解荣军团队Acc. Mater. Res.：下一代照明应用的激光荧光粉

激光二极管(LD)无“效率下降”，可承受超高的功率密度。激光驱动的白光光源(蓝色LD +激光荧光粉)具有超高亮度和高方向性，已经出现在各种应用中，包括照明、显示、通信和内窥镜。激光荧光粉是该技术的关键组成部分，它决定了器件的光效、亮度和颜色质量。

然而，大多数荧光粉在高功率密度的蓝色激光激发下会出现严重的亮度饱和。热猝灭和光激发猝灭的协同作用导致发光饱和，分别称为热致发光饱和和光致发光饱和。为了避免亮度饱和，激光荧光粉应具有以下优点，以承受高功率密度的激光激发: (i)高内量子效率; (ii)小斯托克斯位移; (iii)低热猝灭; (iv)热导率高; (v)衰减时间短。

图1 (a)亮度饱和度; (b)热致发光饱和度; (c)光致亮度饱和

图2 不同激光荧光粉的优缺点: (a) PiGs; (b)单晶; (c)荧光陶瓷; (d)荧光粉薄膜。

图3 激光荧光粉和激光驱动白光源的性能评价: (a)光效和通量; (b)光点面积和亮度; (c)光线均匀性

人们已经研发了多种Robust无机荧光粉用于激光激发。其中，荧光陶瓷以其优良的可靠性和丰富的微观结构可调性是高功率密度激光激发的最佳选择，而荧光粉膜层作为补充元件，以较低的制造成本实现灵活的色彩调谐。

此外，LED荧光粉的性能评价方法并不都适用于激光荧光粉，因为光转换过程只发生在小光斑区域内。首先，激光驱动照明中的颜色转换过程发生在激发蓝色激光器和荧光粉之间的一个小界面上，输出光通量从透射面或反射面收集，以供实际应用。因此，在测量激光荧光粉的光通量时，样品应该放在积分球的入口或出口，而不是像LED照明那样放在积分球的中心。第二，在颜色转换过程中，入射的蓝色激光光斑会变宽。将入射激光光斑与真实光斑进行比较，提供了一个评价激光荧光粉光约束能力的度量。真实光斑面积也是计算光源亮度的一个关键参数。

因此，光斑面积的精确测量非常重要，但大多数研究都忽略了这一点。第三，激发蓝光具有高斯分布的高度准直性，而荧光粉转化的黄光的能量则遵循Lambertian分布。这种内在的差异导致蓝光和黄光的混合不均匀，必须测量激光驱动的白光光源的光均匀性来评价色质。

此外，本文还提出了未来的研究重点，即发展高性能的红色发光激光荧光粉和扩展相关的应用到通信领域。本文将促进激光荧光粉和激光驱动照明应用的科学和技术发展。

红光激光荧光粉短缺

目前，激光驱动的高显色指数的白光光源是在极大地牺牲其发光效率的代价下获得的。红色激光荧光粉的短缺是制约高色质、高亮度激光驱动白光源研制的关键瓶颈。我们已经证明了在高功率密度激发下发光的猝灭速率在很大程度上取决于荧光粉的衰变时间。因此，建议在激光照明应用中筛选Ce3+激活的红色荧光粉，而不是Eu2+-或Mn4+-激活的红粉。遗憾的是，现有的Ce3+激活的红色荧光粉不能用于激光照明，因为它们要么表现出大的热猝灭，要么表现出低的量子效率，或者不能被蓝光有效泵浦。因此，高性能Ce3+激活的红色激光荧光粉一直是人们追求的目标。

传统上，试错法是发现新型荧光粉的主要方法。在过去的二十年中，一些半经验的方法，如化学单元替代、单粒子诊断和组合固态化学，已经被开发来加速这一过程。然而，这些策略不能实现荧光粉的定向设计。

为了寻找Ce3+掺杂的红光荧光粉，Xia等人利用经验结构准则从无机晶体结构数据库(ICSD)中确定了一种很有前途的候选激光红粉。HP-CaSiN2: Ce3+在610 nm处有一个发射峰，在450 nm激发下量子效率为40.3%，其亮度饱和阈值高达10.89 W/mm2。它比那些报道的同类产品好得多。最近，高通量计算和机器学习提供了一种更高效、更经济的方法来发现具有可预测性质的新的荧光粉。我们建立了一个物理模型来预测Eu2+的发射波长，误差仅为7.0 nm，这为Ce3+激活的红外激光荧光粉的in silico靶向设计开辟了道路。

激光荧光粉性能评价标准

目前，还没有一个通用的激光荧光粉性能评价指南。人们通常简单地用表征LED荧光粉的标准来评价激光荧光粉，这与实际应用有很大的差距。此外，不同研究组的材料性能测试数据无法进行合理的比较。缺乏适当的评价标准在很大程度上阻碍了激光荧光粉的发展和应用。因此，需要仔细考虑一些具体细节。

首先，在测量光通量时，应将激光荧光粉样品放置在入口或出口，而不是积分球的中心。其次，光斑面积的测量对于评价激光荧光粉的光约束能力和白光光源的亮度非常重要。然而，在大多数已发表的研究中，这一点总是被忽略，从而误导了激光荧光粉的优化。第三，在激光驱动的白光光源中通常会出现“蓝圈”或“黄圈”，这种不均匀的光在实际应用中是不可接受的。然而，如何评价光均匀性的标准还没有形成。因此，建立合理可靠的评价标准是该领域未来发展的基石。

未来的应用

激光驱动的白光光源在亮度高、光束小、结构紧凑等方面具有很大的优势。它们可以在汽车大灯、探照灯、投影仪、激光电视、可见光通信和医疗内窥镜中找到广泛的应用。随着高性能黄色激光荧光粉的发展，由黄色激光荧光粉与蓝色发光二极管组合而成的超亮度激光驱动白光源已经在远距离照明中得到了应用。含有绿色和红色荧光粉的双色PiG薄膜在医用内窥镜中显示出巨大的潜力，可实现2500 - 6300 K的可调色温和高达95的Ra值，但光通量仅为287 lm。采用高效红色激光荧光粉可大大提高高显色白光光源的亮度。在激光显示中，红色LED通常用于补充红色光谱组件，但由于成本高，它不是激光照明的一个好选择。

除了照明和显示，激光驱动的白光源在可见光通信应用中也引起了广泛关注。绿光是水下无线光通信(UWOC)中常用的数据传输介质。研究表明，激光驱动的高亮度绿光是UWOC避免LD“green gap”的一种有前途的光源。未来的工作需要开发衰减时间短、发射带窄、量子效率高的绿色发光激光荧光粉，以实现更快的传输速率和更长的传输距离。总的来说，激光荧光粉为实现高性能激光驱动光源奠定了基础，对激光荧光粉的不断研究将提供更多的应用机会。

本综述总结了发展激光荧光粉的主要挑战。

第一个挑战是高功率密度激光激发下荧光粉的亮度饱和问题。阐明了激光荧光粉的基本机理，提出了激光荧光粉的设计原则，特别是红光荧光粉的设计原则。

第二个挑战是缺乏对激光荧光粉的评价标准。白光LED照明与激光驱动照明的巨大差异，要求激光荧光粉有更合理的方法来评估发光效果、光束大小和光均匀性。

第三个挑战是亮度饱和度非常小的红色激光荧光粉的短缺，从而阻碍了高端激光照明和显示器的发展。

此外，还可以总结出激光荧光粉的筛选原理: (i)内量子效率高; (ii)吸收率高; (iii)低热猝灭; (iv)热导率高; (v)衰减时间短; (vi)适当的透过率(适用于透过光学结构); (vii)激发激光在光斑内的强全反射。

这些挑战和筛选原理将引发对激光荧光粉的广泛研究。

Laser Phosphors for Next-Generation Lighting Applications, Acc. Mater. Res. 2022

https://doi.org/10.1021/accountsmr.2c00193

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