基于激光二極管(Laser Diode, LD) 的照明和顯示技術代表了半導體行業未來的重要發展方向之一，熒光轉換材料是決定激光照明的能量效率和顯示產品色彩品質的核心部件。黃色熒光轉換材料Y3Al5O12: Ce3+ (YAG: Ce3+)適合藍光LD激發、效率高、易于獲得白光，仍然是目前最為廣泛的研究對象。傳統熒光粉加有機硅膠的封裝模式熱導率低，LD激發下存在燒蝕、發黑、失效等問題。LD高功率激發密度的特點引發了熒光材料封裝技術革命性變更。為此，多形態、高熱導率的遠程熒光體應運而生。

　　近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所劉永福研究員應《發光學報》編輯部的邀請，撰寫了題為“YAG:Ce3+在激光照明應用中的研究進展”的綜述論文。該綜述論文主要對基于YAG:Ce3+的熒光玻璃、熒光薄膜、熒光晶體、熒光陶瓷等形態的制備方法及其在LD照明中的應用性能研究進行了總結，對熒光轉換材料和LD照明發展進行了展望。

　　背景

　　基于LED芯片的半導體照明和顯示技術經過長期發展，已經廣泛應用于各種照明和顯示領域。相較而言，激光二極管(Laser Diode, LD)在較小的體積下，易獲得更高的亮度，大功率驅動時的電光轉換效率更高。因此，基于LD的照明和顯示技術是未來發展的重要方向。

　　2005年，日本Nichia公司通過光纖耦合輸出激光激發熒光粉實現了白光發射。2011年，寶馬推出i8概念車，遠光燈LD照明系統與近光燈LED系統結合，使得汽車大燈的有效照明距離大為提高。2014年，奧迪推出配備激光大燈的概念車R8 LMX。隨著人們對智能控制、大功率、高亮度等需求的不斷提出，LD照明進入了快速發展期。近年來，以汽車大燈為代表的激光照明產品、激光投影電視為代表的激光顯示產品也在逐漸深入人們的生活。

　　目前，與LED照明器件類似，LD照明主要有三種實現模式。其中藍光LD芯片激發黃色熒光體模式，藍光與黃光混合后可直接形成白光。該工藝由單一的藍光LD芯片和單一的黃色熒光轉換材料直接構成，方案最為簡單。藍光LD芯片和黃色熒光轉換材料相對最為成熟，各自均有較高的效率，因此，該方案更易獲得高效率、高亮度的LD照明器件。

　　YAG為石榴石結構，屬于立方晶系，空間點群為Ia3d。1967年，荷蘭飛利浦實驗室G. Blass等人首次報道了YAG：Ce的發光性能。YAG：Ce的主激發峰在460 nm的藍光區域，能被藍光有效激發，具有較高的量子效率、良好的熱穩定性，與藍光芯片結合，可直接獲得白光。目前YAG：Ce黃色熒光粉已成為白光LED中最廣泛的研究對象和最成熟的商用熒光轉換材料。

　　在LD照明中，LD芯片激發功率密度高，極短的時間內即可達到很高的溫度。對于傳統的YAG: Ce熒光粉加有機硅膠涂覆的封裝模式而言，其熱導率較低(0.1-0.4 W m-1K-1)，LD芯片輻照下有機硅膠快速老化，甚至被激光燒蝕，器件性能急劇下降甚至失效。因此，傳統的有機硅膠封裝工藝已經無法滿足LD照明器件的服役要求，新型封裝工藝亟待開發。在大功率LED照明中，也存在大量高溫引起的器件快速老化、性能降低等問題。為此，人們提出具有高熱導率(1-15 W m-1K-1)的熒光玻璃、熒光薄膜、熒光晶體 、熒光陶瓷等遠程熒光體封裝模式。這些研究工作為LD照明用熒光體的開發提供了豐富的經驗。

　　借鑒大功率LED器件的研究經驗，人們將熒光玻璃、薄膜、晶體、陶瓷等各類熒光載體應用于LD照明研究中。2018年，中國計量大學王樂教授、廈門大學解榮軍教授及李淑星博士等人詳細總結了激光照明用各類熒光轉換材料的研究進展。其中YAG:Ce具有適合藍光激發、效率高等諸多優點。因此，結合藍光LD芯片，YAG:Ce熒光轉換材料再次成為LD照明中的研究熱點，并得到快速的發展。激光輻照時，隨著激光功率增加，熒光體的發光達到最大值后開始下降，這種現象通常稱為發光飽和效應，對應的激發功率稱為飽和功率，或者飽和功率密度。飽和功率越高，熒光轉換材料越適合大功率型LD，獲得高亮度照明。YAG:Ce為熒光主體，以玻璃(phosphor in glass, PiG)、薄膜(film)、晶體(single-crystal phosphor, SCP)、透明/陶瓷(transparent/ceramic phosphor, TCP/CP)等多種形式為載體(圖1)，應用于激光照明研究中。各類熒光體的開發目的均是為了提高熒光轉換材料的導熱性能，降低激光引起的發光熱猝滅效應，進而提升飽和功率和發光亮度。而各類遠程熒光體因制備工藝的不同，相應的發光特性和激光照明中的應用也各有特點。

　　因此，本文僅綜述了近年來以YAG: Ce為主體，以玻璃、薄膜、晶體、陶瓷為載體的各類遠程熒光體的制備工藝及其在激光照明應用中的研究進展。通過本綜述，可較為直觀的簡略了解激光照明對材料性能的需求、器件的發展應用等。

圖1 基于YAG:Ce的熒光晶體、玻璃、薄膜和陶瓷

　　展望

　　YAG: Ce適合藍光激發、發光效率高，仍然是下一代激光照明用的主流熒光轉換材料?；赮AG: Ce的各類遠程熒光體，發射光譜以黃光為主，青、綠、紅光成分不足。這導致LD照明器件的顯色指數偏低、色溫偏高，白光質量有待進一步提升。尋找適合LD光源高功率密度特點的多色熒光轉換材料，實現LD照明光源色彩品質的可控調節，是目前LD照明技術面臨的巨大挑戰之一。

　　在多色熒光轉換材料開發方面，人們將β塞隆和LuAG:Ce綠色熒光體、LSN:Ce黃色熒光體、CASN:Eu紅色熒光體引入LD照明中。此外，雖然470-500nm青色發光材料已有相關研究基礎，但是其在激光照明應用中的探索目前還是空白。因此，研究適合藍光激發的青色熒光粉具有極為重要的價值。

　　熒光玻璃薄膜工藝具有較強的包容性，商用綠、黃、紅等各色熒光轉換材料均可在同一薄膜中復合。同時輔助高導熱基板，為LD照明器件色彩品質的有效調控提供了一種方案。在相對較小的激光功率范圍內，預計該方案可以滿足LD照明器件的應用需求。而在較大激光功率下，熒光薄膜的長期服役穩定性有待進一步驗證。

　　熒光晶體、熒光陶瓷自身具有熱導率和機械強度高，抗熱震特性好，在各類激光功率服役條件下穩定性好。但現有熒光晶體、熒光陶瓷主要以單一發光色彩形式呈現，在色彩復合及白光色彩品質調控方面，還需開拓新的技術方案。同時，現有的商用氮化物、氟化物等紅色熒光材料，在陶瓷化復合過程中的氧化、腐蝕、分解等問題仍未解決。能夠實現穩定陶瓷化復合的新型紅色熒光材料是未來發展的一個方向。

　　除熒光轉換材料發光顏色之外，LD性能測試方式的差異化為統一標準評價激光-熒光轉換性能帶來了困難。激光-熒光轉換性能測試有透射、反射兩種模式。每一種模式中，熒光塊體材料的厚度、表面形貌、粗糙度、是否外接熱沉等因素均會影響材料的光轉換效率。激光功率是連續變化，還是單點采集，由此引起的熒光材料的發光飽和特性則截然不同。在發光飽和特性評估時，選取激光功率或激光功率密度等評估方式的差別，以及激光斑點尺寸信息不全、斑點尺寸測量時的誤差，為統一評估熒光轉換材料的激光功率耐受特性帶來了困難。因此，激光照明中相關測試標準的建立也是激光照明用熒光轉換材料性能評價必然面臨的問題。

編輯：嚴志祥