半导体白光源用Ce3+:YAG晶体光纤荧光材料制备与性能研究

摘要

白光LED具有高效节能、绿色环保、没有污染、寿命长等优点,有望取代荧光灯和白炽灯。白光LED有多种实现方法,由于操作简单及蓝光转化效率高,采用InGaN LED芯片涂上发黄光的Ce3+:YAG荧光粉已成为白光LED制作的主导方案。
　　 本文采用LHPG法成功制备了白光源用Ce3+:YAG、Ce3+,Tb3+:YAG,Ce3+,Gd3+,Pr3+:YAG以及Ce3+,Eu3+:TAG晶体光纤,对其光谱、色温、色坐标、荧光一温度特性进行了测试。
　　 论文对不同掺杂Tb3+浓度白光源用Ce3+:YAG晶体光纤进行了研究。结果表明:Ce3+:YAG晶体光纤最大吸收峰的位置不会随Tb3+掺杂浓度变化发生改变,随着Tb3+的浓度增加,荧光光谱发生红移,可以搭配不同波长的蓝光LED。采用晶体场理论和位形坐标两种理论对此现象进行了解释。
　　 论文针对市售白光LED普遍存在红光成分偏少问题,通过在Ce3+:YAG晶体光纤材料中掺杂发红光的稀土离子加以改善。TAG:Ce3+,Eu3+晶体中,在不同Ce3+,Eu3+掺杂浓度下均有Ce3+,Eu3+发光,在TAG晶体中,Ce+做为敏化剂直接将能量传递给Eu3+或者通过Tb子晶格将能量传递给激活剂Eu3+。其发光机制用能级图给予解释。实验测的,TAG:Ce3+,Eu3+晶体显色性为89,白光色坐标为(0.332,0.335),接近白光的标准(0.333,0.333)。
　　 共掺Ga3+,Pr3+的Ce3+:YAG也可以提高白光源中的红光发射。掺杂Pr3+后,发现光谱上有五个荧光峰,其原因与Ce3+敏化作用有关。当Ce3+处在5d激发态时,通过辐射跃迁把一部分能量转移给Pr3+的1D2能级,当其跃迁回3H4时产生610.1nm的荧光;通过无辐射跃迁把一部分能量传递给Pr3+的3p0能级,当其跃迁回3H4和3H5时分别产生486.4nm及637.21nm的荧光。由于Ce3+:YAG晶体对486.4nm处的荧光有吸收,所以荧光强度相对较弱。掺杂后色坐标为(0.333,0.316),显色性为90.2,白光源的品质均有很大的改善。
　　 实验对共掺Gd3+,Pr3+的Ce3+:YAG、掺杂Eu3+的Ce3+:TAG、以及未掺杂的Ce3+:YAG晶体光纤荧光温度效应测试,发现掺杂后均比未掺杂的晶体材料,荧光衰减的快,并且掺杂Eu3+的Ce3+:TAG比共掺Cd3+,Pr3+的Ce3+:YAG荧光衰减的快。
　　 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高效、光色良好的半导体白光源。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具有更的高的效率,为研制高效的半导体白光源开辟了一种新途径。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 白光发光二极管

1.2.1 白光LED发展概述

1.2.2 发光二极管的基本原理

1.2.3 白光二极管实现方案

1.3 白光LED荧光粉

1.3.1 白光LED荧光粉合成方法

1.3.2 蓝光LED激发CE3+:YAG荧光粉产生白光所存在的问题

1.3.3 YAG:CE3+衍生系黄色荧光材料代表TAG:CE3+

1.4 白光LED的技术指标

1.4.1 色匹配函数和色坐标

1.4.2 色温

1.4.3 显色指数

1.5 本论文研究内容及目标

1.6 论文结构

参考文献

第二章 RE3+:YAG荧光材料能级理论

2.1 荧光发光材料

2.1.1 固体发光原理

2.1.2 荧光材料

2.2 RE3+:YAG电子层结构和光谱学性质

2.2.1 稀土元素的电子层结构

2.2.2 稀土元素的价态

2.2.3 稀土元素的光谱项

2.2.4 三价稀土离子能级跃迁及光谱特性

2.3 CE3+离子在YAG晶体场中的能级分裂

2.3.1 CE3+离子掺杂荧光材料

2.3.2 CE3+离子在YAG基质晶体场中的能级分裂

2.3.3 YAG晶体场中CE3+离子能级模型

2.3.4 YAG晶体场中CE3+离子位形坐标模型

2.3.5 CE3+:YAG晶体温度猝灭效应

2.4 TB3+,Eu3+离子的的特性研究

2.5 PR3+离子在YAG晶体场中的能级分裂

参考文献

第三章 晶体光纤荧光材料制备

3.1 概述

3.2 Y3AL5O12(YAG)结构与性质

3.3 掺杂离子的YAG晶体光纤生长

3.3.1 激光加热基座法(LHPG)原理及实验装置

3.3.2 源棒的制备

3.3.3 晶体光纤生长过程分析

3.3.4 掺杂离子的YAG晶体光纤生长

3.4 本章小结

参考文献

第四章 RE3+:YAG晶体光纤荧光材料测试实验装置

4.1 系统概述

4.2 激励光源、传输光纤及准直器的选择

4.2.1 激励光源

4.2.2 传输光纤

4.2.3 光纤准直器

4.3 光路耦合设计

4.3.1 LED光源与Y型光纤的耦合

4.3.2 YAG传感光纤和Y型光纤之间的耦合

4.3.3 Y型光纤与光谱仪之间的耦合

4.4 LED驱动电路设计

4.5 本章小结

参考文献

第五章 CE3+:YAG晶体光纤荧光特性研究

5.1 CE3+:YAG荧光光纤材料光学特性

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 掺杂TB3+的CE3+:YAG荧光光谱

5.2.2 掺杂EU3+,CE3+:TAG的荧光光谱

5.2.3 共掺GD3+,PR3+,CE3+:YAG的荧光光谱

5.3 温度特性

5.4 本章小结

参考文献

第六章 结论

6.1 引言

6.2 本论文主要得到的结论

6.3 本论文主要的创新点

6.4 本论文不足之处及展望

附录

致谢