激光照明用荧光材料现已成为固态照明领域的研究热点。随着相关研究的不断深入和细化，科研人员对于荧光材料的认知也在不断提升。然而，现有激光照明用荧光材料的设计和研究思路在很大程度上仍受wLED产业的影响，在材料器件化的过程中会存在种种问题。
近日，河南理工大学徐坚副教授、刘丙国副教授、硕士研究生陈鑫溶在《发光学报》（EI、核心期刊）发表了题为“面向器件化的激光照明用荧光材料设计”的综述文章。该综述从工程应用角度出发，探讨激光照明用荧光材料应具备的核心特性。简述了荧光材料应用于激光照明和大功率wLED场景的区别，指出了一些现有荧光材料设计和表征中存在的误区，归纳了荧光材料在面向激光照明应用时的设计规则及其机理，介绍了一些商用荧光材料的设计和封装方案，并探讨了几种潜力较好的材料设计和制备方案。最后，展望了相关研究的发展趋势。值得注意的是，该文章采用了一些较为轻松活泼的语言对材料的设计规律进行了总结，包括“一薄遮百丑”、“未必要致密”、“做足表面功夫”等。本文将对相关内容展开介绍。
图1：激光照明的一些商业化产品
▍引言
由于LED存在“Efficiency droop”问题，导致现有的LED技术难以满足在超高亮度照明和显示领域的应用要求。与LED不同的是，激光二极管（Laser diode, LD）在很大的驱动电流范围内不存在“Efficiency droop”问题。该特性意味着LD理论上可实现远高于LED的峰值光输出功率和功率密度。因此，基于蓝光LD激发荧光材料的荧光转换型白光激光二极管（Phosphor-converted white laser diode, pc-wLD）技术为实现超高亮度固态光源提供了可能。
荧光材料是pc-wLED、pc-wLD的核心组件，决定了光源的能量效率和光度/色度性质。与pc-wLED不同的是，荧光材料应用于pc-wLD时需额外考虑“光饱和”、“热饱和”以及“光斑扩展”问题。荧光材料具备较高的饱和阈值，是pc-wLD实现高亮度的必要条件。但需要指出的是，荧光材料仅具备高饱和阈值并不足以获得高亮度，高亮度光源的发光面积不宜过大，因此，pc-wLD荧光材料还需考虑其“光斑尺寸限制能力”，即光斑限域。
图2：LD激发荧光材料后发光光斑扩展示意图
▍激光照明荧光材料设计的研究进展
现阶段，解决光饱和的主要方法是选取荧光寿命较短的发光中心，如荧光寿命为微秒级及以下的Eu²⁺和Ce³⁺。解决热饱和的主要方法是从“降低产热”和“提高散热”两方面入手，对应的解决方案分别是提高内量子效率、增加材料的热导率以及开发热猝灭低的材料。其中，提高热导率最直观朴素的思路是提高材料的致密度和与高热导率材料复合（Al₂O₃、AlN等）。此外，色轮高速旋转可在不增加发光面积的情况下，将热负载分散到一个环带状区域，也是有效缓解热饱和的方法。值得注意的是，对于荧光寿命较长的材料（Mn⁴⁺），利用合适的激光脉冲频率配合合适的色轮转速，其光饱和也有望得到缓解。
目前，荧光材料对光斑尺寸限制能力的研究仍处于早期探索阶段，相关的研究报道较少。河南理工大学徐坚副教授团队在2020年与丹麦技术大学团队合作搭建了更加完善的光斑测试系统，利用该系统，团队对多种荧光材料的光斑限制能力展开了系统性的评估，进一步探索了多个微结构参数对材料光斑限制能力与发光效率的影响。基于实验测试信息，与光斑尺寸限制相关的研究存在一个亟待解决的关键机理问题，即为什么引入和控制气孔（或其他散射源）可以限制光斑尺寸？以强散射源气孔为例，徐坚副教授团队系统总结了其在荧光材料中限制光斑尺寸的作用机理，如图3所示。