白光激光照明对荧光材料的要求

朱 宁

(上海航空电器有限公司，上海 201101)

引言

固态照明光源具有环保、光效高、寿命长等优点，是最具发展潜力的绿色光源，大力发展固态照明产业已成为世界各国的共识[1，2]。激光二极管(LD)具有亮度高、光电效率高且无“效率骤降”现象、照射距离远、散热系统更简单、尺寸小等特点，适用于高亮度需求的场所应用，尤其在高亮、高光效、远程照明领域具有显著的优势[3，4]。“蓝光之父”中村修二曾公开表示“未来10年，激光照明将取代LED 照明”[5]。

随着宝马i8、奥迪R8 LMX激光车灯等白光激光照明产品相继问世[6，7]，越来越多的研究机构、企业加入到激光照明技术的研究行列。本文重点分析了激光照明系统进入白光照明市场的性能要求，并归纳总结了白光激光照明对荧光材料的要求以及发展前景。

1 白光激光照明对荧光材料的性能要求

白光激光照明系统主要有两种结构[8，9]：①LD配合荧光材料出射白光；②多种单色LD混光出射白光。目前市场上主流的白光激光照明系统是借鉴白光LED配光原理，即采用蓝光LD作为激发光源，使用受蓝光激发发射黄色光(或黄色加红色)的胶合荧光粉或荧光陶瓷出射白光。为充分实现激光照明高亮、高光效的远程照明优势，白光激光照明系统要优先满足室外照明的一般要求，即出光为白光、高亮高光效、蓝光溢出符合光生物安全性要求、灯具失效时LD安全可控等。荧光材料是出含荧光材料的白光激光照明系统的核心发光器件之一，直接决定了白光激光照明的亮度和色坐标、色温、显色指数等CIE指标以及光色稳定性。

笔者根据照明与荧光材料行业的多年从业经验，归纳总结出含荧光材料的白光激光照明系统对荧光材料的性能要求，如图1所示。对于白光激光照明系统而言，荧光材料首先要具有较高的量子效率、化学性质稳定等一般要求，同时要满足激光照明应用的特殊要求，如荧光材料的基材具有较高的热导率以耐受LD的辐照热冲击，荧光材料的光谱特性要与LD光谱适配，白光激光照明用荧光材料在强光辐照下仍能维持较高的发光效率，以及长时间使用下的光色维持率。

图1 白光激光照明与荧光材料性能指标要求Fig.1 The requirements of white laser illumination to phosphor materials

2 白光激光照明对荧光材料发光效率的要求

激光照明系统的出光效率包括LD将电能转化为光能的电光转换效率、激光激发荧光材料产生荧光的光光转换效率和照明系统的光提取效率三部分。本文主要论述从荧光材料的角度推动激光照明的高亮高光效性能。

1)荧光材料的光谱特性。现阶段白光激光照明系统的推广主要集中在有高亮、高光效照明需求的室外场合，对白光的演色指数要求不高，常采用蓝光与黄光复合出射白光的配色原理。白光激光照明用荧光材料的光谱特性需要满足市场主流白光要求，如美国能源之星固体发光二极管(SSL)白光照明中对白光的定义；GB 4785—2007《汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》关于白光的定义；GJB 2020A—2012《飞机内部和外部照明设备通用规范》中对航空白光的定义。这就对荧光材料的光谱特性提出了特殊要求。

(a)激发光谱。本文测试了蓝光LD与蓝光LED芯片的发光光谱，如图2所示。市场上常见蓝光LD发射光谱的峰值波长为450 nm附近，谱宽只有5～10 nm，而蓝光LED光谱的峰值波长在470 nm附近，谱宽约100 nm。这意味着白光激光照明用荧光材料的激发光谱的强激发区域需要位于LD的峰值波长450 nm附近，以提高荧光材料对蓝光的吸收率。考虑到目前比较成熟的商用大功率蓝光LD波长为445 nm和455 nm两种型号，因此白光激光照明用荧光材料的激发光谱峰位可为445 nm或455 nm。

图2 蓝光LD和LED的光谱Fig.2 Emission spectra of blue LD and LED

(b)发射光谱。白光激光照明用的黄色荧光材料的发射光谱，不仅要满足与LD蓝光复配出射白光的要求，而且要具有较高的亮度，即宽谱发射且发射光谱波段与人眼明视觉敏感度的匹配程度高。根据CIE 1931白光配色原理，黄色荧光材料发射光谱的主波长λd为560～590 nm即可实现与450 nm的LD蓝光复配出射白光，发射光谱的峰值波长λp尽量靠近555 nm以提高人眼明视觉波段的匹配度。此外，激光照明用荧光材料的发射光谱不能有红外等其他非可见光谱线，以免降低蓝光的有效利用率甚至增加激光照明系统的散热负荷。

图3 人眼视觉敏感函数曲线Fig.3 Sensitivity characteristics of human vision system

2)荧光材料的发光效率。

(a)光光转换效率。荧光材料的光光转换效率直接决定着白光激光照明系统的亮度和照射距离[10]。现阶段用1 W蓝光激发荧光材料，商用白光LED的转换效率仅为170 lm/W，基于美国某型号荧光陶瓷的白光激光照明转换效率已达270 lm/W，但还需进一步提升荧光材料的转换效率，以满足高功率白光激光照明的应用需求。荧光材料的光光转换效率主要从以下几方面来提升：选择具有较高量子效率、宽谱发射的荧光材料体系；微调荧光材料配方以提升激发光谱和发射光谱与激光二极管光谱的适配性；优化掺杂浓度和制备工艺参数，控制微观结构缺陷，提升荧光材料发光效率。

(b)蓝光辐照淬灭。目前白光LED光源的荧光材料经受的蓝光辐照光功率密度大部分在1 W/mm2以下，最大不超过5 W/mm2。而白光激光照明系统常采用多颗LD共同汇聚成一个光斑，蓝光辐照功率密度大于5 W/mm2甚至100 W/mm2。在已商用的奥迪R8 LMX和宝马i8、7系等车型的激光远光灯上，激光光源的光功率密度至少达到了其他光源的5倍，据预测在2020年这一数字有望达到10倍[11，12]。

随着蓝光辐照功率增加，受激荧光材料的荧光强度上升，光光转换效率逐渐下降。当到达某个临界蓝光辐照功率密度时，荧光材料的荧光强度和转换效率急剧下降发生辐照淬灭。目前市场上LG开发的荧光陶瓷可承受15 W/mm2的蓝光辐照而不发生辐照淬灭[13]。未来白光激光照明需要更高的蓝光辐照淬灭功率，以提升高功率白光激光照明系统的转换效率和简化光机结构。

(c)高温荧光效率。高功率密度的蓝光辐照在荧光材料表面，会引起高达几百摄氏度的急剧温升，过高的工作温度会降低荧光效率[14]。这对荧光材料的高温荧光特性提出了新要求，首先要确保高温下的荧光强度与常温相当，其次要确保高温荧光的CIE光色指标与常温状态一致。为提升高温下的荧光效率和光色稳定性，需要从以下几方面针对现有荧光材料体系进行相应调整优化：选择具有较高热导率、晶格结构稳定的荧光材料种类；选择合适的物质形态，如陶瓷材料的散热优于粉加胶封装方式；必要时辅以固化晶格结构的掺杂元素，以及引入高热导率第二相物质，以提升荧光材料的综合热导率[13]。

3)荧光材料的光提取率。照明系统的发光器件不仅要具备较高的发光效率，同时要具有较高的光提取率。即荧光材料既要发出较多的光子，又要使这些光子尽可能多的出射至既定区域成为照明系统有效利用的光子。这需要对荧光材料的透明度、气孔率、表面结构等光学结构参数进行调整优化[15]，以满足各种型号的白光激光照明系统使用要求，提高白光激光照明系统的出光效率和均匀性。

3 白光激光照明对荧光材料寿命和可靠性的要求

白光激光照明特别适用于高亮高光效等特种照明场合，除了要具备通用白光照明的亮度、光通维持率等要求，还要考虑汽车远光灯等特种照明对抗震、抗热冲击等机械性能的特殊要求。因此，高功率激光照明用荧光材料还要具备优异的抗震、抗热冲击性能，在选材时兼顾荧光材料的强度、韧性、热导率等物理性能，选择合适的固态形式和有利于抗热冲性能的制备工艺和结构等，譬如在强蓝光辐照下陶瓷材料的使用寿命优于粉加胶的封装方式。

4 结束语

白光激光照明被誉为新一代照明技术，荧光材料作为核心发光器件直接决定着以“高亮、高光效”著称的激光照明系统的亮度和照射距离。需要针对现有荧光材料的光谱特性、高功率蓝光辐照和高温下的发光效率、以及陶瓷透明度等进行激光适配与提升，以满足白光激光照明的使用要求。

鉴于大功率LED照明对荧光材料的散热能力和高温荧光效率提出了更高要求，近年来单晶、透明陶瓷等这些导热性能优异的荧光材料得到了迅速发展，这为白光激光照明用荧光材料的开发打下了良好基础。目前，荧光粉加树脂硅胶的传统封装方式因热导率低仅适用于低功率白光激光照明；荧光单晶体过高的透明度降低了光提取率且生产成本较高导致了其在激光照明应用的局限性，而荧光陶瓷的掺杂浓度和透明度可调，具有优异的热导率且工艺技术成熟可控，因此陶瓷材料成为中高功率白光激光照明用荧光材料的首选。