近日，厦门大学材料学院解荣军教授带领的光电功能材料与器件课题组在《发光学报》发表了题为“光斑调控对激光荧光材料性能评价的影响”的论文。
该工作以Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺-Al₂O₃（YAG:Ce-Al₂O₃）荧光薄膜为例，通过对蓝光激光激发荧光薄膜的光斑尺寸的调控，系统研究了激光荧光材料的最大输出光通量、发光饱和阈值、色温、色坐标、光均匀性等光学性能随光斑面积的变化情况，揭示了光斑大小对最大输出光通量、发光饱和阈值以及光均匀性的显著影响，对规范激光荧光材料的性能评价提供了指导性思路。
为使广大同仁深入了解该篇论文的研究内容，文章作者应编者邀请撰写了本篇报道。
新一代激光照明技术的崛起
激光光源相对于LED光源具有发光面积小、功率密度高、光束发散角小且不存在“效率滚降”等优点，是实现高亮度照明与显示的理想激发光源。基于蓝光激光激发荧光材料的光转换技术可以获得亮度高、准直性好、光衰低的白光光源，在高亮度照明（如汽车大灯、探照灯、搜索灯）和超大型显示（如巨幕电影、大尺寸电视和投影仪、大型拼接墙）等应用领域具有巨大的应用价值。

图1：透射模式下激光驱动荧光微晶玻璃薄膜（原位烧结在镀有光子晶体的蓝宝石基板上）获得白光光源（图源：ACS Appl Mater Inter, 2018, 10, 14930）

实现激光照明技术的关键在于研制耐高功率密度激光激发且光学性能优异的荧光材料，即激光荧光材料。近年来，厦门大学解荣军教授带领的科研团队率先开展相关研究，自主搭建了完善的测试平台。
在材料体系方面，厦大团队将材料体系从石榴石结构的氧化物体系拓展至氮化物体系（如CaAlSiN₃:Eu，La₃Si₆N₁₁:Ce，HP-CaSiN₂:Ce等），使发光颜色从绿色、黄色向橙色和红色发展，首次成功制备了致密的氮化物红色荧光陶瓷，为提高器件的色彩饱和度提供了关键材料；在性能调控方面，厦大团队首次提出微区热场和光场调控，制备了微孔荧光陶瓷，抑制了光斑面积的扩大，提高了光源中心亮度，改善了光色均匀性；在产业化应用方面，厦大团队自2017年开始陆续与激光照明与显示企业开展合作，与超视界激光科技（苏州）有限公司合作开发激光大灯和航空搜索灯，光通量分别为3 300 lm和20 000 lm。
尽管近年来领域内掀起了激光荧光材料的研究热潮，但是激光荧光材料的应用评价并没有突破现有LED荧光材料的框架，相关评价标准和规范尚未建立，导致材料的性能评价不尽合理。本研究以光斑面积为例，展示其大小会显著影响光通量、光斑亮度、发光饱和阈值等参数的测量值，以引起领域内研究人员对相关问题的思考。
光斑调控如何影响激光荧光材料的性能评价
光斑面积对正确评价激光荧光材料的光学性能具有十分重要的影响。近日，来自厦门大学的研究团队以荧光微晶玻璃薄膜（简称荧光薄膜）为例，通过调控蓝光激光激发荧光薄膜的光斑面积，系统研究了激光荧光材料的最大输出光通量、发光饱和阈值、色温、色坐标、光均匀性等光学性能随光斑面积的变化情况，揭示了光斑面积对最大输出光通量、发光饱和阈值以及光均匀性的显著影响，为规范激光荧光材料的性能评价提供了指导性思路。
在激光测试装置中（图2），利用透镜元件对光路进行调控和聚焦。评价荧光材料在激光激发下的光学性能时，应将其放置在入射激光光斑面积最小处，即透镜焦点处。为了研究光斑面积对荧光材料输出光学性能的影响，对荧光薄膜距透镜焦点的距离进行调控。

图2：透射式激光测试装置

将荧光薄膜分别置于透镜焦点处、距透镜焦点0.2 mm和 0.4 mm处，相对应的光斑面积分别为0.5 mm²、1.11 mm²和2.99 mm²。
结果表明，当光斑面积从0.5 mm²增大到2.99 mm²，最大光通量从926 lm增大到1 655 lm，发光饱和阈值从14 W/mm²增大到24 W/mm²（图3）。

图3：荧光薄膜位于离透镜焦点不同距离时的性能评价：(a)光通量；(b)亮度曲线；(c)色温；(d)照度。

同时，光源亮度从0.14 Mcd/m²减小到0.045 Mcd/m²，不同角度的色温标准偏差相对值σ从1增加到1.91。
由此可知，光斑面积对激光荧光材料的光学性能评价有显著影响。光斑面积增大，输出光通量和饱和阈值高于实际值，但光源中心亮度降低，色温均匀性变差。从获得高亮度光源的初衷出发，应确保荧光材料位于光斑面积最小处。光斑调控是激光荧光材料性能评价的关键环节，也是获得高亮度光源的核心所在。
本研究展示了光斑面积对激光荧光材料各项参数评价的重要影响。鉴于此，研究者应对光斑调控以及光斑面积进行详细说明，否则将造成激光荧光材料的光学参数值无法比较。激光照明领域的光学性能评价对于激光照明技术的发展起着至关重要的作用，相关评价标准的建立也势在必行。
论文信息：
黑玲丽, 李淑星, 程璇, 解荣军. 光斑调控对激光荧光材料性能评价的影响 [J]. 发光学报, 2021，42（10）:1646-1652. DOI：10. 37188/CJL. 20210132.
http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210132