光源是投影顯示的核心部件，其光學效能決定了系統效率和成像質量。隨著固態照明時代的到來，開發以發光二極體（LED）和鐳射二極體（LD）為光源的投影顯示技術成為方向。然而，LED投影儀在低輸入電功率密度下亮度不足，提高功率密度又會導致“效率驟降”，嚴重製約其在數字影院等大功率應用場合中的應用。此外，LED大發光面積和朗伯型發射的特徵，會導致光學擴充套件量過高，系統效率偏低。以紅、綠、藍三基色LD為光源的鐳射投影看似是一種極佳的解決方案，但由於強相干鐳射束間會產生光干涉，造成嚴重的散斑噪聲，而不得不採用振鏡或其他昂貴的消散斑技術加以克服，成本極高。同時，鐳射器產品中，綠色鐳射器的效能普遍不佳（被稱為Green Gap，即綠隙）。鑑於此，近年來基於“藍色鐳射+綠色熒光轉換材料”的技術方案引起研究者關注，開發可補償“綠隙”的高效綠色熒光轉換材料是實現該技術的關鍵。
近日，中國科學院福建物質結構研究所研究員王元生、林航團隊採用β-SiAlON:Eu2+商用窄帶綠色熒光粉為原料，與全無機Si基玻璃進行低溫共燒，使之以膜層形式與高導熱藍寶石基板複合。實驗表明，經最佳化，β-SiAlON:Eu2+微晶玻璃膜-藍寶石複合材料具有較高的內量子效率（~60%），熒光顆粒未受顯著熱侵蝕。同時，材料兼具高熱導率（接近10 W m-1K-1，可媲美優質透明熒光陶瓷）和高抗熱猝滅效能（200℃時熒光積分強度相較室溫下降不超過8%）。旋轉反射模式下，由於脈衝式激發以及“熒光色輪”加強了與空氣的熱傳導，材料承受熱負荷大大減輕（表面溫度始終維持在100℃以下），直至22 W/mm2激發功率密度下仍未發生明顯的發光飽和現象。鐳射-微晶微區相互作用的研究結果表明，發光飽和現象主要由熱猝滅決定，但由非線性上轉換過程所主導強度猝滅的影響仍不容忽視。基於“藍光LD+紅光LD+綠色熒光材料”封裝，科研團隊構建了高亮度（光通量1310 lm，對應880 Mcd/m2)、低光學擴充套件量（~1.5 mm2），寬色域（~112.5%NTSC）鐳射投影顯示光源。
在另一項工作中，該團隊針對窄帶綠色鈣鈦礦奈米晶耐鐳射輻照閾值低的問題，設計出一種新型的鈣鈦礦奈米晶發光微晶玻璃膜-藍寶石複合材料。研究表明，透過玻璃受控晶化， CsPbBr3奈米晶單分散分佈於非晶玻璃基體中，並且經低溫共燒不會造成CsPbBr3奈米晶的熱侵蝕。受益於玻璃基質的魯棒性以及高熱導率藍寶石基板優異的散熱性，該複合材料具有良好的抗熱衝擊性、抗溼性、耐鐳射輻照性。透過構建“熒光色輪”，可將連續鐳射輻照轉變為脈衝式鐳射輻照，使熱失控效應大幅減輕，材料的發光飽和閾值因此得以提升至7 W/mm2。構建的鐳射投影原型光源具有低光學拓展量（0.41 mm2）、寬色域（128.4 % NTSC，即96.2 % Rec.2020）和適中的光通量（174 lm）的特點。
相關成果分別發表在光學期刊Laser & Photonics Reviews上。研究得到國家基金委海峽基金重點專案、國家基金面上專案以及福建省科技專案等支援。
來源： 福建物質結構研究所
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100317
