掺杂型Ce3+:YAG晶体光纤白光源品质改善研究

摘要

白光LED是一种新型白光源,具有效率高、寿命长、不易破损,节能环保等传统光源无法比拟的优点,有望取代目前常用的荧光灯和白炽灯,成为新一代照明光源,具有广阔的应用前景。实现白光LED有多种方案,由于操作简单及蓝光转换效率高,目前在蓝光LED芯片上涂覆发黄光的Ce3+:YAG荧光粉已成为白光LED制作的主导方案。但是,用此方式制作的白光LED最大的不足是显色性偏低,主要原因是红光区域的荧光太弱。为解决这个问题,可采用在Ce3+:YAG荧光体中掺入能被蓝光激发的发红光的稀土离子,如Sm3+、Eu3+、Pr3+等来改善白光源的品质。
　　 本论文采用激光加热基座法(以下简称LHPG法)制备了白光源用Ce3+,Sm3+:YAG、Ce3+,Eu3+:YAG与Cea+,Eu3+:TAG晶体光纤以及Ce3+,Pr3+:YAG晶体光纤荧光材料,对其荧光光谱、白光源色坐标、色温和显色指数等进行了测试分析。
　　 论文对掺杂不同浓度Sm3+离子白光源用Ce3+,Sm3+:YAG晶体光纤进行了研究。结果表明:Sm3+离子的掺入使荧光谱中出现了Sm3+的三个主要发射峰567nm,601nm和617nm,他们分别对应4G5/2→6H5/2(567nm),4G5/2→6H7/2(601nm)和4G5/2→6H9/2(617nm)的能级跃迁。随着Sm3+浓度的增加,Sm3+的发光强度先增大,浓度为3％时发光强度最大,大于3％后开始减小,发生了浓度猝灭的现象,论文对其浓度猝灭现象进行了理论解释。对Sm3+离子掺杂浓度为3％的Ce3+,Sm3+:YAG晶体光纤荧光光谱与460nm蓝光混合后所形成白光的品质进行了测试,测出白光的光谱图和色度图,其色坐标为x=0.304,y=0.362,色温为5747,显色指数为68,比市售白光源的品质有了改善。为了进一步改善白光源品质,在掺杂Sm3+离子的基础上又掺入了发射带状光谱的Cr3+离子,其荧光峰在700nm左右,未对白光源品质有明显改善。
　　 对掺杂Eu3+离子的白光源用Ce3+,Eu3+:YAG晶体光纤的研究表明,Eu3+和Ce3+共掺入YAG晶格中时,460nm的光不足以使Eu3+离子产生红光辐射。对其原因进行了分析和推测。当Y3+离子完全被Tb3+离子代替时,在TAG晶体中,460nm的泵浦光引起了Eu3+的发射。这说明在TAG晶体中,Ce3+可以做为敏化剂直接将能量传递给Eu3+或者通过Tb将能量传递给激活剂Eu3+,当引入Tb后,激活能量将从Tb3+(5D4→7FJ)转移到激活剂Eu3+(7FJ→5DJ)。同时论文用能级图对其发光机制进行了解释。实验测得Ce3+,Eu3+:TAG晶体光纤荧光光谱与460nm蓝光混合后所形成白光的品质较市售白光源有了较大改善。其色坐标为x=0.347,y=0.338,色温为5199,显色指数达79。
　　 掺杂Pr3+离子的Ce3+,Pr3+:YAG晶体光纤材料也可以提高白光源的品质。掺入pr3+后,主要在610nm处出现了一个强度较大的锐线谱,它是由Pr3+离子1D2→3H4能级跃迁产生的。对其发光机制用能级图给予了解释。Ce3+,Pr3+:YAG晶体光纤荧光光谱与460nm蓝光混合所形成白光的色坐标为x=0.323,y=0.343,色温为5711,显色指数为80。由于Tb3+离子可以使Ce3+:YAG的荧光谱发生红移,所以为了进一步改善白光源品质,制备了共掺Pr3+和Tb3+离子的晶体光纤,而实验中却观察到Pr3+离子的猝灭现象,说明Tb3+离子充当了pr3+离子的猝灭剂。
　　 研究结果表明,用基于Ce3+:YAG晶体光纤为主体的荧光材料配合蓝光半导体光源可以得到品质较好的白光。同时,由于光纤的波导效应和低损耗,相比通常的荧光粉涂覆型半导体白光源,它具有更高的效率,为研制高效率和大功率的半导体白光源开辟了一条新的途径.

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 白光LED的发展历史

1.3 发光二极管的基本原理

1.4 白光LED的实现方案

1.4.1 三种实现方案

1.4.2 蓝光LED激发Ce3+:YAG荧光粉产生白光存在的问题

1.5 光源的光度学和色度学基础

1.5.1 色温和相关色温

1.5.2 显色性和显色指数

1.5.3 颜色方程

1.5.4 色度坐标和色度图

1.6 白光源品质改善研究

1.7 论文结构

参考文献

第二章 Re3+:YAG荧光材料能级理论和发光原理

2.1 稀土的电子层结构和光谱学性质

2.1.1 稀土元素和离子的电子层结构

2.1.2 稀土元素的光谱项

2.1.3 稀土离子的大小和价态

2.1.4 三价稀土离子的能级跃迁和光谱特征

2.1.5 稀土离子间的能量传递

2.2 掺杂用稀土离子的特性研究

2.2.1 Ce3+离子的能级和光谱特性

2.2.2 Sm3+、Eu3+,Pr3+等离子的特性

2.3 YAG晶体结构和性质

2.4 Re3+:YAG荧光材料发光原理

参考文献

第三章 掺杂型Ce3+:YAG晶体光纤的制备

3.1 概述

3.2 籽晶和粉末棒的制备

3.3 晶体光纤的生长

3.3.1 LHPG法生长晶体光纤的方法及实验装置

3.3.2 晶体光纤生长过程分析

3.3.3 掺杂型Ce3+:YAG晶体光纤的生长

3.4 本章小结

参考文献

第四章 掺杂型Ce3+:YAG晶体光纤的测试装置

4.1 测试装置和测试方法

4.2 激励光源、耦合器及传输光纤的选择

4.2.1 激励光源

4.2.2 耦合器

4.2.3 传输光纤

4.3 本章小结

参考文献

第五章 掺杂型Ce3+:YAG晶体光纤荧光特性研究

5.1 Ce3+:YAG荧光材料光学特性

5.1.1 吸收光谱

5.1.2 激发光谱

5.1.3 荧光光谱

5.2 白光源品质改善

5.2.1 Ce3+,Sm3+:YAG晶体光纤荧光光谱

5.2.2 Ce3+,Sm3+,Cr3+:YAG晶体光纤荧光光谱

5.2.3 Ce3+,Eu3+:YAG与Ce3+,Eu3+:TAG晶体光纤荧光光谱

5.2.4 Ce3+,Pr3+,Tb3+:YAG晶体光纤的荧光光谱

5.3 本章小结

参考文献

第六章 结论

6.1 引言

6.2 本论文得到的主要结论

6.3 本论文的主要创新点

6.4 本论文不足之处及展望

附录