k1、k2分别为0.499和0.496，斯托克斯效率η1s、η2s分别为0.855和0.847，量子效率η1qy、η2qy分别为0.945和0.937。

依据以上参数，由公式(4)可得到此时的效率η，即光效可表示为：

(11)

(12)

计算得到YAG-1号与YAG-2号荧光粉获取的白光光源光效分别为283.24 lm/W和287.25 lm/W。

复旦大学学者刘木清等曾对激发源光谱宽度为25 nm的荧光转换型白光光源光效进行了理论计算，设定电光转换效率为100%时，光源光效可达284 lm/W[18]。本文计算结果与文献所报道一致。

3 结果与讨论

实验用浙大三色SL-300快速光谱分析仪进行光谱测试，选择不同发射光谱的LD和LED作为激发源。LD选用长春新产业光电技术有限公司生产的MDL-III-460nm-1W-14080114型号激光器；LED选用普瑞芯片公司生产的光谱宽度分别为18 nm及25 nm的大功率灯珠，并分别标记为LED-18及LED-25。称取等质量的YAG-1号荧光粉通过硅胶涂覆分别制成30°中心角及180°中心角的半球型荧光粉模块。实验材料参数如表2所示。

表2 实验材料参数

因采用了LD和LED两种不同的激发源，为保证实验结果的平行和可比性，实验中通过调整工作电流保证激发源的辐射通量完全一致为0.288 W，然后将上述荧光粉模块置于积分球中进行测试。每次实验进行5次并取其平均值，实验所得白光色坐标如图4所示，LD、LED-18、LED-25的效率η测试结果分别为291.86，285.83，255.92 lm/W。

由图4可知，3组实验所得白光色坐标位置相差甚微，这说明其光色品质相当。由效率η测试结果可以看出，激发源光谱宽度增加，效率η呈下降的变化趋势。当光谱宽度由5 nm增加到18 nm时，效率η降低了6.03，变化幅度较小；当光谱宽度由18 nm增加到25 nm时，效率η降低了29.91，变化幅度较大。这表明光谱在不同范围时的效率η的变化速率不同。

实验所得白光光谱如图5所示。随着激发源光谱宽度的增加，光源混合光谱发生了改变，混合光谱中蓝光光谱逐渐展宽，这会影响荧光粉对激发光的利用率；同时，荧光光谱功率在白光中所占比重逐渐增大，即有更多的激发光转换为荧光，进而减少了光源的总光通量。

图4 测试所得白光色坐标

由此可知，激发源光谱宽度的增加，改变了光源光谱分布，最终导致激发源辐射通量转换为可见光范围内光通量的效率η呈降低的趋势。这也间接说明在激发源电光转换效率一致的情况下，激发同一种荧光粉时，激发源光谱宽度越窄则光源光效越高。

图5 白光光谱随激发源光谱宽度的变化关系

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

4 结 论

荧光转换型白光是目前固态照明领域获取白光光源的主流技术。本文通过光谱计算的方法，研究了不同的激发源光谱对其辐射通量转换效率η的影响。研究结果表明：当光谱宽度较小时，转换效率随光谱宽度的增加而缓慢降低；当光谱宽度大于18 nm时，转换效率急剧下降。每种荧光粉都有其理想激发源光谱宽度范围，在此范围内激发源辐射通量转换效率高且受其光谱宽度影响较弱。在同样辐射效率的前提下，随激发源光谱宽度的增加，效率η整体呈降低趋势。且对应于特定荧光粉，激发源会有一个比较适合的光谱宽度范围。在此范围之内，随激发源光谱宽度的增加，效率η的变化相对稳定。本文研究结论可在荧光转换白光光源的应用中，为荧光粉选取最佳激发源提供理论计算依据。

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刘选福(1989-)，男，辽宁朝阳人，硕士研究生，2013年于大连大学获得学士学位，主要从事半导体照明器件的研究。

E-mail： x_f_liu@yeah.net

于晶杰(1974-)，女，辽宁大连人，博士，教授级高级工程师，2013年于大连理工大学获得博士学位，主要从事半导体照明发光材料以及光源器件的研究。

E-mail: yujingjie@dlpu.edu.cn

李德胜(1980-)，男，山东临沂人，博士，讲师，2009年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事激光应用技术及照明产品设计方面的研究。

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

辽宁省高等学校优秀人才支持计划(LJQ2014055)； 辽宁省自然科学基金(2014026004)； 大连市引智项目(大人社发[2013]189)资助

TN249； TN302

A

10.3788/fgxb20163709.1050