高功率激光用600W级金刚石发光材料_资讯

高功率激光用600W级金刚石发光材料

关键词金刚石|2024-11-18 10:39:04|来源导热高分子材料

摘要与发光二极管（LED）相比，激光二极管（LD）具有无“效率下降”、高功率密度、高亮度、高准直等优点，在汽车强光、探照灯、航海照明、激光投影和显示等方面具有广阔的应用前景。实现超高亮...

与发光二极管（LED）相比，激光二极管（LD）具有无“效率下降”、高功率密度、高亮度、高准直等优点，在汽车强光、探照灯、航海照明、激光投影和显示等方面具有广阔的应用前景。实现超高亮度白光的一种新兴方法是荧光粉转换白色激光二极管 (pc-wLD) 技术，其中颜色转换器由蓝色 LD 通过远程配置（透射或反射）泵浦，以避免材料过热。目前，单晶（SC）、磷光体陶瓷（PC）、玻璃磷光体（PiG）和PiG薄膜（PiGF）已被证明可用作激光驱动的颜色转换材料。其中，PiGF通常印刷在高导热率（TC）的导热基板上，由于具有易于制备和可调节光学性能的优点，更适合pc-wLD。受益于高透光率和优异的机械性能，TC=30 W m−1K−1 的蓝宝石衬底得到广泛应用，相应地，PiGF@蓝宝石材料也成为研究的主流。然而，由于固有的热累积效应，PiGF@蓝宝石转换器仍然无法承受高激光功率密度（LPD）（≤25 W mm−2），相应的光通量（LF）增强受到限制。本质上，人们认为蓝宝石基板有限的TC阻碍了高性能PiGF颜色转换器的进一步发展。这对PiGF的散热性能提出了严格的要求。

作为导热系数最高（超过2100 W m-1K-1）的材料之一，金刚石基板具有稳定的物理和化学性能，近年来被用来解决大功率器件应用中的散热问题。例如带有嵌入式微流体通道的单晶金刚石冷却性能得到增强，金刚石/铜复合材料可以改善超高密度电子封装的散热。然而，基于金刚石的 PiGF 颜色转换材料及其在激光驱动照明和显示中的应用尚未见报道。

华中科技大学彭洋教授和福建师范大学陈大钦教授团队通过简单的低温共烧结策略设计和制造了透明金刚石上玻璃荧光粉薄膜的新型复合材料（PiGF@diamond）。他们所制备的PiGF@diamond 良好保留的原始荧光粉的光学性能，显示出约 599 W m-1K-1的创纪录热导率。此PiGF@diamond 复合材料表现出优异的综合性能，包括高导热率、高 LF 和出色的光致变色稳定性。相关研究成果“A Novel PiGF@Diamond Color Converter with a Record Thermal Conductivity for Laser-Driven Projection Display”发表在《Advanced Materials》上。

在本研究中，研究团队采用丝网印刷和低温共烧结技术制备了La3Si6N11:Ce3+ (LSN:Ce)基PiGF@diamond颜色转换器。由于玻璃基体传热通道的引入以及通过金刚石基板进一步有效的散热，LSN:Ce PiGF@diamond比原始荧光粉具有更好的热稳定性，所制备的PiGF@diamond的TC达到了创纪录的599.3 Wm−1K−1，约为比目前广泛使用的 PiGF@sapphire (≈10 W m−1K−1 ) 高 60 倍。因此，由于有效抑制了激光引起的热量积累，该颜色转换器可以承受高达40.24 W mm-2 的激光功率密度和5602 lm的最大光通量，而不会产生发光饱和。并进一步补充CaAlSiN3:Eu2+ (CASN:Eu)的红色光谱成分，成功构建了PiGF@diamond基白光激光二极管，可产生高显色指数89.3的暖白光，并进一步用作光源来构建高显色性激光驱动投影显示。这项研究提供了一种新颖的材料架构，以促进高亮度激光驱动产品的商业应用。